ИДЕИ И ГИПОТЕЗЫ ИНФОРМАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ НА МОЛЕКУЛЯРНОМ УРОВНЕ ЖИВЫХ КЛЕТОК

Базовой основой организации биологической формы материи является генетическая информация, био-логический (биохимический) алфавит и те закономерности молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, которыми пользуется живая природа при кодировании, передаче, преобразовании и использовании наследственной информации. Автор в этой статье предлагает конкретные идеи, гипотезы и концепции, которые, с его точки зрения, в наибольшей степени определяют информационную сущность биологической формы движения материи, а значит, и природу, и принципы её организации. Возможно, что это и есть тот подход, который заинтересует биологов, ищущих пути к изучению систем обработки и реализации наследственной информации в живых системах.

1. Об информационном дуализме и виртуальности (нематериальности) молекулярной кодированной информации

2. Кодированная информация как главный атрибут и всеобщее свойство живой материи

3. Только информация представляет в живой системе тот феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи (самоуправление, саморегулирование, развитие, самовоспроизведение, селективный отбор и т. д.)

4. История открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения

5. Конечная цель биохимии, которая заключается в познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биохимиков непосильной. Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего времени, не принёс ожидаемых результатов!

6. Молекулярный алфавит дискретных химических букв и символов (био-логических элементов) для кодирования молекулярной информации 6.1. Функции молекулярных био-логических элементов 6.2.Физико-химические принципы представления молекулярной информации 6. 3. Правила применения био-логических элементов 6. 4. Химические буквы, символы и знаки 6. 5. Молекулярный алфавит живой материи

7. Линейный принцип кодирования в молекулярных системах применяется не только для передачи генетической информации, но и для программирования трёхмерной структурной организации биологических макромолекул

8. Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических макромолекул

9. Два информационных уровня организации биологических макромолекул

10. Молекулярные биологические коды и системы кодирования информации 10.1. Генетический код 10.2. Аминокислотный код 10.3. Структура кодовой посылки при передаче информации в полипептидной цепи белка 10. 4. Стереохимический код 10.5. Простые молекулярные коды

11. Матричный, комплементарный (контактный) принцип информационных взаимодействий

12. Генетическая память, молекулярные биопроцессорыи их выходное управляющее звено 12. 1. Генетическая память и принципы программного управления 12. 2. Молекулярные биопроцессорные системы 12. 3. Белки и ферменты – выходное звено управления биопроцессорных систем 12. 4. Молекулярная информация и молекулярная биологическая информатика

1. Об информационном дуализме и виртуальности (нематериальности) молекулярной кодированной информации

Для начала разговора об информационном управлении живой материей приведем цитату из статьи лауреата Нобелевской премии А. Львова, написанной в 80-х годах прошлого века, которая, видимо, отражает и современный взгляд биологов на молекулярную генетику – “науку о наследственности”, он пишет: “Все знают, что генетический материал, геном, то есть совокупность генов, программирует структуру и функцию каждой клетки, развитие каждого организма и управляет ими. Кроме того, при посредстве генов осуществляется эволюция, которой мы обязаны самим существованием рода человеческого. Ген – в высшей степени интересная структура. Образованный двумя комплементарными нитями, каждая из которых берет на себя формирование, то есть синтез, другой нити, ген является и, вероятно, останется единственной “молекулой”, способной “размножаться делением”, то есть воспроизводить себя” [1].

Не, хотелось бы, разочаровывать биологов, но согласно информационным представлениям, любой ген (или геном) как материальный субстрат, сам по себе не может программировать, ни структуру, ни функции живой клетки (организма). Их может программировать только та наследственная информации, которая закодирована на этом носителе. Так получается потому, что ДНК, как и другие компоненты живого, по своей сути, представляют собой не только материальную основу живого, но они же, являются еще и носителями нематериальной сущности живого мира, а именно – кодированной молекулярной информации.

Поэтому считается, что живая материя представляет собой как бы две неотделимые компоненты (вещество и информацию, если не считать третьей – энергетической), образующие с ней одно целое. Отсюда следует и теоретическое представление о молекулярной биологической информации как дуальной компоненте живой материи. Вследствие этого, любая структура или процесс, протекающий в живой системе, всегда должны рассматриваться с двух точек зрения, – с материальной и информационной, то есть, дуально.

Давно уже пора относиться к молекулярной (наследственной) информации как к самостоятельной дуальной и универсальной нефизической силе, которая является не только главным атрибутом, но и всеобщим свойством биологической формы движения материи. Пора уже признать, что живая материя существует благодаря информационному дуализму и функциональному триединству (триаде) её составляющих – вещества, энергии и информации [11].

Концепции дуализма и принцип триады могут разрешить многовековую проблему живого, так как материальные и нематериальные компоненты существуют в живой материи одновременно, более того они не могут существовать друг без друга. Поэтому “вопрос о приоритете материальной или нематериальной (информационной) сущности живого – это некорректно поставленный вопрос, следствие недопонимания существа живой материи” [2].

“Со времен великих греческих философов – Платона, который считался основоположником объективного идеализма и Демокрита – основателя материализма в европейской философии, в истории человеческой мысли прочно укрепилось два противоположных направления – материализм и идеализм. Материалисты утверждают примат материи над “идеями”, идеалисты утверждают обратное. Сами великие основатели двух философских направлений, хотя и жили в одно и то же время, никогда не пытались опровергнуть друг друга, не опускаясь даже до взаимного отрицания. Более того, Платон в своей “Пармениде” развил диалектику “одного” и “иного” [2]. И кто знает, возможно, Платон интуитивно чувствовал, что “одно” и “иное” существуют одновременно, и что “одно”, не может существовать без “иного”.

К примеру, наследственная информация в живой системе определяет биоорганическую структуру и химическую энергию вещества, а биоорганическое вещество является материальным носителем как энергии, так и информации. Поэтому любой процесс, протекающий в живом мире – физический, химический, биологический, социальный, должен всегда рассматриваться дуально, то есть не только с материальной, но и с информационной точки зрения.

Этот момент почему-то смущает некоторых читателей, особенно тех “материалистов” которые считают свои догмы превыше фактических данных. Между тем, о наличии наследственной информации наслышан практически любой человек. При этом известно, что каждый триплет ДНК, является кодовым био-логическим знаком обозначаемого объекта (в частности, соответствующей аминокислоты), а сам обозначающий объект (триплет нуклеотидов) приобретает двойственное (дуальное) значение, то есть он выполняет (играет) двойную роль, так как одновременно является и материальным компонентом и носителем нематериальной (виртуальной) сущности – кодированной информации.

“При этом “похожесть” обозначаемых и обозначающих объектов, вообще говоря, не прослеживается. Поэтому в рамках действующих физических, химических и логических законов можно закодировать все, что угодно, и всем, чем угодно. В силу этих обстоятельств обозначающий объект всегда реально существует и является сугубо материальным. Однако, очевидно, что кодовый знак не есть сам обозначаемый объект. Сам обозначаемый объект, может являться и реальным, и материальным, существующим параллельно, а может им и не являться. По этой причине сам кодовый знак этого изначального объекта, вполне может быть отнесен к “виртуальному” явлению.

Следовательно, материальный “мир кодовых знаков” уже сам по себе является “виртуальным миром” по отношению к реальным обозначаемым объектам” [3]. Все эти соображения, и главное, нематериальность самой информации, позволяет отнести молекулярную (кодированную) информацию к категории нематериальных, то есть виртуальных явлений живого мира. Виртуальный – синоним слова воображаемый или возможный, то есть реально не существующий, но допускающий формальное рассмотрение как “якобы существующий”.

Так как же тогда узнать, закодирована ли информация на материальном носителе, или нет? “Анализ физических и химических свойств носителя здесь оказывается несостоятельным, так как не позволяет однозначно установить – несет ли такой носитель дополнительную нагрузку, содержит ли он, кроме своих физико-химических свойств, еще и кодированную информацию об обозначаемом объекте. Для ответа на такой вопрос необходимо знать язык кодирования либо иметь, хотя бы какие-то сведения об этом языке. В противном случае мы не сможем отличить материальный носитель, содержащий кодированную информацию, от природного образования, сложившегося естественным физико-химическим путем (3).

