Quantum-Chemical Modelling of Adenosine Triphosphate Hydrolysis in Water Medium

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The hydrolysis of adenosine triphosphate to adenosine diphosphate and orthophosphate has been modeled using the density functional method. Two systems were considered: adenosine triphosphate molecule in aqueous solution and reaction products (adenosine diphosphate, orthophosphate and H+) uniformly surrounded by water (nH2O = 80). Calculations showed that the hydrolysis of adenosine triphosphate is accompanied by a decrease in the total energy of the system, which is consistent with the ideas about the energydonor character of the reaction of adenosine triphosphate hydrolysis to adenosine diphosphate and orthophosphate. In the absence of divalent cations, the energy reduction resulting from the hydrolysis of adenosine triphosphate is ΔE = EADP+Pi − EATP ≈ −110 kJ/mol. Electrostatic interactions due to the presence of divalent cations (Mg2+ or Ca2+) increase the hydrolysis energy (ΔE ≈ −135 kJ/mol). The results obtained are discussed in the context of the energetic role of adenosine triphosphate in biological systems.

About the authors

G. N Mukseev

Department of Physics, Lomonosov Moscow State University

Moscow, Russia

A. N Tikhonov

Department of Physics, Lomonosov Moscow State University

Email: an_tikhonov@mail.ru
Moscow, Russia

References

  1. Kalсkar H. M. Biological phosphorylations. Development of concepts (Prentice-Hall, Inc. Inglewood Cliffs, New Jersey, 1969).
  2. Junge W. and Nelson N. ATP synthase. Annu. Rev. Biochem., 84 (1), 631–657 (2015). doi: 10.1146/annurev-biochem-060614-034124
  3. Nelson D. L. and Cox M. M. Lehninger principles of biochemistry, 7th ed. (W.H. Freeman & Co, N.-Y., 2017).
  4. Cohn M. and Hughes T. R. Jr. Nuclear magnetic resonance spectra of adenosine di- and triphosphate: II. Effect of complexing with divalent metal ions. J. Biol. Chem., 237 (1), 176–181 (1962).
  5. Boyer P. D. The binding change mechanism for ATP synthase—some probabilities and possibilities. Biochim. Biophys. Acta −Bioenergetics, 1140 (3), 215–250 (1993). doi: 10.1016/0005-2728(93)90063-L
  6. Boyer P. D. The ATP synthase—a splendid molecular machine. Annu. Rev. Biochem., 66 (1), 717–749 (1997). doi: 10.1146/annurev.biochem.66.1.717
  7. Boyer P. D. Catalytic site forms and controls in ATP synthase catalysis. Biochim. Biophys. Acta − Bioenergetics, 1458 (2–3), 252–262 (2000). doi: 10.1016/S0005-2728(00)00077-3
  8. Yoshida M., Muneyuki E., and Hisabori T. ATP synthase—a marvellous rotary engine of the cell. Nature Rev. Molecular Cell Biol., 2 (9), 669–677 (2001). doi: 10.1038/35089509
  9. Okimoto N., Yamanaka K., Ueno J., Hata M., Hoshino T., and Tsuda M. Theoretical studies of the ATP hydrolysis mechanism of myosin. Biophys. J., 81 (5), 2786–2794 (2001). doi: 10.1016/S0006-3495(01)75921-8
  10. Akola J. and Jones R. O. ATP hydrolysis in water – a density functional study. J. Phys. Chem. B, 107 (42), 11774–11783 (2003). doi: 10.1021/jp035538g
  11. Grigorenko B. L., Rogov A. V., and Nemukhin A. V. Mechanism of triphosphate hydrolysis in aqueous solution: QM/MM simulations in water clusters. J. Phys. Chem. B, 110 (9), 4407–4412 (2006). doi: 10.1021/jp056395w
  12. Dittrich M., Hayashi S., and Schulten K. On the mechanism of ATP hydrolysis in F1-ATPase. Biophys. J., 85 (4), 2253–2266 (2003). doi: 10.1016/S0006-3495(03)74650-5
  13. Liao J. C., Sun S., Chandler D., and Oster G. The conformational states of Mg・ ATP in water. European Biophys. J., 33, 29–37 (2004). doi: 10.1007/s00249-003-0339-2
  14. Hu H. and Yang W. Free energies of chemical reactions in solution and in enzymes with ab initio quantum mechanics/molecular mechanics methods. Annu. Rev. Phys. Chem., 59 (1), 573–601 (2008). doi: 10.1146/annurev.physchem.59.032607.093618
