The principle of substance stability forms a structure and design of nucleic acids
(Working material)
Gladyshev G. P.
Abstract
The principle of substance stability explains the reasons for the difference between the supramolecular structure of DNA, which exists as a double helix, and RNA, which forms less ordered supramolecular structures containing single-chain fragments of polymer chains. Deoxyribose in real conditions is chemically less stable than ribose. Similarly, thymine is chemically less stable than uracil. Therefore, in physiological solutions of DNA macromolecules (containing fragments of deoxyribose and thymine) participate in the formation of supramolecular structures of increased stability in comparison with the stability of supramolecular structures formed by RNA macromolecules (containing ribose and uracil fragments). Calculated data are presented that confirm the validity of the principle of substance stability with respect to molecular and supramolecular structures. It is noted that the principle of substance stability forms a macromolecular design and reveals thermodynamic markers of aging and various diseases. The obtained results demonstrate the success of hierarchical thermodynamics
Keywords: hierarchical thermodynamics, the principle of substance stability, DNA, RNA, stability, aging
=======
Принцип стабильности вещества формирует структуру и дизайн
нуклеиновых кислот
(рабочий материал)
Абстракт
Принцип стабильности вещества объясняет причины различия супрамолекулярной структуры ДНК, которая существует в виде двойной спирали, и РНК, которая образует менее упорядоченные супрамолекулярные структуры, содержащие одноцепочные фрагменты полимерных цепей. Дезоксирибоза в реальных условиях является химически менее стабильной по сравнению с рибозой. Подобно этому тимин является химически менее стабильным, по сравнению с урацилом. Вследствие этого в физиологических растворах макромолекулы ДНК (содержащие фрагменты дезоксирибозы и тимина) участвуют в образовании супрамолекулярных структур повышенной стабильности по сравнению со стабильностью супрамолекулярных структур, образуемых макромолекулами РНК (содержащими фрагменты рибозы и урацила). Представлены расчетные данные, которые подтверждают справедливость принципа стабильности вещества применительно к молекулярным и супрамолекулярным структурам. Отмечается, что принцип стабильности вещества формирует макромолекулярный дизайн и выявляет термодинамические маркеры старения и различных заболеваний. Полученные результаты демонстрирует успех иерархической термодинамики.
Ключевые слова: иерархическая термодинамика, принцип стабильности вещества, ДНК, РНК, стабильность, старение
=======
Введение
В конце 70-х годов прошлого века автор заложил основы квазиравновесной динамической иерархической термодинамики созданной на фундаменте теории Дж. У. Гиббса [1]. При этом использовался постулат, «according to which the relatively low chemical (ch) thermodynamic stability of a compound in a state of ideal gas or solution causes relatively high supra-molecular (intermolecular, im) thermodynamic stability of condensed phases formed by that compound». Conversely, the higher the chemical thermodynamic stability of a substance, the lower the supramolecular thermodynamic stability of its condensed phase [2-3] .
В дальнейшем принцип был расширен на все структурные иерархии живой материи и назван принципом стабильности вещества или принципом Георгия Гладышева. Применение принципа к эволюции, филогенезу и онтогенезу позволило дать этому принципу формулировку [2-4]:
«During the formation or self-assembly of the most thermodynamically stable structures at the highest hierarchical level (j), e. g., the supramolecular level, Nature, in accordance with the second law, spontaneously uses predominantly the least thermodynamically stable structures available from a given local part of the biological system, belonging to a lower level, i. e. molecular level (j-1), and incorporates these unstable structures into next higher level, i. pramolecular level (j) ».
Для проверки принципа применительно у молекулярной и супрамолекулярной иерархии автор предположил, что существует корреляция между стандартной энергией Гиббса образования основных молекулярных кирпичиков жизни и их стабильностью. Это предположение оказалось в определенной мере оправданным и в дальнейшем обосновано [5]. Таким образом, появилась возможность выявлять тенденции изменения стабильности веществ при эволюционном развитии предбиологических и биологических систем. Однако из-за отсутствия достаточного количества данных выявление указанной тенденции проводилось в ограниченных масштабах, часто путем сравнения термодинамических величин полученных различными методами. В связи с этим выявленные тенденции, как правило, носили весьма качественный характер [6- 11] .
В последние годы были развиты новые методы, которые позволяют оценивать стабильность различных метаболитов в условия близких к физиологическим [12-13]. Полученные результаты позволяют более эффективно использовать принцип для объяснения и предсказания многих фактов и явлений. Справедливость принципа явно подтверждается при сравнении молекулярной (химической) стабильности высоко однотипных (практически идентичных) макромолекул и образуемых ими супрамолекулярных структур. Например, принцип позволяет обосновать причину существования двойных спиралей ДНК и единичных цепных структур РНК в условиях близких к физиологическим. Принцип стабильности вещества формирует дизайн макромолекул и других структур живого мира. Например, рис. 1 демонстрирует завораживающий эпигенетических дизайн метилированной ДНК.
