三磷酸腺苷（ATP）是生命活動必需的能量載體。在細胞內部，ATP 水解為二磷酸腺苷 (ATP) 和無機磷酸鹽 (Pi) 時釋放的能量被利用。此次，東北大學研究生院理學研究科副教授高橋英明領導的研究小組闡明了ATP能量的詳細分子機制。
迄今為止，對於 ATP 能量的物理理解已經進行了大量研究。 直到1960世紀1990年代，ATP能量被假設為ATP離子本身分子結構所固有的，並嘗試通過量子力學計算來解釋其高能量，但實驗值無法定量解釋。 XNUMX 世紀 XNUMX 年代，人們進行了量子力學計算，其中包括水作為連續體的影響。然而，由於計算量巨大，評估溶解在水中的每種溶質（反應離子和產物離子）的水合自由能一直很困難。
此次，課題組獨立開發了一套通過多個CPU（計算機中央處理單元）並行連接進行計算的系統。 ATP 和 ADP 的高速量子力學模擬是可能的。此外，通過集成大阪大學松林伸行教授（工學研究生院）開發的高精度、高速水合自由能計算方法，成功地高精度計算了水中ATP水解反應的能量。
根據計算發現，在水介質中，與ATP解離相關的電子能的大幅降低和溶質水合自由能的大幅增加相互抵消。結果，首次闡明了無論 ATP 離子價如何，水解自由能幾乎恆定的微觀機制。這項工作重寫了生物學教科書中關於 ATP 能量釋放的許多描述。
論文信息：[Journal of Physical Chemistry B] 通過大規模 QM/MM 模擬結合解理論揭示電子和溶劑化效應對 ATP 水解的劇烈補償
