МОЛЕКУЛЯРНАЯ ИНФОРМАТИКА - НОВЫЙ УРОВЕНЬ ПОЗНАНИЯ ЖИВОЙ МАТЕРИИ.
http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9388.html
© Калашников Юрий Яковлевич
Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru
Аннотация
Много лет тому назад автор этой статьи увлёкся проблемами молекулярной информатики. Но, что удивительно, – такого направления в биологической науке не оказалось. Видимо потому, что исследование прохождения генетической информации в живой клетке, успешно начатое в начале второй половины 20-го века, почему-то остановилось на этапе синтеза белковых молекул. И это, несмотря на то, что генетические молекулярные технологии успешно правят необъятным миром живого уже более 3,5 миллиардов лет! Ясно, что в этих технологиях действуют свои, строго специфические закономерности молекулярной биохимической логики и информатики. В данной работе рассматривается новый альтернативный – информационный подход к молекулярным биологическим проблемам. Автор надеется, что в статье правильно сформулированы и обобщены именно те идеи, гипотезы и концепции, которые уже сегодня могут дать первоначальное представление об информационных процессах на молекулярно-биологическом уровне. Возможно, это и есть тот подход, который заинтересует биологов, ищущих пути к изучению систем обработки и реализации информации в живых клетках.
________________________________________________________________________________
Оглавление
1. Понятие информации в контексте молекулярной биологии .
Информационный подход проникает во все сферы деятельности человека. Не исключением является и наука о живой материи. Поэтому в ближайшее время самым перспективным направлением в изучении биологической формы движения материи может стать молекулярная биологическая информатика. И, действительно, в настоящее время в некоторых ВУЗах уже открываются новые кафедры со специализацией по информационной биологии, биологической информатике, геномике и т. д. Однако основной упор здесь делается на технические информационные технологии, применяемые для анализа исследовательских данных, моделирования биологических систем и процессов с помощью компьютерной техники. Думается, что основой молекулярной биологической информатики, всё-таки, должен стать не перевод биологической информации на двоичный цифровой язык, а изучение методов хранения, передачи, кодирования, преобразования и использования самой генетической информации при организации биологических молекул, структур и процессов. Именно здесь, несмотря на наличие фрагментарных знаний, имеются обширные пробелы, например, в изучении информационных процессов в живых молекулярных системах.
Сначала отметим, что, несмотря на наличие специальной науки – “Информатики”, все предложенные расшифровки понятия “информация” до сих пор остаются дискуссионными. Между тем, имеющиеся противоречия, по мнению автора статьи, можно преодолеть достаточно простым способом. Для этого следует всего лишь придерживаться определенных принципов и правил. Попытаюсь кратко изложить свою версию понимания информации. В первую очередь, по этому поводу необходимо вспомнить обобщение Норберта Винера, который в свое время недвусмысленно отметил, что: “Информация – есть информация, а не материя и не энергия. Тот материализм, который не признает этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время”. Заметим что, несмотря на очевидную простоту этой фразы, здесь скрыта особая глубина мысли и понимания информации как природного явления. К сожалению, подтекст этой формулировки еще полностью не расшифрован и многое, что вытекает из него, практически осталось нераскрытым или незамеченным. В связи с этим, я считаю, что имеется немало веских причин и убедительных доводов, чтобы дать этой замечательной формулировке своё собственное имя. Предлагаю назвать её – “центральной догмой” информации. Как мы увидим далее, есть множество аргументов и фактов, подтверждающих необходимость такого шага. В первую очередь, обратим внимание на то, что в рассматриваемой формулировке Норберта Винера отражен ключевой момент в понимании информации как обще-планетарного явления, который может привести к частным и достаточно ясным обобщениям. Следует лишь руководствоваться этой формулировкой, то есть постоянно следовать её указаниям и установкам. Кроме того, заметим, что аргументы “центральной догмы” дают массу поводов для теоретических выводов и размышлений и, в частности, для однозначного обозначения понятия “информация”. Попробуем кратко рассмотреть эту тему.
Во-первых, из “центральной догмы” вытекает тот факт, который нас больше всего интригует и изумляет: “информация” не является физической величиной, несмотря на то, что лежит в основе самой жизни и играет роль одной из ключевых субстанций нашего мира. Она, хотя и пользуется для своего воплощения различными материально-энергетическими средствами, тем не менее, всегда выступает в качестве отдельного спутника и независимого природного явления.
Во-вторых, несмотря на то, что информация является нематериальной категорией, однако существовать и воспроизводиться она может только на базе системной организации и на основе тех или иных материально-энергетических средств и носителей. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, генерироваться и передаваться. Поэтому в соответствии с “центральной догмой”, информация в системе всегда выступает как отдельное и самостоятельное явление, имеющее виртуальный характер.
Отсюда следует, что кодируемая информация, по своей природе, сущность не материальная, а виртуальная. То есть она и не вещество, и не энергия, а что-то другое, данное живой (материи) природе и нам в представление. Причем, важно отметить, что она подчиняется не физическим законам, а только своим специфическим принципам и правилам (закономерностям информатики). Информация, как правило, всегда выступает главной доминантой во всех функциональных процессах той или иной системы. Кроме того, информация – это “многоликий Янус”: она может кодироваться на разных языках; записываться различными буквами, цифрами, знаками или химическими био-логическими элементами. Информация способна иметь множество разнообразнейших форм, видов и категорий и передаваться различными способами.
Загадочной остаётся способность одной и той же информации находиться и существовать в различных её видах и формах, передаваться (кодироваться) при помощи различных языков и записываться с помощью разных алфавитов. Причем, это одно из ключевых и фундаментальных свойств информации. Кроме того, к исключительным свойствам информации (к примеру, генетической) относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных носителей! Поразительно, но информация действительно способна чрезвычайно долго существовать за счет бесконечной смены своих носителей. Мы живем, благодаря полученной наследственной информации от своих далеких и близких предков. В нашем организме нескончаемым потоком идут процессы обмена веществ и энергии, с возрастом мы постоянно меняемся, и у нас в теле не остается ни одной биомолекулы, с которыми мы появились на свет при рождении, – неизменным остаётся только наше “Я” и та генетическая информация, благодаря которой мы существуем и развиваемся!
В силу этих обстоятельств, на первый план в живой системе выступает уникальная способность генетической информации двигать потоками энергии и вещества, но при этом самой оставаться неизменной или почти неизменной. Наследственная информация является фундаментальной основой любой живой системы! Очевидно, что информация всегда существует в сцеплении только с теми материально-энергетическими средствами, при помощи которых осуществляется её запись, передача, хранение или преобразование. Поэтому при разрушении переносчика сообщений сразу же исчезает и та информация, которая была записана на этом носителе. Очень важное свойство информации заключается также в том, что она способна быть действующей силой только в той системе, которая воспринимает её как истинную смысловую реальность, то есть, где она становится реально значимой сущностью. Поэтому работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена потоками и циркуляцией только той информации, которая реально значима и дееспособна в этих системах. Особо пристальное внимание информация заслуживает именно потому, что она определяет функциональное поведение системы – повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию).
Очевидно, что любая сложная система способна пользоваться лишь той информацией, которая свойственна и присуща её природе! Поэтому в каждой системе, например, в живом организме циркулирует только “своя информация”. Поэтому информация биомолекул другого организма является чуждой для данного организма, в связи с чем, она всегда отторгается и отвергается. Вспомним защитную реакцию иммунной системы. Это, на мой взгляд, тоже очень важное качество, которое входит в круг основных свойств и принципов информации. К важным свойствам информации можно отнести и тот факт, что для передачи информации и других информационных процессов требуется относительно небольшое количество энергии, однако слабые информационные воздействия в системе способны управлять работой любых, даже самых сложных силовых механических или энергетических установок.
Здесь мы затронули, по всей вероятности, лишь некоторую часть удивительных свойств “Информации”. Однако, пользуясь отмеченными фактами и представлениями, прежде всего, необходимо видеть огромнейшую понятийную разницу между самими материально-энергетические объектами и физическими процессами нашего мира, которые порой бывают чрезвычайно грандиозными по своим масштабам, и той информацией, которая о них передаётся. Любой процесс или объект косной природы обладает лишь своими физическими (или химическими) характеристиками, однако информация о них – это, увы, сущность совершенно другой природы! Одно дело наличие и реальность материального мира и совсем другое – получение о его характеристиках информации, весь процесс которого связан не только с отбором нужных сведений и данных, но и с их переработкой – с процессами кодирования, преобразования и передачей сообщений. Природные материальные и физические процессы подчиняются только своим фундаментальным законам, изучением которых занимаются соответствующие науки. Информация же, исходя из “центральной догмы”, не зависит ни от физических, ни от энергетических свойств своего носителя, она подчиняется только своим принципам и правилам.
Все эти ключевые обобщения позволяют нам относиться к информации, как к отдельно существующей субстанции и идентифицировать её не только как природное явление, но и как виртуальную сущность нашего мира [1].
Поэтому, учитывая указанные выше аргументы и факты, в общем виде можно сказать, что: “Информация” – это закодированные сведения или данные о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения тех или иных сообщений, которые представлены только в закодированной форме. Как мы видим, любая информация всегда предполагает наличие своей системы, где она способна циркулировать – генерироваться, кодироваться, перерабатываться, передаваться и восприниматься. Информационные процессы всегда непосредственно связаны с отбором нужных сведений и данных, поэтому информация всегда “черпается” из тех источников, которые жизненно необходимы для данной системы.
Никто не будет отрицать, что живая клетка относится к одной из самых древних информационных систем естественного происхождения. Об этом говорит наличие в генах и других клеточных структурах закодированной информации. Об этом говорит наличие в любой живой клетке генетической памяти (ДНК), оперативной памяти (РНК), использование программируемых аппаратных устройств – ферментов, белков и других функциональных макромолекул, наличие молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции и т. д. Молекулярная информация уже давно стала чрезвычайно распространенной разновидностью информации. Очевидно, что по своему природному статусу, она является праматерью любых других видов информации. Во всем остальном она, как и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными характеристиками и уровнями существования.
Кодирование сообщений оказалось настолько эффективным способом записи и передачи информации, что первоначально эти принципы были “разработаны” и развиты в молекулярных системах живой природы, а в дальнейшем применены для сложных биологических систем. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов биомолекул – это та умозрительная сущность, существование которой мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако для самих биомолекул, это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения и функционирования. Поэтому виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени.
Ясно, что кодируемая информация, по всем своим показателям, является гениальным изобретением живой природы. Ведь недаром же она, в результате длительной эволюции, постепенно стала, наряду с веществом и энергией, – основной сущностью нашего мира. Причем, важно отметить, что, несмотря на виртуальность информации, она обладает способностью к селективному отбору, эволюционному разнообразию и подчиняется не физическим законам, а только специфическим закономерностям. Несомненно, информация всегда выступает главной доминантой при управлении различными объектами или процессами.
