© Калашников Юрий Яковлевич

Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru

  Аннотация

Естествознание показывает, что только благодаря наследственной молекулярной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже более 3,5 миллиардов лет. Однако, основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению и распространению растительного и животного мира, а также становлению самого человека, – современной науке до настоящего времени практически неведом. Между тем, это и есть то неохватное “целинное поле”, которое самой живой природой предназначено для развития нового в биологической науке направления – “Молекулярной биологической информатики”.　__________________________________________________

  Оглавление

10 Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего времени, не принёс ожидаемых результатов

20 Информация как движущая сила развития живой природы, создающая новые биологические реальности

30 Основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению и распространению растительного и животного мира, – современной науке до настоящего времени практически неведом

40 О молекулярной биологической информатике

50 О разделении кодовых сигналов при передаче наследственной информации

60 Аминокислотный код

70 Структура кодовой посылки при передаче информации в полипептидной цепи белка

80 О необходимости информационного направления в молекулярной биологии

  1.Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего времени, не принёс ожидаемых результатов

  Биология как фундаментальная наука с её многочисленными дисциплинами и направлениями призвана исследовать явления и механизмы, обеспечивающие функционирование живых систем, раскрыть фундаментальные основы жизни, а так же общие принципы и закономерности, лежащие в основе её развития. Организацию и природу живого состояния материи на самых глубоких молекулярных и элементарных уровнях стремятся понять различные биологические дисциплины, в частности, – биофизика и биохимия, молекулярная биология и генетика. А период изучения химического состава живой материи и реакций, связанных с обменом веществ, длится уже, по-видимому, около 200 лет.

  Долгое время ученые надеялись на успехи физико-химической биологии, изучающей состав и основы живой материи. Однако если тайны живого состояния оказались неподвластны биофизикам и биохимикам, то многие физические процессы и химические реакции, в результате длительного и кропотливого труда, были тщательно изучены. Поэтому познание закономерностей синтеза и распада живого вещества, намного продвинуло биологическую науку вперёд. Однако чем глубже ученые внедряются в детализацию физико-химических процессов живого, тем больше у них возникает сомнений в познаваемости явлений жизни. Учитывая сложно-зависимые физические, химические и иные процессы, протекающие в живых системах, многие исследователи и сегодня пессимистически относятся к реальности познания феномена жизни. В настоящее время бесперспективность познания тайн жизни только физико-химическими методами стала очевидной. В силу этих обстоятельств дальнейшее изучение живой материи заметно приостановилось.

  Оказалось, что мир живого настолько сложен и разнообразен, что его нельзя сводить только к физическим и химическим закономерностям. Выяснилось, что хотя материя и энергия являются необходимыми компонентами всего живого, однако они не указывают на кардинальное отличие живого от неживого. Поэтому конечная цель биофизических и биохимических наук, которая заключалась в познании тайн жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биофизиков и биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии не принес ожидаемых результатов! Стало ясно, что молекулярные биологические науки зашли в мировоззренческий тупик.

 Однако итоги физико-химических исследований заставляют исследователей по новому взглянуть на достижения биофизики и биохимии и более целенаправленно искать другие подходы и пути к пониманию феномена живого состояния материи. Очевидно, что законы физики и химии, действующие в любой живой системе, не отменяются. Однако, как оказалось, их необходимо дополнить новыми информационными знаниями и закономерностями.

  Сложившаяся ситуация в изучении живого очень сильно напоминает такую гипотетическую ситуацию при которой, к примеру, изучение схем и работы современного компьютера исследователи начали бы изучать при помощи законов физики полупроводников и законов электротехники. Вряд ли с помощью этих законов можно внятно объяснить работу цифровых систем, так как описание работы окажется весьма сложным и по нему трудно представить себе производимое компьютерной схемой преобразование информации. Чтобы сделать это нагляднее, необходимо отвлечься от физических процессов, происходящих в схеме, и рассмотреть её работу на другом, более обобщенном уровне – на уровне комбинационных схем и использовать в качестве языка описания булевы функции. В этом случае в качестве входных и выходных переменных рассматриваются не электрические напряжения и токи в соответствующих точках схемы, а булевы переменные, принимающие всего два значения: 0 и 1. Причем, различным уровням рассмотрения вычислительного устройства соответствует определенная иерархия языков формализованного описания вычислительных устройств.

