Un'istantanea della simulazione ibrida quantistica/classica per l'ATP 4- posto in acqua solvente. Qui, il soluto di ATP è descritto con un metodo della chimica quantistica e le molecole d'acqua del solvente sono rappresentate con un classico campo di forza. Le superfici trasparenti blu e gialle mostrano, rispettivamente, le superfici di isovalore dell'aumento e della diminuzione della densità elettronica di 3.0x10 -4 au rispetto alla distribuzione media degli elettroni dell'ATP 4- nella soluzione. Così, lo stato elettronico del soluto (ATP 4- ) e le proprietà molecolari del solvente circostante sono rappresentate fedelmente nella simulazione. Credito:Hideaki Takahashi
Nell'idrolisi dell'ATP, l'acqua viene utilizzata per dividere l'adenosina trifosfato (ATP) per creare l'adenosina difosfato (ADP) per ottenere energia. L'energia di idrolisi dell'ATP (AHE) viene quindi utilizzata nelle attività delle cellule viventi.
Sono stati fatti molti tentativi per spiegare l'origine molecolare dell'AHE. Negli anni Sessanta, Si pensava che l'AHE fosse contenuto esclusivamente nella struttura molecolare dell'ATP, e calcoli quanti-chimici sono stati condotti senza alcun successo quantitativo.
Alla fine degli anni '90, sono state condotte ulteriori indagini sull'AHE utilizzando calcoli di meccanica quantistica in acqua trattata come mezzo dielettrico continuo. Però, il ruolo del solvente acquoso come assemblaggio strutturato di piccole molecole nell'energia dell'AHE è rimasto poco chiaro.
Ora i ricercatori in Giappone hanno, per la prima volta, è riuscito a svelare il meccanismo microscopico del rilascio di AHE in acqua, utilizzando un approccio computazionale all'avanguardia.
Nello studio condotto da Hideaki Takahashi alla Tohoku University, gli effetti delle proprietà molecolari del solvente, così come gli stati elettronici dei soluti, sono stati considerati pienamente. Tali simulazioni su larga scala sono state rese possibili da tecniche computazionali ibride quantistiche e classiche implementate su computer massivamente paralleli. Questo si riferisce all'uso di un gran numero di processori che eseguono simultaneamente una serie di calcoli coordinati.
Per di più, la simulazione è stata seguita da calcoli di energia libera utilizzando un metodo ad alta precisione e ad alta velocità sviluppato da Nobuyuki Matubayasi presso l'Università di Osaka.
Con questo studio, il team di ricerca ha spiegato perché le energie libere di idrolisi di ATP e pirofosfato sono per lo più -10 kcal/mol e sono insensibili alle cariche totali di questi soluti. Hanno anche scoperto che la costanza dell'AHE è il risultato della superba compensazione tra la stabilizzazione dello stato elettronico e la destabilizzazione nell'energia libera di idratazione dei soluti.
Questo è significativo perché costituisce una nuova questione fondamentale da descrivere nei libri di testo di biologia standard.
