El entrelazamiento cuántico y el transporte de oxígeno en la mioglobina

Dibujo20140729 NBO analysis of the DFT plus DMFT Green function for MbO2 - pnas org

Las proteínas son macromoléculas en las que los efectos cuánticos, como el entrelazamiento, suelen ser poco relevantes. El grupo hemo en la mioglobina es una excepción, como muestra un estudio computacional basado en la teoría del funcional densidad publicado en PNAS.

La mioglobina es una proteína que contiene un grupo hemo (como la hemoglobina) para almacenar oxígeno gracias a un átomo de hierro. Este oxígeno se libera en los músculos para satisfacer su demanda energética. La estructura terciaria de la mioglobina se conoce desde 1958 (Premio Nobel de Química 1962 para John Kendrew, compartido con Max Perutz).

David O’Regan (Trinity College de Dublín) y sus colegas han usado la teoría del funcional densidad (Premio Nobel de Química en 1998) para demostrar que el entrelazamiento cuántico entre los electrones del átomo de hierro central en el grupo hemo es clave para su unión preferente con una molécula de oxígeno, en lugar de con una molécula de monóxido de carbono.

Quizás la excepción confirma la regla, pues según O’Regan su trabajo desvela que el entrelazamiento cuántico tiene un papel más importante de lo esperado en muchos sistemas bioquímicos y biológicos. El artículo técnico es Cédric Weber et al., «Renormalization of myoglobin–ligand binding energetics by quantum many-body effects,» PNAS 111: 5790-5795, 2014 (arXiv:1404.5547 [physics.chem-ph]).

Dibujo20140729 spin fluctuations - mbo2 - mbco states - pnas org

El estudio de los efectos cuánticos en macromoléculas es muy difícil por su tamaño (su gran número de átomos). Los avances en los algoritmos computacionales multiescala (Premio Nobel de Química en 2013) permiten aplicar modelos cuánticos en los sitios activos y modelos semiclásicos en el resto de la molécula. Aún así, simulaciones previas predecían que la mioglobina se debía ligar más fácilmente al monóxido de carbono que al oxígeno molecular, en contra de los resultados experimentales.

El nuevo artículo en PNAS muestra que la mioglobina prefiere ligarse al oxígeno molecular en lugar de al monóxido de carbono gracias al entrelazamiento cuántico (un efecto no considerado en las simulaciones previas). Sin entrar en detalles técnicos, lo más interesante del nuevo método desarrollado por O’Regan y sus colegas es que podrá aplicarse a otras macromoléculas y podría desvelar que los sutiles efectos cuánticos (como el entrelazamiento cuántico o el efecto túnel) tienen un papel importante en su función bioquímica.



17 Comentarios

  1. Hola.
    El entrelazamiento despierta la curiosidad.
    Pregunto (soy médico, no físico ni matemático):
    Una onda, por ejemplo, un fotón, se comporta como una onda, por ejemplo, tiene amplitud, frecuencia, puede sufrir difracción, etc. Una onda en el agua también se comporta como una onda auténtica, como un fotón. Pero una onda en el agua no se transmite por el vacío ni tiene una partícula asociada, ni es efectiva en todas las escalas (por ejemplo, en la escala de los fotones una onda en el agua no sería detectable). Y si una onda en el agua no es detectable en cualquier escala, y por tanto es reducible a algo que no es una onda, pues no es una onda, sólo lo parece. De modo que entre escalas parece que puede haber analogías, pero la difracción auténtica (por ejemplo) parece que sólo es la del fotón, no la de la onda de agua, pues esta última sería una recreación a escala de una onda verdadera, irreducible (recreación en el sentido que le daba Gamow: dar forma a lo que no tenía forma, y añado yo: dar forma a lo que tenía otra forma). Y según Bertalanffy habría que identificar también cuáles de esas analogías podrían no tener sentido. Por ejemplo, ¿el que una onda en el agua pueda presentar difracción, como un fotón, es una analogía sin sentido, por ese curioso parecido de las formas al saltar de escala, o hay una relación causal fundamental entre ambos hechos?
    Pregunto ésto porque a mí me parece que en el cerebro se recrea un análogo de un comportamiento cuántico, el entrelazamiento, durante algunos fenómenos cerebrales, la percepción visual, por ejemplo, así que me interesa lo que los físicos podáis decir al respecto.