Однако существует общая возможность “диагностики” наличия кодированной информации на конкретном носителе. Он заключается в том, что в природе обязательно имеются: во-первых, некая система, которая нанесла на носитель код, то есть произвела кодирование; во-вторых, некая система (возможно, та же самая), способная воспринимать свойства этого носителя как код, способная правильно интерпретировать содержащуюся на носителе закодированную информацию” [3]. Опираясь на современные знания, можно утверждать, что каждая из таких систем является функциональным устройством логических (или био-логических) элементов или цепью логических (или био-логических) элементов.

“Всякий логический элемент включает в себя две части: материальную и логическую.Материальная часть построена из материальных “кирпичиков”, физическая природа которых может быть любой. Простейший логический элемент производит, по крайней мере, одну элементарную логическую операцию над кодированной информацией, записанной на определенный материальный носитель на определенном языке кодирования. Логический (био-логический) элемент, как и кодированная информация, имеет двойственную (дуальную) природу. С одной стороны, являясь субстанцией материального мира, он полностью подчиняется всем физическим и химическим законам. С другой же стороны, идущие логические (или био-логические) процессы подчиняются законам логики” [3] или, в случае живой материи, – закономерностям молекулярной био-химической логики. Из простейших логических элементов строятся логические схемы практически любой сложности и конфигурации, а из био-логических (биохимических) элементов живой материи могут быть построены любые биологические структуры и реализованы любые биохимические функции и операции.

Логические (или био-логические) законы – это существующие в природе и независимые от человека законы. Все что происходило и происходит в живой природе, есть результат проявления информационного дуализма, триединства вещества, энергии и информации и информационного взаимодействия, при котором живая материя использует универсальный язык живого – кодированную молекулярную информацию.

Бесспорно, что самое сложное в существующей проблеме информационного дуализма – это психологическое отношение к вопросам познания биологической формы движения материи. Во-первых, оно требует признания нематериальной (информационной) сущности живого, которая действительно управляет и регулирует всеми процессами живой природы, в том числе и процессами эволюционного развития. “При этом следует понимать, что дуализм отличается от двухстороннего рассмотрения явлений или процессов. При двухстороннем рассмотрении обе стороны рассматриваются независимо одна от другой, в то же время дуальный подход предусматривает и раздельное рассмотрение, и изучение их совместного проявления” [2].

Вещество и информация, слишком разные сущности, чтобы не видеть их присутствия в живой материи. Удивительно только, почему информационный дуализм, столь ярко проявляющийся в живой материи, до сегодняшнего дня не применяется биологами в качестве инструмента для изучения живой природы и принципов её организации?

Во-вторых, с точки же зрения автора статьи, при изучении всех явлений и процессов жизни, их следует рассматривать комплексно, учитывая и информационный дуализм, и всю триаду составляющих живой материи – вещество (материю), энергию и информацию в их структурном и функциональном триединстве (слиянии). Поэтому мировоззренческие основы биологии должны соответствовать не только критериям информационного дуализма живой природы, но и основному закону существования живой материи – триединству (триаде) вещества, энергии и информации в их совместном функциональном проявлении (слиянии).

Очевидно, что концепция “дуализма” и принцип “триады” требуют существенного уточнения современных биологических знаний и пересмотра культа физико-химического направления в изучении живой материи. Только при таком подходе биологи могут быстрее ликвидировать те познавательные пробелы в исследовании живой материи, которые возникли в последние десятилетия.

2. Кодированная информация как главный атрибут и всеобщее свойство живой материи

Кодированная информация наряду с материей и энергией является не только основной фундаментальной сущностью нашего мира, но и одним из главных самовоспроизводящихся его ресурсов. Отметим, что по своему положению и природному статусу она является самой таинственной из этих трёх слагаемых. Информацию следует считать особым видом ресурса. При этом имеется в виду трактовка “ресурса” как запаса необходимых знаний и сведений о материальных предметах или энергетических, структурных или каких-либо других характеристик объектов, процессов или явлений.

С кодированной информацией человек встречается на каждом шагу: в информационных технологиях, системах связи, в компьютерных технологиях, системах управления, в информационных системах живых клеток и т. д. 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.

“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 носителями и средствами, тем не менее, всегда выступает в виде автономного виртуального спутника своего носителя, то есть самостоятельного нематериального (абстрактного, умозрительного, дуального) природного явления!

Поэтому кодированная информация является нематериальной (виртуальной) сущностью. Вспомним 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”.

Между тем, анализ закономерностей кодированной информации приводит к твердому убеждению в том, что в основе всех явлений жизни лежит информация как универсальная нефизическая сила, определяющая не только все функциональные и биохимические процессы живого, но и обеспечивающая ведущие силы биологической эволюции живых систем!

В общем плане можно сказать, что причины функционирования живой материи кроются в специфических особенностях и характеристиках её составляющих:

1) биоорганического вещества, которое одновременно используется и в качестве материальной основы живого, и в качестве носителя молекулярной информации и энергии, в связи с чем, органическое вещество служит не только для построения биологических макромолекул и структур, но и для записи, хранения, переноса и реализации молекулярной информации (структурных и функциональных программ живого);

2) в ресурсах наследственной информации, а, следовательно, в закономерностях молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, применяемой живой природой в качестве инструмента для формирования живых систем, их функционального поведения и эволюции в течение более чем 3,5 миллиардов лет;

3) в потенциальной и свободной химической энергии биологических молекул; в запасенной химической энергии в виде АТФ, которая служит в живой системе в качестве аккумулятора энергии.

Ключевая роль биоорганического вещества в организации живой материи никем не оспаривалась и никогда не подвергалась сомнению, она всегда считалась естественной и очевидной. Биоорганическое вещество как основа жизни, уже давно изучается разными биологическими науками.

И ведь, действительно, мы сейчас знаем, что наследственная информация в клетке имеет дискретную химическую форму записи, поэтому она заключена в компонентах биологических макромолекул и структур живой клетки. А процесс образования энергии также представляется как синтез ещё одного вещества – АТФ. Видимо поэтому потребности живой системы (организма) всегда рассматривались как потребности исключительно в веществах. А биоорганическому веществу в построении живого всегда отводилось главное место, поэтому физико-химический подход в исследовании живой материи всегда считался единственно верным.

Особенно поражает в живых системах то, что кодированная (наследственная) 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 внешней среды для существования и позволяет их программа развития.

Удивительно, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь материальными оболочками, – биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций! [4]

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. Сейчас исследователи активно разыскивают причины появления жизни на Земле, а она лежит на поверхности. И причина эта – кодированная информация. Только она, внедрившись в интимную структуру материи, смогла стать фактором информационного оплодотворения живой материи на нашей планете!

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, преобразовываться, самообновляться, распространяться, восприниматься, воспроизводиться, декодироваться и т. д. Ясно, что такими способностями сами по себе не обладают ни вещество и ни энергия.

3. Только информация представляет в живой системе тот феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи

Поэтому, важно констатировать, что процессы размножения никогда не являлись свойством материи (или вещества ДНК) или энергии, они всегда относились только к специфическим свойствам и особенностям самой кодированной информации, вследствие чего, процесс размножения является составной частью информационных процессов в живых системах.

Как это происходит? В процессе размножения, то есть в процессе “самовоспроизведения”, увеличивается число задействованных кодовых био-логических элементов ДНК (обозначающих триплетов), в связи с этим увеличивается и “количество” материального носителя, то есть происходит приумножение обозначающих объектов при неизменном количестве обозначаемых объектов. К примеру, согласно гипотезе Уотсона – Крика, каждая из цепей двойной спирали ДНК служит матрицей для репликации комплементарных дочерних цепей. При этом образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской ДНК, причем каждая их этих молекул содержит одну неизменную цепь родительской ДНК. Здесь наглядно видно, что благодаря информации родительской ДНК, происходит приумножение информации на дочерних молекулах ДНК с одновременным приумножением вещества – новых дочерних молекул ДНК, выступающих в качестве носителя скопированной, то есть размноженной информации. Причем, сами множительные действия являются составной частью информационных процессов живой клетки. По такой схеме происходит приумножение, как самой информации, так и вещества – её носителя.

