Una instantánea de la simulación híbrida cuántica / clásica para ATP 4- colocado en disolvente de agua. Aquí, el soluto de ATP se describe mediante un método de química cuántica y las moléculas de agua del disolvente se representan con un campo de fuerza clásico. Las superficies transparentes azules y amarillas muestran, respectivamente, las superficies de isovalor del aumento y la disminución de la densidad electrónica en 3.0x10 -4 au en relación con la distribución de electrones promedio de ATP 4- en la solución. Por lo tanto, el estado electrónico del soluto (ATP 4- ) así como las propiedades moleculares del disolvente circundante están fielmente representadas en la simulación. Crédito:Hideaki Takahashi
En la hidrólisis de ATP, el agua se usa para dividir el trifosfato de adenosina (ATP) para crear difosfato de adenosina (ADP) para obtener energía. La energía de hidrólisis de ATP (AHE) se utiliza luego en las actividades de las células vivas.
Se han realizado muchos intentos para explicar el origen molecular de AHE. En los años 1960, Se pensaba que AHE estaba contenido únicamente en la estructura molecular del ATP, y se realizaron cálculos de química cuántica sin ningún éxito cuantitativo.
A finales de la década de 1990, Se llevaron a cabo más investigaciones sobre AHE utilizando cálculos de mecánica cuántica en agua que se trató como un medio dieléctrico continuo. Sin embargo, el papel del solvente de agua como un ensamblaje estructurado de pequeñas moléculas en la energía de AHE no ha sido claro.
Ahora los investigadores en Japón tienen, por primera vez, logró desvelar el mecanismo microscópico de liberación de AHE en el agua, utilizando el enfoque computacional de última generación.
En el estudio dirigido por Hideaki Takahashi en la Universidad de Tohoku, los efectos de las propiedades moleculares del disolvente, así como los estados electrónicos de los solutos, fueron completamente considerados. Estas simulaciones a gran escala fueron posibles gracias a técnicas híbridas cuánticas y computacionales clásicas implementadas en computadoras masivamente paralelas. Esto se refiere al uso de una gran cantidad de procesadores que realizan simultáneamente un conjunto de cálculos coordinados.
Es más, La simulación fue seguida por cálculos de energía libre utilizando un método de alta precisión y alta velocidad desarrollado por Nobuyuki Matubayasi en la Universidad de Osaka.
Con este estudio, El equipo de investigación explicó por qué las energías libres de hidrólisis de ATP y pirofosfato son en su mayoría de -10 kcal / mol y son insensibles a las cargas totales de estos solutos. También descubrieron que la constancia de AHE es el resultado de la excelente compensación entre la estabilización del estado electrónico y la desestabilización en la energía libre de hidratación de los solutos.
Esto es significativo porque constituye un nuevo tema fundamental que se describirá en los libros de texto de biología estándar.