Можно без преувеличения сказать, что только совокупность всех универсальных свойств информации обеспечила возможность строительства (кодирования и программирования) на основе молекулярных мономеров (химических букв и символов) неограниченного множества различных, по своей конструкции, назначению и функциональным свойствам биологических макромолекул. А главное, она обеспечила не только потенциальную вероятность зарождения живой материи, но и процессы информационного управления обменом энергии и веществ. Следует также закономерный вывод о том, что многие универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах, но никак не к физико-химическим свойствам её биоорганических носителей! К этим свойствам, в первую очередь, относится способность живой материи к самосборке, саморегуляции, самовоспроизведению, а так же к селективному отбору. Ясно, что все эти уникальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало.
В связи с этим, следует важный вывод о том, что субстанцией наследственности являются не материальные компоненты живого, о чем декларирует молекулярная биология, а его нематериальная (виртуальная) – информационная часть! Похоже, биологи немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства – “живой” материи. Этот факт, хотя и расходится с всеобщим мнением, однако он закономерно открывается при внимательном прочтении “новой формулировки” и “центральной догмы” информации. Он четко просматривается при рассмотрении и изучении свойств, как самой биологической информации, так и свойств её молекулярного носителя. Очевидно, что все взаимоотношения этих двух категорий следует рассматривать виртуально, то есть в таком их виде, который всегда существовал между информацией и её носителем. Ясно одно, что главнейшей функциональной доминантой в структуре живой материи является – информация!
Главная заслуга живой материи, видимо, и заключается в том, что с её “лёгкой руки”, информация, зародившаяся в её недрах, вырвалась как джин из сказочной бутылки! Разве не удивительно, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии, заново были “открыты” человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д. Кодированием стал называться процесс преобразования тех или иных сведений и данных в совокупность букв (символов, цифр или знаков), определяемую кодом. А любой код стал ключом для перевода информации из одной её формы в другую. Поразительно то, что в живых системах информация стала той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе энергии и вещества и системной организации) создавать копии самих себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться и поэтому вечно существовать во времени и в пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования и позволяет их программа развития. Удивительно, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь оболочками, – биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций!
Вот и получается, что все мы живём под диктатом информации, которая не только окружает нас, но и внедрена и сосредоточена в каждом из нас на генетическом и молекулярно-биологическом уровне! Все мы – люди, по своей сути, и представляем собой высшую форму информационной субстанции, потому что в буквальном смысле состоим из одной информации и подчинены ей на всех уровнях своей сущности: на уровне генов, биологических молекул, на уровне каждой клетки. И ничего тут не поделаешь, – просто на Земле живые информационные субстанции существуют в таких видах и формах, которую они формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и имеющейся на Земле материи. Однако чрезвычайная информационная насыщенность живого, к сожалению, биологами до сих пор еще не замечена, не осмыслена и не исследована.
Важным обстоятельством является и то, что перед живой клеткой не возникает проблемы, как передать информацию и, главное, какие материальные средства использовать при строительстве своих аппаратных средств. Информация в живых молекулярных системах записывается с помощью элементарной формы органического вещества – мономеров (то есть био-логических элементов). Следовательно, переносчиком информационных сообщений являются биомолекулы, в структурах которых записывается нужная информация. При этом обратим внимание на удивительно важные свойства живой материи, которые проявляются повсеместно. А именно: при построении любых биологических молекул и структур используются те же материальные носители, которые применяются для передачи молекулярной информации. Этот факт, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям.
Известно, что самоуправление и информационный обмен являются самыми существенными характеристиками функционирования живых систем. Поэтому в любых живых клетках феномены кодирования, хранения, перекодирования, передачи, обработки и использования генетической информации являются ключевыми во всех биологических процессах. Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живых клеток:
Поэтому живые клетки одновременно можно рассматривать и как физические, и как химические, и как информационные (буквенно-символьные) системы.
В силу этих обстоятельств, молекулярной информацией можно назвать совокупность закодированных в той или иной макромолекуле генетических данных или сведений, определяющих все её структурные, функциональные и информационные характеристики, которые позволят ей программно функционировать и определять её роль, назначение и биологическую судьбу в данной системе. Обратим внимание, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. Поэтому информация в живой системе – это содержательные данные или сведения в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме в виде различных биологических макромолекул. А любой информационный код (и не только генетический) в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества (мономеров), поэтому разные кодовые посылки и сообщения могут переноситься в структурах различных макромолекул.
Однако заметим, если информация в живой системе не зависит от физических свойств своего носителя, то состав и свойства самого биоорганического вещества полностью зависят от информации. Поэтому можно сказать, что каждое информационное сообщение через элементарный состав и энергию передает своему носителю (биомолекуле) все те биологические качества и свойства, которые определяются генами. К примеру, таким путем происходит трансформация информации и её носителя в определённую структуру белковой макромолекулы со всеми её коммуникативными матрицами, исполнительными органами, механизмами, а так же программным и энергетическим обеспечением. Это позволяет каждой белковой молекуле функционировать в клетке в качестве молекулярного биологического автомата с программным управлением. Таким образом, живая клетка для реализации, управления и регулирования своих функций и процессов, создаёт свой многочисленный парк молекулярной “робототехники” с программной биохимической логикой управления. В этом, очевидно, и заключается один из секретов молекулярных информационных биотехнологий.
Ясно, что структурное построение и функциональное поведение биологических макромолекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам. Оно подчинено и особым принципам и правилам, которые, по мнению автора статьи, следует отнести к закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики! Поэтому, чтобы разобраться в работе информационных систем клетки, в первую очередь, необходимо понять не только принципы и правила их действия, но и осмыслить закономерности применения молекулярной элементной базы.
2. Молекулярный алфавит живой материи .
Известно, что если технические информационные системы строятся на базе унифицированных узлов и логических элементов, то всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до слона, состоит из одинаковых “строительных блоков” – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов. Этот типовой набор представляет собой, ничто иное, как унифицированную элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который, по мнению автора статьи, служит не только для построения биомолекул, но и для кодирования и программирования молекулярных структур и функций живой материи. В состав этого уникального комплекса элементов входят различные системы био-логических элементов (отдельные молекулярные алфавиты):
Заметим, что каждый типовой био-логический элемент (химическая буква или символ) характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут, с использованием соответствующих молекулярных средств и программ, ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. И главное, – важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, как считает автор статьи, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала! Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации (единичными сигналами) являются их боковые R-группы.
Общий алфавит живой материи состоит из более 30 химических букв и символов молекулярного языка живой природы, с помощью которых кодируется биологическая информация. Причем, для “автоматизации” процессов кодирования и перекодирования биологической информации в живой клетке применяются свои молекулярные биопроцессорные системы, такие как аппаратные устройства репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. А “теоретической и технологической” основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, следует отнести к закономерностям “молекулярной биохимической логики и информатики”
Все химические буквы и символы живой природы являются натуральными дискретными единицами молекулярной информации. Важно также отметить, что весь этот комплекс элементов обладает функциональной полнотой, так как содержит функционально полный набор био-логических элементов. Именно поэтому живая природа, пользуясь био-логическими элементами, способна к построению и реализации любых биологических структур и функций. Ясно, что для модульного кодирования и функционального программирования биологических молекул и структур в живой клетке широкое применение находят базовые унифицированные био-логические элементы. Информация в живой молекулярной системе всегда передается с помощью “набора химических букв или символов (статистический уровень), упорядоченных использованием кода (синтаксический уровень), для передачи значащего сообщения (семантический уровень), которое вызывает ответную реакцию (цель)” [3]. Интересно, что кроме передачи сообщений все био-логические элементы обладают еще и универсальной природной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, программных и других биологических функций.
Невероятно, но все биохимические буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических молекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли элементарные функции и операции:
Только при использовании общего молекулярного алфавита у живой клетки появляется способность хранить, передавать и преобразовывать информационные сообщения. Всё это указывает на то, что информация, загруженная в макромолекулы (с помощью аппаратных средств и молекулярного алфавита), определяет не только их молекулярное содержание, но и их структуру, форму, класс биоорганического соединения, потенциальную и свободную энергию химических связей. Кроме того, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет информационное и функциональное поведение биологических макромолекул в живых системах. Следовательно, вещественный состав живой материи так же, как и все его функциональные свойства полностью зависят от наследственной информации.
Очевидно, что все загадки биологической формы материи кроются не только в системной организации, но и в таком уникальном явлении, как слияние в одно структурно-функциональное целое трёх важнейших её составляющих – органического вещества, химической энергии и молекулярной информации [4]. Поэтому информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне. Можно сказать, что триединство вещества, энергии и информации является основным фактором, обеспечивающим существование живой материи. Причем, информация, внедрившаяся в структуру биоорганического вещества, стала той организующей и системной силой, которая гарантировала их функциональное единство и движение по различным ступеням развития. К сожалению, феномен триединства создаёт для исследователя иллюзию того, что в живой материи, кроме вещества, нет ничего. А реально существующие информационные механизмы и процессы, почему-то постоянно “ускальзывают” от нашего внимания. Не потому ли, в изучении биологической формы материи до сих пор господствует лишь только одно физико-химическое направление? Между тем, затянувшееся игнорирование биологами информационной составляющей биомолекул до крайности тормозит изучение и исследование живой материи. Отсюда, как результат наблюдается мировоззренческое отставание и топтание на месте. По всей вероятности, это следствие господствующего влияния культа физико-химического направления, традиционно доминирующего в молекулярной биологии.
3. Химические буквы, символы и знаки .
Очевидно, что только химические буквы и символы общего алфавита (био-логические элементы) живой клетки являются натуральными единицами молекулярной биологической информации. И если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица – бит, то в живых системах каждая буква или символ является элементарной, натуральной и унифицированной единицей молекулярной информации. Хотя информация, как важнейшая сущность нашего мира, явление, в целом, глобальное и пока неподдающееся философскому определению, однако в молекулярной биологии, как мы видим, это понятие приобретает своё специфическое смысловое и физическое воплощение.
И действительно, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических макромолекул определяет не только структуру живого вещества, но он же, тождественно, является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство живой материи можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации – это и есть тот главный и основной закон, который определяет и обуславливает само существование живой формы материи [4]. А уникальные свойства элементной базы живой материи лишь подтверждают такую гипотезу. Однако ясно, что здесь мы коснулись серьёзной проблемы, которая детально не может быть рассмотрена в данной статье. Наша задача – показать, что информация в живой системе не отвлеченное понятие, а объективное свойство и необходимая сущность живой материи. При этом информация, – это содержательные сведения генетических сообщений, которые передаются в структурах биологических молекул с помощью молекулярных кодов. Эти коды формируются на основе химических букв и символов (био-логических элементов) и служат как для построения различных макромолекул и структур живой клетки, так и для получения различных биохимических, молекулярных и информационных функций, а так же для передачи сигналов управления и оповещения.
Макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из био-логических элементов (составляющих коды), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому они всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления. В связи с этим, все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов. К примеру, при организации процессов репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, управляющая система клетки манипулирует целостными элементами – нуклеотидами или аминокислотами, которые играют роль химических букв биологической информации. При построении полисахаридов или липидов она манипулирует уже другими элементами – простыми сахарами и жирными кислотами, которые вполне можно назвать символами молекулярной информации. Значит в действительности молекулярная информация в живой системе вовсе не “миф, а закономерная реальность”.