“Поэтому, как правило, множительные действия являются составной частью процесса приумножения информации. Тем не менее, при определенных обстоятельствах выделение процесса размножения в отдельную операцию не только целесообразно, но и настоятельно необходимо. А сам процесс размножения выполняется путем копирования информации при обязательном наличии экземпляра, “работающего” как оригинал” [3]. Вспомним, например, аналогичные процессы транскрипции или трансляции генетической информации. То есть процесс размножения это чисто информационный процесс, а приумножение вещества-носителя информации является результатом (следствием) или продуктом этого процесса. В силу этих обстоятельств движение живой (биологической) формы материи может осуществляться только под руководством генетической информации.

Следовательно, ДНК, “по человеческим понятиям”, – это не информация, а дезоксирибонуклеиновая кислота, которая в живой природе применяется в качестве носителя наследственной информации. А вот от того, какая наследственная информация закодирована на этом носителе будет зависеть, какой организм будет развиваться на основе этой информации. К примеру, ответ на вопрос, кто вылупится из яйца – цыпленок или змея, страус или крокодил (?) определяет не ДНК, а обуславливает только та молекулярная наследственная информация, которая закодирована в её материальных структурах.

Поэтому самым наглядным примером могущества информационного дуализма, является точное копирование (размножение) генетической информации и передача её от поколения к поколению, следствием которой является процесс репликации – то есть процесс приумножения нуклеиновых кислот как новых носителей информации. Сейчас же этот процесс трактуется биологами довольно просто, как “самовоспроизведение макромолекул нуклеиновых кислот”. Между тем, объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных закономерностей, которые присущи всем живым системам. Но беда в том, что биологи до сегодняшнего дня не могут разобраться с информационными закономерностями живого, несмотря на то, что в нашу жизнь повсеместно ворвался век технической информатики.

Ясно, что процесс размножения (самовоспроизведения) присущ и практически возможен только для кодированной информации, но не для материи (вещества) или энергии. Только благодаря тому, что кодированная информация является составной частью (триады) живой материи, биологическая форма материи приобретает свойства “самоуправления, саморегулирования и самовоспроизведения”. “Общая теория информации утверждает, что смысловым критерием развития живой природы является создание все новых и новых устойчивых, упорядоченных материальных форм, а инструментом этого созидательного процесса является информационный дуализм” [2].

Только информационные ресурсы и закономерности позволяют веществу, энергии и информации в живой системе циркулировать, обновляться, воспроизводиться и создавать новые биологические реальности. Вполне очевидно, что основной причиной движущих сил эволюции, порождающих необузданную генерацию живого, и ошеломляющее разнообразие жизни являются, – ресурсы наследственной кодированной информации [4]!

Кодированная информация, сохраняемая в любой записи, может считываться и передаваться на расстояние, записываться и вновь воспроизводиться без потерь, то есть формы её существования могут переходить одна в другую многократно. Информация, записанная любым способом на носителе, с течением времени может разрушаться под действием коррозии носителя и других физико-химических факторов. Потери информации также могут происходить при её передаче под действием помех и т. д. Информация сохраняет свое значение в неизменном виде, пока остается в неизменном виде носитель информации – память. Однако в природе нет памяти с бесконечным временем существования, поэтому срок “жизни” носителя (памяти), как правило, и определяет время существование информации.

Между тем, кодированная информация, благодаря уникальным способностям к смене своего носителя (например, генетическая), приобретает воистину удивительные способности – “вечности своего существования”! Поэтому можно сказать, что информация, хотя и зависит от многих факторов, однако она способна существовать неограниченно долго, что явно свидетельствует о том, что информация не зависит от времени своего существования. Это еще одно важное подтверждение того, что информация как сущность – нематериальна.

Не удержусь от соблазна заметить, что в уникальной способности информации к вечному существованию заложена и потенциальная вероятность продления жизни любого живого существа, в том числе и человека.

Отметим еще одно из замечательных закономерностей кодированной информации. А именно: информационным ресурсам всегда характерно постоянное движение, воспроизводство и обновление. Поэтому процессы размножения живых систем непосредственно связаны с удивительной способностью ресурсов наследственной информации к процессам самообновления, самовоспроизведения, развития и размножения. Очень важно, что только эти процессы обуславливают способность живых существ к продолжению рода в дочерних системах (в новых поколениях), путем применения новых материальных носителей для информации.

Очевидно, что удивительные свойства обновления и размножения присущи только информации, но не материи (веществу) или энергии. Поскольку движение, обновление, отбор и воспроизводство информации в живой системе всегда нуждается в новых вещественных носителях, то это, естественно, приводит к движению и воспроизводству вещества, тем самым определяя движение и воспроизводство самой живой материи. Таким образом, получается, что вещество, как носитель информации и энергии в любой живой системе полностью “закрепощено” информацией и всецело подчинено информационным процессам!

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, отбора и размножения (самообновления и самовоспроизведения) информации представляют в живой системе тот феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи.

К слову сказать, 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 эволюции живой материи. Ясно, 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 кодированная информация [4].

И ведь, действительно, не секрет, что на основе клеточной организации и управленческой деятельности, наследственная информация в процессе эволюции формирует и совершенствует все новые и новые биологические объекты, которые вызывают новые циклы захвата и ввода в этот информационный круговорот все новых и новых порций вещества, энергии и информации. Эти процессы являются первопричиной роста, совершенствования, воспроизводства и развития не только отдельных организмов, но и эволюции биосферы в целом.

Нисколько не преувеличивая, со всей ответственностью можно сказать, что кодированная молекулярная информация является не только главным атрибутом, но и всеобщим свойством живого, определяющим в нашем мире движение биологической формы материи. Однако этот факт, к сожалению, до сих пор еще не нашел отражения в молекулярных биологических науках!

Между тем, нематериальность (виртуальность) кодированной информации показывает, что нельзя в настоящее время трактовать жизнь, как чисто материальное явление. Объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных (нематериальных) процессов, которые присущи всем живым системам.

Очевидно, что в силу появления нового фактического материала, в настоящее время, 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 [4].

Кроме того, сама живая природа видится логическим развитием неживой природы через применение кодированной информации. Можно констатировать, что жизнь на Земле – это следствие “информационного оплодотворениякосной материи”. Таким образом, только кодированная молекулярная информация явилась не только основным фактором “зачатия” биологической жизни на Земле, но и причиной её движения, функционирования, самовоспроизведения и бурного развития. Ясно, что все эти процессы не могли бы иметь место без информационной составляющей живого.

Поэтому, без преувеличения можно сказать, что химический способ представления кодированной 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 – информационной и биологической.

4. История открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения

Самую удивительную неоконченную историю науки биологи связывают с открытием, сделанным Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г., - построением модели ДНК (двойной спирали). Всем стало ясно, что ДНК, – это и есть та, самая главная биомолекула, которая хранит все тайны жизни. “Сенсацией явилось открытие того, что наследственность заключена в линейном сообщении, представляющим собой последовательность четырёх оснований, – последовательность, обеспечивающую практически бесконечное число комбинаций. Возникло понятие кода, потом кодона. Кодон – последовательность, состоящая из трёх оснований. Был расшифрован код, отражающий связь между триплетом оснований и аминокислотой. Последовательность аминокислот в белке, его первичная структура, определяется порядком расположения кодонов. Более того, оказалось, что некоторые кодоны соответствуют не аминокислотам, а “знакам препинания”: они обозначаютместо начала или окончания последовательности оснований, соответствующей определённому белку.

Между тем ДНК не формирует непосредственно белок, а направляет синтез комплементарной ей иРНК, которая служит посредником; эта РНК прикрепляется к рибосоме. К иРНК присоединяются “активированные” аминокислоты. Чтобы соединиться в полипептидную цепь, каждую аминокислоту переносит специфическая, так называемая транспортная РНК” [1]. Таким образом, были открыты и исследованы некоторые фрагменты переноса и преобразования генетической информации.

Исключительным сюрпризом для биологов явилось то, что генетическая информация закодирована, а продуктом её расшифровки через посредство информационной РНК является белок. Чрезвычайно важной оказалась и концепция генетического кода, так как именно из неё вытекает представление о целостной системе передачи информации в живых клетках и организмах. Поэтому все последующие годы исследователей занимал вопрос использования информации в живых системах.

К сожалению, история открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения. Об этом ясно говорит центральная догма молекулярной биологии: “наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотные последовательности белков. Белковые молекулы представляют своего рода “ловушку” в потоке генетической информации” [5].