  К сожалению, в молекулярной информатике еще не разработаны подобные средства и языки формализованного описания. Можно надеяться, что в скором времени найдутся заинтересованные специалисты и найдут возможность устранения указанных пробелов. Главное же видится в том, что сейчас мы знаем, что любая живая клетка – это сложнейшая информационная система, с такой управляющей системой, с которой не могут конкурировать даже самые сложные современные компьютеры.         
Бесспорно, что кроме физических и химических законов живые молекулярные системы подчиняются еще и особым информационным законам и принципам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики! Этот факт может быть аргументирован тем, что все материальные компоненты живой клетки (организма) – макромолекулы и структуры, одновременно являются не только вещественными носителями, но одновременно они еще являются и носителями молекулярной биологической (наследственной) информации и переносчиками химической энергии. К сожалению, вторая и “таинственная” сторона биоорганического вещества – информационная (по важности не уступающая первой – материальной), естественными науками оказалась, по сути дела, незамеченной и поэтому практически неизученной. Очевидно, что в живых системах действуют свои специфические закономерности молекулярной биохимической логики и свои принципы молекулярной биологической информатики, с которыми биологам давно следовало бы “разобраться”.

  2. Генетическая информация как движущая сила развития живой природы, создающая новые биологические реальности

  О причинах и движущих силах эволюции до сих пор продолжаются дискуссии. К примеру, доминирующая в науке теория эволюции Дарвина в своей основе предполагает отбраковку неудачно сконструированных образцов живых организмов, что, якобы, и является движущей силой развития. Однако отделы технологического контроля существуют не только в живой природе и, как мы знаем, не они являются разработчиками и конструкторами годных к применению изделий. Что же тогда является источником тех могучих движущих сил, которые порождают необузданную генерацию живой материи и ошеломляющее разнообразие жизни?

  Ответ на этот вопрос должен быть однозначным, так как только наследственная информация в живых системах является той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе вещества, энергии и клеточной организации) создавать копии самой себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться, распространяться 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 живых систем и позволяет их программа развития.

  Как мы видим, эволюция – это закономерный переход одного уровня системной организации материи (вещества), энергии и информации на другой более высокий уровень. Причем, информация в этой триаде играет ключевую роль, так как, только она способна обеспечить целенаправленность, закономерность и упорядоченность процессов. Поскольку вещество и энергия участвуют в круговороте и никуда не исчезают, то имеются веские основания полагать, что эволюция, по своей сути, является процессом возрастающего воспроизводства и генерации новых видов и форм информации [5].

  Как мы видим, этот процесс осуществляется за счет использования и круговорота потоков энергии, информации и вещества. Особенно заметно это проявляется в живой природе и в сфере технических информационных технологий. Таким образом, наш мир закономерно становится всё более и более информационным и это трудно не заметить.

  А сама Жизнь, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества и энергии на качественно новый – информационный уровень их системной организации. Диктат информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации. Одной из предпосылок эволюции, то есть более высокого развития, является вариантность в качестве принципиального явления бытия. Другой же необходимой предпосылкой эволюции является существование возможности отбора (селекции). Только селекция из большого числа вариантов форм существования обеспечивает автономность процесса эволюции”. Однако заметим, что вариантность, отбор вариантов (селекция) – это характеристики присущие только информации (но не материи или энергии). Так может работать только информация, которая создает новые структурные и функциональные реальности.

  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. Для накопления и передачи (переноса) информации требуются материальные носители. Поэтому информация всегда передается по каналам связи в виде материальных или энергетических кодовых сигналов, имеющих определенное смысловое значение. Информация всегда предполагает наличие той или иной системы, где она может кодироваться, перекодироваться и декодироваться.

  Процесс размножение информации выполняется путем: копирования информации, при обязательном наличии экземпляра, работающего как оригинал или тиражирования информации, когда все экземпляры полностью идентичны, а оригинал отсутствует. Заметим, что как для накопления информации, так и для её хранения и перемещения, как правило, требуется не только своя кодовая система, но и свои материальные носители. Указанные процессы и характеристики кодированной информации наиболее широко применяются в живых молекулярных системах.

 Заканчивая рассматривать особенности и закономерности молекулярной информации необходимо подчеркнуть, что естественный ход развития и эволюции жизни на Земле, безусловно, носит характер планетарного информационного явления. Между тем, одна из формулировок философии, определяющая сущность жизни, гласит: “Жизнь есть особая форма движения материи”. Однако уже достаточно давно известно, что без информации и без энергии движение биологической формы материи немыслимо. Похоже, философы немного поспешили, когда приписали эти фундаментальные свойства – живой материи. Очевидно, что основную формулировку необходимо приводить в соответствие с новыми воззрениями. Так как становится фактом, что Жизнь, – это особая системная форма движения, воспроизводства и генерации молекулярной информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества.

  Можно сказать, что Жизнь – это такая материальная форма движения, циркуляции и генерации информации, которая целенаправленно связана с преобразованием и обменом энергии и вещества с целью их функционального и эволюционного перехода в новые виды и формы молекулярной и функционально-биологической информации. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала основой нашего мироздания.

  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 для всех биологических процессов.

  Именно с кодированием информации связаны многие замечательные свойства живой материи. С кодированием, перекодированием и декодированием информации связаны не только организация живых систем, но и практически любые области человеческой деятельности.