Кроме того, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать и отдельными химическими знаками этих элементов, то есть их составными частями, – боковыми или функциональными атомными группами, отдельными атомами и их химическими связями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами и химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы и их химические связи – это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой био-логический элемент клетки.
Значит, в живой клетке, кроме молекулярного алфавита различных элементов, существует ещё и свой химический алфавит типовых атомных групп и атомов, манипулируя которыми управляющая система может осуществлять их движение от одного элемента к другому (а, значит, и между молекулами). Поэтому, циркуляция атомных групп и атомов определяет свою субмолекулярную форму движения информации, которая в живой клетке организована в виде управляемых ступенчатых химических реакций. Таким образом, информационные процессы в живой клетке практически затрагивают не только молекулярный уровень организации, но и, что удивительно, субмолекулярный – атомный. Однако следует заметить, – если целостные элементы служат для организации самих аппаратных устройств и управляющих информационных процессов клетки, то их химические знаки используются также и в качестве информационных сигналов для организации управляемых химических процессов. В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими “буквами, символами и знаками”, которым предписан определённый биологический и информационный смысл.
Для более четкого восприятия информационной концепции управления, а также для устранения разночтений в тексте, условно можно принять, что:
Ступенчатые химические реакции, как правило, характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а, значит, и между молекулами.
Это напрямую подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и сигнальная осведомляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и циркулирует только в составе различных биологических молекул. Таким образом, общий принцип работы информационной молекулярно-биологической системы управления сводится к упорядоченному манипулированию различными химическими буквами, символами и знаками, которым предписан определённый информационный смысл. Сам механизм действия системы основан на том, что все операции, связанные с организацией управляющего процесса, производятся над единицами биологической информации – химическими буквами и символами. А операции, связанные с управляемыми процессами производятся над составными частями молекул субстрата – химическими знаками их элементов. Это означает, что все химические и биологические процессы в живых молекулярных системах управляются только информационным путём, а источником управляющей информации является генетическая память. Данный момент трудно переоценить, так как он является ключевым для молекулярной биохимической логики и информатики.
4. В основе организации живой материи лежит метод модульного кодирования и программирования биологических молекул и структур.
Все загадки наследственности, изменчивости и функциональной организации живых систем кроются в молекулярных кодах живого, а точнее, в их смысловом содержании. Очевидно, что генетическая информация соответствует общему учению об информации. Однако при рассмотрении свойств наследственной информации на первый план выступает её специфика. Важнейшая особенность наследственной информации заключается в том, что вся молекулярная информация в живых системах (данные, команды, алфавитные записи) представляется в виде линейных химических или пространственных (стереохимических) кодов. То есть вся информация от передатчика к приемнику передается определенным линейным или пространственным комбинационным набором химических букв, символов или знаков. Под кодом понимается система условных предписаний при модульном программировании структур и клеточных компонентов.
Известно, что наследование состоит в передаче генетической информации от родительской клетки к дочерним. У большинства живых систем генетическая информация заключена в молекулах ДНК при помощи дискретных нуклеотидных единиц. Генетический код в виде набора (тройки) нуклеотидов распределен по генам, которые являются информационными сообщениями, определяющими кодирование полипептидных цепей белков или нуклеиновых кислот (иРНК, рРНК, тРНК). Без генетической информации жизнь не могла бы существовать и развиваться. Упорядоченность обмена веществ, пути использования энергии, целенаправленная жизнедеятельность, развитие на всех этапах онтогенеза, – все это следствие программирующего действия генетической информации.
Ясно, что генетическая информация через применение элементной базы (химических букв или символов) определяет структуру биологической макромолекулы, а структура всегда является носителем и реализатором её функции, так как функциональные свойства каждой макромолекулы определяются взаимодействием и особенностями составляющих её элементов (мономеров). Очевидно, что любая макромолекула является системой, функция которой обусловлена взаимодействием и интегративными свойствами образующих её элементов. Вследствие этого, любая макромолекула клетки, состоящая из конечного множества таких элементов, является реализатором тех биологических функций и операций, которые информационным путём интегрированы и загружены в её трёхмерную структуру. “Поэтому, в частности, нельзя рассматривать генетические тексты как непосредственное зашифрованное описание порождаемых ими структур. Скорее, это – описание алгоритмов их пространственно-временной реализации, или даже алгоритмы построения автоматов, реализующих эти алгоритмы. По-видимому, именно поэтому сравнительно небольшой длине генетического кода организма соответствует огромный массив информации, необходимый как для непосредственного описания морфологических структур, так и их развития” [5].
Структурное кодирование (или перекодирование) в живой системе – это метод позволяющий создание программных (кодовых) молекулярных модулей на требуемых языках программирования. Причем, для кодирования и программирования молекулярных модулей используется элементная база живой материи, состоящая из унифицированных био-логических элементов (мономеров). Модульное программирование – это организация программы как совокупности небольших молекулярных модулей, структура и поведение которых подчиняется определенным закономерностям молекулярной биохимической логики, которые определяются физико-химическими свойствами составляющих их элементов. Модуль в данном случае рассматривается как простая независимая программная единица (код, процедура или функция), реализующая только одну функцию. К примеру, каждая полипептидная цепь в клетке состоит из отдельных программных модулей, указывающей ей (в клеточной среде) пути, порядок и последовательность информационной сборки трехмерной конформации белковой молекулы. А в основе генетического кода лежат триплетные модули нуклеотидов, которые определяют состав и чередование аминокислот в полипептидных цепях белковых молекул.
“Системы структурного (модульного) программирования – это системы прямого программирования. То есть это системы, где их функции задаются их структурой. Системы структурного программирования – это такие системы, в которых воспринятый сигнал непосредственно переводится в действие (без всякой промежуточной “оцифровки”). По законам структурного программирования работает вообще любой биологический объект, а также любая часть этого объекта” [5]. Интересно, что в системах структурного кодирования живой клетки сам собой отпадает вопрос: что считать элементарной значимой единицей сообщения – буквой, символом или знаком?
5. Структура кодовых посылок при передаче наследственной информации .
В задачи молекулярной информатики входит выяснение законов, определяющих передачу информации в живых cистемах. В начале 60-х годов прошлого века исследователям удалось выяснить ключевые фрагменты системы генетического кодирования – взаимоотношения между определенными участками нуклеиновых кислот и последовательностями аминокислот. Стало очевидным, что генетический код универсален, так же как и системы, осуществляющие его расшифровку. Это выявляет единообразие информационных процессов и систем управления, применяемых в живых системах. Прояснился и принцип дешифровки генетической информации, в котором существует два этапа: транскрипция – переписывание (копирование) информации, записанной на одном из участков цепей ДНК с образованием молекулы иРНК, и трансляция (дешифровка), в ходе которой последовательность нуклеотидов иРНК переводится в последовательность аминокислот белка, продукта гена.
Однако известно, что основной смысл информационных сообщений состоит “не в выбранном коде, форме символов или методах передачи (письменных, акустических, электрических, тактильных или обонятельных сигналов), а в его значении (семантике). Заметим, что этот центральный аспект информации не играет никакой роли в её хранении или передаче. Именно значение превращает определенный код или кодовую последовательность букв или символов в информационное сообщение. Эти значения не связаны ни с материей, ни с энергией, они связаны с определенным смысловым содержанием” [3]. Примером смыслового значения является генетический код, когда отдельные модули – кодовые группы из трех нуклеотидов иРНК (а, значит, и ДНК) определяет правильное расположение аминокислот в полипептидной цепи белка.
Значит, проблема действия генов всегда сводится к расшифровке закодированных в них сообщений. Поэтому основной характеристикой живых систем является содержащаяся в них генетическая информация, которая путем перекодирования на другой код и другой носитель (при использовании молекулярного алфавита) обеспечивает все их физико-химические и биологические процессы.
В силу этих обстоятельств, хотя материя и энергия являются основами жизни, тем не менее, сами они не могут определить принципиальную разницу между живыми и неживыми системами. Не секрет, что эту разницу обуславливает только системная организация и беспрерывная циркуляция наследственной информации в живой системе. Здесь и следует искать все феномены жизни. Генетические сообщения обеспечивают и загружают в макромолекулы не только структурные, но и программные компоненты биоорганического вещества. Все эти процессы практически обеспечивают в живой системе феномен единства вещества, энергии и информации. Очевидно, что рассматриваемая триада компонентов выступает в роли универсального фактора, обеспечивающего все жизненные процессы и биологические свойства живой материи.
Нескончаемая череда длинных дискретных кодовых сообщений, характерных как для клеточного ядра, так и для цитоплазмы, при весьма широком параллелизме этих передач, является главной отличительной чертой живых информационных систем. Ясно, что в основе механизмов передачи генетической информации лежат циклические кодовые посылки различных информационных массивов. К примеру, кодовые посылки иРНК обычно начинаются со стартовой комбинации – кода инициации (начала) транскрипции. При транскрипции обычно транскрибируются лишь отдельные гены или группа генов. Об окончании транскрибируемого гена (или генов) сигнализирует особая терминирующая последовательность нуклеотидов в матрице ДНК, которую можно назвать кодом терминации. После того как из РНК-транскрипта удаляются все интроны, то есть завершается процессинг РНК-транскрипта, зрелая иРНК покидает ядро. Чтобы сделать это, иРНК сначала связывается с двумя специальными белками, которые проводят иРНК в цитоплазму сквозь поры (каналы) в ядерной оболочке. Эти поры, окруженные сложным ансамблем белковых молекул, пропускают из ядра, по-видимому, только полностью “созревшие” иРНК”. Похоже, что пора (канал) работает подобно клапану, который открывается на соответствующий сигнал [6]. Таким образом, многочисленные ядерные поры в живой клетке являются мультиканальным устройством, позволяющим осуществлять в одно и то же время идущие параллельно циклические передачи различной генетической информации в виде различных кодовых посылок в структуре РНК. РНК в клетке выполняет функцию переноса информации от ДНК к рибосомам, где происходит биосинтез полипептидных цепей белковых молекул. Поэтому РНК в живой системе выполняет роль оперативной памяти.
Очевидно, что полипептидные цепи белков не могут иметь произвольный аминокислотный состав. В молекулярной биологии имеются убедительные данные, говорящие о том, что даже ошибочное замещение всего одной аминокислоты в цепи на другую может привести к печальным последствиям. Живые системы обычно имеют свои специфические белковые молекулы. А это означает, что различные белковые молекулы имеют в своих цепях только свою, четко определённую и генетически закреплённую комбинационную последовательность аминокислотных звеньев. Однако отметим, что хотя одна и та же информация может быть записана разными кодами, например, генетическим кодом или линейным аминокислотным, однако реализация этой информации в биологических процессах может осуществляться только при записи её в форме стереохимических кодов.