Рис 1. Метилирование ДНК. В центре двойной спирали находятся два фрагмента метилцитозина
Супрамолекулярные структура нуклеиновых кислот
Сравним структуры двойных спиралей ДНК и цепей РНК «подобного состава». В этом случае отличие одинарных цепей ДНК и цепей РНК связано с наличием фрагментов дезоксирибозы в ДНК и их заменой на фрагменты рибозы в цепях РНК, а также присутствием урацила в РНК вместо тимина в ДНК.
Термодинамическая выгода образования двойной спирали ДНК по сравнению с образованием одинарной цепи РНК в организмах связана с присутствием в цепях ДНК дезоксирибозы вместо рибозы, а также тимина вместо урацила. Подтвердить это высказывание можно путем сопоставления стандартной свободной энергией Гиббса образования этих веществ, ДGfо298(kcal/mole) [13], которое соответствует стабильности этих соединений [5]. Ниже представлены формулы упомянутых соединений и соответствующие значения ДGfо298(kcal/mole):
ДGfо298(kcal/mole) = -76.83 ДGfо298(kcal/mole) = -38.79
ДGfо298(kcal/mole) = -10,08 ДGfо298(kcal/mole) = -28,00
Из представленных данных следует, что дезоксирибоза является химически менее стабильной, по сравнению с рибозой, а тимин менее стабилен, по сравнению с урацилом. Это означает, что цепи РНК, содержащие фрагменты рибозы и урацила химически более стабильна, по сравнению с цепями ДНК, которые содержат фрагменты дезоксирибозы и тимина. Менее стабильные цепи ДНК согласно принципу стабильности вещества имеют предпочтение к межмолекулярному комплементарному спариванию по сравнению с цепями РНК, которые образуют много нерегулярных супрамолекулярных структур с молекулами окружающей среды. Таким образом, принцип стабильности вещества способствует существованию ДНК в живых системах предпочтительно в форме двойных спиралей, а РНК в форме конформаций с участием одиночных цепей.
Заключение
Хотя сделанные нами заключения являются довольно общими, они подтверждают мнение о том, что иерархическая квазиравновесная термодинамика контролирует структурные преобразования в живых системах.
Использование принципа стабильности вещества для осознания направляющей роли термодинамики в формировании иерархических структур организмов на количественной основе только начинается. Однако развитие новых методов, созданных профессором Robert Alberty и коллегами [12, 13], позволяет рассчитывать на успех в этой области. Краткое описание метода оценки относительной термодинамической стабильности метаболитов представлено в приложении к этой статье.
Интересно с позиции принципа стабильности вещества рассмотреть влияние метилирования ДНК, РНК и гликирования белков, липидов и нуклеиновых кислот на старение организма.
В этих областях знания уже получено много важных результатов. Например, недавно установлено, что особенности метилирования ДНК определяют скорость и продолжительность жизни животных [14].
Изменение супрамолекулярных структур и тканей организмов в результате указанных процессов являются эффективными термодинамическими маркерами старения и различных заболеваний, включая рак.
Приложение 1
Расчет стандартной свободной энергии Д Гиббса для реакций и соединений в MetaCyc
(текст оригинала представлен без изменений)
[ Latendresse13 ] - https://biocyc. org/PGDBConceptsGuide. shtml#gibbs
Computing Gibbs Free Energy of Compounds and Reactions in MetaCyc
The computation (i. e., estimation) of the standard Д Gibbs free energy for reactions and compounds in MetaCyc, that is Дr G⁄○ and Дf G⁄○, respectively, was done at pH 7.3 and ionic strength 0.25. We used pH 7.3 because the computation of the protonation state of all compounds in MetaCyc used that value.
The computation of the standard Gibbs free energy of change formation of compounds is first done by an estimation at pH 0 and ionic strength 0 (Дf G○) based on the technique presented in [M. D. Jankowski, C. S. Henry, L. J. Broadbelt, and V. Hatzimanikatis. Group contribution method for thermodynamic analysis of complex metabolic networks. Biophys J, 95(3):1487–1499, Aug 2008]. This technique is based on the decomposition of the compounds into known “contribution groups”. Then, the standard Gibbs free energy at pH 7.3 and ionic strength 0.25 (Дf G⁄○) is computed based on a technique developed by Robert A. Alberty [Robert A. Alberty. Thermodynamics of Biochemical Reactions. Wiley-InterScience, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2003]. In his technique, Alberty proposes to use several protonation states for some compounds, but we had to simplify it by always using only one protonation state by compound, that is, the unique one stored in MetaCyc.
