Un instantané de la simulation hybride quantique/classique pour l'ATP 4- placé dans un solvant aqueux. Ici, le soluté d'ATP est décrit par une méthode de chimie quantique et les molécules d'eau du solvant sont représentées avec un champ de force classique. Les surfaces transparentes bleues et jaunes montrent, respectivement, les surfaces d'isovaleurs de l'augmentation et de la diminution de la densité électronique de 3,0x10 -4 au par rapport à la distribution électronique moyenne de l'ATP 4- dans la résolution. Ainsi, l'état électronique du soluté (ATP 4- ) ainsi que la propriété moléculaire du solvant environnant sont fidèlement représentés dans la simulation. Crédit :Hideaki Takahashi
Dans l'hydrolyse de l'ATP, l'eau est utilisée pour séparer l'adénosine triphosphate (ATP) pour créer l'adénosine diphosphate (ADP) pour obtenir de l'énergie. L'énergie d'hydrolyse de l'ATP (AHE) est ensuite utilisée dans les activités des cellules vivantes.
De nombreuses tentatives ont été faites pour expliquer l'origine moléculaire de l'AHE. Dans les années 1960, On pensait que l'AHE était uniquement contenu dans la structure moléculaire de l'ATP, et les calculs de chimie quantique ont été menés sans aucun succès quantitatif.
A la fin des années 1990, d'autres recherches sur l'AHE ont été menées à l'aide de calculs de mécanique quantique dans de l'eau traitée comme un milieu diélectrique continu. Cependant, le rôle du solvant aqueux en tant qu'assemblage structuré de petites molécules dans l'énergétique de l'AHE est resté incertain.
Maintenant, des chercheurs au Japon ont, pour la première fois, a réussi à dévoiler le mécanisme microscopique de libération de l'AHE dans l'eau, en utilisant l'approche informatique de pointe.
Dans l'étude menée par Hideaki Takahashi à l'université de Tohoku, les effets des propriétés moléculaires du solvant, ainsi que les états électroniques des solutés, ont été pleinement pris en compte. De telles simulations à grande échelle ont été rendues possibles par des techniques de calcul hybrides quantiques et classiques mises en œuvre sur des ordinateurs massivement parallèles. Il s'agit de l'utilisation d'un grand nombre de processeurs effectuant simultanément un ensemble de calculs coordonnés.
Par ailleurs, la simulation a été suivie de calculs d'énergie libre à l'aide d'une méthode de haute précision à grande vitesse développée par Nobuyuki Matubayasi à l'Université d'Osaka.
Avec cette étude, l'équipe de recherche a expliqué pourquoi les énergies libres d'hydrolyse de l'ATP et du pyrophosphate sont pour la plupart de -10 kcal/mol et sont insensibles aux charges totales de ces solutés. Ils ont également découvert que la constance de l'AHE est le résultat de la superbe compensation entre la stabilisation de l'état électronique et la déstabilisation de l'énergie sans hydratation des solutés.
Ceci est important car il constitue une nouvelle question fondamentale à décrire dans les manuels de biologie standard.
