Quantenmechanik erklärt, wie Muskeln Kraft erzeugen

Es ist noch nicht lange her, da schworen Biologen blind, dass ihre Disziplin niemals von den seltsamen Effekten der Quantenmechanik befleckt werden würde. Heute ist die Quantenbiologie eine aufstrebende Disziplin in vielen Labors auf der ganzen Welt und nur die Mutigen (oder Dummen) argumentieren jetzt gegen die Vorstellung, dass Quanteneffekte eine wichtige Rolle bei der Funktionsweise biologischer Moleküle, ganzer Zellen und sogar des Gehirns spielen.

Fügen Sie dieser Liste heute Muskeln hinzu. Tieyan Si vom Max-Planck-Institut für komplexe Systeme in Dresden hat ein Quantenmodell des Muskelverhaltens erstellt. Seine Idee ist, dass Myosin, der molekulare Motor, der für die Muskelkontraktion verantwortlich ist, im Wesentlichen ein Quantenobjekt ist und dass sein Verhalten am besten durch die Quantenmechanik beschrieben wird.

Der Geschäftsteil der Muskelfaser besteht aus Aktin, das man sich wie ein Seil vorstellen kann, und Myosin, einem molekularen Motor, der eher wie ein Tauziehen-Team funktioniert. Elektrostimulation setzt die Tauziehentrupps in Aktion, zieht hektisch an ihren Seilen und bewirkt, dass sich der Muskel zusammenzieht. Die tatsächliche Kraft, die ein Muskel erzeugt, ist das Ergebnis des Ziehens und Entspannens vieler Myosinmotoren, wenn auch nicht unbedingt im Einklang.



Die Herausforderung für Theoretiker besteht darin, herauszufinden, wie diese molekularen Motoren die Kraft- und Relaxationskurven erzeugen, die in realen Muskeln auftreten. Diese sind in so unterschiedlichen Systemen wie dem Herzmuskel von Säugetieren und Insektenflügeln gut untersucht, und Biomechaniker wissen seit langem, dass verschiedene Arten von Muskel- und Muskelaktionen unterschiedliche Kraftkurven erzeugen. Zum Beispiel haben Kontraktionen, die schnell gelöst werden, eine andere Kraftsignatur als langsame Kontraktionen. Dies mit einer einzigen klassischen Theorie zu erklären, ist nicht einfach.

Der Ansatz von Si besteht einfach darin, anzunehmen, dass jeder Myosinmotor ein Quantenobjekt ist, das zwei Formen bilden kann und dass der Wechsel zwischen diesen Formen eine Kontraktion verursacht. Mit anderen Worten, es hat zwei Zustände. (Er betrachtet auch ein System, in dem Myosin drei Zustände hat.) Myosin wechselt in einen Zustand, indem es Energie absorbiert und relaxiert, indem es Energie abgibt, und die kombinierte Wirkung aller Schaltvorgänge bestimmt das Verhalten der Faser.

Eine Muskelfaser ist also einfach eine Kette dieser Quantenobjekte, für die es möglich ist, ein mathematisches Objekt abzuleiten, das als Hamilton-Operator bekannt ist und das Verhalten beschreibt. Die Frage, die Si beantwortet, ist, zu welcher Art von Kraft-Relaxations-Kurven dieser Hamilton-Operator führt.

Seine Antwort ist, dass uns dieses Quanten-Hamilton-System die klassische Kraft-Geschwindigkeits-Beziehung nicht nur für eine schnelle Freisetzung, sondern auch für eine langsame Freisetzung und instabile Zustände liefert.

Er zeigt, dass das Zwei-Ebenen-System das Verhalten des Herzmuskels genau modelliert, während der Drei-Ebenen-Zustand das Verhalten des Insektenflugmuskels erklärt.

Was Si nicht tut, ist die Schwächen der herkömmlichen Modelle des Muskelverhaltens klar zu erklären und warum der Quantenansatz besser ist. Si macht auch keine Vorhersagen über das Verhalten von Muskeln, die klassische Modelle nicht erklären können.

Dennoch ist dies ein beeindruckender erster Schritt in der Quantenbeschreibung des Muskelverhaltens. Und wie Si betont, gibt es noch viel zu tun, um die Schnittstelle zwischen der Quantenkette und den Signalen, die sie auslösen, zu verstehen, wie den elektrischen Signalen entlang der Nerven und dem dadurch ausgelösten Ionenfluss durch Membranen.

Ref: arxiv.org/abs/1004.3120 : Eindimensionale Kette von quantenkohärenten Molekülmotoren als Modell für Muskelfasern

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