К примеру, аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую информацию (и структуру) белковых молекул. Белки и ферменты, как носители молекулярной биологической информации, способны к её реализации только в такой трёхмерной форме. Поэтому информация белков носит чисто биологический характер. Подробное изучение строения глобулярных и фибриллярных белков показало, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная трёхмерная организация, которая зависит от его первичной структуры – то есть от информации, записанной “линейным” аминокислотным кодом.
Важно отметить, что различные аминокислоты полипептидной цепи, по всей вероятности, организованы в виде отдельных структурных (модульных) кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты цепи, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка. В полипептидных цепях белковых молекул кодируется разнообразнейшая информация. Поэтому важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является тождественным эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы [7].
, что каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, передаётся своими кодовыми модулями (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому информация в цепи может содержать свою адресную, “операционную”, структурную и текстовую (информационную) части. Значит, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными молекулярными кодами и кодовыми комбинациями (модулями) аминокислотных остатков. Следовательно, в кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены:
Разные молекулярные цепи, с информационной точки зрения, эквивалентны различным дискретным сообщениям. Можно сказать, что линейный принцип кодирования применяется живой природой не только для передачи сообщений, но и для компактной упаковки молекулярных цепей, а значит, и информации. Именно этот принцип широко применяется клеткой для структурной организации различных биомолекул, как универсальный способ преобразования “линейных” цепей в трёхмерную структуру биологических молекул.
Заметим, что в результате преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов! К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые биохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия биомолекул с их молекулярными партнёрами и т. д.
В результате стереохимических преобразований, внутри макромолекулы (в её пространственной решетке) формируется специфическая пространственная координатная организация аминокислотных остатков, которая является основой построения исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. А на поверхностных участках и в углублениях макромолекулы, при этом, формируются отдельные локальные и поверхностные кодовые стереохимические микроматрицы (образованные пространственной координатной организацией боковых R-групп элементов), которые служат для информационных взаимодействий и коммуникативного общения белка с другими молекулами клетки.
В результате этих преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [7]. Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции.
Стереохимический код – это пространственная кодовая организация элементов (букв или символов) и их боковых атомных групп в виде локальных или поверхностных биохимических микроматриц в углублениях или на поверхностных участках биологических молекул. Матричный принцип взаимосоответствия является основой информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Такое соответствие в молекулярной биологии можно назвать информационной функцией. Только в случае комплементарных взаимодействий биомолекул друг с другом с помощью биохимических матриц, когда обнаруживается их химическая и стерическая взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций. Именно переключение состояний био-логических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, обеспечивают те функциональные процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул. То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Здесь речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул.
Следовательно, можно констатировать, что стереохимические коды – это те молекулярные коды, которые непосредственно участвуют в формировании биологических функций и реализации химических превращений. Собственно, – это и есть те разыскиваемые коды соответствий биологических молекул, которые являются основой их информационного взаимодействия, а затем и функционального поведения. Стереохимическими кодами – пространственной организацией элементов в трёхмерной структуре, программируются функции, поведение и биологическая судьба не только белковой, но и любой другой биологической молекулы клетки. Таким путём кодируются и программируются все их биологические механизмы и функции. Так как все функции в молекулярной биологии возникают и формируются информационным путём, то это может означать лишь одно, – вся технология биологических процессов основана на генетической информации и применении различных молекулярных алфавитов живой формы материи. А само информационное сообщение в молекулярной биологии приобретает смысл через функцию, которую оно кодирует.
Поэтому в живой молекулярной системе, под выполнением функций, с кибернетической точки зрения, должно пониматься исполнение белковыми молекулами (или другими функциональными молекулами клетки) различных информационных команд, директив, инструкций и сообщений, записанных в их молекулярной пространственной структуре. Все эти сообщения имеют дискретный характер и записываются стереохимическими кодами. Исследованием характеристик стереохимических кодов и микроматриц, в каждом конкретном случае, должна, по-видимому, заниматься специализированная дисциплина, такая как молекулярная биологическая информатика.
Стереохимические коды и микроматрицы, представляющие собой управляющие или коммуникативные сигналы белковых (как, впрочем, и других) макромолекул, возникли в процессе эволюции живой материи и в настоящее время являются основой молекулярных информационных процессов в каждой живой клетке (организме). Все они образованы соответствующей пространственной организацией боковых атомных группировок био-логических элементов (химических букв или символов), входящих в состав кодовых сигналов. Такое динамическое информационное взаимодействие элементов в составе биологических молекул, которое особенно характерно для белковых молекул, является основой динамического механизма их биологических функций.
Стереохимические коды активных центров построены на основе аминокислотного кода, поэтому ферменты могут адресно взаимодействовать с молекулой субстрата и быстро находить нужную им химическую связь и связывающую группу. Кодовые компоненты активных центров ферментов могут комплементарно взаимодействовать с доступными для них функциональными или боковыми атомными группами и атомами молекулы субстрата. Как полагают биологи, субстрат присоединяется к активному центру фермента, который геометрически и химически представляет собой как бы негативный отпечаток молекулы субстрата, то есть – комплементарен ей. А с информационной точки зрения – это процесс рецепции кодовых компонентов и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому рецепция и приём осведомляющей кодовой информации субстрата заканчивается подключением его молекулы, через контакт “устройства комплементарного сопряжения” активного центра, к управляющим органам и механизмам фермента. Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию. На этих принципах основана биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами.
Субстраты – это тот химический и информационный материал, который обрабатывается управляющей системой клетки. Таким образом, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже качественно новый скачок в использовании молекулярной информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи. Стереохимическое кодирование в живых молекулярных системах служит для программирования функций различных биомолекул. Биохимическая логика информационных взаимодействий, в частности, предопределяет и протекание химических реакций, так как она основана на явлениях стереохимического узнавания соответствующими ферментами различных био-логических элементов или их функциональных и боковых атомных групп и их химических связей, то есть различных химических букв, символов и знаков биологических молекул субстрата.
Если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, то стереохимический принцип кодирования служит для программирования самих функций биологических молекул. В силу этих обстоятельств информация в молекулярной биологии приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Биологические функции возникают в процессе информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических.
Заметим, что стереохимическими сигналами активного центра кодируются не только адресный код молекулы субстрата, но и те функции, которые должен осуществить фермент. К примеру, код операции указывает характер химического превращения, которую должен осуществить фермент с молекулой (или молекулами) субстрата. Поэтому стереохимическими кодами (адресными кодами и кодами операций) соответствующих ферментов программируются разные биологические функции, в том числе и функции управления различными ступенчатыми химическими реакциями – окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Таким образом, оказывается, что все химические реакции в живых системах управляются только информационным путём.
Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических матриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу. А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций. А различное информационное содержание полипептидных цепей является основой построения множества различных по функциональному назначению белковых молекул.
Целью стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов. Более чем наглядно это видно, когда такая программа реализуется в форме белков и ферментов, то есть в виде молекулярных биологических автоматов или манипуляторов. Поэтому можно сказать, что это – универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах. Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых молекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций (программных модулей) в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свои биологические характеристики.
Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления и регулирования химических превращений и реализации различных молекулярных и био-логических функций. Комплементарные обратные связи, при взаимодействии биологических молекул друг с другом, применяются для повышения достоверности информационных передач. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды. Таким образом, коды и кодовые комбинации аминокислотных остатков в “линейной” полипептидной цепи (модули) наглядно разделяются по их характеристикам и функциональному назначению.
6. Живые системы состоят из материальных и виртуальных компонентов .
Отсюда, как следствие, вытекает и тот факт, что все клеточные процессы управляются, регулируются и взаимно координируются той программной информацией, которая (с помощью генетической информации и элементной базы) “загружена” в аппаратную систему клетки, то есть, перенесена и находится в функциональных биомолекулах и структурах клетки. Таким образом, получается, что управление биохимическими процессами в живых системах осуществляется при помощи “программируемых” молекулярно-аппаратных средств: ферментов, белков и других функциональных биологических молекул. Важно здесь подчеркнуть, что мономеры (химические буквы и символы молекулярного алфавита), составляющие вещество, – это и есть та материальная часть, которая по своему статусу является еще и носителем нематериальной части – кодируемой информации. Поэтому отношения между ними в макромолекуле складываются такими же, как между информацией и её материальным носителем. А именно: каждый из них “живёт” по своим собственным законам.
Очевидно, что молекулярная информация существенно отличается от общепринятого нами понятия информации, во-первых, необыкновенным “сращиванием (слиянием)” её со своим молекулярным носителем и, во-вторых, она отличается своим чисто биологическим назначением и применением. Ясно, что используется она только в мире живых систем. Кроме того, в живых молекулярных системах была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных био-логических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров. Трудно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических молекулах и структурах одной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра! Поэтому можно сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции – биологической. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой формы материи буквально до наших дней!
К сожалению, среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных био-логических элементов (мономеров), которые составляют программные модули, используемые в структурах биологических макромолекул. Понятно, что для представления молекулярной информации в живых системах не применяются функции алгебры логики и операции двоичной арифметики. Здесь действуют строго свои, специфические закономерности молекулярной биохимической логики и информатики.
Очевидно, что биоорганическое вещество подчиняется своим физико-химическим законам, а информация подчиняется только своим специфическим закономерностям. Однако при этом следует отметить важное отличие, которое существует в любой живой системе: информация не зависит от свойств своего носителя (вещества), а вот судьба вещества полностью зависит от той информации, которая записана в его структуре. Более того, все свойства и состав макромолекул полностью зависят от той информации, которая загружается в их структуру во время биосинтеза. Следовательно, информация не только руководит структурной организацией вещества, но и использует его физико-химические свойства для своего молекулярно-биологического воплощения!
Удивительно, но приходится констатировать, что наши материальные тела, по своей сути, созданы из тех же вещественных носителей информации, которые были использованы для переноса наследственной информации. Информация в любой биомолекуле указывает ей путь, её функциональное поведение в клеточной среде, а значит, и всю её биологическую судьбу. Все эти процессы обеспечиваются энергией и информацией, а само вещество (т. е. сам носитель информации) преобразуется в молекулярные механизмы для выполнения тех или иных биологических функций. После выполнения своих информационных функций любая биомолекула заменяется на другую, способную выполнить те функции, которые необходимы живой клетке в данное время и в данном месте. По такому поразительному сценарию живая клетка не только передает информацию, но и одновременно снабжает себя материально-энергетическими компонентами и механизмами. Как ни странно, биологи наблюдают только материальную часть этого процесса, не замечая главного – передачи программной наследственной информации.
Очевидно, что естественные науки сегодняшнего дня уже не имеют права игнорировать те информационные явления на молекулярном и биологическом уровнях, которые не только существуют в живых системах, но и являются ключевыми движителями всех жизненных процессов. Только на основе изучения и исследования информационных основ биохимических и молекулярных процессов, и никак иначе, мы можем познать общую картину информационных отношений живой материи. А виртуальная сущность информации дает нам возможность проникнуть в неведомый и таинственный нематериальный мир живого и определить его организующее и созидающее начало. Очевидно, что здесь на первый план выступает наследственная информация, которая обеспечивает не только структурную (вещественно-энергетическую) организацию живых систем, но и выполнение всех их биологических функций. Значит, организация живых систем осуществляется не только на базе вещественно-энергетических взаимодействий материального мира, но и, что особенно поражает наше воображение, так это то, что первопричиной организации живой системы является не материальная, а прежде всего, её информационная – виртуальная часть.
