CC BY
17CHEMICAL SCIENCES
ON THE THERMODYNAMICS OF A HIGH-ENERGY PHOSPHATE POOL IN BIOCHEMISTRY
Gladyshev G.
Doctor of chemical sciences, professor Principal scientist N. N. Semenov Institute of Chemical Physics Russian Academy of Sciences, Russian Academy of Arts, Moscow
О ТЕРМОДИНАМИКЕ ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ФОСФАТНЫХ СВЯЗЕЙ В
БИОХИМИИ
Гладышев Г.П.
Доктор химических наук, профессор Главный научный сотрудник Институт химической физики им. Н. Н.Семенова Российская Академия наук, Отделение дизайна, Российская Академия Художеств,
Москва
Abstract
Attention is drawn to the existing disagreements concerning terminology and concepts about high-energy compounds in life sciences. These disagreements make it difficult to understand the mechanism of metabolism and the transform of energy in living nature and lead to a number of misconceptions. It is recommended to distinguish the conception of "high-energy compound according to Lipmann" from the analogous conception of "high-energy compound", which has the opposite sense and is used in classical and hierarchical thermodynamics.
Аннотация
Обращается внимание на существующие разногласия, касающихся терминологии и представлений о высокоэнергетических соединениях в науках о жизни. Эти разногласия, прежде всего, затрудняют понимание механизма обмена веществ и энергии в живой природе и приводят к ряду заблуждений. Рекомендуется различать понятие «энергоемкости по Липманну» от, имеющего противоположный смысл, аналогичного понятия «энергоемкости», которое используется в классической и иерархической термодинамике.
Keywords: thermodynamics, biochemistry, high-energy bonds, ATP, ADP, AMP, the principle of substance stability, metabolism, aging
Ключевые слова: термодинамика, биохимия, высокоэнергетические связи, АТФ, АДФ, АМФ, принцип стабильности вещества, обмен веществ, старение
Эпиграф
"Mathematicians do not study objects, but relations between objects. Thus, they are free to replace some objects by others so long as the relations remain unchanged. Content to them is irrelevant: they are interested in form only."
Henri Poincare
Цель этой короткой статьи - обратить внимание на существующие противоречия в представлениях и терминологии, касающихся энергоемких и стабильных соединений. Эти противоречия приводят к неоднозначному пониманию роли термодинамики в метаболизме и катаболизме ряда биохимических процессов. Прежде всего, это касается циклов взаимопревращения «высокоэнергетических фосфатов»: АТФ, АДФ, АМФ и других подобных соединений.
Сначала с позиции термодинамики изложим корректные, на наш взгляд, представления об энергоемкости (энергии образования) и стабильности молекул и супрамолекулярных структур. При этом
будем ориентироваться на практически общепринятое утверждение: «Состояние системы А называется более термодинамически стабильным, чем состояние этой же системы В, если изменение свободной энергии Гиббса при переходе от А до В положительно» ("State A is said to be more thermo-dynamically stable than state B if the Gibbs energy of the change from A to B is positive") [1, 2, 3]. Эти представления также применимы ко всем высшим иерархическим структурам живого мира [4].
Энергоемкими соединениями являются малостабильные вещества, которые характеризуются сравнительно положительной величиной свободной энергии Гиббса их образования. Стабильные химические вещества характеризуются отрицательной свободной энергией Гиббса их образования, и они не рассматриваются как энергоемкие соединения. Однако эти классические представления не соответствуют терминологии, обычно используемой в биохимии при исследовании взаимопревращений АТФ, АДФ, АМФ и других метаболитов. В этом по-
следнем случае принято называть высокоэнергоемкими соединениями, как раз наоборот, соединения, которые содержат прочные фосфатные химические связи и являются весьма термодинамически стабильными. Указанные представления ввел A.F. Lip-mann. В свое время они, по-видимому, с некоторой точки зрения были оправданы. Тем не мене, использование неверных представлений о «высокоэнергетических связях», которые на самом деле являются «малоэнергетическими связями», приводит к недоразумениям и неверным представлениям о механизме преобразования энергии в живых системах. Этому вопросу посвящен ряд пояснений, высказанных профессиональными исследователями [3, 5 - 8].
После того, как был сформулирован принцип стабильности вещества (1977), появилась возможность рассматривать возникновение жизни, а также биохимические процессы с позиции этого принципа как движущей силы эволюции, филогенеза и онтогенеза. Это обстоятельство приводит к необходимости делать соответствующие пояснения в учебниках, касающихся «высокоэнергетических соединений Липманна» и устранять обнаруживаемые недоразумения в трактовке механизмов метаболизма.
Сначала рассмотрим взаимопревращения АТФ, АДФ, АМФ с позиции иерархической термодинамики, направляемой действием принципа стабильности вещества. Напомним читателю, что принцип стабильности вещества, применительно к молекулярным и супрамолекулярным превращениям можно сформулировать так: ««During the formation or self-assembly of the most thermodynami-cally 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., the molecular level (j-1), and incorporates these unstable structures into the next higher level, i.e. the supramolecular level (j) ».