    1. Espoc, como médico debería estudiar más neurociencia; se entiende bastante bien lo que usted llama «análogo de … en percepción visual». Los físicos lo único que podemos decir es que si la neurociencia lo explica perfectamente, la física no tiene nada que aportar.

      La palabra cuántica en neurociencia es pseudociencia y este blog es de ciencia.

      1. Francisco, la física sí tiene mucho que aportar, en concreto: ¿Se puede considerar a una onda de agua una onda auténtica (por ejemplo, elemental), y no algo que parece a gran escala una onda, algo análogo a una onda, debido a que obedece a unas ecuaciones similares a las que explican las ondas auténticas (como los fotones, que sí parecen ser elementales), cuando no se transmite en el vacío ni tiene asociada una partícula (por ejemplo)?

        Estoy de acuerdo en que la palabra cuántica en neurociencia es seudociencia. No he dicho lo contrario en ningún momento, ni tampoco lo he insinuado. He hablado de analogías entre escalas (como la analogía entre una onda en el agua y un fotón), que es algo que sí se investiga en física. Es de lo que estoy intentando que me digáis algo.

        Neurociencia he estudiado algo, me he doctorado con una investigación sobre enfermedades musculares, por ejemplo, y me dedico profesionalmente a la neurofisiología clínica, que es mi especialidad médica.

        Mi interés en lo que estoy preguntando se debe a que en neurociencia se buscan los correlatos de la experiencia consciente subjetiva durante la percepción, el correlato neural del yo consciente, para ver cuál es y así explicar el yo consciente. El caso es que el yo consciente, como concordaréis conmigo, es una experiencia que tiene lugar a simple vista (a escala macroscópica) y sólo a simple vista (a escala macroscópica confinada), cuando los fenómenos fundamentales correlacionados son microscópicos (la actividad neuronal). Además, la experiencia del yo consciente es única (nos consideramos un solo yo cada uno) e individual (indivisible, no reconocemos partes en el yo consciente que cada uno consideramos que somos, nos consideramos un observador único e individual). Este fenómeno es real, y es físico ( dicho en pocas palabras y burdamente: ver es tomar una medida de la realidad con el ojo, pues la visión consiste en cambios cuantitativos en la retina, etc., así que ver es medir, y etimológicamente pensar es ver, así que pensar es medir, y como medir es un proceso físico, pensar es un proceso físico, de modo que ser un yo consciente que piensa probablemente sea un proceso físico). Como el yo consciente podría ser un proceso físico, buscar su base física me parece interesante. Del mismo modo que la espiral del agua en una piscina que se vacía es análoga a la espiral que forma una galaxia al girar, el que el yo sea una sola cosa individual con un error despreciable en la práctica a ciertos efectos a partir de muchas (muchas neuronas) es análogo a que un estado ligado sea a ciertos efectos con un error despreciable en la práctica una sola cosa (un estado entrelazado de fotones, por ejemplo) a partir de más de una cosa (dos fotones, por ejemplo). Aquí hay analogía. No digo que sea un fenómeno cuántico, sólo digo que hay analogía, como las otras analogías que he mencionado. Lo curioso es que si describes el comportamiento neuronal como análogo (sólo análogo, insisto, como es análoga la difracción de una onda en el agua a la difracción de un fotón) al de unas partículas entrelazadas, se llega a una conclusión muy llamativa, con consecuencias inesperadas pero lógicas si se piensa.

    2. Creo que la duda del doctor es por su definicion de onda, entiendo que una «onda» es un objeto (fisico) que puede ser descrito por una función de onda, nada más eso. El foton, la onda de agua, las ondas de sonido, las ondas de probabilidad cuantica, son objetos fisicos que pueden ser descritos con una ecuación de onda. Incluso hay ondas más complejas como los solitones, que siguen siendo ondas.