  15. Tulub A. A. Molecular dynamics DFT: B3LYP study of guanosinetriphosphate conversion into guanosinemonophosphate upon Mg2+ chelation of α and β phosphate oxygens of the triphosphate tail. Phys. Chem. Chem. Phys., 8 (18), 2187–2192 (2006). doi: 10.1039/B517072A
  16. Tulub A. A. and Stefanov V. E. The effect of the oxidative properties of [Mg (H2O) 6] in the triplet and singlet states on the energetics of adenosine triphosphate cleavage. Russ. J. Inorg. Chem., 54 (7), 1127–1134 (2009). doi: 10.1134/S0036023609070213
  17. Harrison C. B. and Schulten K. Quantum and classical dynamics simulations of ATP hydrolysis in solution. J. Chem. Theory Comput., 8 (7), 2328–2335 (2012). doi: 10.1021/ct200886j
  18. Kobayashi E., Yura K., and Nagai Y. Distinct conformation of ATP molecule in solution and on protein. Biophysics, 9, 1–12 (2013). doi: 10.2142/biophysics.9.1
  19. Wang C., Huang W., and Liao J. L. QM/MM investigation of ATP hydrolysis in aqueous solution. J. Phys. Chem. B, 119 (9), 3720–3726 (2015). doi: 10.1021/jp512960e
  20. Buelens F. P., Leonov H., de Groot B. L., and Grubmuller H. ATP–magnesium coordination: protein structurebased force field evaluation and corrections. J. Chem. Theory Comput., 17 (3), 1922–1930 (2021). doi: 10.1021/acs.jctc.0c01205
  21. Car R. and Parrinello M. Unified approach for molecular dynamics and density-functional theory. Phys. Rev. Lett., 55 (22), 2471 (1985). doi: 10.1103/PhysRevLett.55.2471
  22. Harvey J. N., Żurek J., Pentikainen U., and Mulholland A. J. Comment on “Molecular dynamics DFT: B3LYP study of guanosinetriphosphate conversion into guanosinemonophosphate upon Mg2+ chelation of α and β phosphate oxygens of the triphosphate tail” by Alexander A. Tulub. Phys. Chem./Chem. Phys., 8 (45), 5366–5367 (2006). doi: 10.1039/B608855D
  23. Villa J. and Warshel A. Energetics and dynamics of enzymatic reactions. J. Phys. Chem. B, 105 (33), 7887–7907 (2001). doi: 10.1021/jp011048h
  24. Ikryannikova L. N., Ustynyuk L. Y., and Tikhonov A. N. DFT study of nitroxide radicals. 1. Effects of solvent on structural and electronic characteristics of 4-amino-2, 2, 5, 5-tetramethyl-3-imidazoline-N-oxyl. J. Phys. Chem. A, 108 (21), 4759–4768 (2004). doi: 10.1021/jp037943d
  25. Ikryannikova L. N., Ustynyuk L. Y., and Tikhonov A. N. DFT study of nitroxide radicals: explicit modeling of solvent effects on the structural and electronic characteristics of 4‐amino‐2, 2, 6, 6‐tetramethyl‐piperidine‐N‐oxyl. Magnet. Res. Chem., 48 (5), 337–349 (2010). doi: 10.1002/mrc.2585
  26. Liubimovskii S. O., Ustynyuk L. Y., and Tikhonov A. N. Superoxide radical scavenging by sodium 4, 5-dihydroxybenzene1, 3-disulfonate dissolved in water: Experimental and quantum chemical studies. J. Molec. Liquids, 333, 115810 (2021). doi: 10.1016/j.molliq.2021.115810
  27. Ustynyuk L. Y., Medvedeva V. A., Liubimovskii S. O., Ruuge E. K., and Tikhonov A. N. Interaction of magnesium ions with semiquinone radicals of tiron, an indicator of reactive oxygen species. Biophysics, 68 (6), 915–923 (2023). doi: 10.1134/S0006350923060192
  28. Avogadro: Molecular editor and visualization. URL: https://avogadro.cc/
  29. The ORCA program system / Version 5.0.1. URL: https://orcaforum.kofo.mpg.de/
  30. Perdew J. P., Burke K., and Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple. Phys. Rev. letters, 77 (18), 3865 (1996). doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865
  31. Weigend F. and Ahlrichs R. Balanced basis sets of split valence, triple zeta valence and quadruple zeta valence quality for H to Rn: Design and assessment of accuracy. Phys. Chem. Chem. Phys., 7 (18), 3297–3305 (2005). doi: 10.1039/B508541A