В переводе на русский это звучит так: «При формировании или самосборке наиболее термодинамически стабильных структур высшего иерархического уровня (j), например, супрамолекулярного уровня, природа в соответствии со вторым законом спонтанно использует преимущественно наименее термодинамически стабильные структуры (доступные в данной локальной области биологической системы), принадлежащие к низшему уровню, т.е. молекулярному уровню (j-1). Эти неустойчивые структуры входят в состав следующего более высокого уровня, то есть надмолекулярного уровня (j) ». [9-12]
Другими словами, принцип стабильности вещества утверждает, что каждая иерархическая структура биомира в физиологических условиях эволюционирует в поиске минимума удельной свободной энергии Гиббса ее образования. При этом наблюдается обогащение упомянутой структуры энергоемким веществом смежной низшей структуры. Стремление к минимуму указанного параметра наблюдается на фоне несамопроизвольных (неспонтанных) процессов, инициируемых окружающей средой.
Проведем сравнительную оценку свободной энергии Гиббса образования АТФ (ATP), АДФ (ADP) и АМФ (AMP) в стандартных физиологических условиях [13].
Adenosine triphosphate (ATP)
Chemical Formula C10H12N5O13P3 Standard Gibbs Free Energy of Formation (A f G'°) = -553.70 kcal/mol [13] Adenosine diphosphate (ADP)
nh2
о 0
Chemical Formula C10H12N5O10P2 Standard Gibbs Free Energy of Formation (A f G'°) = -344.93 kcal/mol [13] Adenosine monophosphate (AMP)
NH;
0
Chemical Formula Ci0Hi2N5O7P Standard Gibbs Free Energy of Formation (A f G'°) = -135.90 kcal/mol [13]
Из сделанного сопоставления видно, что стандартная свободная энергия Гиббса образования соединений (Д { в'°) значительно меняется в ряду: АТФ (-553.70 кса1/то1) - АДФ (-344.93 кса1/то1) -АМФ (-135.90 kca1/mo1).
С позиции классической и иерархической термодинамики это означает, что стабильность веществ в этом ряду уменьшается:
стабильность АТФ > стабильность АДФ >
стабильность АМФ (1) Энергоемкость в этом ряду, наоборот, увеличивается:
энергоемкость АТФ < энергоемкость АДФ < энергоемкость АМФ (2)
Сопоставление стабильности и энергоемкости в этом случае характеризует тенденцию изменения этих физических величин, поскольку рассматриваемые соединения имеют близкий химический состав и их можно считать однотипными веществами. Важно пояснить, почему в подобных случаях можно говорить только о тенденции изменения характеризующей систему параметров. Дело в том, что здесь речь идет о разных, хотя и близких по составу, системах (молекулах). Незнание абсолютных значений рассматриваемой функции состояния (в)
простых веществ (элементов) не позволяет говорить о точном сравнении значениях этих функций. Подобное приближение следует считать своего рода постулатом - допущением, которое качественно подтверждается существованием направленных корреляций при исследованиях сравнительно близких по природе и составу однотипных систем. Химия «изобилует» подобными закономерностями. В этом смысле химия отличается от физики, которая обычно использует более точные подходы. Можно, по-видимому, утверждать, что в рассматриваемом случае сопоставление стабильности и энергоемкости соединений является вполне разумным.
В то же самое время наиболее «высокая энергоемкость» по Липманну приписывается АТФ, а не АДФ и АМФ, что не согласуется со «строгой» термодинамикой. В связи с этим обстоятельством, при использовании термодинамики в биохимии всегда следует уточнять, о какой энергоемкости идет речь: «энергоемкости по Липманну» или о «термодинамической энергоемкости». Это, по мнению автора, позволит избежать заблуждений и неопределенностей при создании общей схемы обмена веществ в биохимии.
В качестве примера неудачного (неполного) рассмотрения термодинамического механизма взаимопревращения АТФ, АДФ и АМФ можно привести обсуждение этого механизма с позиции терминологии А.Липманна и принципа стабильности веществ, сделанного в работе [9]. При обсуждении этого вопроса автор ориентировался на представления о «энергоемкости по Липманну» и не сделал оговорок относительно того, что фактически речь шла об использовании принципа стабильности вещества для систем «нуклеофосфат - вода». В этом случае рассматривалась направленность цикла АТФ, которая «противоположна» направленности превращения, связанного со стабильностью индивидуальны нуклеофосфатов [13]. В настоящей статье на основании использования принципа стабильности вещества сделано заключение, соответствующее направленности изменения стабильности и энергоемкости нуклеофосфатов цикла в соответствии с принятой в термодинамике терминологией. Схемы (1) и (2) отражают это термодинамически корректное заключение.