      Las analogias de las que usted habla si existen, y si tienen sentido: donde usted dice «pues esta última sería una recreación a escala de una onda verdadera», el texto correcto seria «pues esta última sería UN CASO ESPECIAL DE LA ECUACIÓN DE ONDA».

      En el último parrafo usted afirma (creo), que en el cerebro ocurren comportamientos cuanticos, seguramente es así, pero no creo que sean para procesar información a la escala que usted dice (procesar información visual), tal vez el cerebro use a nivel quimico algún entrelazamiento, pero estoy solo elucubrando, dando mi opinión

      1. Exacto, Gerardo, gracias. Necesito saber si los físicos consideráis a una onda algo análogo a una onda auténtica, como un fotón, sólo porque pueda ser descrito por una función de onda similar, o si consideráis que es una onda en el agua es algo análogo a una onda pero a gran escala que curiosamente responde a una misma función de onda. ¿Son las ondas de agua una recreación a gran escala de un comportamiento similar al de una onda? A mí me parece que sí, porque una onda en el agua no es un objeto elemental, como un fotón, de hecho, ni se transmite en el vacío ni tiene asociada una partícula (aunque ahora para las ondas de sonido se haya desarrollado la idea del fonón, y tal, pero que no es una partícula elemental, sino una abstracción que se hace a ciertos efectos, ¿no?). Así que, ¿un caso especial de la ecuación de onda permite afirmar o no que, por ejemplo, una onda de agua es algo análogo a una onda pero no una onda?

        Y, no, en el último párrafo no quiero afirmar que en el cerebro ocurran comportamientos cuánticos, como no quiero afirmar que una onda de agua se pueda transmitir en el vacío. Me refiero a otra cosa. Me parece aberrante cualquier insinuación de que haya cualquier tipo de relación entre el fenómeno de la conciencia y la mecánica cuántica. Esto que quede claro. No van por ahí los tiros en absoluto.

        1. Espoc, creo que estás liando.

          ¿Qué es un onda? Un fenómeno espaciotemporal (algo en el espacio que cambia con el tiempo) descrito por un tipo especial de ecuación matemática (llamada ecuación de onda; que puede ser dispersiva o hiperbólica, lineal o no lineal, etc.).

          ¿Requiere una onda un medio que oscile? En física clásica no relativista todas las ondas tienen un sustrato que oscila. Sin embargo, en física clásica relativista (campo electromagnético) y en física cuántica (no relativista y relativista) hay ondas que no tienen asociado un medio que oscile. Si existiera dicho medio sería medible u observable, pero no lo pude ser, luego no puede existir dicho medio.

          ¿La función de onda cuántica tiene asociado un medio que oscila? No, no lo tiene.

          ¿La función de onda cuántica es «real» como una ola del mar? No, no lo es.

          ¿Por qué hay cosas muy diferentes descritas por las mismas ecuaciones matemáticas? No lo sabemos. ¿Significa que tienen «algo oculto» que las conecta? No, en general, nada relaciona entre sí sistemas físicos descritos por las mismas ecuaciones.

          ¿Hay ondas en el cerebro? Por supuesto, como en cualquier otro tejido biológico. ¿Son ondas cuánticas? No, nunca, siempre son ondas clásicas. ¿Hay física cuántica cuántica en la biología? Por supuesto, la física cuántica describe los átomos y los átomos son importantes en biología.

          Saludos
          Francis

          1. «la física cuántica describe los átomos y los átomos son importantes en biología.»
            Si serán importantes que todos los seres vivos están hechos de átomos jeje. Ahora en serio, hasta ahora parecía claro que la biología descansaba o se basaba sólo en la química, en las moléculas, excepto unos pocos casos en los que hay que descender al átomo o a las partículas subatómicas, como en la fotosíntesis, pero cada vez se ven más casos de fenómenos biológicos donde aparecen los fenómenos cuánticos.

          2. ¿Por qué no pueden haber ondas cuánticas en el cerebro?

            Si hay manifestaciones del entrelazamiento cuántico, como la de la mioglobina ligándose al oxígeno molecular, en lugar de al monóxido de carbono, ¿por qué no pueden haber ondas cuánticas?

