Quantummechanica legt uit hoe spieren kracht produceren

Het is nog niet zo lang geleden dat biologen blind zouden zweren dat hun discipline nooit zou worden aangetast door de vreemde effecten van de kwantummechanica. Tegenwoordig is kwantumbiologie een opkomende discipline in veel laboratoria over de hele wereld en alleen de dapperen (of dommen) pleiten nu tegen het idee dat kwantumeffecten een belangrijke rol spelen in de werking van biologische moleculen, hele cellen en zelfs de hersenen.

Voeg vandaag nog spieren toe aan deze lijst. Tieyan Si van het Max Planck Instituut voor Complexe Systemen in Dresden, Duitsland, heeft een kwantummodel van spiergedrag ontwikkeld. Zijn idee is dat myosine, de moleculaire motor die verantwoordelijk is voor spiercontractie, in wezen een kwantumobject is en dat zijn gedrag het best kan worden beschreven door de kwantummechanica.

Het zakelijke deel van spiervezels bestaat uit actine, dat kan worden gezien als een touw, en myosine, een moleculaire motor die werkt als een touwtrekken-team. Elektrische stimulatie zet de touwtrekkersteams in actie, trekken verwoed aan hun touwen en zorgen ervoor dat de spier samentrekt. De werkelijke kracht die een spier produceert, is het resultaat van veel myosinemotoren die trekken en ontspannen, hoewel niet noodzakelijk samen.

De uitdaging voor theoretici is om uit te zoeken hoe deze moleculaire motoren de kracht- en relaxatiecurven genereren die in echte spieren voorkomen. Deze zijn goed bestudeerd in systemen die zo divers zijn als de hartspier van zoogdieren en insectenvleugels en biomechanici weten al lang dat verschillende soorten spieren en spieractie verschillende krachtcurven produceren. Weeën die snel worden losgelaten, hebben bijvoorbeeld een andere krachtsignatuur om langzaam los te laten. Dit uitleggen met een enkele klassieke theorie is niet eenvoudig.

De benadering van Si is eenvoudigweg aan te nemen dat elke myosinemotor een kwantumobject is dat twee vormen kan vormen en dat de omschakeling tussen deze vormen een samentrekking veroorzaakt. Met andere woorden, het heeft twee staten. (Hij kijkt ook naar een systeem waarin myosine drie toestanden heeft.) Myosine schakelt over naar één toestand door energie te absorberen en ontspant door deze uit te zenden en het gecombineerde effect van alle omschakelingen bepaalt het gedrag van de vezel.

Een spiervezel is dus gewoon een keten van deze kwantumobjecten, waarvan het mogelijk is om een ​​wiskundig object af te leiden dat bekend staat als een Hamiltoniaan dat het gedrag beschrijft. De vraag die Si beantwoordt, is tot wat voor soort kracht-ontspanningscurven deze Hamiltoniaan leidt.

Zijn antwoord is dat dit kwantum Hamiltoniaanse systeem ons de klassieke kracht-snelheidsrelatie geeft, niet alleen voor een snelle afgifte, maar ook voor een langzame afgifte en onstabiele toestanden.

Hij laat zien dat het systeem met twee niveaus het gedrag van de hartspier nauwkeurig modelleert, terwijl de toestand met drie niveaus het gedrag van de vliegspier van insecten verklaart.

Wat Si niet doet, is duidelijk de tekortkomingen van de conventionele modellen van spiergedrag uitleggen en waarom de kwantumbenadering beter is. Si doet ook geen voorspellingen over het gedrag van spieren die klassieke modellen niet kunnen verklaren.

Toch is dit een indrukwekkende eerste stap in de kwantumbeschrijving van spiergedrag. En zoals Si aangeeft, is er nog veel meer werk te doen om de interface tussen de kwantumketen en de signalen die ze triggeren te begrijpen, zoals de elektrische signalen langs zenuwen en de stroom van ionen over membranen die dit veroorzaakt.

Referentie: arxiv.org/abs/1004.3120 : Een dimensionale keten van Quantum Coherente Molecuulmotoren als een model voor spiervezels

zich verstoppen