The principle of substance stability forms a structure and design of nucleic acids

Full text

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)
Г. П. Гладышев
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.e.
supramolecular 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, ΔGfо298(kcal/mole) [13], которое соответствует стабильности
этих соединений [5]. Ниже представлены формулы упомянутых соединений и
соответствующие значения ΔGfо298(kcal/mole):

ΔGfо298(kcal/mole) = -76.83 ΔGfо298(kcal/mole) = -38.79
ΔGfо298(kcal/mole) = -10,08 ΔGfо298(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 Δ 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 Δ Gibbs free energy for reactions and compounds in MetaCyc,
that is Δr G⁄○ and Δf 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 (Δf 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 (Δf 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, Δr G⁄○, the computation is based on the Δf G⁄○ values of the
compounds involved in the reaction.
The Δf 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 Δr G⁄○ is not computed for any reaction which has a substrate for
which its Δf G⁄○ is not stored in MetaCyc.
Приложение 2
Таблица 1
Стандартная свободная энергия Гиббса образования нуклеооснований, вычисленная по
методу, представленному в Приложении 1. [ Latendresse 13 ]
Название Формула М.вес (масса) Т пл., K(с разлож.) ΔGfо298(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: Г.П. Гладышев.
Термодинамическая теория эволюции живых существ. М.: Луч, 1996. -86с.
http://www.statemaster.com/encyclopedia/Thermodynamic-evolution
3. Гладышев Г.П. 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.njd-iscience.com/formatting-requirements/
Correction, see also:
https://www.researchgate.net/publication/316881358_On_changes_in_chemical_stability_of_co
mponents_in_chemical_and_biological_evolution
6. Гладышев Г. П., Термодинамическая теория эволюции и старения, Успехи геронтол.
2012. Т. 25. № 3. С. 373–385 УДК 577.71
https :// www . researchgate . net / 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.springer.com/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.researchgate.net/publication/314187646_On_General_Physical_Principles_of_Biol
ogical_Evolution
10. Gladyshev G. P Hierarchical Thermodynamics: Foundation of Extended Darwinism
https://www.researchgate.net/publication/314082150_Hierarchical_Thermodynamics_Foundatio
n_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. MetaCyc. Computing 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.nature.com/articles/s41467-017-00607-3