Таким образом, сложилось представление, что в дальнейших биохимических процессах информация не участвует. Поэтому до сегодняшнего дня остаётся живучим тезис о том, что: “гены контролируют клеточный метаболизм за счет содержащейся в них информации о структуре ферментов и других клеточных белков, а ферменты выступают в роли биокатализаторов, управляющих всеми процессами в живых организмах” [6].

Однако эти туманные рассуждения не раскрывают ни сущности, ни механизмов биологических явлений. Потому, что строгое упорядочение и управление процессами при высокой избирательности и производительности не может быть обеспечено химическими катализаторами, какими бы замечательными и уникальными свойствами они не обладали. Забегая вперед, можно сказать, что избирательное управление клеточными процессами может быть обеспечено лишь молекулярными биологическими автоматами с программной биохимической логикой управления, которыми на самом деле и являются – ферменты и другие клеточные белки!

Как мы видим, изучение прохождения информации в живых клетках почему-то остановилось на этапе синтеза белковых макромолекул. В связи с этим, хотя и были исследованы отдельные фрагменты, но не была открыта общая картина прохождения и реализации генетической информации.

Молекулярные науки до сих пор не могут ответить на вопрос – как, и каким образом, генетическая информация осуществляет управление сложными биохимическими процессами обмена веществ и получения энергии? Как осуществляется информационное управление живой клеткой? Все эти вопросы уже давно попали в список таинственных “мировых загадок” и неразрешимых проблем современного естествознания.

К сожалению, несмотря на усилия естественных наук, в настоящее время существует полный пробел в знаниях о главном: о взаимосвязи между информацией, структурой и функцией в различных биологических процессах. Можно сказать, что конечная цель биохимии, которая заключается в познании тайны жизни во всех её конкретных проявлениях, оказалась для биохимиков непосильной! Культ физико-химической науки в биологии, существующий до настоящего дня, не принёс ожидаемых результатов!

Очевидно, что законы физики и химии, действующие в любой живой системе, не отменяются. Однако, как оказалось, их необходимо дополнить новыми биологическими знаниями, – информационного дуализма, функционального триединства (вещества, энергии и информации), а также, закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики!

Уже давно известно, что клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал надёжную и универсальную молекулярно-генетическую систему управления. Эта система оснащена наследственной памятью, которая в большинстве случаев имеет феноменальные информационные возможности. Всё это говорит о том, что живые системы уже давно пользуются своими, сугубо специфическими закономерностями молекулярной биохимической логики и информатики и своими молекулярно-биологическими информационными технологиями. То есть, в основе всех биохимических и био-логических процессов лежат процессы информационные. Большой неожиданностью для нас оказалось и то, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет! Диктат генетической информационной субстанции подчинил движение потоков вещества и энергии своей воле, а направленность эволюционных процессов оказалась изначально подчинена информации.

Именно эти технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и ошеломляющего разнообразия жизни. Очевидно, что это и есть тот необъятный массив информационных молекулярно-биологических систем и технологий, который явился причиной движущих сил, порождающих необузданную генерацию жизни. Поэтому, главнейшей сущностью всего живого на Земле стала информация и информационные взаимодействия.

А информационная составляющая, кроме своего прямого назначения, стала ещё и интегративным фактором, объединяющим в одно функциональное целое различные характеристики живой формы материи. Но как, ни странно, этот могучий пласт пока неведомых нам природных информационных молекулярно-биологических технологий до сих пор не поддаётся изучению [7].

Наше поколение с конца 20 века переживает большой информационно-технологический бум во всех сферах и областях человеческой деятельности. Однако, как мы теперь узнаём, весь этот бум оказался всего лишь малой верхушкой того великого “айсберга” технологий, который лежит в фундаменте нашего мироздания. Приходится признать, что первый уровень развития живых информационных систем был реализован на молекулярной основе. А основной массив генетических и информационных молекулярно-биологических технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению растительного и животного мира и становлению самого человека, – современной науке до настоящего времени практически неведом [7]. А естественные науки до сегодняшнего дня так и не смогли ясно и четко ответить на вопрос – как, и каким образом, генетическая информация участвует в управлении сложными химическими процессами, молекулярными и другими биологическими функциями живой клетки? Поэтому в современной науке о живой материи полностью отсутствует информационная концепция её самоуправления.

Создается впечатление, что открытие генетического кода, так же как и матричный синтез белков, ещё не побудили биологов к тщательному исследованию информационных путей управления химическими превращениями и биологическими функциями.

Однако уже давно стало очевидным, что живые системы не могут ни существовать, ни развиваться только на физико-химической основе. Между тем, полученные научные сведения уже сейчас позволяют сделать соответствующие обобщения, собрать известные и разыскиваемые фрагменты воедино и ближе подойти к решению многих информационных молекулярно-биологических проблем. Эти задачи решаемы по ряду причин.

Во-первых, мы давно знаем, что, жизнь на нашей планете существует, поддерживается и развивается благодаря использованию наследственной информации. Этот факт, естественно, предполагает наличие в любой живой клетке целостной системы управления и передачи генетической информации. А информационный дуализм и интегративный характер молекулярной информации указывает на то, что лишь она имеет право претендовать на ту особую роль в живой системе, которая раньше приписывалась “таинственной жизненной силе”.

Во-вторых, только информационная система самоуправления способна поддерживать жизнедеятельность живой клетки, управлять и регулировать её обмен веществ. Лишь только управляющие информационные потоки и сети способны превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр по переработке генетической информации, а следовательно, – органического вещества и химической энергии. Поэтому нам остается понять и разобраться: на каких принципах, правилах и механизмах основана работа информационной молекулярно-биологической системы управления?

К примеру, считается, что роль вещества в составе клеток и организмов давно уже досконально изучена естественными науками и отражена в различных учебниках по биохимии, биофизике, молекулярной биологии и т. д. Однако это далеко не так. Беру на себя смелость возразить и напомнить о том, что биоорганическое вещество является не только материальной сущностью живых систем. Следовательно, назначение клеточного вещества не исчерпывается уже изученными биохимическими процессами! Потому что, в живой клетке (как и в целостном организме), макромолекулы, в первую очередь, являются носителями химической энергии и молекулярной биологической информации. Кроме физических и химических законов они подчиняются еще и особым принципам и правилам, которые автор статьи назвал закономерностями молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики!

К сожалению, эта вторая и “таинственная” сторона биоорганического вещества – информационная (по важности не уступающая первой – вещественной), естественными науками оказалась незамеченной и поэтому практически неизученной. Данная статья является попыткой автора обратить внимание исследователей на все эти пробелы и, в меру своих сил и возможностей, рассмотреть и предложить предполагаемые пути их ликвидации.

6. Молекулярный алфавит дискретных химических букв и символов (био-логических элементов) для кодирования молекулярной информации

Известно, что построение и функционирование сложных информационных систем базируется на применении типовых унифицированных узлов и элементов. К примеру, все информационные процессы в цифровой технике основаны на использовании типовых логических элементов, выполняющих элементарные логические функции и простейшие действия по преобразованию двоичной информации. Логические элементы служат как для построения электронных схем, так и для переработки двоичной информации. А теоретической основой при анализе переключательных схем являются законы и принципы алгебры логики. В алгебре логики рассматриваются переменные, которые могут принимать только два значения: 1 и 0. В основу типовых структур логических интегральных схем, как правило, закладывают элементы, выполняющие операции – И, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, которые реализуют простейшие логические функции и операции двоичной арифметики. Базовые элементы являются своего рода строительно-функциональными единицами и используются как при проектировании, так и при построении цифровых информационных систем. Они реализуют функционально полный набор логических операций, поэтому при их применении можно получить логическую функцию любой сложности. При этом каждая типовая логическая схема элемента выполнена на основе отдельных дискретных физических компонентов – транзисторов, резисторов, конденсаторов и диодов.

Удивительно, но и при рассмотрении живых молекулярных систем наблюдаются такие же закономерности. Живые молекулярные системы тоже имеют свою унифицированную био-логическую (биохимическую) элементную баз! Поэтому и здесь возможен обобщенный подход, основанный на применении простых органических молекул (мономеров), которые играют роль составных элементов различных биологических макромолекул и структур. А “теоретической и технологической” основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, по соответствующей аналогии, можно отнести к закономерностям “молекулярной биохимической логики” и “молекулярной информатики”.

