Стандартные аминокислоты, входящие в состав белков, и гетероциклические азотсодержащие основания, входящие в состав нуклеиновых кислот, относятся к наиболее значимым компонентам всех живых организмов. Соответствие последовательности нуклеотидов в биополимерах РНК и ДНК с последовательностью аминокислот в биополимерах белка определяет генетический код [1]. При обсуждении проблемы возникновения генетического кода отмечена важность изучения факторов дифференцированного отбора протобиомономеров и особенностей пребиотического синтеза при абиогенезе и начальных биогенных стадиях [2]. В древних гидротермальных системах с CO, CO2, H2, NH3, CH4, H2S и H2O могли синтезироваться пребиотические молекулы формальдегида и циановодорода, затем из их смесей мог осуществляться абиогенный синтез углеводов, аминокислот и азотистых оснований [3, 4]. Предполагается возможность пребиотического синтеза азотистых оснований при облучении ультрафиолетом пиримидина и пурина в холодных астрофизических условиях на первобытной Земле и других космических объектах Вселенной [5–7].

В этом плане особый интерес представляет собой изучение термохимии аминокислот и азотистых оснований, взаимосвязи между их структурой и энергетикой. Широко практикуется экспериментальное определение энергии сгорания ряда чистых биоорганических соединений в калориметрической бомбе с газообразным кислородом до CO2, H2O, N2 и H2SO4 [8]. Эти анализы сопряжены с рядом технических сложностей и могут иметь существенные расхождения. Поэтому при изучении термохимии сгорания биологически важных мономеров особое значение приобретают расчетные методы [9–11]. Обычно для приближенных оценок изменения стандартной энтальпии той или иной реакции () используют эмпирические значения энергетических вкладов одинарных и кратных связей атомов, групп атомов в резонансных структурах.

Цель работы: приближенные вычисления значений стандартных энтальпий сгорания протеиногенных аминокислот и азотистых оснований по их элементному составу и пространственной структуре.

Возможность оценки изменений свободной энергии и энтальпии сгорания биохимических соединений на основе их элементного состава

Внутренняя энергия системы может изменяться при совершении работы или в процессе передачи энергии в виде теплоты (∆H, энтальпия, теплосодержание, тепловая функция Гиббса) [8]. Для характеристики самопроизвольных (необратимых) биохимических процессов, протекающих при постоянных температуре и давлении, принято использовать изменение свободной энергии Гиббса:

∆GT,P = ∆H – T∙∆S,

где ∆S – изменение энтропии, T – термодинамическая температура.

При сгорании питательных веществ ∆H обычно значительно больше T∙∆S, поэтому она не очень сильно отличается от ∆G и может служить приблизительной мерой совершаемой работы. Число электронов (ne), участвующих в полном окислении вещества, рассчитывают исходя из числа атомов в молекуле данного вещества (nC, nH, nS, nO) и соответствующей им валентности [8]:

ne = 4nC + nH + 6nS – 2nO.

Анализ стандартных значений термодинамических величин ∆ и ∆ позволяет полнее понять сущность структурных единиц соединений (атомов, ядер, электронов), связь атомов друг с другом и взаимодействие групп атомов в молекуле.

В электрохимии изменение свободной энергии Гиббса принято выражать через электродные потенциалы, связанные с переносом электронов через границу между гальваническим электродом и электролитом при прохождении электрического тока [8]. В этом случае используют функциональную связь ∆GO со стандартной разностью окислительно-восстановительных потенциалов ∆EO (при pH7, 25 °C) сопряженных пар окислитель-восстановитель:

∆GO = –∆EO(B)∙ne∙F (Кл∙моль-1) =

= –ne∙∆EO∙96,485 кДж∙моль-1,

где F – число Фарадея, ne – число электронов, переносимых от восстановителя к окислителю.

По шкале электродных потенциалов значение ∆EO полуреакции кислород-водород (O2 + 4H+ + 4e → 2H2O) равен +1,229 В. Следовательно, максимальная работа (–∆GO), которую может совершить поток электронов во внешней цепи, обусловленной электрохимической реакцией кислород-водород, составляет:

∆GO = –2∙1,229 (В)∙96,485 (Кл∙моль-1) =

= –237,16 кДж∙моль-1.