Как мы видим, живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения. Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Этим задачам, по всей видимости, подчинены все управляемые обменные процессы живой клетки, то есть, таким образом, наследственная информация в живой системе занимается материальным и энергетическим самообеспечением.
Вот и получается, что при изучении явлений жизни должно превалировать не материальное, физико-химическое представление, которое традиционно доминирует в естествознании, а, прежде всего, нематериальное мировоззрение, основанное на информационном подходе к молекулярно-биологическим проблемам. Очевидно, что здесь к нематериальной части живого мы можем отнести не ту мифическую “животворящую силу творца”, которая декларативно заявляется приверженцами религии, а ту реально существующую информационную часть живого, которая заключена в программном обеспечении генома, в генетических информационных сообщениях, во всевозможных командах, данных, молекулярных кодовых сигналах различного назначения, инструкциях и т. д. Ясно, что в основе организации всех живых систем лежат не только вещественные, но и виртуальные – информационные отношения. Отсюда очевидно, что жизнь – это бесценный дар не только материального мира нашей Вселенной, но и виртуального – нематериального мира, а сами мы: люди, животные, растения и даже микробы, являемся детьми этих двух миров. Однако, как это неудивительно, но таинственный и необъятный мир молекулярно-биологической информатики до сих пор не поддается исследованию и изучению.
Очевидно, что природа биоорганического вещества живой системы характеризуется двумя сторонами – материальной, которая достаточно хорошо изучена естественными науками и информационной, которая по своей сути представляет собой виртуальную часть живого. К сожалению, эта вторая и “таинственная” сторона живого вещества, по значению не уступающая первой – материальной, естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной. Удивительно, но информация, – это именно тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью. Особенно заметно это проявляется при рассмотрении живой материи. И, действительно, обратим внимание на то, что живая природа здесь пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. То есть она пошла по пути связывания друг с другом материальных, энергетических и виртуальных компонентов (сообщений, программ, данных, команд). Причем, долевое участие каждого из этих составляющих в системную организацию живого велико и практически немыслимо без каждого из них. Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными физико-химическими процессами, потому что, оно подчинено еще и законам молекулярной биохимической логики и информатики.
Обратим внимание на то, что сегодня понятие “Информация” рассматривается в контексте с возможностью её хранения, передачи и вероятностью её автоматизированной обработки. Под обработкой информации в информатике понимают любое преобразование информации из одного вида в другой, производимое по определенным правилам. Естественно, что все преобразования информации в живой системе обычно производятся для достижения определенного биологического эффекта. В этом, видимо, и скрыт основной смысл молекулярной информации.
Живая клетка как сложная информационная система, состоит из совокупности биологических молекулярно-аппаратных средств управления и различного рода локально рассредоточенных объектов управления (субстратов). В связи с этим, все они, с одной стороны, относятся к материальной части системы. Однако в то же время, с другой стороны, – они же являются носителями управляющей и сигнальной информации. Потому, что все они, как мы уже отметили, строятся и программируются на основе типовых молекулярных био-логических элементов. А в качестве элементарных информационных сигналов в живых клетках используются “химические сигналы” боковых атомных групп этих элементов. Таким образом, живые молекулярные системы используют химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве кодовых единиц молекулярной информации. Очевидно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул может базироваться только на универсальных свойствах и правилах применения таких био-логических единиц.
Поэтому, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических молекул определяет не только структуру, то есть материальную часть живого вещества; но он же, тождественно, является и эквивалентом генетического сообщения. Информация в живой системе кодируется в цепях биологических макромолекул, следовательно, тот же элементарный состав одновременно определяет и информационную часть живого вещества. В связи с этим, живое вещество всегда является носителем определенной молекулярной информации. Так как молекулярная биологическая информация, точно так же, как и любая другая информация обладает свойством виртуальности, то получается, что живая материя состоит из материальных и виртуальных компонентов. Закодированная информация в цепочках химических букв и символов – это та умозрительная реальность, существование которой мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако здесь информация кодируется при помощи элементарной формы органического вещества, она записывается в линейные и трёхмерные структуры биологических молекул и реально существует только молекулярно-биологическом воплощении. Поэтому для самих молекул, – это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения (самоорганизации) и функционирования.
Виртуальная реальность информации здесь – это реальность и значимость отдельного дискретного молекулярного объекта, которая обусловлена эффектом сложения (слияния) трёх активных составляющих живого: вещества, энергии и информации. А живая материя (биомолекулы) – это уже объективная реальность, данная нам в ощущениях. Виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени. Сосуществование и взаимодействие материальных и виртуальных компонентов, с самого начала зарождения живой материи стало не только главной реальностью и смысловым содержанием жизни, но и причиной её бурного развития и широкого распространения.
Информация стала определяющей мерой многих вещей и явлений, потому, что она выступила в роли универсального критерия направленности многих природных процессов и, в первую очередь, функциональных биохимических процессов живых систем, а затем, и процессов их эволюционного развития. Мы убеждаемся в том, что живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения. Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программную часть всех компонентов клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями!
Это ведет к новому представлению и означает, что атомы, молекулы и целые соединения молекул находятся в живой системе в процессе постоянного информационного движения – процесса, который и называется жизнью. Потому что все управляющие и сигнальные (информационные) компоненты живого представлены только в виде вещественно-энергетических носителей (переносчиков информации). Получается, что все биологические системы возникают в результате процессов обмена информации, биоорганического вещества и химической энергии, и без этих процессов они не могут существовать. А все процессы обмена веществ и энергии в живых существах всегда привязаны к специфическим условиям преобразования наследственной информации и даже “закрепощены” ими. Очевидно, что видом и только видом информационной организации материи отличаются различные формы жизни друг от друга. Очевидно, что в живой природе только молекулярный носитель информации мог положить начало молекулярно-биологической технологии переработки информации, а, стало быть, и соответствующим преобразованиям тех молекулярных компонентов биоорганического вещества, в структурах которых осуществлена запись информации. При этом заметим, если вещество и энергия живой материи являются её материальными наполнителями, то информация в структуре живого вещества, по своей сути, является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов.
Вещество, энергия и информация стали важнейшими сущностями нашего мира, главнейшими его составляющими. Однако пальму первенства из этой триады, в любых созидательных процессах, мы должны отдать только информации. В связи с этим, можно надеяться, что естественные науки сегодняшнего дня стоят на пороге открытия одной из важнейших основ нашего существования и бытия – необъятного мира пока неизвестных нам информационных молекулярно-биологических субстанций и технологий. Следует также закономерный вывод о том, что все универсальные свойства, приписываемые сегодня биологической форме движения материи, на самом деле относятся к информации, заключенной в её структурах. К этим свойствам относится способность живых систем к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению. Но что удивительнее всего, так это то, что все эволюционные процессы живой материи, в первую очередь, обеспечиваются молекулярной информацией. Ясно, что все эти уникальные способности живого обеспечиваются только системной организацией и наследственной информацией, существующей на основе биоорганического вещества, но никак не самим веществом, какими бы уникальными физическими или химическими свойствами оно не обладало.
Физико-химические свойства биоорганического вещества просто оказались незаменимыми при построении функциональных биологических средств, устройств и механизмов, используемых управляющей системой клетки для реализации биохимических процессов. При этом, вся организационная часть по созданию и применению этих средств, как известно, возложена на генетическую информацию. А генетические сообщения обеспечивают и закладывают в макромолекулы не только структурные, но и программные компоненты биоорганического вещества. Все эти процессы практически обеспечивают феномен единства вещества, энергии и информации. Очевидно, что рассматриваемая триада компонентов выступает в роли универсального фактора, обеспечивающего все жизненные процессы и биологические свойства вещества. Нет сомнений в том, что информация, это тот виртуальный посредник, который с самого начала жизни, связывает материальную часть нашего мира с виртуальной, нематериальной его частью.
Информация многим кажется нереальной и неопределимой. Необъятный мир её разнообразен и мало изучен. Но информация не только существует, но даже живёт полнокровной жизнью, причем, в каждом из нас, поскольку мы её и душа, и тело, и средство её материального наполнения, и орудие её взаимодействия с окружающим миром. Сама Жизнь, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества, энергии и информации на качественно новый уровень их системной организации. Диктат информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации. Учитывая фундаментальную роль информации в живых системах и во всех областях человеческой деятельности, можно убедиться в том, что информация – это и есть та таинственная сила, которая правит всем нашим миром.
7. Физико-химические основы информационных взаимодействий .
Все химические буквы и символы алфавита живой материи были отобраны в процессе эволюции. Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают еще и уникальной природной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, программных и других биологических функций. Эти мономеры, как правило, имеют диаметр от 0,5 до 0,7 нм. Поскольку диаметр молекулы типичного глобулярного белка, состоящего из 150 аминокислот, составляет всего 4 нм, совершенно очевидно, что аминокислотные остатки должны быть упакованы очень компактно, то есть полимерная молекула должна быть свернута. Поэтому ясно, что только информационные технологии живых молекулярных систем способны целенаправленно работать на недосягаемом для других технологий уровне – на уровне отдельных атомов, атомных групп и молекул. Вряд ли в ближайшее время этот уровень будет достигнут человеком, несмотря на его техническую оснащенность. Поэтому вполне понятен наш интерес к тем физико-химическим явлениям, силам и взаимодействиям, которые лежат в основе информационных процессов живых систем. Дело в том, что те микроскопические явления, которые слабо проявляются при привычных технологиях, в информационных живых нанотехнологиях приобретают новые свойства и становятся намного значительнее. Заметим, что все совокупные признаки и особенности биологических молекул и структур зависят от состава и интегративных природных свойств их био-логических элементов.
Именно совокупность таких физико-химических свойств био-логических элементов применяется живой клеткой в качестве информационных сигналов. Заметим, что в технических информационных системах наиболее широко используются электрические сигналы с переносчиком в виде синусоидального или импульсного тока и напряжения. А разделение сигналов может быть осуществлено во времени, по частоте, фазе, форме импульсов и другим признакам. Отметим, что живая природа намного опередила технические системы по широте и спектру физико-химических признаков, которые используются для разделения информационных сигналов. Живая материя пошла по пути использования естественных природных свойств своей элементной базы (био-логических элементов). Она намного опередила и предвосхитила появление адресных информационных передач. В живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) в одном случае можно назвать “линейным кодовым”, в другом – стереохимическим кодовым разделением сигналов”.