Биохимическая логика предусматривает и такое понятие как “молекулярный био-логический элемент”. Этот факт лишний раз напоминает нам о том, что любая живая клетка является информационной системой! Поэтому, чтобы понять закономерности её функционирования, – в первую очередь следует разобраться с элементной базой живой материи и принципами и правилами её применения.

Известно, что все живые организмы состоят из одних и тех же молекулярных строительных блоков – стандартного набора более чем трёх десятков типовых биохимических (био-логических) элементов: нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других типовых мономеров. Число этих мономеров невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Причем, каждый такой элемент в отдельности также представляет собой простейшую схему, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов – водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. А наличие тех или иных типовых функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы.

Таким образом, живые системы при построении различных биологических макромолекул и структур применяют свои особые, сугубо специфические мономеры – “молекулярные био-логические элементы”. Эти элементы (в составе живой материи) реализуют функционально полный набор элементарных биохимических функций и операций, поэтому при их использовании живая природа может получить био-логическую функцию любой сложности. При этом, естественно, наблюдается как аналогия, так и существенные различия между технической и биологической элементными базами и технологиями их применения.

К примеру, микросхемы технических устройств могут состоять из сотен, тысяч и более логических элементов нескольких типов, соединенных между собой соответствующим образом. Биологические макромолекулы также могут состоять из сотен, тысяч и более био-логических (биохимических) элементов нескольких типов, которые ковалентно соединяются между собой и размещаются в цепях биомолекул в виде линейной позиционной последовательности. Разница также состоит в том, что живые системы используют свои принципы и методы кодирования, передачи и реализации информации и отличаются от технических систем не только субстратным носителем, но и методами представления кодированной информации.

Более того, если логический элемент в цифровой технике является простейшим преобразователем двоичной информации, то каждый био-логический элемент в живой системе сам играет роль элементарной структурной и натуральной информационно-функциональной единицы. В технической и биологической системах информационные сообщения осуществляются в различных формах. В технических устройствах используются элементарные сигналы 1 и 0 двоичного кода. То есть для передачи информационных сообщений применяется всего лишь два цифровых символа. Обычно символу 1 соответствует потенциал высокого уровня, символу 0 – низкого.

Двоичные коды получили широкое применение главным образом из-за сравнительно простой аппаратурной реализации логических операций и арифметических действий, а также устройств для передачи и запоминания сообщений. Здесь каждый логический элемент служит для простейших преобразований двоичной информации, то есть для преобразования двоичных символов. Таким образом, в технических устройствах применяется аппаратный способ преобразования информации.

Однако в биологических системах, – наряду с аппаратным способом преобразования информации, применяется также и информационный способ построения и преобразования самой аппаратной части. Это – уникальная особенность информационных процессов в живых молекулярных системах. Причем, единицей информации служит сам биохимический элемент, который и является буквой или символом информации. Поэтому при помощи генетической информации и химических букв и символов (био-логических элементов) строится аппаратная система клетки и, одновременно, в её структуры записывается программная информация. Отметим, что на первом этапе информационные сообщения передаются фиксированной позиционной последовательностью расположения букв или символов в “линейных” цепях биологических макромолекул.

Следовательно, если в технической системе применяется только аппаратный способ преобразование информации, то в молекулярно-биологической системе, – с помощью генетической информации и элементной базы сначала идёт построение и преобразование различных биомолекул и структур, и только потом эти средства могут участвовать в различных информационных процессах. В связи с этим, аппаратная часть клетки становится носителем и реализатором соответствующей программной и молекулярной (структурной) биологической информации. Получается так, что если в технической системе аппарат является преобразователем информационных символов, то в живой клетке наоборот, – молекулярные буквы и символы, организованные в различные молекулярные последовательности информационных сообщений, сами выступают в роли преобразователей аппаратной части.

Причем, функции биологических макромолекул полностью определяются элементарными функциями составляющих их био-логических элементов (букв или символов), – то есть информацией. А каждый элемент в составе биомолекулы всегда взаимодействует с другими био-логическими элементами или молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики.

Поэтому биохимические элементы здесь, по-видимому, становятся ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения различных биологических макромолекул и структур. Таким образом, чтобы изменить функциональную направленность деятельности клетки – ей, в определённой мере, с помощью новых информационных сообщений, необходимо частично менять свою аппаратную систему. Смена аппаратной системы, естественно, связана с синтезом новыхбиомолекул и разрушением старых, которые отслужили свой срок и выполнили свою задачу.

Поэтому, после выполнения своих функций, каждая биомолекула расчленяется на элементарные структурно-информационные единицы (мономеры), которые вновь могут быть вовлечены в информационные процессы. Использованная информация как бы стирается и ликвидируется, а отдельные составляющие её буквы или символы, то есть “молекулярный биологический шрифт” рассыпается для того, чтобы вновь быть использованным в новых информационных сообщениях или других клеточных процессах. Такова основная отличительная особенность информационных передач в молекулярно-биологических системах. Живая клетка экономна во всём. Если вспомнить, что химические буквы и символы (элементы) строятся на базе отдельных атомов и атомных групп, то можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в живой клетке, размеры которой в длинy подчас составляют сотые доли миллиметра. К примеру, зигота содержит всю информацию необходимую для развития целостного организма.

Для изменения управляющих воздействий, клетке постоянно нужно обновлять информационные сообщения, что, соответственно, приводит и к обновлению аппаратной (управляющей) части клетки. Поэтому в живой клетке идет постоянное движение информации и вещества. С одной стороны идёт процесс переработки и обновление управляющей информации, а значит ферментов и других белковых молекул, с другой – это приводит к изменению химических управляемых процессов, которые осуществляются ферментами. В случае необходимости данные процессы поддерживаются дозовой циркуляцией химической энергии в форме АТФ.

Можно убедиться в том, что для построения различных классов высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды или липиды, живая клетка использует различные системы (алфавиты) биохимических элементов. Заметим, что с информационной точки зрения, эти классы биологических молекул представляют собой не что иное, как различные виды и формы молекулярной информации.

Поэтому в живых клетках, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах, существуют системы био-логических элементов разных типов:

1) нуклеотиды, – система структурно-функциональных и информационных биохимических элементов ДНК и РНК (алфавит нуклеиновых кислот);

2) аминокислоты, – система структурно-функциональных и информационных элементов белков (алфавит белковых молекул), для которых существует генетический код в виде тройки нуклеотидов;

3) простые сахара, – структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) полисахаридов;

4) жирные кислоты, – структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и др.

Более четкой идентификацией и классификацией био-логических элементов, по всей вероятности, должна заниматься отдельная дисциплина, такая как “Молекулярная биологическая информатика”. Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов (мономеров) существенно упрощает процессы построения различных классов макромолекул и структурных компонентов, повышает технологичность их изготовления и, одновременно, расширяет их функциональные и информационные возможности.

Как мы видим, каждый типовой набор организован в свою систему элементов, которая обладает общими биохимическими, структурными и технологическими особенностями, образует однотипные связи между элементами, совместимые по своим физико-химическим параметрам. В основном из этих молекулярных элементов в различных сочетаниях, составе и последовательности построены все структурные и функциональные компоненты живой клетки.

Следует отметить, что каждая система биохимических элементов в клетке является отдельным алфавитом и характеризуется своим способом кодирования, а также видом и формой представления молекулярной биологической информации. Это, соответственно, и является первопричиной появления различных классов и великого разнообразия биологических молекул в живых системах.

Удивительно, но факт, – всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых строительных блоков – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов.

В состав этого уникального набора входят: 1) восемь нуклеотидов, – “четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК” [6]; 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул; 3) несколько жирных кислот, – сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов; 4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов).

Все эти элементы были отобраны в процессе эволюции, вследствие их уникальной пригодности к выполнению различных – химических, энергетических, молекулярных, программно-информационных и других биологических функций в живых клетках.

Как мы видим, основой каждой системы являются свои индивидуальные молекулярные био-логические (биохимические) элементы. А на базе различных систем био-логических элементов, – молекулярных алфавитов, могут быть “сконструированы” разнообразные макромолекулы клетки – ДНК, РНК, белки, полисахариды и липиды. Поэтому элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить и программировать различные биологические макромолекулы и структуры, а затем с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения. “Структурные схемы” базовых молекулярных элементов, их природные свойства и особенности достаточно наглядно рассмотрены и представлены в различных учебниках по биохимии. Наша задача – больше уделить внимания информационным аспектам применения таких биохимических единиц.

