La mecánica cuántica explica cómo el músculo produce la fuerza

No hace tanto tiempo que los biólogos hubiese jurado que su disciplina nunca se vería afectada por los extraños efectos de la mecánica cuántica. Hoy, la biología cuántica es una disciplina emergente en muchos laboratorios alrededor del mundo y sólo los valientes (o estúpidos) ahora discuten la idea de que los efectos cuánticos juegan un papel importante en la función de las moléculas biológicas, en las células e incluso en el cerebro.

Hoy añadimos el músculo a la lista. Tieyan Si del Instituto Max Planck para Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, ha creado un modelo cuántico de comportamiento muscular. Su idea es que la miosina, el motor molecular responsable de la contracción muscular, es, en esencia un objeto cuántico y que su comportamiento se describe mejor con la mecánica cuántica.

La parte que ‘trabaja’ de la fibra muscular es la actina, que actúa de forma similar a una cuerda y la miosina, que es el motor molecular que trabaja como si fuese un soga-tira. La estimulación eléctrica pone a ambos equipos a trabajar, quienes de forma frenética tiran de sus cuerdas y provocan que el músculo se contraiga. La fuerza real que produce el músculo es el resultado de muchos motores de miosina tirando y relajándose, aunque no necesariamente de forma coordinada.

Contracción muscular

Contracción muscular. Wikipedia.

El reto para los teóricos es averiguar cómo estos motores moleculares generan las curvas de fuerza y relajación que se dan en los músculos reales. Estas han sido muy bien estudiadas en sistemas tan diferentes como el músculo del corazón de mamíferos o como alas de insectos. Además, los biomecánicos conocen desde hace mucho tiempo que los diferentes tipos de músculo y funciones musculares producen diferentes curvas de fuerza. Por ejemplo, las contracciones que se relajan rápidamente tienen una firma de fuerza diferente a la de los que se relajan de forma más lenta. Explicando esto con una teoría clásica simple no es fácil.

El enfoque de Si es simplemente asumir que cada motor de miosina es un objeto cuántico que puede producir dos formas y que el interruptor entre estas provoca la contracción. En otras palabras, tiene dos estados -también se han investigado sistemas con tres estados. La miosina intercambia los estados absorbiendo la energía y se relaja emitiéndolo. El efecto combinado de todos los intercambios determinan el comportamiento de la fibra.

Una fibra muscular, por tanto, es simplemente una cadena de estos objetos cuánticos, por lo que es posible derivar un objeto matemático conocido como Hamiltoniano que describe el comportamiento. La pregunta que Si formula es a qué tipo de curvas de fuerza-relajación lleva este Hamiltoniano.

La respuesta es que “este sistema cuántico Hamiltoniano nos da la relación fuerza-velocidad clásica no sólo para una relajación rápida si no también para una relajación lenta y estados inestables”.

Se muestra que el sistema de dos niveles modela de forma precisa el comportamiento del músculo cardiaco mientras el estado de tres niveles explica el comportamiento de los músculos del insecto.

Lo que Si no hace es explicar claramente las caídas de los modelos de comportamiento muscular convencionales y por qué el enfoque cuántico es mejor. Si tampoco hace ninguna predicción sobre el comportamiento del músculo que los modelos clásicos no puedan explicar.

Aún así, es un primer paso asombroso en la descripción cuántica del comportamiento muscular. Y como Si señala, hay mucho más trabajo que hacer para comprender la interconexión entre la cadena cuántica y las señales que las encienden, por ejemplo las señales eléctricas a través de los nervios y el flujo de iones a través de las membranas que se encienden.

Ref: arxiv.org/abs/1004.3120: One Dimensional Chain Of Quantum Coherent Molecule Motors As A Model For Muscle Fibre

Este artículo ha sido traducido de Technology Review y publicado bajo licencia CC by-sa

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