    3. Antonio. La duda es: si una onda en el agua no se transmite en el vacío, y no tiene asociada una partícula, y aunque cumpla ecuaciones de onda como las que cumple un fotón, ¿es una onda, o es algo análogo a una onda a una escala mayor que curiosamente obedece a ecuaciones similares? Me refiero a que un fotón es algo que se puede considerar elemental en la actualidad, irreducible, no compuesto, y es una partícula y una onda. Si es elemental, es una onda auténtica, porque sólo es lo que es, no otra cosa, es algo concreta, es la que se parece a un fotón, que se transmite en el vacío y tiene asociada una partícula. Mientras que una onda que se transmite en el agua es reducible a un proceso mecánico compuesto de partes menores, y por tanto no es un objeto elemental, así que no es una onda de por sí, sino mediante la interacción de sus piezas que le hacen tener aspecto de onda en una escala mayor, pero en escalas menores, así que no es fundamentalmente una onda de manera concreta, sólo lo parece a ciertos efectos y en determinadas escalas, pero no a todos (no se transmite en el vacío, por ejemplo, y no hace otras cosas que sí hacen las ondas que parecen auténticas, como los fotones).

      En cuanto a las ideas de Penrose, me parecen ideas infundadas que no tienen sentido. No me parece concebible lo que propone, que haya un colapso de la función de onda que tenga que ver con microtúbulos y que eso tenga que ver con la experiencia consciente. No veo concatenación alguna en semejante sucesión de ideas. Eso parece hablar por hablar.

  2. Antonio. La duda es: si una onda en el agua no se transmite en el vacío, y no tiene asociada una partícula, y aunque cumpla ecuaciones de onda como las que cumple un fotón, ¿es una onda, o es algo análogo a una onda a una escala mayor que curiosamente obedece a ecuaciones similares? Me refiero a que un fotón es algo que se puede considerar elemental en la actualidad, irreducible, no compuesto, y es una partícula y una onda. Si es elemental, es una onda auténtica, porque sólo es lo que es, no otra cosa, es algo concreta, es la que se parece a un fotón, que se transmite en el vacío y tiene asociada una partícula. Mientras que una onda que se transmite en el agua es reducible a un proceso mecánico compuesto de partes menores, y por tanto no es un objeto elemental, así que no es una onda de por sí, sino mediante la interacción de sus piezas que le hacen tener aspecto de onda en una escala mayor, pero en escalas menores, así que no es fundamentalmente una onda de manera concreta, sólo lo parece a ciertos efectos y en determinadas escalas, pero no a todos (no se transmite en el vacío, por ejemplo, y no hace otras cosas que sí hacen las ondas que parecen auténticas, como los fotones).

    En cuanto a las ideas de Penrose, me parecen ideas infundadas que no tienen sentido. No me parece concebible lo que propone, que haya un colapso de la función de onda que tenga que ver con microtúbulos y que eso tenga que ver con la experiencia consciente. No veo concatenación alguna en semejante sucesión de ideas. Eso parece hablar por hablar.

    1. Espoc, cuando hablas de «fotón» me parece que estás hablando de «onda electromagnética». No es verdad que «una onda en el agua … cumpla ecuaciones de onda como las que cumple un fotón.» Las ecuaciones cuánticas asociadas a un fotón no tienen nada que ver con las ecuaciones de una onda en el agua (de hecho, hay muchísimas ecuaciones diferentes que describen diferentes tipos de ondas en el agua).

      «Un fotón es (…) una partícula y una onda. (…) cosas que hacen las ondas que parecen auténticas, como los fotones.» Te estás liando mucho. Usas la palabra «onda» como palabra comodín olvidando su definición y pones adjetivos sin ton ni son. Por ello gran parte de lo que escribes no tiene ningún sentido.

  3. FRANCIS: ¿Por qué hay cosas muy diferentes descritas por las mismas ecuaciones matemáticas? No lo sabemos. ¿Significa que tienen “algo oculto” que las conecta? No, en general, nada relaciona entre sí sistemas físicos descritos por las mismas ecuaciones.