For the standard Gibbs free energy of reactions, Дr G⁄○, the computation is based on the Дf G⁄○ values of the compounds involved in the reaction.
The Дf G⁄○ could not be computed for some of the compounds in MetaCyc due to the impossibility to decompose them into the contribution groups provided by the technique of [M. D. Jankowski, C. S. Henry, L. J. Broadbelt, and V. Hatzimanikatis. Group contribution method for thermodynamic analysis of complex metabolic networks. Biophys J, 95(3):1487–1499, Aug 2008]. Consequently, the Дr G⁄○ is not computed for any reaction which has a substrate for which its Дf G⁄○ is not stored in MetaCyc.
Приложение 2
Таблица 1
Стандартная свободная энергия Гиббса образования нуклеооснований, вычисленная по методу, представленному в Приложении 1. [ Latendresse13 ]
Название | Формула | М. вес (масса) | Т пл., K(с разлож.) | ДGfо298(kcal/mole) | |
1 | Аденин (А) | C5H5N5 | 135,13 | 633 – 638 (365°C) | +125.61 |
2 | Гуанин (G) | C5H5N5O | 151,13 | 633 (360°C) | +36.08 |
3 | Цитозин (C) | C4H5N3O | 111,10 | 593 – 598 (325°C) | +19.91 |
4 | Тимин (T) | C5H6N2O2 | 126,11 | 589 – 590 (317°C) | -10,08 |
5 | Урацил(U) | C4H4N2O2 | 112,09 | 608 (335°C) | -28,00 |
Литература
1. Gladyshev G. P. On the thermodynamics of biological evolution // J. Theoretic. Biol. 1978. Vol. 75. Iss. 4. Dec 21. P. 425–441. (Preprint: Chernogolovka, Institute of Chem. Phys. Academy of Science of USSR, May, 1977, p. 46).
2. Gladyshev Georgi P. Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings.- Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc.- 1997.- 142 P. Russian: . Термодинамическая теория эволюции живых существ. М.: Луч, 1996. -86с. http://www. /encyclopedia/Thermodynamic-evolution
3. Супрамолекулярная термодинамика – Ключ к осознанию явления жизни. Что такое жизнь с точки зрения физико-химика. Издание второе, М – Ижевск. ISBN: 59397-21982 (2003). http://creatacad. org/?id=58&lng=eng
4. Gladyshev G. P., The principle of substance stability is applicable to all levels of organization of living matter, Int. J. Mol. Sci., 2006, vol. 7, pp. 98–110.http://www. mdpi. org/ijms/papers/i7030098.pdf
5. Gladyshev G. P. On changes in chemical stability of components in chemical and biological evolution, No 4/2017, p. 66-69, Norwegian Journal of development of the International Science ISSN 3453-9875 * http://www. /formatting-requirements/
Correction, see also: https://www. /publication/316881358_On_changes_in_chemical_stability_of_components_in_chemical_and_biological_evolution
6. , Термодинамическая теория эволюции и старения, Успехи геронтол.
2012. Т. 25. № 3. С. 373–385 УДК 577.71 https://www. /publication/272013167_Thermodynamic_theory_of_evolution_and_aging
7. Gladyshev G. P. Thermodynamics of the origin of life, evolution, and aging. Advances in Gerontology, April 2015, Volume 5, Issue 2, pp 55-58. http://link. /journal/13329/5/2/page/1
8. Georgi P. Gladyshev (2015). Thermodynamics of Aging and Heredity. Natural Science, 7,
No 5 270-286. Published Online May 2015 http://dx. doi. org/10.4236/ns.2015.75031 http://www. scirp. org/journal/ns
9. Gladyshev G. P. On General Physical Principles of Biological Evolution https://www. /publication/314187646_On_General_Physical_Principles_of_Biological_Evolution
10. Gladyshev G. P Hierarchical Thermodynamics: Foundation of Extended Darwinism https://www. /publication/314082150_Hierarchical_Thermodynamics_Foundation_of_Extended_Darwinism
11. Gladyshev G. P. Life - A Complex Spontaneous Process Takes Place against the Background of Non-Spontaneous Processes Initiated by the Environment
https://www. omicsonline. org/open-access/life--a-complex-spontaneous-process-takes-place-against-the-background-of-nonspontaneous-processes-initiated-by-the-environment-2157-7544-1000188.pdf
12. Alberty Robert A. Thermodynamics of Biochemical Reactions. Wiley-InterScience, John Wiley & Sons, Hoboken, New Jersey, 2003.
13. puting Gibbs Free Energy of Compounds and Reactions in MetaCyc
14. Maegawa Sh. et al., Caloric restriction delays age-related methylation drift // Nature
Communications, 2017; doi:10.1038/s41467-017-00607-3 https://www. /articles/s41467-017-00607-3