  32. Weigend F. Accurate Coulomb-fitting basis sets for H to Rn. Phys. Chem. Chem. Phys., 8 (9), 1057–1065 (2006). doi: 10.1039/B515623H
  33. Laage D. and Hynes J. T. A molecular jump mechanism of water reorientation. Science, 311 (5762), 832–835 (2006). doi: 10.1126/science.1122154
  34. Python Software Foundation. Python Language Reference, version 3.11. URL: http://www.python.org
  35. Warshel A. Computer modeling of chemical reactions in enzymes and solutions. J. Biochem. Biophys. Methods, 26 (2–3), 241–243 (1991). doi: 10.1016/0165-022x(93)90048-s
  36. Allner O., Nilsson L., and Villa A. Magnesium ion–water coordination and exchange in biomolecular simulations. J. Chem. Theory Comput. 8 (4), 1493–1502 (2012). doi: 10.1021/ct3000734
  37. Penkov N. V. and Penkova N. A. Key differences of the hydrate shell structures of ATP and MgATP revealed by terahertz time-domain spectroscopy and dynamic light scattering. J. Phys. Chem. B, 125 (17), 4375–4382 (2021). doi: 10.1021/acs.jpcb.1c02276
  38. Penkov N. V., Penkova N. A., and Lobyshev V. I. Special role of Mg2+ in the formation of the hydration shell of adenosine triphosphate. Physics of Wave Phenomena, 30 (5), 344–350 (2022). doi: 10.3103/S1541308X22050090
  39. Mulliken R. S. Electronic population analysis on LCAO–MO molecular wave functions. J. Chem. Phys., 23 (10), 1833–1840 (1955). doi: 10.1063/1.1740588
  40. Романовский Ю. М. и Тихонов А. Н. Молекулярные преобразователи энергии живой клетки. Протонная АТФ-синтаза – вращающийся молекулярный мотор. Успехи физ. наук, 180 (9), 931–956 (2010). doi: 10.3367/UFNr.0180.201009b.0931
  41. Blumenfeld L. A., Grosberg A. Y., and Tikhonov A. N. Fluctuations and mass action law breakdown in statistical thermodynamics of small systems. J. Chem. Phys., 95 (10), 7541–7547 (1991). doi: 10.1063/1.461380
  42. Fayer M. D. Dynamics of water interacting with interfaces, molecules, and ions. Acc. Chem. Res., 45 (1), 3–14 (2012). doi: 10.1021/ar2000088
  43. Hassanali A. A., Cuny J., Verdolino V., and Parrinello M. Aqueous solutions: state of the art in ab initio molecular dynamics. Philos. Trans. Roy. Soc. A: Math., Phys. Engineer. Sci., 372 (2011), 20120482 (2014). doi: 10.1098/rsta.2012.0482
  44. Laasonen K., Sprik M., Parrinello M., and Car R. “Ab initio” liquid water. J. Chem. Phys., 99 (11), 9080–9089 (1993). doi: 10.1063/1.465574
  45. Wei D. and Salahub D. R. A combined density functional and molecular dynamics simulation of a quantum water molecule in aqueous solution. Chem. Phys. Lett., 224 (34), 291–296 (1994). doi: 10.1016/0009-2614(94)00540-0
  46. Zhang Y., Liu H., and Yang W. Free energy calculation on enzyme reactions with an efficient iterative procedure to determine minimum energy paths on a combined ab initio QM/MM potential energy surface. J. Chem. Phys., 112 (8), 3483–3492 (2000). doi: 10.1063/1.480503
  47. Podolsky R. J. and Morales M. F. The enthalpy change of adenosine triphosphate hydrolysis. J. Biol. Chem., 218 (2), 945–959 (1956). doi: 10.1016/S0021-9258(18)65857-0
  48. Gajewski E., Steckler D. K., and Goldberg R. N. Thermodynamics of the hydrolysis of adenosine 5'-triphosphate to adenosine 5'-diphosphate. J. Biol. Chem., 261 (27), 12733–12737 (1986). doi: 10.1016/S0021-9258(18)67153-4
  49. Buchachenko A. L. and Kuznetsov D. A. Magnetic field affects enzymatic ATP synthesis. J. Am. Chem. Soc., 130 (39), 12868–12869 (2008). doi: 10.1021/ja804819k
  50. Buchachenko A. L., Kouznetsov D. A., Breslavskaya N. N., and Orlova M. A. Magnesium isotope effects in enzymatic phosphorylation. J. Phys. Chem. B, 112 (8), 2548–2556 (2008). doi: 10.1021/jp710989d

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».