アデノシン三リン酸(ATP)は生命活動に必要不可欠なエネルギーの担い手だ。細胞内では、ATPがアデノシン二リン酸(ATP)と無機リン酸(Pi)に加水分解されるときに放出されるエネルギーが使われる。今回、東北大学大学院理学研究科高橋英明准教授らの研究グループが、そのATPエネルギーの詳細な分子メカニズムを明らかにした。

 これまでATPエネルギーの物理的理解のために多くの研究がなされてきた。1960年代まではATPエネルギーはATPイオン自体の分子構造に内在するものとされ、その高エネルギー性を量子力学計算により説明しようとしたが、実験値を定量的に説明できなかった。1990年代には、水の影響を連続体として取り入れた量子力学計算がなされた。しかし、水に溶けた溶質(反応物質イオンと生成物質イオン)のそれぞれの水和自由エネルギーの評価は膨大な計算量により困難だった。

 今回研究グループは、多数のCPU(コンピュータ中央処理装置)を並列につないで計算するシステムを独自に開発。ATPやADPについて高速の量子力学シミュレーションを可能とした。さらに大阪大学の松林伸幸教授(基礎工学研究科)が開発した高精度高速の水和自由エネルギー計算手法を融合し、水中のATP加水分解反応のエネルギーを高い精度で計算することに成功した。

 計算によると、ATPの解離に伴う電子エネルギーの大きな低下と溶質の水和自由エネルギーの大きな上昇が、水という媒体の中で相互に精妙にキャンセルすることが判明。その結果、加水分解自由エネルギーがATPのイオン価数によらずほぼ一定の値になる微視的メカニズムが初めて明らかにされた。この成果はATPエネルギー放出について生物学の教科書の多くの記述を書き換えるものだという。

論文情報:【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

東北大学

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