  Несомненно, что молекулярная информация для разных уровней организации живых систем является “ведущей”, а все другие информационные уровни организации биосистем являются “ведомыми” (т. е. подчиненными). Кроме того важно подчеркнуть, что все основные процессы эволюции живых систем обеспечиваются только лишь универсальными совокупными свойствами материи (вещества), энергии и информации, которые циркулируют в системе.

 То есть сам вариантно-селекционный процесс принимает автоматический характер в силу лишь тех обстоятельств, что каждый из трех составляющих процесса подчинен своим индивидуальным принципам и правилам функционирования и своим закономерностям существования. Поэтому эта триада составляющих живой материи (вещество, энергия, информация) только в непрерывном движении (циркуляции) и при совокупности всех своих свойств определяет как поведение, так и развитие любой живой системы.

 Только информация (а не материя или энергия) способна обусловить информацию, – это одно из замечательных свойств (закономерностей) информации. Только информация способна воспроизвести, породить, обновить, исправить, копировать или размножить информацию. А удивительные свойства передачи, хранения, копирования и размножения (самообновления и самовоспроизведения) информации представляют в живой системе тот информационный феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи [6].

  Можно напомнить, что такое понятие как селекция также связано с информационными представлениями, позволяющими осуществить отбор более жизнеспособной (наследственной) информации (а значит, и отбор особи). Очевидно, что информация является не только фактором управления (самоуправления) и регулирования, но и причиной размножения и селекции, а, следовательно, и главной движущей силой развития живой материи. Очевидно, что всей необъятной биосферой нашей планеты правит не какая-то сверхъестественная сила, а такая удивительная, простая и в то же время чрезвычайно сложная и таинственная сущность нашего мира, как информация [6].

  Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи! По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования информации связана не только с зарождением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения.

  Как мы видим, только информация, из трех составляющих живой материи, наделена чрезвычайно активной способностью проявлять себя (на основе энергии, вещества и системной организации) – перемещаться (передаваться), размножаться (воспроизводиться), преобразовываться, самообновляться, распространяться, восприниматься, декодироваться, осуществлять отбор и т. д.

  Ясно, что такими способностями сами по себе не обладают ни вещество и ни энергия.

  Очевидно, что пути развития живой материи в определенной мере определяют и пути развития человеческого общества и его производительных сил. А движущими силами развития при этом являются кодируемая информация и существующие возможности отбора (селекции). Только наследственная (кодированная) информация и селекция из большого числа вариантов форм существования обеспечивает автоматизм и автономность процесса эволюционного развития. Как　и в теории Дарвина, где описывается вариационно-селекционный процесс как автоматический процесс взаимодействия живых существ с окружающей средой и друг с другом. Это означает, что все мы, живые существа и вообще весь наш мир, все развилось из себя, из элементарных информационных взаимодействий, содержащихся в живой материи.

  К примеру, физико-химическая эволюция привела не только к образованию различных химических элементов, но и к появлению простых органических соединений. Сейчас эти соединения играют роль строительных блоков (химических букв или символов) при построении биологических макромолекул. А химический способ представления информации, с применением таких био-логических элементов, стал именно тем гениальным изобретением природы, при помощи которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции – информационной и биологической.

  Ясно, что косная материя не обладает столь мощными факторами управления и развития, какими являются кодированная информация и химическая энергия. Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи! Поэтому основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Только эта триада составляющих, в виде их структурно-функционального единства　 (“слияния”), оказалась приспособленной к обеспечению　 процессов движения　 и развития биологической формы материи [1].

  По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами　 живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими　 аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования информации связана не только с зарождением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения.

  Очевидно, что, что живая природа не потребовала никакого творца и заранее не имела никакой модели или прообраза. Живая материя обладает лишь внутренней потребностью и способностью к накоплению информации, её саморазвитию и самовоспроизведению. А информация, как самообновляемые ресурсы живой материи обладает теми движущими силами саморазвития, которые делают возможным возникновение новых биологических реалий и позволяют дать их оценку в окружающей среде. Поэтому кодированная информация, скрытая в лабильной структуре биоорганического вещества (как своего носителя) обладает внутренней способностью постоянно и независимо выдавать новые биологические свойства и реальности. Любое становление – это процесс информационного творения, очевидно, что живой природе свойственен процесс творчества.