6.1. Функции молекулярных био-логических элементов

Заметим, что все биохимические элементы живых систем являются многофункциональными элементами. Благодаря своим уникальным природным свойствам, они играют фундаментальную роль буквально в различных биологических процессах – структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и программно-информационных.

Во-первых, – все био-логические элементы различных систем (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др.) являются теми универсальными и унифицированными стандартными “строительными блоками”, при помощи которых во всех живых клетках осуществляется физическое построение любых других, более крупных биологических макромолекул и структур (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т. д.). Образовавшиеся при этом большие макромолекулы приобретают достаточную структурную жесткость и получают способность к выполнению определённых биологических функций. Однако это достигается уже за счет других удивительных свойств молекулярных элементов.

Во-вторых, – типовой стандартный набор био-логических элементов представляет собой не что иное, как тот общий молекулярный алфавит живой формы материи, с помощью которого во время биосинтеза макромолекул ведётся непрерывная запись информации в их молекулярные цепи. А отдельные элементы, при этом, играют роль различных химических букв или символов, с помощью которых во время записи идёт физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Поэтому, если их рассматривать с информационной точки зрения, то можно отметить, – все биохимические элементы в живой системе являются информационными био-логическими единицами (элементарными сигналами), реализующими основные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Входя в состав макромолекул, они определяют не только их нативнуюконформацию, но и весь широкий спектр их функциональной и информационной деятельности!

При помощи различных биохимических букв и символов строится молекулярная аппаратная система клетки, то есть таким способом в её структуры и макромолекулы записывается молекулярная информация. Ясно, что информационная концепция построения и функционального поведения макромолекул может базироваться только на специфических свойствах и правилах применения таких биохимических единиц.

В-третьих, – хранение, передача, преобразование и реализация генетической информации в клетке осуществляются только на основе и с помощью различных систем (алфавитов) био-логических элементов, представляющих собой общий алфавит живой формы матери. А отдельные буквы и символы каждого алфавита являются теми элементами, при помощи которых осуществляется кодирование и преобразование различных видов и форм молекулярной биологической информации. Причем, каждая система биохимических элементов характеризуется своим способом кодирования, видом и формой представления информации. Поэтому, при решении различных биологических задач, живая клетка пользуется различными молекулярными кодами, видами и формами представления информации.

Молекулярным кодированием в живой системе можно назвать процесс представления данных последовательностью химических букв или символов. Информация в клетке передается в форме молекулярного кода, основу которого составляет определённый набор химических букв или символов. При этом, закодированная последовательность букв или символов любого сообщения в белковых макромолекулах, как правило, передаётся не один раз, а с многократным циклическим повторением в структурах однотипных белков, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы.

Получается, что одна и та же информация передается в структурах однотипных макромолекул многократно столько раз, сколько это необходимо клетке, то есть, сколько было синтезировано макромолекул для передачи данного сообщения. С кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки – возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения [8].

Информация в живой системе может преобразовываться с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, одномерной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую).

К примеру, информация, представленная генетическим кодом в виде молекул иРНК, транслируется в информацию полипептидных цепей, которая записывается уже другим кодом – аминокислотным и поэтому имеет совершенно другой молекулярный вид. А линейная информация, записанная в форме полипептидных цепей, преобразуется в трёхмерную информацию белковых макромолекул, то есть в совершенно другую молекулярную форму (пространственную, стереохимическую).

В-четвёртых, – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты, как известно, играют существенную роль также и в энергетическом обмене живой клетки.

В-пятых, мы еще не отметили, возможно, наиболее важное назначение элементной базы. Все био-логические элементы оказались наделёнными такими химическими и физическими качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им функционировать не только в качестве строительных блоков или химических букв и символов, но ещё и служить теми био-логическими элементами программных модулей, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических макромолекул и структур. То есть, все био-логические элементы, в составе биологических макромолекул, могут взаимодействовать друг с другом и с молекулами воды по особым специфическим принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики.

Вследствие этого они автоматически становятся теми элементами программных модулей, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической макромолекулы. Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются программными модулями в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем, во время функционального поведения макромолекулы. Таким образом, программирование функций биологических макромолекул и структур в клеточной среде также осуществляется с помощью элементной базы и генетической информации (под руководством аппаратных средств).

Рассмотрим пример, подтверждающий эту гипотезу. Благодаря уникальным природным свойствам боковых атомных групп элементов в составе молекулярной цепи, между ними возникают такие силы, связи и взаимодействия, которые позволяют им становиться (в клеточной среде) теми программными элементами, с помощью которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования биомолекулы, а затем, и программа её функционального поведения. Значит, биохимические элементы выполняют не только чисто строительные функции. Здесь наглядно видно, что в основе решения различных биологических задач лежит совокупность элементарных био-логических функций и операций, выполняемыми этими элементами в составе программных модулей биологических макромолекул. С помощью таких программных модулей (последовательностей букв и символов) живая система может выразить и осуществить любое из имеющихся в её арсенале биологических функций и процессов. Поэтому при программировании различных биологических функций, процессов и задач в живой клетке широко используются программные модули био-логических элементов и “аппарат молекулярной биохимической логики”.

Без полного знания правил и принципов кодирования и программирования биологических макромолекул, лежащих в основе репликации, транскрипции и трансляции генетической информации и реализации её в различных биологических функциях, вряд ли возможен и осуществим процесс познания живой материи. Важно отметить, что все указанные качества и свойства био-логических элементов существуют всегда и одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы.

Только такое сочетание характеристик позволяет био-логическим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное построение различных молекул и структур, и программное управление их биологическими функциями. Причем, естественно, что разные системы (алфавиты) элементов имеют своё специфическое назначение – структурное, информационное, программное и функциональное.

К примеру, все био-логические элементы каждой системы применяются в качестве типовых строительных блоков, поэтому каждый из элементов имеет свою специфическую форму, структуру и конфигурацию, предназначенную для построения своего класса биологических макромолекул. Если же их рассматривать как программные элементы, то одни из них, – нуклеотиды, в основном служат для записи, хранения и передачи программной информации, а другие – аминокислоты, простые сахара и др., благодаря своим уникальным свойствам, служат для реализации программной (функциональной) информации.

В итоге мы приходим к заключению, что любая химическая буква (или символ), входящая в состав макромолекулы, является тождественным эквивалентом такой био-логической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и элементарного информационного сигнала, и составного элемента программного модуля, и функциональной единицы.

Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств био-логических элементов, входящих в состав биологических макромолекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических макромолекул и клеточных структур осуществляется благодаря применению таких био-логических единиц. Причем, активация биологических макромолекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом с помощью их кодовых биохимических микроматриц.

Важно отметить, что указанные качества и свойства стали неотделимыми спутниками всех типовых био-логических элементов, они являются разными сторонами одной и той же молекулярной базы. А сочетание разных характеристик молекулярных элементов оказалось идеально приспособленным для выполнения различных биологических функций в живых клетках и организмах. Вводя понятие био-логических элементов, следует иметь в виду не только закономерную взаимосвязь между различными их свойствами, но и одну из главных сторон элементов – информационный аспект их применения. Он непременно должен учитываться при изучении и исследовании живой материи. Мы отметили лишь основные направления использования различных биохимических элементов.

Ясно, что элементная база живых молекулярных систем действительно обладает удивительными многофункциональными природными качествами и свойствами, подтверждающими информационный дуализм и “триаду” живой материи (триединство вещества, энергии и информации). Ясно, что молекулярный алфавит живой материи имеет фундаментальное значение в различных биохимических, энергетических, молекулярных, функциональных, биологических и других, в том числе, и программно-информационных процессах.

6.2. Физико-химические принципы представления молекулярной информации

Как мы уже отметили, любой био-логический элемент представляет собой простейшую “схему”, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов – водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Различные атомы типового био-логического элемента определённым образом соединены между собой ковалентными связями, образуя углеводородный скелет, а также отдельные функциональные и боковые атомные группы.

Наличие тех или иных функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе биомолекулы. Каждый элемент характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно (в соответствии с генетической программой) соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи.

