ATP-hydrolyseenergi forklaret ved hjælp af storskalige hybridkvante / klassiske simuleringer

Et øjebliksbillede af hybrid kvante/ klassisk simulering for ATP ^4- anbringes i vandopløsningsmiddel. Her, ATP -opløste stoffet beskrives ved en metode til kvantekemi, og opløsningsmiddelvandsmolekylerne er repræsenteret med et klassisk kraftfelt. De blå og gule transparente overflader viser, henholdsvis, isovalue-overfladerne af stigningen og faldet i elektrontæthed med 3,0x10 ^-4 au i forhold til den gennemsnitlige elektronfordeling af ATP ^4- i løsningen. Dermed, den elektroniske tilstand af opløst stof (ATP ^4- ) såvel som den omgivende opløsningsmiddels molekylære egenskab er trofast repræsenteret i simuleringen. Kredit:Hideaki Takahashi

Ved ATP -hydrolyse, vand bruges til at adskille adenosintrifosfat (ATP) for at skabe adenosindiphosphat (ADP) for at få energi. ATP hydrolysenergi (AHE) bruges derefter i aktiviteterne i levende celler.

Der er gjort mange forsøg på at forklare AHE's molekylære oprindelse. I 1960'erne, AHE antages udelukkende at være indeholdt i molekylstrukturen af ATP, og kvantkemiske beregninger blev udført uden nogen kvantitativ succes.

I slutningen af 1990'erne, flere undersøgelser af AHE blev udført ved hjælp af kvantemekaniske beregninger i vand, der blev behandlet som et kontinuum dielektrisk medium. Imidlertid, vandopløsningsmidlets rolle som en struktureret samling af små molekyler i energien i AHE har været uklar.

Nu har forskere i Japan, for første gang, lykkedes at afsløre den mikroskopiske mekanisme for AHE -frigivelse i vand, ved hjælp af den nyeste beregningsmetode.

I undersøgelsen ledet af Hideaki Takahashi ved Tohoku University, virkningerne af opløsningsmidlets molekylære egenskaber, såvel som de elektroniske tilstande af opløste stoffer, blev overvejet fuldt ud. Sådanne simuleringer i stor skala blev muliggjort af hybrid kvante- og klassiske beregningsteknikker implementeret på massivt parallelle computere. Dette refererer til brugen af et stort antal processorer, der samtidigt udfører et sæt koordinerede beregninger.

Desuden, simuleringen blev efterfulgt af gratis energiberegninger ved hjælp af en metode med høj nøjagtighed og høj hastighed udviklet af Nobuyuki Matubayasi ved Osaka University.

Med denne undersøgelse, forskergruppen forklarede, hvorfor hydrolysefrie energier for ATP og pyrophosphat for det meste er -10 kcal/mol og er ufølsomme over for de samlede ladninger af disse opløste stoffer. De opdagede også, at AHE's konstantitet er et resultat af den suveræne kompensation mellem stabilisering af elektronisk tilstand og destabilisering i hydratiseringsfri energi af opløste stoffer.

Dette er vigtigt, fordi det udgør et nyt grundlæggende problem, der skal beskrives i standardbøger om biologi.

Sidste artikelVisualisering af atomstråling:Teambilleder gammastråler for at hjælpe med at dekontaminere Fukushima

Næste artikelEnkeltvinklet ptychography tillader 3D-billeddannelse af belastede materialer