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La mecánica cuántica explica toda la gama de curvas de fuerza-relajación que producen los músculos, según un nuevo estudio

Hasta hace poco, los biólogos hubiesen jurado que su disciplina nunca se vería teñida por los extraños efectos de la mecánica cuántica. Hoy, la biología cuántica es una disciplina emergente en muchos laboratorios en todo el mundo y sólo los valientes (o tontos) discuten ahora la idea de que los efectos cuánticos juegan un papel importante en el funcionamiento de las moléculas biológicas, las células e incluso en el cerebro.

Hoy añadimos los músculos a la lista. Tieyan Si del Instituto Max Planck para Sistemas Complejos en Dresden, Alemania, ha creado un modelo cuántico del 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 en la fibra muscular es la actina, que se puede ver como una cuerda, y la miosina, que es el motor molecular que funciona como si fuese una cinchada o «tira y afloja». La estimulación eléctrica pone a los equipos en marcha, tirando frenéticamente de sus cuerdas y haciendo 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 en forma coordinada.
Contracción muscular

El desafío de los teóricos es figurarse cómo generan estos motores moleculares las curvas de fuerza y relajación que se producen en los músculos reales. Éstas han sido muy bien estudiadas en sistemas tan distintos como el músculo del corazón de mamíferos o las alas de los insectos, y los biomecánicos conocen desde hace mucho tiempo que los diferentes tipos de músculos y de acciones musculares producen diferentes curvas de fuerza. Por ejemplo, las contracciones que se liberan rápidamente tienen una figura de fuerza diferente a la de los que se relajan de manera lenta. No es fácil explicar esto con una teoría clásica simple.

El enfoque de Tieyan Si es, simplemente, asumir que cada motor de miosina es un objeto cuántico que puede tener dos formas, y que el cambio entre éstas provoca la contracción. En otras palabras, tiene dos estados (él también ha investigado sistemas en los que la miosina tiene tres estados). La miosina pasa de un estado en el que absorbe energía, y se relaja emitiéndola, 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, por lo que es posible derivar un objeto matemático conocido como Hamiltoniano que describe el comportamiento. La pregunta que Tieyan Si se orientó es a qué tipo de curvas de fuerza-relajación lleva este Hamiltoniano.

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

Él muestra que el sistema de dos niveles modela con precisión el comportamiento del músculo cardiaco, mientras que el estado de tres niveles explica el comportamiento de los músculos de un insecto.

Lo que Tieyan Si no hace es explicar con claridad las fallas de los modelos de comportamiento muscular convencionales y por qué es mejor el enfoque cuántico. Tampoco hace ninguna predicción sobre los comportamientoo musculares que no puedan explicar los modelos clásicos.

Aún así, es un impresionante primer paso para 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 la dispara, por ejemplo, las señales eléctricas por los nervios y el flujo de iones a través de las membranas que esto dsipara.

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

Fuente: Technology Review. Aportado por Eduardo J. Carletti

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