En ögonblicksbild av hybridkvant/klassisk simulering för ATP 4- placeras i vattenlösningsmedel. Här, det lösta ATP-ämnet beskrivs med en kvantkemimetod och lösningsmedelsvattenmolekylerna representeras med ett klassiskt kraftfält. De blå och gula genomskinliga ytorna visar, respektive, isovärdesytorna för ökningen och minskningen av elektrondensiteten med 3,0x10 -4 au i förhållande till den genomsnittliga elektronfördelningen av ATP 4- i lösningen. Således, det lösta ämnets elektroniska tillstånd (ATP 4- ) såväl som den molekylära egenskapen hos det omgivande lösningsmedlet är troget representerade i simuleringen. Kredit:Hideaki Takahashi
Vid ATP-hydrolys, vatten används för att dela isär adenosintrifosfat (ATP) för att skapa adenosindifosfat (ADP) för att få energi. ATP-hydrolysenergi (AHE) används sedan i levande cellers aktiviteter.
Många försök har gjorts för att förklara det molekylära ursprunget till AHE. På 1960-talet AHE ansågs enbart ingå i molekylstrukturen hos ATP, och kvantkemiska beräkningar utfördes utan någon kvantitativ framgång.
I slutet av 1990-talet fler undersökningar av AHE genomfördes med hjälp av kvantmekaniska beräkningar i vatten som behandlades som ett kontinuerligt dielektriskt medium. Dock, vattenlösningsmedlets roll som en strukturerad sammansättning av små molekyler i AHE:s energi har förblivit oklar.
Nu har forskare i Japan, för första gången, lyckades avslöja den mikroskopiska mekanismen för frisättning av AHE i vatten, med den senaste beräkningsmetoden.
I studien ledd av Hideaki Takahashi vid Tohoku University, effekterna av lösningsmedlets molekylära egenskaper, såväl som de lösta ämnenas elektroniska tillstånd, övervägdes fullt ut. Sådana storskaliga simuleringar möjliggjordes av hybridkvantteknik och klassiska beräkningstekniker implementerade på massivt parallella datorer. Detta hänvisar till användningen av ett stort antal processorer som samtidigt utför en uppsättning koordinerade beräkningar.
Vidare, Simuleringen följdes av beräkningar av fri energi med en hög precision-höghastighetsmetod utvecklad av Nobuyuki Matubayasi vid Osaka University.
Med denna studie, forskargruppen förklarade varför de hydrolysfria energierna hos ATP och pyrofosfat mestadels är -10 kcal/mol och är okänsliga för de totala laddningarna av dessa lösta ämnen. De upptäckte också att beständigheten hos AHE är ett resultat av den fantastiska kompensationen mellan den elektroniska tillståndsstabiliseringen och destabiliseringen i hydratiseringsfri energi hos de lösta ämnena.
Detta är betydelsefullt eftersom det utgör en ny grundläggande fråga som ska beskrivas i vanliga biologiläroböcker.