  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 макромолекуле указывает не только направление движения, но и её информационное и функциональное поведение в клеточной среде, а значит, определяет всю её биологическую судьбу. Все эти процессы обеспечиваются энергией и информацией, а само вещество (т. е. сам носитель информации) при этом преобразуется в молекулярные механизмы для выполнения тех или иных биологических функций. Очевидно, что любая биологическая функция возникает только на основе молекулярных информационных взаимодействий. После выполнения своих биологических функций любая макромолекула заменяется на другую, способную выполнить те функции, которые необходимы живой клетке в данное время и в данном месте. По такому сценарию живая клетка не только передает информацию, но и одновременно снабжает себя материально-энергетическими компонентами и функциональными механизмами. Но, как ни странно, биологи наблюдают только материальную часть этого процесса, не замечая главного – передачи программной наследственной информации.

  3. Основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению и распространению растительного и животного мира, – современной науке до настоящего времени практически неведом

  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 движущими силами всех жизненных процессов. Только на базе изучения и исследования информационных основ биохимических и молекулярных процессов, и никак иначе, мы можем познать общую картину информационных отношений живой материи. А виртуальная сущность кодированной 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 нематериальная – информационная (виртуальная) часть [2].

  Известно, что, точно так же, как наше тело состоит из отдельных типовых клеток, имеющих различную структурную организацию, так и все макромолекулы и клеточные структуры строятся на основе отдельных унифицированных био-логических элементов (нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров). Этот универсальный набор представляет собой не что иное, как элементную базу живого, или общий молекулярный биологический алфавит, который служит не только для построения макромолекул и клеточных компонентов, но и для кодирования и программирования их молекулярных структур и биологических функций.

  Очевидно, что мириады природных биохимических элементов (химических букв и символов) не могли бы программно (целенаправленно) соединяться в отдельные макромолекулы и работать в системе как единое целое, если бы в живой клетке (организме) не существовал информационный механизм их управления. В сложных механизмах управления любого организма имеется несколько уровней, но первым и основным из них является молекулярный уровень, который является в живых системах ключевым и фундаментальным.

  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 [3]. 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 процесс передачи и транспортировки на расстояния, с помощью ферментов, команд управления и исполнительных органов и механизмов, могущих воздействовать 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 (субстратам). 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 [5].

  Живая форма материи отличается от других форм тем, что её структура и функции кодируются и программируются той молекулярной информацией, которая с помощью генов и элементной базы заранее была загружена в её молекулярные цепи и трёхмерные структуры. Поэтому всё разнообразие биологических молекул живой клетки формируется только на основе управляющих средств, с помощью генетической информации и использования различных молекулярных алфавитов.

  Молекулярная форма управления и передачи информации для нас привлекательна именно тем, что позволяет управлять биохимическими процессами живых клеток на недосягаемом для других технологий уровне, – на уровне малых молекул, их атомных групп и отдельных атомов!

  К своему удивлению мы только сейчас узнаем, что в основе живого лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики и мир естественных информационных биохимических нанотехнологий. Здесь для записи информации применяются мономеры – химические буквы и символы (био-логические элементы) – нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и другие мономеры, имеющие размер в диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм.

  4. О молекулярной биологической информатике

  Все биологические макромолекулы, структуры и компоненты живой клетки и организма должны рассматриваться с информационно-кибернетической точки зрения как носители и реализаторы генетической информации. Законы молекулярной биологии, информационный дуализм, триединство вещества, энергии и информации живой материи, точно так же как и закономерности молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, действующие в живой системе, еще никто не отменял. В этом контексте должны даваться и общие представления о теории молекулярной информации и биологической информатике.

  Сейчас же “Биологической информатикой” почему-то называют науку, изучающую живую материю с помощью средств технической информатики, что явно не соответствует не только смыслу названия, но и самой сути информационной биологической науки.

  Очевидно, что “Молекулярная и биологическая информатика” должна изучать, тот необъятный и мало исследованный информационный мир, который является причиной функционирования живых систем и лежит в основе живой природы и сущности самой жизни.

  Все, что происходило и происходит в живой природе, есть результат проявления информационного дуализма, принципа “триады” и информационного взаимодействия, при которых живая материя использует универсальный язык живой природы – кодированную информацию.

  В общем виде можно сказать, что “Информация – это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, 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. Причем, источник информации передает её, а приемник – принимает. Такая модель вполне справедлива и для молекулярной биологической информации. Все эти процессы являются фундаментальными для любой живой системы, поэтому информация здесь тоже имеет свой семантический смысл и становится эффективной управляющей силой.

  Генетическая память, сама по себе, структура инертная и статическая, она не может напрямую, лишь на основе законов физики и химии, передавать и регламентировать способность биологических молекул к упорядоченному поведению. Для этой цели в ДНК имеется только необходимая информация. Кроме того, ДНК, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому всё, что могут сделать гены, так это заранее передать ферментам и другим белкам клетки нужные сведения об их структурно-функциональной организации и программную информацию, для того, чтобы после доставки на место белки и ферменты могли действовать автоматически и самостоятельно. То есть живая клетка, для дистанционного управления процессами, сама “проектирует”, изготавливает и транспортирует на рабочее место “программируемые” молекулярно-аппаратные средства, которые и служат в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы [4].

