При гидролизе АТФ вода используется для расщепления аденозинтрифосфата (АТФ) с образованием аденозиндифосфата (АДФ) для получения энергии. Энергия гидролиза АТФ (AHE) затем используется в деятельности живых клеток.
Было предпринято много попыток объяснить молекулярное происхождение АЭ. В 1960-х годах считалось, что АЭЭ содержится исключительно в молекулярной структуре АТФ, и квантово-химические расчеты проводились без какого-либо количественного успеха.
В конце 1990-х годов были проведены дополнительные исследования АЭХ с использованием квантово-механических расчетов в воде, которая рассматривалась как сплошная диэлектрическая среда. Однако роль водного растворителя как структурированного ансамбля малых молекул в энергетике АЭХ осталась неясной.
Теперь исследователям в Японии впервые удалось раскрыть микроскопический механизм выброса АГЭ в воду, используя современный вычислительный подход.
В исследовании под руководством Хидэаки Такахаши из Университета Тохоку полностью учитывалось влияние молекулярных свойств растворителя, а также электронных состояний растворенных веществ. Такое крупномасштабное моделирование стало возможным благодаря гибридным квантовым и классическим вычислительным методам, реализованным на компьютерах с массовым параллелизмом. Имеется в виду использование большого количества процессоров, одновременно выполняющих набор скоординированных вычислений.
Кроме того, за моделированием последовали расчеты свободной энергии с использованием высокоточного и высокоскоростного метода, разработанного Нобуюки Матубаяси из Университета Осаки.
В этом исследовании исследовательская группа объяснила, почему свободная энергия гидролиза АТФ и пирофосфата в основном составляет -10 ккал/моль и нечувствительна к общему заряду этих растворенных веществ. Они также обнаружили, что постоянство AHE является результатом превосходной компенсации между стабилизацией электронного состояния и дестабилизацией свободной энергии гидратации растворенных веществ.
Это важно, поскольку представляет собой новую фундаментальную проблему, которая должна быть описана в стандартных учебниках по биологии.