아데노신 삼인산(ATP)은 생명활동에 필수 불가결한 에너지의 담당자다.세포 내에서, ATP가 아데노신 디인산(ATP) 및 무기 인산(Pi)으로 가수분해될 때 방출되는 에너지가 사용된다.이번에, 도호쿠 대학 대학원 이학 연구과 타카하시 히데아키 준 교수 등의 연구 그룹이, 그 ATP 에너지의 상세한 분자 메카니즘을 밝혔다.
지금까지 ATP 에너지의 물리적 이해를 위해 많은 연구가 이루어져 왔다. 1960년대까지는 ATP 에너지는 ATP 이온 자체의 분자 구조에 내재하는 것으로 되어, 그 고에너지성을 양자역학 계산에 의해 설명하려고 했지만, 실험값을 정량적으로 설명할 수 없었다. 1990년대에는 물의 영향을 연속체로 도입한 양자역학 계산이 이루어졌다.그러나, 물에 녹은 용질(반응물질 이온과 생성 물질 이온)의 각각의 수화 자유 에너지의 평가는 방대한 계산량에 의해 곤란했다.
이번 연구 그룹은 다수의 CPU(컴퓨터 중앙 처리 장치)를 병렬로 연결하여 계산하는 시스템을 독자적으로 개발. ATP나 ADP에 대해서 고속의 양자역학 시뮬레이션을 가능하게 했다.또한 오사카 대학의 마쓰바야시 신코 교수(기초공학연구과)가 개발한 고정밀 고속의 수화 자유 에너지 계산 수법을 융합하여 수중 ATP 가수분해 반응의 에너지를 높은 정밀도로 계산하는 데 성공했다.
계산에 따르면 ATP의 해리에 수반하는 전자 에너지의 큰 저하와 용질의 수화 자유 에너지의 큰 상승이 물이라는 매체 중에서 서로 정교하게 취소하는 것이 판명되었다.그 결과, 가수분해 자유 에너지가 ATP의 이온가수에 관계없이 거의 일정한 값이 되는 미시적 메카니즘이 처음으로 밝혀졌다.이 성과는 ATP 에너지 방출에 대해 생물학 교과서의 많은 설명을 다시 쓰는 것이라고 한다.
논문 정보: 【Journal of Physical Chemistry B】 Drastic Compensation of Electronic and Solvation Effects on ATP Hydrolysis Revealed through Large-Scale QM/MM Simulations Combined with a Theory of Solutions