  Таким образом, любая живая клетка, для “автоматизации” своих процессов, действительно применяет целый арсенал молекулярной “робототехники”: различных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатов с программной биохимической логикой управления [5]. А разобраться во всех тонкостях информационного управления живой материей может, по-видимому, только специализированная наука – “Молекулярная биологическая информатика”, которая в будущем должна стать основой общей “Биологической информатики”.

  Информатикой называют новую область научно-технической деятельности человека, которая занимается изучением методов автоматизированной переработки информации. К её сфере деятельности может относиться не только применение компьютеров, но также и исследование информационных систем вне техники, например, изучение информационных процессов живой клетки. В этом случае автоматизированную переработку генетической и субстратной информации более справедливо назвать молекулярной биологической информатикой.

 Действие выходного управляющего звена молекулярных биопроцессоров – ферментов и других клеточных белков основано не на переборе вариантов при поиске решений. Теперь мы знаем, что ферменты, как молекулярные биологические автоматы, реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на информационное комплементарное соответствие друг другу с помощью их кодовых стереохимических матриц (микроматриц). Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи информационных сообщений [5].

  С появлением ферментов и белков, выполняющих роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления, живая клетка получила целый комплекс уникальных средств, для дистанционной “автоматизированной” переработки, как управляющей, так и сигнальной, осведомляющей информации (молекул субстратов и пищевых веществ). Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и био-логическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления [6].

 Внедрение в клетку молекулярных биопроцессорных систем (транскрипции и трансляции) и их выходного управляющего звена – белков и ферментов, оказало колоссальное влияние на дальнейшее развитие биологической формы материи, в частности, на появление многоклеточных сообществ и организмов и вызвало взрывной, революционный процесс “биокибернетизации” живых систем.

  Следовательно, можно сказать, что молекулярная информатика – это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая “автоматика”, 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. Это и есть одна из тех областей, где находят применение различного рода и назначения информационные молекулярно-биологические технологии.

  А на практике – это та область и сфера молекулярных информационных технологий, которая оказалась приспособленной не только для обработки информации, но и для переработки вещества и энергии. И это должно нами восприниматься как нормальное явление, так как информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его молекулярном уровне. Поэтому можно констатировать, что единство вещества, энергии и информации является основным и фундаментальным принципом существования живой формы материи [1]!

  А живая клетка, как элементарная основа жизни, как раз и становится тем центром, который предназначен для “автоматизированной” переработки молекулярной биологической информации, а, следовательно, биоорганического вещества (как своего носителя) и химической энергии. Эволюционное развитие клетки как мультипроцессорной системы для “автоматизированной” переработки генетической и субстратной информации означало начало революции в областях накопления, передачи и обработки различных форм и видов молекулярной информации в живых биологических системах. Поэтому важно отметить, что каждая 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.

Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила:

1) феноменальную генетическую (ДНК) и уникальную оперативную (РНК) память;

2) целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;

3) выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления;

4) собственные универсальные АТФ-генерирующие “станции” и т. д. [6].

  5. О разделении кодовых сигналов при передаче наследственной информации

  Выбор структуры информационных кодовых посылок в живой системе (например, в клетке или организме) определяется особенностями каждого вида молекулярной информации и основан на разделении всех посылок на отдельные коды (например, функциональные адреса, команды, отдельные информационные сигналы, субмолекулярные матрицы или структурные программные модули, с помощью которых программируется функциональное поведение биологических макромолекул и т. д.).

  Как известно, для использования клеткой генетическая информация, записанная в ДНК, должна быть расшифрована. Принцип декодирования очень прост, даже если в нем задействованы сложные ферментативные реакции. Порядок следования нуклеотидов в ДНК (последовательность) содержит всю генетическую информацию, которой располагает клетка. Эта информация записана четырьмя химическими буквами: А,Т,

G,С [7]. (Нуклеотиды обозначены по их азотистым основаниям: А,T,G,C – то есть по боковым атомным группам нуклеотидов.) Заметим, что здесь каждому трехбуквенному (кодону) соответствует либо аминокислота, либо сигнал начала (инициации) или окончания (терминации) считывания. Поскольку с помощью кодонов надо зашифровать всего лишь 20 аминокислот, приходится иметь дело с вырожденным кодом: появляются кодоны-синонимы. Как и при любой письменности, необходимы еще и знаки препинания. Любая фраза, как правило, начинается с кодона АТG, (инициирующий кодон) и заканчивается одним или несколькими терминирующими кодонами (TAG, TGA, TAA). Помимо этого у каждого гена перед инициирующим кодоном содержится один или несколько участков регуляции экспрессии [7]. Таким образом, оказывается, что для записи информации в структуру ДНК применяется триплетный позиционный генетический код, в связи с чем, для каждого гена можно определить и построить свою собственную структуру кодовой посылки, которая и определит всю молекулярную наследственную информацию данного гена.

