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1 de Julio de 2013
Reseña

Máquinas moleculares

Entre el orden y el caos.

LIFE’S RATCHET. HOW MOLECULAR MACHINES EXTRACT ORDER FROM CHAOS
Por Peter M Hoffmann. Basic Books; Nueva York, 2012.

La física de las máquinas moleculares es una frontera activa y excitante de la biofísica, situada entre la biología molecular, la bioenergética, la termodinámica, la física estadística y la nanotecnología. Dichas máquinas realizan diversos tipos de funciones: movilidad a lo largo de filamentos (cinesina y dineína a lo largo de microtúbulos, miosina a lo largo de actina), transporte activo de sustancias a través de membranas (bombas de sodio-potasio, de calcio, de protones), motores rotacionales alimentados por un flujo de protones (ATP sintetasa mitocondrial, motor flagelar bacteriano), máquinas de lectura y copia de información (ADN y ARN polimerasas, ribosomas...). Aunque hablemos de esas máquinas en singular, nos referimos en realidad a grandes familias de máquinas; existen diez grandes tipos de cinesinas y dieciocho de miosinas, cada uno de los cuales, a su vez, incluye cierta diversidad de moléculas.

En los últimos veinte años, el desarrollo de microscopios de fuerza atómica, de técnicas de fluorescencia, de pinzas ópticas y de radiación de sincrotrón ha permitido avances espectaculares en la caracterización microscópica de dichas máquinas. A informaciones estructurales sobre sus ciclos de configuraciones se han añadido detalladas informaciones físicas (fuerza, trabajo, potencia, energía consumida, rendimiento). Los resultados son espectaculares, sorprendentes, una auténtica fuente de inspiración para la nanotecnología.

Pero esas máquinas plantean cuestiones conceptuales básicas para la física, ya que se sitúan entre el desorden molecular del movimiento térmico de átomos y moléculas a escalas inferiores a ellas, y el movimiento ordenado y eficaz a escalas superiores a ellas. Parecen, pues, un desafío al segundo principio de la termodinámica. Este libro nos hace ver, con amenidad y claridad, que dichas máquinas satisfacen el segundo principio.

Las relaciones problemáticas entre física y biología tienen una larga tradición, ya que, según el segundo principio, los sistemas aislados tienden al equilibrio, a la quietud, a la homogeneidad, al máximo desorden molecular (máxima entropía); en cambio, los sistemas vivos se estructuran, actúan de forma más o menos ordenada... En apariencia, pues, se abre un foso insalvable. Pero ello no es así, ya que los sistemas vivos son sistemas abiertos y fuera de equilibrio. En estas condiciones, es muy posible que el sistema vivo reduzca su desorden molecular y se estructure internamente, si, a cambio, aumenta la entropía de su entorno. Eso es lo que ocurre cuando ingerimos nutrientes constituidos por macromoléculas y excretamos residuos que se componen de moléculas pequeñas.

Ello es bien conocido. La pregunta es ¿cómo se produce, en términos concretos, el orden biológico a partir del desorden molecular? Un paso hacia esta cuestión lo dio Ilya Prigogine, con su énfasis en las estructuras disipativas, estados en que sistemas alejados del equilibrio pueden formar estructuras espaciales y oscilar con ritmos característicos. El trabajo de Prigogine —inspirado en parte en el de Alan Turing— supuso un progreso respecto a las preguntas formuladas por Schrödinger en su libro ¿Qué es la vida?. La obra que estamos reseñando constituye, a su vez, un progreso respecto a Prigogine.

En efecto, Prigogine consideraba reacciones químicas con autocatálisis y difusión, o transporte de calor con difusión y convección, como modelos para poner de manifiesto que el ordenamiento espontáneo lejos del equilibrio no desafiaba el segundo principio. Aquellos modelos, sin embargo, no concretaban suficientemente la situación biológica real.

Este libro concreta mucho más. No lo hace en términos generales —no llega a considerar las complejidades del nivel celular en todo su esplendor—, pero concentra su atención en esas máquinas fascinantes, en que se realiza el paso del caos al orden. El autor es biofísico, profesor de física y ciencia de materiales en la Universidad estatal de Wayne, en Michigan, y fundador del grupo de física biomédica de dicha universidad. El libro resulta muy didáctico: la descripción explicativa de las máquinas mencionadas no constituye una finalidad en sí misma, sino un tema de reflexión conceptual de calado sobre una ley básica de la física en un tema básico de la biología. En mi opinión, el autor lo hace de forma brillante y logra transmitir su entusiasmo por el tema.

Hoffmann explica la combinación de los cambios químicos cíclicos (fijación de ATP en la máquina, hidrólisis del mismo, liberación del ADP resultante) con los cambios mecánicos cíclicos correspondientes a los cambios de configuración de las máquinas durante el ciclo químico mencionado.

Se analiza qué función desempeña en ese proceso el ruido térmico correspondiente, resultado de movimientos aleatorios de las moléculas pequeñas vecinas a la máquina, que actúa sobre la máquina como un vendaval que la azota en todas direcciones. La máquina, sin embargo, es capaz de utilizar una parte de la energía del vendaval, como si, hallándonos en una carretera, nos dejáramos impulsar por el viento a favor pero frenáramos cuando soplara viento en contra. Así pues, la combinación de alguna asimetría molecular (de la máquina o del filamento) y de un aporte de energía del ATP, puede contribuir a extraer trabajo del entorno. Ello no va contra la termodinámica, porque la energía mínima consumida por la máquina satisface las exigencias del segundo principio. Más curioso resulta todavía el caso de máquinas sin ciclo mecánico de configuración, que avanzan por difusión a lo largo de un filamento con un potencial en forma de diente de sierra asimétrico, con una subida abrupta y una bajada larga y suave en cada diente.

En definitiva, un libro que logra sus objetivos, muy recomendable para físicos y biólogos interesados tanto en el comportamiento concreto de las máquinas como en el enriquecimiento conceptual que suponen para la física en la frontera entre lo microscópico y lo macroscópico, lo caótico y lo ordenado.

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