Física (plan 2002) 2014-1

Optativas, Temas Selectos de Termodinámica y Física Estadística I

Objetivo: Tratar de entender desde un punto de vista cuantitativo de la física la forma en que las células detectan, modifican y responden a las propiedades físicas dentro de su medio ambiente. Se estudiara la mecánica de moléculas poliméricas, de redes de polímeros, membranas bidimensionales, propiedades mecánicas del citoesqueleto.

Introducción:

Debido a que la célula es la "unidad funcional" de cualquier tejido todos los cambios en la morfología de un organismo son el resultado colectivo de eventos a nivel de una célula. La forma de una célula esta definida por el material con el que esta hecha y por sus propiedades activas balanceadas por fuerzas externas. El control de la forma de la célula depende de la mecánica intracelular y de su interacción física con su medio ambiente. La forma de una célula se define por la información geométrica del espacio disponible ocupado por la célula y esta determinado por sus fronteras externas. La forma de la célula es el resultado del balance mecánico de las fuerzas ejercidas sobre la membrana celular por componentes intracelulares y el medio externo. Como tal, es esencialmente una propiedad física controlada químicamente por una variedad de trayectorias de transducción celular. Por tanto, para estudiar como las células regulan su forma es necesario entender cómo regulan sus propias propiedades mecánicas. Las fuerzas intrínsecas ejercidas sobre la membrana son en su mayoría el resultado directo de la reorganización del citoesqueleto. Las redes de actina y miosina del citoesqueleto contraen la célula durante la citocinesis, migración y contracción apical. La polimerización de las redes de actina pueden también producir extensiones de la membrana así como la formación de protrusiones tales como la lamelipodia y la filopodia. Por otra parte, la presión intracelular de origen osmótico o bien la presión generada por la contracción de las redes del citoesqueleto dan lugar a deformaciones de la célula. Las fuerzas extrínsecas que se ejercen sobre la célula son debidas a su adhesión a las componentes de su entorno que puede estar formado por células vecinas o bien por la matriz extracelular. El balance que resulta de la acción de las fuerzas extrínsecas e intrínsecas es lo que controla los cambios en la forma de la célula. En combinación con la división celular, el crecimiento y la muerte, cambios de forma en una célula individual son cruciales para el proceso de morfogénesis.

El movimiento de una sola célula ocurre en dos ciclos sincronizados: Uno que involucra la extensión y la contracción del citoesqueleto y el otro que involucra la formación de sus adhesiones así como del proceso de separación o desapego. Motores moleculares inmersos en el citoesqueleto convierten energía química en trabajo mecánico mediante el deslizamiento de filamentos. La acción colectiva de los motores y filamentos produce una distribución de esfuerzos en el citoesqueleto produciendo a una dinámica complicada que da lugar a funciones celulares especificas tales como: la migración, la división, y la morfogénesis de los tejidos. Para tratar de entender esta dinámica se analiza el comportamiento fuera de equilibrio producido por las fluctuaciones de la red de filamentos y motores moleculares que constituyen el citoesqueleto. Por otra parte, la miosina, reorganiza las redes de actina que forman el citoesqueleto y a escalas de longitud suficientemente grandes se puede modelar el citoesqueleto como un "gel polar activo" que da lugar a patrones de flujo que son cualitativamente consistentes con la dinámica inducida por los motores moleculares.