  Генетическая информация не расшифровывается непосредственно с ДНК. Существует промежуточный этап – транскрипция, в которой информация копируется с одной из цепей ДНК. Так происходит с каждым геном или сразу с целой группой генов благодаря специальному ферменту – РНК-полимеразе. В результате образуется рибонуклеиновая копия (иРНК). Рибонуклеиновая кислота, на которой сделана эта копия, состоит из одной цепи нуклеотидов, у которых дезоксирибоза заменена на рибозу, а тимин (Т) заменен на урацил (U).

  При транскрипции прерывистых генов интроны копируются вместе с экзонами в общую молекулу пре-иРНК. Последняя подвергается в ядре серии реакций, в ходе которых интроны вырезаются, а экзоны соединяются друг с другом своими краями. Получившаяся молекула иРНК покидает ядро и оказывается уже во власти системы трансляции, дешифрующей нуклеотидную последовательность. Соединение аминокислот с образованием белка происходит в цитоплазме на особых частицах – рибосомах. Все это можно сравнить с фабрикой (клетка) в которой чертежи (гены) хранятся в библиотеке (ядро), а для выпуска продукции (белки) используются не сами чертежи (ДНК), а их фотокопия (иРНК). Копировальная машина (РНК-полимераза) выпускает или по одной страничке фотокопии (ген), или сразу целую главу (оперон). Изготовленные копии выдаются через специальные окошки (поры ядерной мембраны) [7]. Многочисленные поры ядерной мембраны представляют собой не что иное, как многоканальную ядерную систему для передачи наследственной информации, которая в клетке используется в виде модулей оперативной памяти структуры иРНК. С помощью электронного микроскопа биологи могут наблюдать захватывающее зрелище, когда через многочисленные каналы (поры) клеточного ядра в цитоплазму поступают “тончайшие нити” молекулярных структур иРНК, которые являются молекулярными носителями наследственной информации. Эти молекулы в клетке выполняют роль модулей оперативной памяти информационной системы живой клетки.

  Эти модули затем используют на “монтажных линиях” (рибосомы) с дешифратором (генетический код) для получения из заготовок (аминокислот) окончательной продукции (белки). Как же происходит само декодирование? Ведь нет прямого соответствия между кодонами и их аминокислотами. Трансляция кодона в аминокислоту требует участия переходника (адаптера) – тРНК. На рибосоме тРНК, считывает своим антикодоном три нуклеотида из иРНК-матрицы и присоединяет свою аминокислоту к растущей полипептидной цепи.Таким образом, в процессе дешифровки генетической информации существует два этапа: транскрипция, то есть копирование одной из цепей ДНК с образованием молекулы иРНК и трансляция, то есть собственно дешифровка, в ходе которой последовательность нуклеотидов иРНК переводится в последовательность аминокислот белка, продукта гена [7]. Причем, для защиты передаваемой информации от искажений используется циклическая передача кодовой посылки, когда с одной структуры оперативной памяти иРНК транслируется циклический ряд одинаковых полипептидных цепей.

  К примеру, генетическая информация кодируется в виде последовательности нуклеотидов ДНК, – значит, все программы ДНК записаны и хранятся на линейном языке ДНК, а переписываются (транскрибируются) они на “линейную” последовательность нуклеиновых кислот РНК. Далее программная информация переводится (транслируется) с линейных цепей иРНК на полипептидные цепи белковых молекул. Этот этап характеризуется применением генетического кода и сменой молекулярного носителя информации, когда с помощью молекулярного аппарата трансляции и элементной базы строятся и программируются линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков. 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.

  При помощи соответствующих ферментов и элементной базы в клетке строятся линейные цепи и других классов макромолекул, например, полисахаридов, липидов и т. д. Как мы видим, этот принцип широко используется в различных по своему характеру биологических процессах. Линейный принцип кодирования-декодирования прост, даже если в нём задействованы сложные ферментативные системы, так как запись информационных сообщений осуществляется так же, как и при любой письменности – комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Следовательно, любая молекулярная цепь в живой системе представляет собой линейное информационное сообщение, записанное химическим способом. Одни и те же сообщения могут быть записаны различными биологическими кодами, например генетическим кодом в иРНК или аминокислотным кодом в полипептидной цепи белковой молекулы. Эта информация носит чисто биологический характер, потому, что, в частности, в процессе линейного кодирования структурная организация макромолекул программируются путём ковалентного соединения и позиционного фиксирования соответствующих букв или символов в длинных молекулярных цепях. В связи с этим разные молекулярные цепи, с информационной точки зрения, эквивалентны различным дискретным сообщениям.