Известно, что при работе с чрезвычайно малыми размерами молекул проявляются квантовые эффекты и эффекты межмолекулярных взаимодействий, такие как водородные связи, Ван-Дер-Ваальсовы силы, ионные связи и т. д. В настоящее время считается, что исскуственные нанотехнологии еще не обладают комплексом той робототехники, которая могла бы быть способной манипулировать на уровне атомов, атомных групп и отдельных молекул. Говорят, что нанотехнологии – это ворота, открывающиеся в новый мир. Однако автор данной статьи должен заметить, что в действительности этот мир для живой природы далеко не нов, так как он успешно существует и развивается вот уже более 3,5 миллиардов лет! Это молекулярный мир естественных нанотехнологий живой материи. Нанотехнологии и, в особенности, информационная молекулярная технология живых систем – это те родственные области, которые, к сожалению, до сих пор еще недостаточно исследованы и изучены.
Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологиями — как заставить молекулы группироваться определенным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить новые материалы, объекты или устройства с нужными параметрами и свойствами. Поразительно то, что в процессе эволюции живая природа с подобными задачами уже давно и успешно справилась. К сожалению, в этом вопросе в естествознании исследователи до сих пор не могут достичь единомыслия. К примеру, некоторыми биологами признается “не только бесперспективность молекулярного анализа общих клеточных процессов, но и неадекватность наших биохимических представлений. Причина – в особенностях биологических законов. Хотя эти законы не противоречат физическим, но они из них и не следуют. Первое, что, по мысли известного биолога из Чикаго (США) Альбрехта-Бюлера, следует понять клеточным биологам – это отличие мира клетки от окружающего нас макроскопического мира. В какой-то степени его так же невозможно вообразить, как мир элементарных частиц. Начнем с того, что внутриклеточная среда не похожа на водные растворы реакционноспособных соединений, про которые и написаны все учебники биохимии. Иерархия сил в клетках совсем иная, чем в нашем мире.
Для клетки большое значение имеет вязкое трение, броуновское движение, электростатические силы. При столь значительных различиях между массой и поверхностном натяжением капля воды приобрела бы форму идеального шара. У большинства же клеток, напротив, поверхность сильно деформирована, имеются выросты, ворсинки и т.п. Дело в том, что цитоплазма клетки не просто гелеобразна, но высоко структурирована. Она вся пронизана нитями цитоскелета, разделена мембранами. Взаимодействующие молекулы в клетке не плавают свободно, как в пробирке с водным раствором, а в основном иммобилизованы на полимерных структурах цитоскелета или мембранах. Из-за этого химия клетки весьма далека от излагаемой в университетских курсах. Почему же тогда элементарными единицами для объяснения биохимических процессов выбраны именно молекулы? Видимо потому, что описание биологических процессов, например, через элементарные частицы было бы слишком громоздким. При переходе к элементарным частицам мы упустим разницу между биологической (живой) и небиологической (неживой) системами.
В своей работе Албрехт-Бюлер много внимания уделяет структурированности цитоплазмы. Упор в основном делается на линейные структуры: хромосомы, микротрубочки, микрофиламенты. Автор полагает, что вдоль таких структур могут передаваться сигналы за счет локальной ассоциации и диссоциации молекул вдоль структуры” [8]. Биохимия и молекулярная биология не могут объяснить, как “10 в тринадцатой степени” молекул объединяются в живую клетку и что их удерживает вместе. Альбрехт-Бюлер вслед за другими авторами считает, что это “что-то” - информация в клетке и вокруг неё. Такая информация может быть записана в виде структуры мембран, расположения элементов цитоскелета, распределения ионов. Клеточная биология должна анализировать всю записанную в виде текстов информацию.
Очевидно, что большое разнообразие информационных сил и связей в живой системе
определяется различными природными свойствами биохимических элементов. Здесь,
конечно, отсутствуют четко тестируемые сигналы, такие как, 1 и 0 в цифровых
системах. Химические информационные сигналы определяются соответствующими
элементами, выступающими в качестве единиц биологической информации. Например,
каждая из 20 типовых аминокислот – кодирующих единиц белковых молекул,
характеризуется своим индивидуальным набором структурных и природных свойств.
Известно, что аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными
боковыми цепями (R-группами), поэтому они и подразделяются в зависимости от
структурной конфигурации боковых атомных групп, их химических свойств и
особенностей.
По характеру заряженности боковых групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: “на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом. Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме R-групп” [2]. Необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и особенностей различных элементов является базовой основой для сигнальной формы представления молекулярной информации. Поэтому типовые аминокислоты белка (впрочем, как и любые другие элементы живой материи), как кодирующие единицы, обладают своими специфическими свойствами, служащими для физико-химического воплощения биологической информации. Каждая аминокислота несёт свой элементарный химический и структурно-рельефный (стерический) сигнал, переносчиком которого является боковая R-группа. Кроме того, каждый элемент может иметь также различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи. То есть для кодирования биологической информации в клетке используется позиционная система представления с фиксированными дискретными данными. Нам остается лишь определить и понять, какие физико-химические силы и связи лежат в основе информационных взаимодействий между биологическими молекулами.
Такие естественные природные силы и связи уже давно исследованы и изучены. “Ковалентная связь – это химическая связь между атомами в биомолекуле. Связывание осуществляется путем обобществления электронов, принадлежавших одному или нескольким атомам. Ковалентные связи относятся к очень сильным связям. Чтобы столь большая энергия не растрачивалась впустую, любой биохимический процесс организован так, что разрыв какой-либо ковалентной связи неизменно энергетически сопряжен с образованием другой ковалентной связи” [9]. Информация в живых клетках может существовать в двух молекулярных формах – одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических молекул – линейным и пространственным. На первом уровне, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи. Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную (“линейную”) биологическую структуру.
Однако, пространственная организация макромолекул и клеточных структур, так же как и реализация их функций, обычно осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех био-логических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к слабым информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их функциональные возможности.
“Нековалентный тип связывания относится к взаимодействию между атомами, не связанными ковалентно друг с другом. Поскольку нековалентные взаимодействия происходят не в вакууме, а в растворе, при их оценке необходимо учитывать влияние растворителя. К нековалентному типу связывания относятся электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобный эффект. Электростатические эффекты составляют значительную часть вклада нековалентных взаимодействий. Разноименные заряды притягиваются друг к другу; для них, таким образом, энергетически выгодно сближение. Ионная связь (солевой мостик) образуется при сильном сближении (0,3 нм.) двух атомов с разноименными зарядами. Водородные связи, когда атом водорода связывается с электроотрицательным атомом типа кислорода или азота, происходит смещение электронов, приводящее к появлению дробного положительного на атоме водорода и дробного отрицательного заряда на его партнере. При этом образуется электрический диполь, который может взаимодействовать с другими диполями. Связь такого рода называется водородной. Вандерваальсовы силы заставляют атомы притягиваться друг к другу. Такие силы притяжения между атомами возникают, в частности, из-за наличия взаимодействий между флуктуирующими электрическими диполями, образуемыми электронным облаком и положительным ядром каждого атома. Гидрофобный эффект – это тенденция неполярных групп ассоциировать друг с другом, чтобы избежать контакта с водой. В результате такой ассоциации происходит нарушение структуры воды, вследствие чего энтропия системы возрастает”[9].
К примеру, в белковых (точно так же, как и в любых других молекулярных) цепях эти взаимодействия неслучайны. Они весьма специфичны и задаются последовательностью элементов (аминокислот) в молекулярной цепи, то есть генетической информацией. После того как аминокислоты соединяются в надлежащей последовательности, цепь автоматически закручивается, образуя петли и свертывается в присущую ей правильную структуру, которая, естественно, определяется генетической информацией. Иными словами, если бы можно было бы взять полипептидную цеп за концы, растянуть её и затем отпустить, то сколько раз мы это не повторяли, она всякий раз свертывалась бы в одну и ту же структуру, характерную для каждого вида полипептидной цепи [10].
Поэтому второй (трехмерный) информационный уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований “одномерная” молекулярная информация цепей “сворачивается, пакуется и сжимается” в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и непосредственного использования в различных биологических процессах. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную форму различных биомолекул – это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую.
Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый био-логический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли – как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам био-логических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения, – с физико-химической, со структурной, с энергетической, с функциональной, с информационной, или с чисто биологической.
8. Матричный принцип информационных взаимодействий.
Отметим, что в живой системе для организации информационных процессов наиболее широко используется комплементарный принцип взаимодействия биологических молекул друг с другом с помощью их линейных, локальных, рельефных или поверхностных биохимических кодовых матриц. Естественно возникает вопрос, почему живые молекулярные системы так широко применяют матричный способ рецепции и передачи информации? Во-первых, при взаимодействии биомолекул большая роль отводится ионным взаимодействиям как наиболее дальнодействующим (до 0,7нм) и включающимся в первую очередь. Затем между молекулами возникают более короткодействующие (на расстоянии до 0,2 нм) связи: водородные, гидрофобные, ван-дер-ваальсовы. Однако для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать, необходимо, прежде всего стерическое, пространственное соответствие (комплементарность) взаимодействующих поверхностей. Иначе говоря, должна существовать возможность сближения этих поверхностей на короткое расстояние, при котором возможно образование перечисленных связей. Необходима также комплементарность по распределению зарядов противоположного знака (для возникновения электростатических сил), гидрофобных областей и групп, способных к образованию водородных связей. Таким образом, в процессе информационных взаимодействий важнейшую роль играет явление “узнавания”, наличие стерической и химической комплементарности [11].
Информационные взаимодействия, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействий и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах. Каждый элементарный био-логический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, по всей видимости, и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного био-логического элемента, входящего в состав макромолекулы.
Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся, именно, матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного био-логического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий:
Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в “линейной” аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы или же между биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на дополнительности химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу.
Если же теперь обобщить различные наблюдения и факты, то оказывается, что комплементарный матричный (информационный) принцип “подгонки” действует в совершенно различных, казалось бы, по своей биологической роли процессах:
К примеру, точное взаиморасположение молекулярных компонентов рибосом, включая белки, возможно только за счет комплементарного взаимодействия их поверхностных биохимических матриц. А регуляторами, включающими или выключающими процессы их самосборки, является наличие или отсутствие иРНК, а также соответствующие ионные, или другие условия, влияющие на перераспределение комплементарных матричных сил и связей. Все эти факторы и ведут или к взаимному ориентированному притяжению и самосборке биомолекул в целостную рибосому, или же, наоборот, к их отталкиванию и разборке. Здесь мы наблюдаем один из основных механизмов функционального и регуляторного действия, лежащий в основе информационных взаимодействий между биомолекулами клетки. Рибосома ведет себя как молекулярная автоматическая система, которая отзывается на сигнальные и регуляторные воздействия и функционирует строго в соответствии с загруженной в её компоненты программной информацией. По аналогии совершаются и другие информационные взаимодействия, которые, как мы видим, характерны только для живой молекулярной системы. Ясно, что матричный принцип соответствия является основой информационных взаимодействий биологических молекул друг с другом [12].
9. Информация в молекулярных биологических системах .