    ESPOC: Ajá, esto responde a lo que preguntaba, gracias. Entonces, si se puede hablar de difracción al hacer cierto experimento con un fotón, y de difracción al hacer cierto experimento con ondas de agua, ¿se puede hablar de analogía entre ambos fenómenos de difracción, ya que ambos se denominan difracción, aunque no se sepa qué los relaciona, es decir, aunque sea su vinculación entonces, al menos, una analogía, tal vez sin sentido, pero analogía?
    Y aun más: como la difracción de un fotón ocurre con un ente que es una partícula elemental, ¿se puede considerar a la difracción de un fotón como una difracción auténtica, al ser una difracción que le ocurre a un ente irreducible a otra cosa y siendo por ello entonces también la difracción irreducible a otra explicación salvo la propia difracción en sí, y se puede entonces considerar a la difracción en el agua un análogo a gran escala de una difracción, dado que la difracción en el agua sí que se puede reducir a otra cosa, pues se reduce a moléculas de agua chocando entre sí a pequeña escala y cuyos choques se interpretan a gran escala como una difracción con cierta función de onda aplicable a gran escala en el agua, pero que no se reducen por tanto a una difracción auténtica o fundamental ya que dicho fenómeno no afecta a las moléculas de agua que chocan entre sí a pequeña escala (pequeña escala a la que la difracción en el agua ya no es detectable?

    FRANCIS: ¿Hay ondas en el cerebro? Por supuesto, como en cualquier otro tejido biológico. ¿Son ondas cuánticas? No, nunca, siempre son ondas clásicas. ¿Hay física cuántica cuántica en la biología? Por supuesto, la física cuántica describe los átomos y los átomos son importantes en biología.

    ESPOC: totalmente, en ningún momento he pretendido decir lo contrario ni insinuarlo.

    FRANCIS: . No es verdad que “una onda en el agua … cumpla ecuaciones de onda como las que cumple un fotón.” Las ecuaciones cuánticas asociadas a un fotón no tienen nada que ver con las ecuaciones de una onda en el agua (de hecho, hay muchísimas ecuaciones diferentes que describen diferentes tipos de ondas en el agua).

    ESPOC: ajá, gracias. Esto también quería tenerlo claro. Entonces tengo que insistir en que si se habla de difracción (por ejemplo) en el agua, no es lo mismo que la difracción de un fotón aunque se llame difracción a ambos fenómenos. Y uno parece el auténtico, el esencial, el que le ocure al fotón, al ser este una partícula elemental, irreducible a otra cosa, sin partes que lo expliquen, y entonces el otro fenómeno de difracción, el que ocurre en el agua (por ejemplo), al no ser una difracción que le ocurra a un ente elemental y fundamental, parecerá por tanto algo así como un fenómeno al que se llama difracción, y se parece mucho a una difracción, pero que es análogo a LA difracción pero no una verdadera difracción, ¿no? análogo dado que es algo reducible a otra cosa que no es difracción (choques entre moléculas de agua). De hecho no se sabe qué vincula a ambos fenómenos de difracción, salvo que se aprecia analogía (ambos se denominan igual, de hecho: difracción). ¿Tiene así más sentido lo que digo? Porque ahora vendría la siguiente pregunta: ¿No es llamativo que las moléculas de agua recreen a gran escala un comportamiento detectable como algo análogo a lo que ocurre en la escala elemental y fundamental de la naturaleza? ¿Acaso las moléculas de agua han estudiado mecánica cuántica para saber cómo recrear a gran escala un fenómeno físico análogo a la difracción de un fotón?

    Y gracias por la paciencia, la atención y las respuestas.

    1. Hola Espoc,

      Después de leer todas tus intervenciones, creo que el fallo que cometes -aunque a medida que se ha ido desarrollando el intercambio de comentarios lo has atenuado en cierta medida- es el de establecer la analogía entre «onda en el agua» y «onda/fotón». Creo que Francis te ha contestado de forma clara, pero no terminas de librarte de ese ‘vínculo’ entre los dos fenómenos.