С другой стороны, из калориметрических данных стандартная свободная энергия сгорания H2 (∆) тоже равна – 237,2 кДж∙моль-1.

Окислительно-восстановительным парам O2–H2O и H+–H2 в биохимическом отношении принадлежит исключительно важная роль [8]. Между ними располагается множество других пар окислительно-восстановительных реакций живой клетки. Учитывая значение электродного потенциала электрохимической реакции кислород-водород (∆EO 1,229 В), количественный состав атомов в биологически важных соединениях (nC, nH, nS, nO) и соответствующие им валентности можно приближенно оценить ∆ и теплоту сгорания ∆ по следующему эмпирическому уравнению:

–96,485 [4nC + 1,229nH + 6nS – ≤ 2nO].

При сгорании органических соединений (ОС) происходит перемещение валентных электронов от атомов углерода, водорода и серы к атомам экзогенного газообразного кислорода. При сгорании ОС, богатых атомами кислорода, в калориметрической бомбе будет расходоваться меньше газообразного кислорода и бомба будет меньше выделять в окружающую среду тепла (–Qv). При замещении атомов водорода, связанных с углеродом, атомами кислорода или группами кислородсодержащих атомов (–COH, –CHO, –C=O, –COOH) изменяется состав и электронная структура молекулы, и, следовательно, уменьшается теплота сгорания ОС. Поэтому расчет ∆, ∆ и количества электронов (ne), участвующих в полном окислении представителей различных классов кислородных ОС, можно осуществить путем внесения поправки в единственный параметр ≤ –2nO.

Расчет ∆ протеиногенных аминокислот

Стандартные аминокислоты белков представляют собой карбоновые кислоты с альфа-аминогруппой –NH2, присоединенной к атому углерода, связанного с карбоксильной группой –COOH. Они различаются между собой структурой «боковых цепей». Определенные α-аминокислоты имеют дополнительную карбоксильную (Asn, Gln) или аминогруппу (Asn, Gln), –OH или –SH-группу (Ser, Thr, Tyr, Cys), ароматические (Phe, Tyr) или азотсодержащие гетероциклы (Pro, His, Trp). Из-за различий в элементном составе и электронной структуре α-аминокислот уравнения оценки их ∆ отличаются значением поправки в параметре ≤ –2nO (табл. 1).

Уравнения вычисления ∆ для 11-ти С2–С5 аминокислот аналогичны таковым для карбоновых кислот и спиртов (кДж∙моль-1):

∆= –96,485 [4nC + 1,229nH – (2,0÷1,6)nO].

В уравнениях оценки ∆ для 6-ти С5–С11 аминокислот с кратными связями (Arg и циклические) параметр –2nO замещен на –(1,35÷0,25)nO. Наиболее существенная поправка (–0,25nO) внесена в уравнение ∆ для единственного бициклического наиболее высокомолекулярного триптофана (C11H12O2N2). Поэтому число электронов, участвующих в полном окислении Trp в микрокалориметре за счет газообразного кислорода, будет максимальным и достигать 55,5, превышая соответствующее значение 52,0ne по литературным данным [8].

Вычисление ∆ α-аминокислот можно производить с аналогичной хорошей точностью и по следующему эмпирическому уравнению (кДж∙моль-1):

∆ = –96,485 [n* + 0,229nH].

Для большинства протеиногенных аминокислот стандартная энергия сгорания ∆ превышает ∆, так как у них изменение энтропии ∆ имеет положительное значение и работа по изменению объема окружения незначительна [11, 12]. В этом случае приближенную оценку ∆ по эмпирическому уравнению можно произвести путем сокращения значения параметра ≤ –2nO до –(1,80÷1,95)nO. Значение ∆ существенно превышает ∆ (на 2,6–2,8 %) лишь у серусодержащих метионина, цистеина и цистина [8, 11, 19]. В этом случае при расчете ∆ параметр –1,7nO (для ∆), напротив, следует повысить до –2nO. Значение ∆ несколько превышает ∆ (~ на 0,1 %) и у C6 углеводородных аминокислот лейцина и изолейцина (C6H13O2N), имеющих отрицательное значение ∆8–15].