Таким образом, с позиции термодинамики молекулы АТФ в физиологических условиях являются весьма стабильными и менее энергоемкими по сравнению с АДФ и АМФ. Согласно принципу стабильности вещества супрамолекулярные образования (структуры) «АТФ - окружающая молекулярная среда» сравнительно мало стабильны. Стремление систем (тканей организмов) к максимальной супрамолекулярной стабильности сопровождается обогащением этих структур супрамолекулярными образованиями (комплексами) «АДФ - окружающая молекулярная среда», которые с позиции су-прамолекулярной термодинамики более стабильны по сравнению со структурами «АТФ - окружающая молекулярная среда». Подобно этому должно наблюдаться обогащение тканей организмов супра-молекулярными структурами, образованными АМФ.
Химически менее стабильные молекулы АМФ и АДФ в физиологических условиях могут самопроизвольно превращаться в молекулы АТФ, которые является химически более стабильными. Однако супрамолекулярные образования с участием АТФ являются мало-стабильными по сравнению с подобными структурами АДФ и АМФ, что делает их более доступными в реакциях взаимодействия с другими метаболитами и катаболитами. Возможно, это преимущество позволяет АТФ выполнять особые функции в энергетическом обмене в живых системах.
Так или иначе, проблема ждет своего развития. Для дальнейшего анализа сложившейся ситуации желательны дополнительные исследования.
Настоящая работа выполнена в рамках государственного задания ФАНО России (тема 00822018-0006, регистрационный номер № АААА-А18-118020890097-1).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРА:
1. Stull, D.R., Westrum Jr., E.F. and Sinke, G.C. (1969) The Chemical Thermodynamics of Organic Compounds. John Wiley and Sons, Inc., New York.
2. PAC, 1994, 66, 1077 (Glossary of terms used in physical organic chemistry (IUPAC Recommendations 1994)) on page 1166.
3. High-energy phosphate https://en.wikipe-dia.org/wiki/High-energy phosphate
4. Gladyshev G.P., Thermodynamics Theory of the Evolution of Living Beings, Commack, New York: Nova Science Publishers, Inc., 1997. 142 P. In Russian: Гладышев Г.П., Термодинамическая теория эволюции живых существ, М.: "Луч", 1996.-86с. http://cre-atacad.org/?id=58&lng=eng
5. Lubert Stryer, Biochemsitry, 3rd edition, 1988. Chapter 13, p. 318.
6. Alberty R. A. Calculating apparent equilibrium constants of enzyme-catalyzed reactions at pH 7. Biochemical Education 28 (2000) 12-17. https://onlineli-brary.wiley.com/doi/pdf/10.1111/j.1539-3429.2000.tb00003.x
7. Alberty Robert A. Biochemical Thermodynamics: Applications of Mathematics, John Wiley & Sons, 2006. ISBN: 0471757985. http://onlineli-brary.wiley.com/book/10.1002/047003646X
8. Matthew D.Jankowski, Christopher S.Henry, Linda J.Broadbelt, Vassily Hatzimanikatis. Group Contribution Method for Thermodynamic Analysis of Complex Metabolic Networks, Biophysical Journal, Vol. 95, Issue 3, 1, August,2008, Pages 1487-1499. https://www.sciencedirect.com/science/arti-cle/pii/S0006349508702157
9. Gladyshev G.P. The principle substance stability creates the design of living beings and systems, Norwegian Journal of development of the International Science, No 16/2018, Vol. 2, pp. 19-28, ISSN 3453-9875. http://www.njd-iscience.com/wp-content/uploads/2018/03/NJD 16 2.pdf
10. Gladyshev G.P. Hierarchical thermodynamics explains the origin of life and its evolution, Norwegian Journal of development of the International Science, No 17/2018, Vol.3, pp. 27-35. ISSN 3453-9875 http://www.njd-iscience.com/archive/ http://www.nor-wegian-journal.com/wp-content/up-
loads/2018/05/NJD 17 3.pdf
11. Gladyshev G.P. On General Physical Principles of Biological Evolution, International Journal of Research Studies in Biosciences. 2017, Volume 5, Issue 3, Page No: 5-10. https://www.arcjour-nals.org/pdfs/ijrsb/v5-i3/2.pdf и https://www.re-searchgate.net/publication/314187646 On General Physical Principles of Biological Evolution
12. Gladyshev G. P., Hierarchical Thermodynamics: Foundation of Extended Darwinism. Imperial Journal of Interdisciplinary Research (IJIR), 2017, Vol-3, Issue-2, ISSN: 2454-1362. https://www.re-searchgate.net/publication/314082150 Hierarchical Thermodynamics Foundation of Extended Darwinism http ://imperialj ournals .com/in-dex.php/IJIR/article/view/4265/4085
13. MetaCyc: https://metacyc.org/ [ Latendresse13 ].