      Francis dixit: ” Las ecuaciones cuánticas asociadas a un fotón no tienen nada que ver con las ecuaciones de una onda en el agua (de hecho, hay muchísimas ecuaciones diferentes que describen diferentes tipos de ondas en el agua)».

      Así que, por sus palabras, supongo (aunque yo no he estudiado Física) que simplemente hay diferentes tipos de onda. Y algunos de esos tipos de onda no se parecerán entre ellas en absoluto. Un ejemplo de esto sería la onda cuántica asociada a un fotón y la onda en el agua.

      EL CEREBRO.
      Si tu intención, al preguntar por esa posible analogía entre aquellas ondas, no era sino establecer otra analogía entre el entrelazamiento cuántico con -en un nivel superior- el funcionamiento del cerebro desde una perspectiva macroscópica, creo que no sería muy acertada esa hipótesis. Sobre todo por lo debatido anteriormente: no hay paralelismo entre ambos fenómenos. La respuesta más interesante que proporciona Francis es: «¿Por qué hay cosas muy diferentes descritas por las mismas ecuaciones matemáticas? No lo sabemos. ¿Significa que tienen “algo oculto” que las conecta? No, en general, nada relaciona entre sí sistemas físicos descritos por las mismas ecuaciones». Una vez más, supongo que ambos fenómenos pueden ser estudiados a través de ecuaciones, pero este hecho no determina forzosamente un paralelismo entre los mismos.

      La pregunta interesante, en cambio, y que le formularé a él también cuando termine de escribirte mi comentario a ti, es si sí parece haber un fenómeno cuántico en los electrones del átomo de hierro central en el grupo hemo y que es clave para su unión preferente con una molécula de oxígeno, en lugar de con una molécula de monóxido de carbono, por qué no pueden ocurrir ondas cuánticas en otras partes del organismo, véase el cerebro.

      Un saludo.

      PS Estoy en 6º de Medicina. Me gusta mucho la neurología. Por cierto, lo único que se imparte de neurofisiología en la carrera es lo que se ve en 2º en fisiología, y lo visto en 5º en neurología. Una lástima, porque es muy interesante.

    2. Rectificación.

      Donde dice: «… no era sino establecer otra analogía entre el entrelazamiento cuántico con -en un nivel superior- el funcionamiento del cerebro desde una perspectiva macroscópica», debería decir «… no era sino establecer otra analogía entre la onda y fotón con -en un nivel superior- el funcionamiento del cerebro desde una perspectiva macroscópica».

      Y donde dice: «… Sobre todo por lo debatido anteriormente: no hay paralelismo entre ambos fenómenos», debe decir: «… Sobre todo por lo debatido anteriormente: no tenemos por qué establecer un paralelismo entre ellos».

  4. Le he echado un vistazo al artículo y es interesante, pero tampoco dice nada demasiado profundo. Viene a ser el desarrollo de un nuevo método para estudiar estas moléculas. Ocurre que el entrelazamiento es el que hace difícil estudiar numéricamente sistemas cuánticos grandes, porque te impide el dividirlos por trozos. Por ese motivo, muchos de los métodos aproximados para estudiar estos sistemas se basan en asumir que el entrelazamiento es cero o muy bajo (como el método de Hartree-Fock). Es sabido que en muchos sistemas, donde las correlaciones entre electrones son altas, esa aproximación es muy mala. Los autores han mejorado el método, pero no concluyen nada más allá de que el sistema tiene unas correlaciones muy altas.

    1. En efecto, Antonio, las correlaciones pueden ser clásicas, y no haber entanglement. La cuestión es que practicamente todo tiene entrelazamiento. No es sorprendente que la molécula presente entrelazamiento a nivel electrónico cuando prácticamente todas las moléculas lo presentan. Eso es lo que las hace tan difíciles de simular en un ordenador clásico. Lo que sería interesante es que ese entrelazamiento jugara algún papel relevante y no trivial, pero aquí no parece que haya nada de eso.

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 30 julio, 2014
Categoría(s): ✓ Ciencia • Mecánica Cuántica • Noticias • Química • Science
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