Bij ATP-hydrolyse, water wordt gebruikt om adenosinetrifosfaat (ATP) te splitsen om adenosinedifosfaat (ADP) te maken om energie te krijgen. ATP-hydrolyse-energie (AHE) wordt vervolgens gebruikt bij de activiteiten van levende cellen.

Er zijn veel pogingen gedaan om de moleculaire oorsprong van AHE te verklaren. In de jaren 1960, Men dacht dat AHE alleen aanwezig was in de moleculaire structuur van ATP, en kwantumchemische berekeningen werden uitgevoerd zonder enig kwantitatief succes.

Eind jaren negentig, meer onderzoeken naar AHE werden uitgevoerd met behulp van kwantummechanische berekeningen in water dat werd behandeld als een continuüm diëlektrisch medium. Echter, de rol van het wateroplosmiddel als een gestructureerd geheel van kleine moleculen in de energetische eigenschappen van AHE is onduidelijk gebleven.

Nu hebben onderzoekers in Japan, Voor de eerste keer, slaagde erin het microscopische mechanisme van AHE-afgifte in water te onthullen, met behulp van de modernste computationele benadering.

In de studie geleid door Hideaki Takahashi aan de Tohoku University, de effecten van de moleculaire eigenschappen van het oplosmiddel, evenals de elektronische toestanden van de opgeloste stoffen, volledig werden overwogen. Dergelijke grootschalige simulaties werden mogelijk gemaakt door hybride kwantum- en klassieke rekentechnieken die werden geïmplementeerd op massaal parallelle computers. Dit verwijst naar het gebruik van een groot aantal processors die gelijktijdig een reeks gecoördineerde berekeningen uitvoeren.

Verder, de simulatie werd gevolgd door gratis energieberekeningen met behulp van een zeer nauwkeurige en snelle methode ontwikkeld door Nobuyuki Matubayasi aan de universiteit van Osaka.

Met deze studie, het onderzoeksteam legde uit waarom de hydrolysevrije energieën van ATP en pyrofosfaat meestal -10 kcal/mol zijn en ongevoelig zijn voor de totale ladingen van deze opgeloste stoffen. Ze ontdekten ook dat de constantheid van AHE het resultaat is van de uitstekende compensatie tussen de stabilisatie van de elektronische toestand en de destabilisatie in hydratatievrije energie van de opgeloste stoffen.

Dit is belangrijk omdat het een nieuwe fundamentele kwestie vormt die in standaard biologiehandboeken moet worden beschreven.