  При этом последовательностью программных элементов (химических букв или символов) записывается в молекулярную цепь весь алгоритм структурного преобразования биомолекулы, то есть таким путём программируется построение её трёхмерной стереохимической организации. 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. Этот принцип широко применяется как способ преобразования “линейных” цепей биомолекул в трёхмерную структуру, а, значит, и линейной информации – в пространственную, стереохимическую информацию различных макромолекул.

  Загруженные в “линейную” структуру молекулярной цепи алгоритмы – это воплощенные в последовательности элементов правила молекулярной биохимической логики, по которым занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению. Отсюда следует, что любое генетическое сообщение, перенесенное на линейную цепь макромолекулы, кодирует не только её трёхмерную структурную организацию, с различными исполнительными органами и механизмами, но и все её стереохимические кодовые (информационные) сигналы. Можно констатировать, что линейный принцип кодирования и программирования используется живой клеткой ещё и как способ перевода одномерной формы молекулярной биологической информации в трёхмерную информацию и нативную конформацию биологических макромолекул. Поэтому важно обратить внимание на то обстоятельство, что все биохимические элементы в молекулярной цепи всегда представляют собой те программные элементы, из которых на первом этапе строится алгоритм структурного преобразования любой функциональной биомолекулы. К примеру, алгоритм конформационного преобразования белка задаётся в виде автоматного описания, заданного комбинационной последовательностью и составом кодирующих элементов (аминокислот) в “линейной” структуре полипептидной цепи. Здесь, как мы видим, – процесс стереохимического преобразования структуры и информации осуществляется аминокислотным кодом.

 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, и выполнять свои специфические функции.

  Линейный принцип кодирования в живой системе – это и есть тот начальный путь, который ведёт от молекулярной биологической информации к специфическим характеристикам живой формы материи [5].

  6. Аминокислотный код

  Итак, информация, записанная в форме линейных цепей нуклеиновых кислот, в процессе трансляции переводится в линейную информацию аминокислотных цепей белковых молекул, а ключом для перевода является словарь соответствия между этими двумя языками, который носит название генетического кода. Поэтому, можно сказать, что генетический код – это закон соответствия между иРНК (а, значит, и генами ДНК) и полипептидными цепями белковых молекул. При этом новая форма информации – белковая, записывается уже другим молекулярным кодом – аминокислотным. Генетическим кодом, как мы видим, кодируется только первичная – “линейная” структура полипептидной цепи белковой молекулы. Однако, конкретная конфигурация – вторичная, третичная и четвертичная структуры белка кодируется и программируется уже другим молекулярным кодом – аминокислотным. Это ведёт к представлению, что только аминокислотный код обеспечивает трёхмерную структурную организацию белка, а также все его специфические свойства и функции.

  Аминокислотный код является именно тем молекулярным биологическим кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем воплощение и реализация генетической информации. Обратим внимание на то, что основанием аминокислотного кода (m) являются двадцать аминокислот, различающихся между собой только боковыми атомными R-группами. Поэтому алфавит аминокислотного кода 20-ти буквенный, а вся информация в цепях белковых молекул записывается на 20-ти буквенном языке структуры белковых молекул. Длина кодовой комбинации (n) в аминокислотном коде непостоянна и порой (в живой системе) составляет десятки и сотни аминокислотных остатков. Поэтому этот код неравномерный. Число кодовых комбинаций (N), каждое из которых может передавать своё отдельное сообщение в аминокислотном коде практически неограничено.

  Живые системы обычно имеют свои специфические белковые молекулы. А это означает, что различные типовые 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.

  Аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую структуру и информацию белковых макромолекул. 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. Первичная структура любой полипептидной цепи, как правило, также представляет собой молекулярную кодовую посылку определенной генетической информации.

  7. Структура кодовой посылки при передаче информации в полипептидной цепи белка

  Во-первых, различные аминокислоты полипептидной цепи, в клеточной среде, организованны в виде отдельных комбинационных 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

 Поэтому, каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, по всей видимости, передаётся своим кодом (кодовыми комбинациями аминокислот).

  Очевидно, что 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 аминокислотных остатков.

  Следовательно, в кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены:

1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата);

2) “операционная” кодовая комбинация аминокислот – служит основой формирования кода операции активного центра, указывающего характер химической реакции;

3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул;

4) текстовая часть – кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с другими биомолекулами клетки (локальные или поверхностные рельефные микроматрицы )[8].

  Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, представляет собой, не что 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 наглядно разделяются по их характеристикам и функциональному назначению. А различное информационное содержание полипептидных цепей является основой построения множества различных по функциональному назначению белковых молекул. По такому принципу осуществляется пространственное кодирование белковых (как, впрочем, и других) молекул. Таким путём идёт формирование их информационных и функциональных молекулярных биологических средств. Аминокислотный код тоже является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он даёт представление о механизмах стереохимического кодирования белковых молекул. Этот код содержит набор правил перевода информации из одной её молекулярной формы (“линейной”) в другую (стереохимическую).

  Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых макромолекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. А сама молекулярная информация должна стать базовым понятием молекулярной биологии.

  8. О необходимости информационного направления в биологии

 Настоятельная необходимость информационного направления в биологии диктуется не только тем, что без знаний молекулярной информатики биологи вряд ли смогут объяснить природу живого состояния материи. Биохимические вместилища информации могут поразить воображение любого человека. Вот что пишет по этому поводу профессор Вернер Гитт, глава отделения обработки информации Федерального института физики и технологии (Германия):　“Самая высокая известная нам плотность информации наблюдается в молекулах ДНК, которые содержат в себе гены живых клеток. Эти биохимические вместилища информации имеют 2 нм в диаметре (10⁹ нм = 1 м) и закручены в спираль с шагом 3,4 нм. В результате объем такой спирали составляет 1,068x10^-20 см³. Каждая спираль содержит десять химических символов (нуклеотидов), чем достигается плотность информации 9,4х10²⁰ знаков на см³. Поскольку содержание информации в каждом из четырех разных нуклеотидов, составляющих ДНК - 2 бита, то статистическая плотность информации в ДНК - 1,88х10²¹ бит на см³.　　　　　Интересно сравнить эти величины с высочайшей плотностью информации в искуственных кремниевых микросхемах. “Современный” (1990г.) 1-Мбитовый DRAM (dynamic random-access memory) позволяет хранить 1.048576 бит информации на площади примерно 50 мм². В таком устройстве, толщиной примерно 0,5 мм, плотность хранения информации составляет 42000 бит/мм³, или 4,2х10⁷ бит на см³. Информационная емкость ДНК, носителя информации живых существ, в 4,5х10¹³ раз выше, чем у мегачипа! Я бы хотел проиллюстрировать эту разницу одним примером. Общая сумма информации, собранной во всех библиотеках мира, оценивается в 10¹⁸ бит. Если бы эта информация была записана в молекуле ДНК, для нее хватило бы одного процента объема булавочной головки. Если бы вся эта информация была бы записана с помощью мегачипов, то высота их, сложенных в стопку, была бы больше расстояния от Земли до Луны. Эффективность ДНК так высока потому, что ДНК - трехмерная молекула, а чип - двумерное хранилище информации. Кроме того, в чипе возможна лишь двухвариантная коммутация, что ведет к двоичному коду, а ДНК, с четырьмя различными нуклеотидами, имеет четверичный код, при котором одно состояние уже представляет два бита. Кроме того, даже самая продвинутая технология сверхвысокого уровня интеграции не дает нам возможности управлять чем-либо на уровне единичной молекулы. Как носитель информации, молекула ДНК эффективней кварцевых произведений человеческой высокой технологии в 45 миллионов миллионов раз”. [9].

  И, действительно, информационная щедрость живой природы поражает, особенно осенью, когда бесчисленное количество плодов и семян растительного мира рассеивается по всей земной округе, и в каждом из них заключены несметные ресурсы наследственной информации. Наука показывает, что только благодаря наследственной молекулярной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже более 3,5 миллиардов лет. Однако, основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению и распространению растительного и животного мира, а также становлению самого человека, – современной науке до настоящего времени практически неведом. Между тем, это и есть то неохватное “целинное поле”, которое самой живой природой предназначено для развития нового в науке направления – “Молекулярной биологической информатики”. Информационный космос биологических макромолекул открыт для науки и энтузиастов-исследователей живой природы! Если 20 век был веком технической информатики, то 21 век непременно должен стать веком информатики биологической!

  Литература.

10 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.

20 Ю. Я. Калашников. Жизнь – это бесценный дар материального и виртуального мира. Дата публикации: 24 января 2008г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new- idea.kulichki.com/, дата публикации: 09.01.2008г.

30 Ю. Я. Калашников. Кодирование и программирование биологических молекул. Дата публикации: 01.01.2007г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

40 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.

50 Ю.Я.Калашников. “Молекулярная информатика – новый уровень познания живой материи”. Дата публикации: 22. 12. 2008г., источник: SciTecLibrary.ru

60 “Информация как движущая сила биологической эволюции”, http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/9978.html

70 Генетика и наследственность. Сборник статей. Введение. Перевод с французского – М: Мир, 1987.

80 Ю.Я.Калашников. “Генетическая информация как универсальная нефизическая сила, определяющая биологическую форму движения материи”. Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, философия.

90 Вернер Гитт. “Информация: третья фундаментальная величина”. Интернет.

Дата публикации: 5 июля 2010
Источник: SciTecLibrary.ru

Размещено на сайте 27.06.2015Б

Статьи других авторов

На главную