Кроме того, каждый элемент имеет свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе используется в качестве элементарного информационного химического сигнала. Поэтому, если в информационных технических системах наиболее широкое применение находят электрические сигналы, с переносчиком в виде импульсного тока или напряжения, то в молекулярно-биологических системах, в качестве элементарных сигналов, используются химические сигналы различных био-логических элементов – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. с переносчиком в виде их боковых атомных групп. На этот момент следует обратить особое внимание, так как он является одним из ключевых в молекулярной биологической информатике.

Отсюда следует, что элементарной единицей информации в биологической макромолекуле является любой био-логический элемент, входные и выходные цепи (функциональные группы) которого служат для фиксации элемента в молекулярной цепи, а боковая атомная группа (или группы) и является тем физико-химическим сигналом, с помощью которого осуществляется воплощение информации, то есть кодовая форма записи информации. Наглядный пример: 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 являются их боковые R-группы. Таким образом, живые молекулярные системы используют дискретный химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве единиц молекулярной биологической информации [9].

К примеру, каждая из 20 типовых аминокислот, – кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и химических свойств. Причем, аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями – R-группами. Поэтому они подразделяются в зависимости от структурной конфигурации боковых атомных групп, их химических свойств и особенностей. По характеру заряженности боковых R-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” [6]. Кстати, напомним, что в цифровой технике для кодирования информации обычно применяются отрицательные, положительные и нулевые электрические сигналы. “В соответствии с этим промышленностью выпускаются серии логических элементов положительной или отрицательной логики, которые срабатывают соответственно только от положительных или только от отрицательных потенциалов (импульсов)” [10].

В живой системе, как мы видим, для представления информации применяется более широкий спектр физико-химических свойств и структурных особенностей различных био-логических элементов. В связи с этим, отдельно необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и особенностей различных элементов является базовой основой для сигнальной формы представления молекулярной биологической информации. Поэтому носителями единичной информации в биологических молекулах являются биохимические элементы, а их специфические боковые атомные группы – это и есть те элементарные химические сигналы, при помощи которых осуществляется кодирование, передача, а также реализация информации в различных биологических процессах!

Ясно, что всё разнообразие информационных сил, связей и взаимодействий в живой системе может базироваться только на применении типовых био-логических элементов, представляющих собой не только элементную базу живой материи, но и её общий молекулярный биологический алфавит, с помощью которого производится воплощение генетической информации.

6. 3. Правила применения био-логических элементов

Вспомним, что каждый логический элемент микроэлектронной техники, перед тем как выполнить свои функции, должен быть подключен к источнику питания и к соответствующим цепям общей схемы. Для этой цели каждый элемент имеет свои входные и выходные цепи.

Определённая аналогия наблюдается и при подключении биохимических элементов к цепям биологических макромолекул. Например, каждая аминокислота как элемент, состоит из двух частей – константной, одинаковой для всех аминокислот части, к которой относится углеводородный скелет и его функциональные группы (аминогруппа и карбоксильная группа), и вариабельной – боковой цепи (или R-группы), которая имеет в каждой аминокислоте присущие только ей природные свойства и структурные отличия. В связи с этим аминокислоты различаются между собой только боковыми R-группами, посредством которых в полипептидной цепи белка осуществляется физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации.

Для программного включения аминокислоты в общую полипептидную цепь используется только константная часть элемента. “Ковалентная пептидная связь образуется путём отщепления компонентов воды от аминогруппы свободной аминокислоты и карбоксильного конца пептида, поэтому аминокислотные звенья, входящие в состав полипептида, обычно называют остатками” [6]. В результате длинная ковалентная цепь состоит из монотонно чередующихся остатков константных частей био-логических элементов (аминокислот), а к каждому углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков – боковые R-группы. Таков принцип записи молекулярной биологической информации в полипептидной цепи белка в процессе трансляции генетической информации. Каждая из боковых R-групп основного остова цепи имеет одно из двадцати кодовых (смысловых) значений, поэтому аминокислотные звенья белка являются материальными носителями кодированной информации.

Кратко рассмотрим пример записи информации в молекулярных цепях ДНК или РНК с помощью другой системы элементов – нуклеотидов. Каждый нуклеотид, как био-логический элемент, также состоит из двух частей – константной, к которой относится пятиуглеродный сахар и фосфорная кислота, и вариабельной – азотистого основания, при помощи которого, как известно, кодируется и передаётся генетическая информация. Следующие друг за другом нуклеотиды соединяются с помощью фосфодиэфирной связи, поэтому ковалентные остовы цепей нуклеиновых кислот состоят из монотонно чередующихся константных частей биохимических элементов (нуклеотидов) – фосфатных и пентозных групп, а азотистые основания “можно рассматривать как боковые группы, присоединённые к остову на равных расстояниях друг от друга” [6].

Здесь также наглядно видно, что длинный остов молекулярной цепи играет роль носителя информации, на котором в виде различных вариабельных боковых атомных групп (азотистых оснований) записана генетическая информация. Фиксированный порядок следования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает живая клетка. Становится очевидным, что линейная последовательность любых биохимических элементов в молекулярной цепи всегда представляет собой химическую запись определённой биологической информации. Указанные примеры говорят о существовании общих закономерностей молекулярной биохимической логики и наличии общих принципов и правил применения и использования различных био-логических элементов (химических букв и символов) в живых системах.

Итак, химические буквы и символы общего алфавита (био-логические элементы) живой клетки являются натуральными дискретными 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 и натуральной дискретной единицей молекулярной информации. И 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 наполнение.

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 (триединством) органического вещества, химической энергии и молекулярной информации [11].

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. 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 этой статье. Наша задача – показать, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а объективное свойство и необходимая сущность живой материи. При этом информация, – это содержательные сведения генетических сообщений, которые передаются в структурах биологических макромолекул 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 (носителей информации), так и для получения различных биохимических, молекулярных и программно-информационных функций, а так же сигналов управления и оповещения.

Ясно, что при этом управляющая система живой клетки воспринимает свойства молекулярного носителя как код и правильно интерпретирует содержащуюся на этом носителе закодированную информацию.

Макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из био-логических элементов (составляющих коды), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому 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 биологии вовсе не “миф, а виртуальная 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: 1) химическими буквами в клетке являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых непосредственно записывается управляющая и структурная информация нуклеиновых кислот и белковых молекул; 2) остальные элементы, например, простые сахара и жирные кислоты, являются химическими структурно-информационными символами, служащими для построения других классов биомолекул (полисахаридов и липидов), а также для записи в их структуру функциональной информации; 3) информационные химические знаки, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых химических реакциях, – это отдельные структурно-химические части – функциональные или боковые группы и атомы различных биохимических элементов, и их химические связи.

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.

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 макромолекулах 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 макромолекул.

Запись информации в живых молекулярных системах осуществляется так же, как и при любой письменности – комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Для этой цели применяется общий молекулярный биологический алфавит, содержащий более 30 букв и символов. Молекулярные буквы и символы отличаются друг от друга содержанием функциональных и боковых атомных групп и атомов, входящих в состав каждого элемента, их различными химическими, структурными и функциональными свойствами. Поэтому все биохимические элементы – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры являются натуральными дискретными информационными единицами – буквами или символами, служащими для представления биологической информации в различных её молекулярных видах и формах.

Каждый элемент характеризуется наличием своих функциональных групп, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. А их боковые атомные группы играют роль тех физико-химических сигналов, с помощью которых в молекулярной цепи осуществляется воплощение информации, то есть – кодовая форма записи различных сообщений. При этом каждый элемент в составе макромолекулы может иметь различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи, а затем и в трёхмерной структуре. Такая система представления информации называется позиционной. Следовательно, для кодирования молекулярной биологической информации в живых клетках широко применяется комбинационный дискретный принцип использования химических букв и символов общего алфавита и позиционная система представления информации с фиксированными дискретными данными. Это один из основных принципов молекулярной биохимической логики и информатики.

Уже давно известно, что “генетическая информация кодируется с помощью нуклеотидов подобно тому, как информация, содержащаяся в книге, передаётся с помощью последовательности букв” [1]. Информация, как известно, – это содержательные сведения (данные), заключенные в том или ином сообщении. Сообщением называется информация, зафиксированная в некоторой материальной форме. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора элементов (букв или символов) из которых формируются различные последовательности. К примеру, информационные сообщения в данной статье кодируются с помощью 33 букв алфавита русского языка. При этом различные буквы соответствующим образом группируются на бумаге в слова, фразы и предложения.