Поскольку живая форма материи является высшим единством, связующим в себе в одно целое – вещество, энергию и информацию, то и проблема информационной организации живых систем становится ключевой проблемой молекулярной биологии! Для биосинтеза и организации важнейших классов биоорганических соединений (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и липидов) и для записи в их структуру информации применяются различные алфавиты – системы био-логических элементов. Следовательно, разные алфавиты служат для кодирования различных форм молекулярной биологической информации. Например, информация в виде последовательности нуклеотидов определяет структуру биомолекул ДНК и РНК. Информационные сообщения в виде последовательности аминокислот кодируют и программируют структурно-функциональную организацию белковых молекул. Информационная последовательность моносахаридов или жирных кислот кодирует структуру и функции полисахаридов и липидов. Всё это подтверждает мысль о том, что различные виды молекулярной информации определяют структурную и функциональную организацию разных классов биологических молекул. Следовательно, молекулярное содержание любой биомолекулы определяется только формой представления информации, то есть её видом. Поэтому все виды информационных передач в живой клетке носят чисто биологический характер, так как только они детерминируют построение и функции различных классов биологических молекул и структур.
Следует отметить, что различные виды (формы) молекулярной информации определяют и программируют различные классы биологических молекул. А чтобы перевести информацию из одной её молекулярной формы в другую, живая клетка использует различные биологические коды. Например, информация, записанная в структуре ДНК и РНК нуклеотидной последовательностью, переводится в аминокислотную последовательность белка с помощью генетического кода. А для того, чтобы перевести аминокислотную последовательность в трёхмерную структуру и информацию белковой молекулы, применяется аминокислотный код. Поэтому в живой клетке используются различные молекулярные биологические коды, а кодирование и преобразование различных видов информации применяется специально для организации информационных процессов, а, следовательно, и для реализации различных биологических функций. К примеру, коды активного центра гликоген-синтазы несут генетическую информацию о биосинтезе макромолекул гликогена. Значит, эти коды эквивалентны функциональным возможностям фермента.
Очевидно, что информация в живой системе ответственна не только за молекулярное содержание её компонентов, но и выступает в качестве всеобщей взаимосвязи и взаимозависимости её молекулярных объектов. Поэтому информационные взаимодействия различных классов биологических молекул друг с другом осуществляется на трёхмерном уровне их структурной организации, с помощью локальных или поверхностных биохимических матриц. Следовательно, информация в молекулярной биологии не только свойство и содержание биологических молекул и структур, но и средство управления и сигнализации, способное совершать работу. Результатом этой работы является строгая последовательность, упорядоченность и согласованность химических процессов, физико-химических, морфологических и физиологических изменений. Только по этой причине физико-химические процессы в живой системе выходят за свои собственные рамки и вступают в более содержательную область, – область молекулярной биохимической логики, информатики и управления. Поэтому информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а само содержание и сущность живой формы материи. А сама биологическая форма материи формируется и "движется" под руководством управляющей системы, благодаря использованию генетической информации и молекулярного алфавита живой материи. Единство информации со структурой и энергией живого вещества является важной движущей силой и особенностью эволюции живой материи. А консервация информации в субстрате биоорганического вещества, в виде различных биохимических букв и символов, становится характерной чертой даже биотического круговорота. Поэтому в прямом и буквальном смысле можно говорит о том, что каждая живая система обменивается с окружающей средой молекулярной информацией, а значит и веществом, и энергией. Отсюда следует, что назначение информационного подхода к молекулярным биологическим проблемам состоит в том, чтобы понять принципы функционирования живых систем, отправляясь от их структуры и сведений о свойствах их составных элементов, которые являются натуральными единицами молекулярной биологической информации. Загадка жизни, видимо, и кроется в том, что основой её проявления служит генетическая память, а все процессы функционирования осуществляются и поддерживаются информационной молекулярно-биологической системой управления, созданной на базе живой клетки.
Перед живой клеткой не возникает проблемы – как осуществить адресную передачу биологической информации внутри клеточной системы, или вне её. Основным способом передачи информации является транспортировка и адресная доставка биологических молекул, в структурах которых записана нужная информация. Доставка информации в соответствующее место осуществляется автоматически. Для этой цели в живой клетке существуют специальные системы автоматической сортировки и адресной доставки сообщений (биомолекул), имеется разветвлённая сеть физических каналов связи, компартментов и отсеков. Причем, как сортировка, так и адресная доставка информации осуществляется на основе специальных кодов сортировки и адресации, которыми снабжаются все биомолекулы при их изготовлении. Информационные сообщения в клеточной системе имеют свои специфические свойства и особенности. Во-первых, с одной стороны, сама управляющая система клетки является источником управляющих сообщений, команд и инструкций, передаваемых в виде кодовых передач в структурах белковых молекул по различным каналам на многочисленные биохимические объекты управления (субстраты), которые являются приёмниками управляющей информации. Однако с другой стороны, различные биохимические объекты управления являются источником сигнальной осведомляющей информации для выходных аппаратов управляющей системы (ферментов и белков). Таким образом, потоки управляющей и сигнальной молекулярной биологической информации в живой клетке всегда направлены навстречу друг другу. Поэтому управлением в живых системах, по-видимому, можно назвать передачу и транспортировку на расстояния, с помощью ферментов, команд управления и исполнительных органов, воздействующих на химические кодовые группы молекул субстрата.
Живая клетка относится к системам с распределёнными объектами управления, где применяется адресный способ передачи управляющей информации от центральных устройств к многочисленным локально рассредоточенным объектам управления. А сигнальной осведомляющей и регуляторной информации обратно, от объектов к центральным или местным управляющим устройствам (ферментам и белкам). Причем "запрос" управляющей информации, как правило, осуществляется на основе поступившей в клетку осведомляющей информации субстратов [12].
Живая клетка относится к информационной молекулярно-биологической системе управления, извлекающей свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. Поэтому, для реализации различных биологических функций и химических превращений в живой клетке, применяются и различные категории информационных сообщений, а именно:
Необходимо отметить, что биологическая информация в живой системе может существовать в различной форме. Наиболее характерными формами существования биологической информации в живой клетке являются: статическая, динамическая и сигнальная осведомляющая. Статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Генетическая память сама по себе структура инертная и статическая, поэтому первичная биологическая информация существует в кодовой форме записи определённых сведений и сообщений в соответствующих генах ДНК. Динамическая управляющая информация является производной от генетической, она определяется линейной и затем трёхмерной организацией биомолекул, то есть в конечном итоге имеет стереохимическую форму представления. Благодаря стереохимической форме представления молекулярной информации ферменты и белки способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач.
Осведомляющая информация (сигнализация), воспринимаемая управляющей системой клетки, передаётся кодовыми элементами (буквами или символами) молекул субстрата. Ферменты и белки способны специфически (информационно) взаимодействовать с различными био-логическими элементами и их химическими знаками. Поэтому в качестве объектов сигнальной осведомляющей информации в живой клетке могут выступать как отдельные биохимические элементы, так и различные биомолекулы, состоящие из таких элементов, то есть многочисленные молекулы субстратов.
Осведомляющая сигнализация служит для информирования системы о состоянии управляемых биохимических объектов, о ходе химических реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. Управляющая система клетки реагирует только на ту сигнальную информацию, которая свойственна её природе. В связи с этим, одним из главных признаков процессов управления в клетке является беспрерывная циркуляция информации, которая заранее загружена в молекулярную структуру биоорганического вещества. При этом, если динамическая управляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурами белков (закодирована в них), то сигнальная осведомляющая информация, воспринимаемая белками, заключена в структурной организации их молекулярных партнёров. Поэтому можно констатировать, что биологическая информация в живой клетке может существовать в различной форме и записываться с применением различных химических букв и символов, к примеру:
Поэтому потоки и циркуляция информации в живой системе тождественно могут быть представлены потоками и циркуляцией различных биологических молекул. В связи с этим появляется необходимость деления информации по форме, видам и категориям, например:
10. О молекулярной биологической информатике .
Информатика – автоматизированная переработка информации, это “новая область научно-технической деятельности человека, дисциплина, изучающая структуру и общие свойства информации, а также закономерности и методы её создания, хранения, поиска, преобразования, передачи и использования в различных сферах человеческой деятельности, которая базируется на информационной и вычислительной технике. Информатика в отличие от кибернетики занимается информационным, техническим и программным наполнением кибернетических систем. Очевидно, если информатика – это дитя двадцатого века, то биоинформатика, которая занимается автоматизированной переработкой молекулярной и иной биологической информации, насчитывает в истории своего естественного развития, по всей вероятности около 4-х миллиардов лет! Однако к своему изумлению, мы только сейчас узнаем, что в основе жизни лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики. Можно сказать, что, несмотря на то, что на земные просторы пришел золотой век технической информатики, то в это же самое время от естественных наук сумел “ускользнуть” необъятный айсберг генетических и молекулярно-биологических информационных технологий, лежащий в основе биологической формы материи и самой жизни. И это несмотря на великие начинания и гениальные открытия, сделанные в этой области исследователями в середине 20 века.
Появление на заре Жизни клетки, как мультипроцессорной системы для “автоматизированной” переработки генетической и субстратной информации, означало начало революции в областях накопления, передачи и обработки различных видов и форм молекулярной информации в живых биологических системах. Поэтому важно отметить, что живая клетка, точно так же, как и любая другая сложная информационная система, в первую очередь, – это универсальная система для “автоматизированной” переработки информации. Для этой цели она имеет все необходимые программные, аппаратные и энергетические молекулярные средства. Становление живой клетки означало и начало эволюционного взрыва в областях накопления наследственной информации, её обработки, использования и передачи в бесчисленных поколениях дочерних клеток.
Эти процессы характеризуются также становлением и унификацией молекулярной элементной базы живой формы материи и этапом форсированного овладения живыми системами вещества, энергии и информации. Все сведения о живой системе, необходимые сообщения, генетические инструкции, директивы, команды управления и другая информация находится в клетке в закодированной форме в виде последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (или РНК). Генетическая память, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов), поэтому она вынуждена все эти сообщения кодировать в макромолекулах ДНК, РНК и белков, а затем передавать их в виде длинных кодовых циклических посланий. Естественно, что живая система вынуждена постоянно пользоваться той наследственной информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому вся управляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и реализуется только в молекулярной форме, в виде кодируемых сообщений, имеющих свою адресную, операционную, структурную и текстовую части. Очевидно, что в живых системах повсеместно применяется как линейные, так и стереохимические коды, и принципы кодового контактного соответствия информационных компонентов. Здесь так же, как и в технических системах применяются как сложные, так и простые коды.
Следовательно, гены управляют поведением биологических молекул не непосредственно, а путём модульного кодирования и программирования их структур и биологических функций! А молекулярные коды соответствий и средства их передачи существуют не только для важнейших систем био-логических элементов – нуклеотидов и аминокислот. Они существуют для любых мономеров и их химических знаков. Приведённые здесь примеры и вся совокупность имеющихся в науке биологических данных говорит о том, что молекулярная информатика – это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая “автоматика” жизни, которая основана не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Она предназначена для “автоматизированной” переработки как генетической, так и субстратной информации. Именно на этом уровне кроются те истоки, откуда берут начало различного рода и назначения информационные молекулярно-биологические технологии.