Следует отметить тот факт, что в хронологии появления определенных α-амино- кислот в биополимерах белка (от #1Cys до #20Trp) и соответствующим им составом кодонов просматривается определенная согласованность с параметром ≤ –2nO (от –2nO до –0,25nO) в таблице расчета ∆. В корне кодонов для первых С2–С5 аминокислот (#1, 2, 3, 5, 8, 11, 14) в первой позиции доминирует гуанин (GI), а во второй позиции аденин (AII), но отсутствует урацил. Напротив, урацил содержится в первой позиции кодонов (UI) для C3 серусодержащей спирто-аминокислоты #19Cys (UGUC), для C9 и C11 циклических аминокислот #17Phe (UUUC), #18Tyr (UAUC), #20Trp (UGG), для неканонических аминокислот C3 спирто-аминокислоты селеноцистеина #21SeC (UGA) [38], C12 пирролизина #22Pyl (UAG) [39] и у стоп-кодонов (UGA, UAAG). Из состава этих однократных и двукратных кодонов с UI для #17–22 аминокислот и терминирующих кодонов исключен цитозин [2].

Расчет ∆ азотистых оснований

Гетероциклические азотистые основания, входящие в природные нуклеотидные последовательности, построены на основе плоских кольцевых структур шестичленного пиримидина C4H4N2 или бициклического пурина C5H4N4. Главные и минорные азотистые основания различаются наличием (или отсутствием) боковых карбоксильных (C=O) и/или аминогрупп (NH2), замещающих в замкнутых циклах атомы водорода. Однако все C4 шестичленные кольца пиримидинов и C5 сопряженные шести- и пятичленные (имидазольные) кольца пуринов содержат одну C=C связь и по два атома азота в C–N и C=N связях.

Согласно теории резонанса, циклические молекулы ароматических и азотистых оснований описывают как суперпозицию (наложение) двух и более валентных структур, эквивалентных, но с обратным наложением одинарной и двойной связи [8, 12]. Переход одной резонансной формы в другую сопровождается перераспределением валентных электронов, но все ядра элементов остаются на прежних местах. Кольцевые молекулы с гибридными электронными структурами приобретают дополнительную стабилизирующую энергию резонанса и, следовательно, пониженную химическую реакционную способность.

Природные пуриновые и пиримидиновые основания с заместителями существуют в виде смеси двух и более изомеров, таутомерных форм, быстро преходящих одна в другую (табл. 2). В паре таутомеров один из атомов водорода легко переходит из одного положения в другое, что сопровождается изменением длин и характера других связей [1, 8]. Переходы атомов водорода осуществляются через замещающие боковые карбонильные и аминные группы. В молекулах аденина и цитозина таутомерное равновесие устанавливается между амино- и иминоформами, в гуанине, урациле и тимине – между кето-енольными формами. В составе нуклеозидов основания существуют фактически в более устойчивых кето- и аминоформах. Тем самым у азотистых оснований с замещающими группами между резонансной стабилизацией и таутомерной диссоциацией атома водорода просматривается тесная структурная и функциональная связь.

При расчете теплоты сгорания гетероциклических оснований по их элементному составу и пространственной структуре необходимо учитывать число перемещаемых валентных электронов от атомов углерода и водорода к атомам газообразного кислорода, а также количество двойных связей C=N и C=C в резонансных структурах. Во всех таутомерных кислородсодержащих основаниях, существующих преимущественно в кетоформах с C=O группами, число перемещаемых к экзогенному молекулярному кислороду электронов целесообразно уменьшить на одинаковую величину –2nO.

