La mecánica cuántica explica cómo el músculo produce fuerza

No fue hace mucho tiempo que los biólogos juraban a ciegas que su disciplina nunca se vería afectada por los extraños efectos de la mecánica cuántica. Hoy en día, la biología cuántica es una disciplina emergente en muchos laboratorios de todo el mundo y solo los valientes (o estúpidos) ahora argumentan en contra de la idea de que los efectos cuánticos juegan un papel importante en el funcionamiento de moléculas biológicas, células enteras e incluso el cerebro.

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

La parte comercial de la fibra muscular consiste en actina, que puede considerarse una cuerda, y miosina, que es un motor molecular que funciona como un equipo de tira y afloja. La estimulación eléctrica pone en acción a los equipos de tira y afloja, tirando frenéticamente de sus cuerdas y haciendo que el músculo se contraiga. La fuerza real que produce un músculo es el resultado de muchos motores de miosina que tiran y relajan, aunque no necesariamente en conjunto.

El desafío para los teóricos es averiguar cómo estos motores moleculares generan las curvas de fuerza y ​​relajación que ocurren en el músculo real. Estos están bien estudiados en sistemas tan diversos como el músculo cardíaco de los mamíferos y las alas de los insectos, y los biomecánicos saben desde hace mucho tiempo que los diferentes tipos de acción de los músculos y los músculos producen diferentes curvas de fuerza. Por ejemplo, las contracciones que se liberan rápidamente tienen una firma de fuerza diferente para liberarlas lentamente. Explicar esto con una sola teoría clásica no es fácil.

El enfoque de Si es simplemente asumir que cada motor de miosina es un objeto cuántico que puede formar dos formas y que el cambio entre estas formas provoca una contracción. En otras palabras, tiene dos estados. (También observa un sistema en el que la miosina tiene tres estados). La miosina cambia a un estado al absorber energía y se relaja al emitirla, y el efecto combinado de todos los cambios determina el comportamiento de la fibra.

Una fibra muscular, entonces, es simplemente una cadena de estos objetos cuánticos, para los cuales es posible derivar un objeto matemático conocido como hamiltoniano que describe el comportamiento. La pregunta que aborda Si es a qué tipo de curvas de fuerza-relajación conduce este hamiltoniano.

Su respuesta es que este sistema cuántico hamiltoniano nos da la relación clásica fuerza-velocidad no solo para una liberación rápida sino también para una liberación lenta y estados inestables.

Él muestra que el sistema de dos niveles modela con precisión el comportamiento del músculo cardíaco, mientras que el estado de tres niveles explica el comportamiento del músculo de vuelo de los insectos.

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

Sin embargo, este es un primer paso impresionante en la descripción cuántica del comportamiento muscular. Y como señala Si, hay mucho más trabajo por hacer para comprender la interfaz entre la cadena cuántica y las señales que las desencadenan, como las señales eléctricas a lo largo de los nervios y el flujo de iones a través de las membranas que esto desencadena.

Ref: arxiv.org/abs/1004.3120 : Cadena unidimensional de motores moleculares coherentes cuánticos como modelo para la fibra muscular

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