Любая живая клетка – это чрезвычайно сложная информационная система, представляющая собой универсальный центр по переработке управляющей и осведомляющей молекулярной биологической информации. Хранилищем и источником наследственной информации в каждой клетке является ДНК хромосом. Сердцем управляющей системы живой клетки является генетическая память и локальные биопроцессорные системы управления, находящиеся как в цитоплазме клетки – трансляционный аппарат, так и биопроцессорные системы верхнего уровня, находящиеся в клеточном ядре – транскрипционный аппарат. Эти аппаратные системы выполняют различные информационные функции. К примеру, ядерные биопроцессорные системы верхнего уровня (транскрипционный аппарат) служит для микропрограммного управления процессами считывания генетической информации в оперативную память структуры рибонуклеиновых кислот (РНК).
Молекулярным перекодированием можно назвать процесс преобразования генетической информации, которая сначала записывается на одном носителе при помощи одного молекулярного кода, но при передаче переводится на другой код и на другой молекулярный носитель. Именно по такой схеме обычно происходит молекулярное перекодирование информации. Это ведет к тому, что новый молекулярный носитель после информационных преобразований становится новым объектом, выполняющим в системе заданную биологическую функцию. Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из одних и тех же мономерных звеньев – нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются определенные различия, которые и привели к появлению в клетке особой молекулярной биопроцессорной системы, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК. Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнеров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК. Сами хромосомы представляют собой активные динамические структуры, в разных участках которых идут процессы транскрипции (считывания) информации с ДНК. В силу этих обстоятельств отдельные домены хроматина разворачиваются, а после считывания информации с генов ДНК вновь упаковываются. Результатом работы транскрипционной системы является формирование транспортных и рибосомных РНК, и главное, – загрузка в оперативную память иРНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки.
Таким образом, задача по считыванию генетической информации в оперативную память структуры РНК решается путем выполнения отдельных микроопераций строго в соответствии с программой того участка ДНК, который определяется структурным геном. Поэтому основной смысл действия ядерных биопроцессорных систем транскрипции сводится к тому, чтобы передать программную информацию ДНК в оперативную память структуры РНК. Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции. В виде информационной РНК, которая в клеточной системе исполняет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидных цепей передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам.
Отметим, что все биопроцессорные системы трансляции генетической информации действуют по одному и тому же принципу, хотя и задействованы в различных клеточных системах. Разница заключается в различном программном обеспечении этих систем управления с помощью оперативной памяти иРНК. Далее, в цитоплазме, программная информация с оперативной памяти структуры линейных цепей иРНК переводится на полипептидные цепи белковых молекул. Этот этап называется трансляцией. Вспомним принцип работы молекулярной биопроцессорной системы трансляции (трансляционный аппарат). Основным компонентом типовой биопроцессорной единицы является рибосома. Важная регулирующая роль в синтезе белка помимо иРНК принадлежит тРНК. С помощью специального фермента аминоацил-тРНК-синтетазы тРНК присоединяет на одном из своих концов молекулу соответствующей аминокислоты, в результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК. тРНК при участии белковых факторов устройства управления и энергии гуанозинтрифосфата (ГТФ) доставляет аминокислоту в рибосому для включения ее в растущий полипептид. С помощью своего антикодона тРНК информационно взаимодействует с комплементарным ему кодоном иРНК. Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка.
Таким образом, обеспечивается необходимая последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с микропрограммой заданной иРНК. Поэтому функционирование биопроцессорной единицы (рибосомы) в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной микрокоманды программы иРНК. Рабочий цикл содержит в общем случае последовательность определенных этапов, которые наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Сама рибосома, в частности, обладает каталитической функцией, ответственной за образование пептидных связей в цепи белка. Как мы видим, иРНК в биопроцессоре играет роль матричного модуля оперативной памяти, несущего микропрограмму преобразования генетической информации в структурную и функциональную информацию полипептидной цепи белка. Ясно, что этот этап характеризуется применением генетического кода и сменой молекулярного носителя информации, когда с помощью иРНК, молекулярного аппарата трансляции и аминокислотной системы элементов строятся и программируются линейные полипептидные цепи различных ферментов и других клеточных белков.
Следовательно, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной микропрограммой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор. Так как молекулярные биопроцессорные единицы (рибосомы) трансляционного аппарата локально рассредоточены по различным блокам и компартментам, то клеточная система управления процессами строится в виде набора единичных процессоров, для которых, как правило, предусматривается своя локальная оперативная память в виде иРНК. Множество подобных молекулярных процессорных единиц обычно соединяются каналами связи, образуя сеть. Очевидно, что весь смысл работы молекулярных биопроцессоров заключается в том, чтобы передать структурную и программную информацию белкам и ферментам, которые играют роль выходного управляющего звена биопроцессорных систем живой клетки [12].
Как мы видим, несмотря на простоту записи, и перекодирования самой генетической информации, в этом процессе задействованы весьма сложные типовые аппаратные (информационные) системы живой клетки. Заметим, что смена молекулярных носителей обычно сопряжена с процессами кодирования и декодирования информации. К примеру, аминокислотные цепи белков, с одной стороны, являются конечным продуктом процесса декодирования генетической информации, а с другой – они же являются начальным процессом кодирования стереохимической организации белковых молекул с помощью аминокислотного кода. Причем, если генетический код служит для переноса и трансляции генетической программной информации на “линейную” структуру белка, то аминокислотный код является тем молекулярным кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем, и, через деятельность белков, – воплощение и реализация генетической информации. Процесс трансляции – это наиболее яркий пример молекулярного перекодирования при передаче генетической информации.
Очевидно, что одним из основных секретов информации является возможность выражения одного и того же смыслового содержания в самых различных физических представлениях, то есть в различных кодах. На этом основана возможность перекодировки информации с одного носителя на другой. Ясно, что генетическим кодом кодируется только первичная, – “линейная” структура полипептидной цепи. Однако конкретная конформация (вторичная, третичная и четвертичная структуры) любого белка полностью определяется первичной структурой входящих в его состав полипептидных цепей и зависит от химических свойств боковых групп аминокислотных остатков. Значит, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых молекул кодируются и программируются уже другим молекулярным кодом – аминокислотным. В результате конформационных преобразований и процессинга макромолекула фермента (белка) формирует характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, приобретает свой информационно-кибернетический статус [12].
В общем получается, что генетическая информация использует различные биомолекулы в качестве своего носителя (переносчика), а биомолекулы используют информацию для своей структурной и функциональной организации. Очевидно, что информация, вещество и энергия в живых системах выступают в качестве равноправных партнеров, потому что без каждого из них существование живой материи немыслимо. В результате этих обстоятельств, все живые системы оказались приспособленными к переработке как самой информации (сигналов, команд, данных, программной информации), так и её молекулярных (материальных) носителей. При этом заметим, что если вещество и энергия являются её материальными наполнителями, то информация в структуре живого вещества, по своей сути, является руководством к действию, а значит, и критерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических процессов.
Поэтому все биологические молекулы и клеточные структуры находятся в организме в процессе постоянного информационного взаимодействия, преобразования и движения, который называется жизнью. Повсеместное применение циклических передач молекулярной информации приводит к существованию в клеточной системе практически непрерывного (параллельно-последовательного) потока генетических сообщений, которые передаются по многочисленным ядерным каналам в виде молекул РНК – оперативной памяти. Наличие многочисленных каналов связи и различных компартментов позволяет живой клетке одновременно обеспечивать необходимой информацией различные клеточные устройства и системы. Функция ДНК как раз и состоит в том, что она хранит запас генетической информации, необходимый для кодирования и программирования всех компонентов живой системы.
Передача молекулярной информации осуществляется в кодовой форме. Все виды передаваемой информации передаются комбинационной последовательностью химических букв или символов, которые упорядочиваются применением кода. В связи с этим, для любого информационного сообщения (в виде иРНК или полипептидной цепи) всегда можно построить диаграмму последовательности кодовых сигналов. Информация в живой системе, в зависимости от её назначения, может записываться различными буквами и символами (мономерами), и поэтому, естественно, что информационные сообщения могут существовать в различных вещественных воплощениях. Удивительно, что информация, находящаяся в структурах биологических молекул стала не только направляющей и организующей силой всех биохимических процессов, именно от её содержания зависят все показатели живой материи: её химический и структурный состав, все её качественные и количественные показатели. Очевидно, что только от информации зависит и содержание, то есть состав самого вещества.
Следовательно, вещество в любой живой системе занимает, увы, не главную, как декларирует биологическая наука, а подчинённую роль! Это звучит неожиданно, однако вспомним, что информация, заключенная в генах, до мельчайших подробностей определяет аминокислотный состав и, соответственно, функциональное поведение белковых молекул. Структурный состав веществ организма в целом также зависит от генетической информации. Это и есть модульное кодирование, когда определенный структурный код (кодовый модуль) однозначно соответствует определенному смысловому сообщению, которое может вызвать ответную реакцию. В связи с этим, важно еще раз повторить, что субстанцией наследственности всё-таки являются не материальные компоненты живого, о чем декларирует молекулярная биология, а его нематериальная (виртуальная) – информационная часть. А это, увы, не одно и то же, поскольку последовательность химических букв и символов в молекулярных цепях формируют лишь необходимые предпосылки для представления информации. А основной аспект сообщения состоит не в материальных переносчиках или в выбранном коде, а в его смысловом значении (семантике). Именно кодовое смысловое значение превращает определенную последовательность букв или символов в информационное сообщение.
При этом, как известно, сама информация не зависит ни от своих материальных или энергетических носителей, ни от способа её передачи и запоминания, ни от систем её записи и обработки. Поэтому молекулярной информатикой можно назвать такое направление в биологической науке, которое занимается исследованием функционирование живых систем сквозь призму модульного кодирования и программирования биологических молекул и структур, входящих в их состав.
Литература.
1. Ю. Я. Калашников. “Информация – гениальное изобретение живой природы”. Дата публикации: 13 июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 05.05.2007г.
2. А. Ленинджер. Основы биохимии.
Пер. с англ. в 3-х томах – М: Мир, 1985.
3. Вернер Гитт. “Информация: третья фундаментальная величина”. Интернет.
4. Ю. Я. Калашников. “Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 07.12.2006г.
5. “Программирование в математике и реальном мире”. Интернет.
6. Б. Альбертс, Д. Брей др. “Молекулярная биология клетки” – М: Мир, 1994
7. Ю. Я. Калашников. “Ферменты и белки живой клетки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением”. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 13.12.2006г.
8. Л. Б. Марголис. “Почему мы не понимаем живую клетку, или Мифы молекулярной биологии”. Интернет.
9. Э. Рис, М. Стернберг. “От клеток к атомам. Иллюстрированное введение в
молекулярную биологию”. – М: Мир, 1988.
10. П. Кемп, К. Армс. “Введение в биологию”. Перевод с англ. – М: Мир,1988.
11. “Основы биохимии”. Под редакцией А. А. Анисимова, А. Н. Леонтьева и др. –
М: Высш. шк., 1986. 12. Ю. Я. Калашников. “Информационное управление клеточными
процессами”. Дата публикации: 22.02. 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата
публикации: 05.03.2007г.
Дата публикации: 22 декабря 2008
Источник: SciTecLibrary.ru