Значение ∆ при сгорании азотистых оснований можно рассчитать с хорошей точностью по следующему эмпирическому уравнению (кДж∙моль-1):

где дополнительный параметр учитывает общее количество кратных связей C=N и C=C в резонансной структуре (n*) и валентность атомов азота по отношению к содержанию атомов водорода в соединении (nH). Для бициклических пуриновых оснований, не содержащих атомов кислорода (пурин и аденин), –2nO = 0 и n* = 4,2 ( = 3,15 – 2,52), но для мочевой кислоты C5H4O3N4 с наибольшим количеством атомов кислорода значение –2nO = –6 и n* = 1,3 ( = 0,98). При этом расчетное ∆ отличается от средних экспериментальных значений [29–32] на 0,02–0,28 %. Также для главных моноциклических кислородсодержащих пиримидиновых оснований расчетное ∆ отличается от средних экспериментальных значений [26, 33–37] на 0,03–0,17 % (табл. 2). Для цитотоксичного вещества аллоксана C4H2O4N2 с максимально допустимым содержанием атомов кислорода у пиримидиновых таутомеров значение –2nO = –8 и n* = 1,0 ( = 1,2) разность между расчетным ∆ и единственным экспериментально установленным значением [31] составила 0,80 %.

Заключение

В данной работе обосновывается новый методологический подход расчета значений стандартных энтальпий сгорания (∆) протеиногенных аминокислот и азотистых оснований, учитывающий различия в их элементном составе и структурной организации.

Протеиногенные аминокислоты являются карбоновыми кислотами с альфа-аминогруппой –NH2, связанной через атом углерода с карбоксильной группой –COOH, отличаются друг от друга структурой боковых групп. Предложено эмпирическое уравнение прямого расчета энтальпий сгорания α-аминокислот (кДж∙моль-1):

∆ = –96,485 [4nC + 1,229nH + 6nS – ≤ 2nO],

где учтено число Фарадея 1F = 96485 Кл× ×моль-1 (заряд электрона, помноженный на число Авогадро); число атомов в молекуле (nC, nH, nS, nO) и соответствующие им валентности; сомножитель 1,229 при nH отражает поправку на значение электродного потенциала электрохимической реакции кислород-водород (∆EO 1,229 В). Здесь сохранена форма записи основных составных частей уравнения расчета ∆, варьирует лишь параметр ≤ –2nO (от –2nO до –0,25nO), уменьшаясь по мере усложнения строения боковых групп α-аминокислот.

Главные и минорные моноциклические пиримидиновые и бициклические пуриновые основания характеризуются наличием одной C=C связи, двух атомов азота в каждом цикле в составе ковалентных одинарной C–N и двойной C=N связей, участвующих в перераспределении валентных электронов при переходе одной резонансной формы в другую. Гибридные электронные структуры придают кольцевым молекулам дополнительную стабилизирующую энергию резонанса. С другой стороны, благодаря наличию замещающих боковых карбонильных C=O и/или аминных NH2 групп природные азотистые основания существуют в виде смеси таутомерных форм. В паре таутомеров атом водорода способен переходить из одного положения в другое. В составе нуклеозидов основания существуют преимущественно в более устойчивых кето- и аминоформах. У азотистых оснований таутомерия и резонанс взаимосвязаны. Для расчета их энтальпий сгорания предложено иное эмпирическое уравнение (кДж∙моль-1):

где для таутомеров с C=O группами число перемещаемых к газообразному кислороду электронов уменьшается на одинаковую величину –2nO; дополнительный параметр учитывает валентность атомов азота и общее количество кратных связей C=N и C=C (n*) в резонансной структуре по отношению к содержанию атомов водорода в соединении (nH). Здесь в уравнении расчета ∆ азотистых оснований нет варьирующих параметров, сохранена форма записи всех его составных частей.

При изучении проблемы происхождения генетического кода при абиогенезе и начальных биогенных стадиях рассматривают комплекс связанных друг с другом физико-химических свойств, позволивших отобрать из хаотического многообразия органических соединений «первичного бульона» минимальное число протобиомономеров: 5 главных азотистых оснований, 20 протеиногенных аминокислот, несколько моносахаридов и жирных кислот [40, 41]. Ранее мною впервые было указано на температуру плавления протобиомономеров среди детерминирующих факторов их отбора при возникновении и поэтапной самоорганизации генетического кода [2]. Учитывая возможность вычисления ∆ протеиногенных аминокислот и азотистых оснований по их элементному составу и структурной организации, представляется вполне оправданным предположение, что при эволюционном отборе протобиомономеров в протоклетках реализовалась и возможность биогенных элементов влиять на их структуру и физико-химические свойства.

Работа выполнена в рамках государственного задания, регистрационный номер НИОКТРАААА-А19-11911229009-1.