Общий алфавит живой формы материи также состоит из более 30 химических букв и символов, с помощью которых кодируется молекулярная биологическая информация. Поэтому возможность построения различных биологических молекул из химических букв и символов общего алфавита живой формы материи так же неисчерпаема, как и возможность составления различных слов и фраз при помощи букв алфавита русского языка. Только при использовании общего алфавита у живой клетки появляется способность хранить, передавать и преобразовывать информационные сообщения. Таким образом, если живая клетка строит молекулярные цепи различных макромолекул с применением этих букв или символов, значит, она записывает в их структуру информацию.

Вернее, даже наоборот, – информационные сообщения, то есть фиксированная позиционная последовательность химических букв или символов и их состав в молекулярной цепи определяет структурную, а поэтому и функциональную организацию самой макромолекулы. То есть гены сами несут необходимую информацию о структурных и функциональных особенностях различных биологических макромолекул.

Этот момент также является ключевым в молекулярной биологической информатике. По сути дела, генетическая информация, во время трансляции, диктует программу построения ферментов и других белковых макромолекул живой клетки. А генетический код при этом служит тем ключом, с помощью которого информация, записанная в виде иРНК, переводится в информацию белковых молекул, то есть в совершенно другой её молекулярный вид.

Только таким путём обеспечивается программирование структур ферментов и других клеточных белков. А далее, соответствующие ферменты, в свою очередь, строят и программируют структуру и функции других биологических молекул. Причем, по аналогии с ранее существующим типографским набором, живая клетка использует “россыпи молекулярного биологического шрифта” – отдельных биохимических букв или символов, и в автоматическом режиме группирует их в информационные передачи, – последовательности букв или символов молекулярной цепи.

При этом каждый элемент (буква или символ) несёт свой элементарный химический и структурно-рельефный (стерический) сигнал, переносчиком которого является его боковая группа (или группы). Кроме того, каждый элемент может также иметь различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи. Таким образом, для кодирования молекулярной биологической информации в живой клетке применяется позиционная система представления с фиксированными дискретными данными.

Значит, в молекулярных биологических системах используется дискретная форма представления информации и химический или стереохимический (пространственный) принцип её записи. Для дискретных сообщений характерно наличие фиксированного набора букв или символов, из которых формируются различные последовательности. А информационные сообщения, транслированные на полипептидные цепи, как мы видим, обеспечивают построение ферментов и других клеточных белков, которые являются основой аппаратной части живых клеток. Таким длинным и сложным путём идёт физико-химическое (структурное) воплощение генетической информации в биологическую форму материи.

Генетическая память и средства программирования белковых молекул находятся на значительных, по молекулярным меркам, расстояниях от объектов управления (субстратов). Поэтому живая клетка вынуждена кодировать информационные сообщения и передавать их по различным каналам связи, сначала в форме линейных молекулярных цепей, а затем и в форме трёхмерных биомолекул. Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационного преобразования биологических молекул. В живой клетке функционируют только трёхмерные биомолекулы и структуры, поэтому “одномерная” информация, записанная в “линейных” молекулярных цепях должна быть преобразована в трёхмерную стереохимическую информацию биологических макромолекул.

В связи с этим, на разных этапах передачи генетических сообщений и программной информации в молекулярных биологических системах широко применяется и используется линейный принцип кодирования и программирования биологических молекул. Это и есть тот метод, который применяется живой клеткой для преобразования линейных цепей в трёхмерную структуру (конформацию) биологических макромолекул. Он, как мы уже отметили, основан на комбинационном принципе использования различных биохимических букв и символов молекулярного алфавита живой материи. Наиболее наглядным примером линейного кодирования информации являются процессы репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, когда осуществляется матричный перенос информации с одних цепей на другие. Поэтому линейный принцип кодирования информации и программирования трёхмерной организации биологических молекул в основном используется в процессах хранения, передачи и преобразования биологической информации. \

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 [9].

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 (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 нативнуюконформацию 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 [9].

8. Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических макромолекул

Метод пространственного (стереохимического) кодирования основан на предварительном преобразовании линейной кодовой комбинации элементов цепей биологических макромолекул в трёхмерную кодовую координатную организацию этих элементов и их боковых атомных групп в пространственной решетке. К примеру, линейная кодовая информация полипептидных цепей (как, впрочем, и других цепей биологических макромолекул) всегда содержит конкретный алгоритм стереохимического преобразования белковых макромолекул.

Заметим, что в результате этих преобразований в трехмерной структуре белковой макромолекулы 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.

При этом сама программа функционирования белковой макромолекулы (благодаря программирующим свойствам модулей, состоящим из отдельных аминокислот) коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами элементов (аминокислот) в составе её трёхмерной структуры. Поэтому природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер.

Макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между мономерами (программными элементами). Поэтому функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке “стереохимических кодовых команд” можно было бы назвать – “программированием в стереохимических кодах”. В результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение.

Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, команд управления, а также органов и механизмов их реализации. Такая организация биомолекул не обладает сильной структурной жесткостью, а всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения их биологических функций. В связи с этим, в “молекулярной информатике”, для исследования информационных путей построения и программно-функционального поведения макромолекул, открывается большое поле деятельности.

Кстати, метод пространственного кодирования, естественно, со своими особенностями, широко применяется и в технических устройствах, например, в радиолокации и военной технике. В технических информационных устройствах разделение различных сигналов может быть осуществлено во времени, по частоте, фазе, форме импульсов и другим признакам, а наиболее широкое применение находят адресные передачи с временным кодовым распределением сигналов.

Заметим, что живая природа и здесь намного опередила технические системы по широте и спектру физико-химических признаков, которые используются для разделения информационных сигналов. 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) можно назвать “стереохимическим кодовым разделением сигналов”.

Таким образом, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерныхбиомолекул. 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 макромолекул. И если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования и программирования, 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.

Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических микроматриц, 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.

Целью стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов [9]. 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 здесь мы рассмотрели универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах.

Очевидно, что размещение био-логических элементов в пространственной решетке трёхмерных биологических макромолекул является более совершенным способом их организации, чем размещение логических элементов на плоской поверхности микросхем. Размещение био-логических элементов в трёхмерных структурах макромолекул, как известно, осуществляется стереохимическим способом, поэтому сами элементы оказываются как бы упакованными “горизонтальными слоями на вертикальных уровнях”.

Таким образом, в живой материи была достигнута невероятная плотность записи как линейной, так и стереохимической 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. Причем, каждая активная макромолекула клетки, как молекулярный биологический программный объект, всегда состоит из функциональных биохимических элементов (данных) и физико-химических алгоритмов, определяемых биохимической логикой взаимодействия программных модулей.

При этом динамическая реактивность макромолекулы связана с кооперативным изменением сил притяжения и отталкивания, поэтому свободная энергия взаимодействия элементов в составе макромолекулы, при информационном контакте с молекулярными партнёрами, определяет её функциональное поведение. При недостатке энергии биологические молекулы способны адресно (информационно) взаимодействовать с молекулами АТФ, которые в живой клетке играют роль аккумулятора химической энергии.

Как мы видим, стереохимический язык живой формы материи является не только средством выражения информационных сообщений, но и средством “естественного общения” биологических молекул друг с другом. Основной целью стереохимического кодирования и программирования биологических молекул является:

1) передача в трёхмерных структурах биологических молекул различных сообщений со стереохимическим кодовым разделением сигналов;

2) программирование работы молекулярных органов и исполнительных механизмов, определяющих функции биологических макромолекул;

3) повышение помехоустойчивости информационных сообщений, путём применения комплементарных обратных связей, при взаимодействии биологических молекул друг с другом с помощью их биохимических матриц;

4) повышение достоверности передачи сообщений, так как ошибочное замещение одной аминокислоты на другую в любом стереохимическом коде, как правило, ведёт к “потере” биологического сигнала белковой молекулы;

5) возможность регуляторного воздействия на управляющие стереохимические коды макромолекул путем “разрешения или запрета” на прохождение управляющих команд (при помощи регуляторных молекул обратных связей);

6) экономное использование различных компартментов и каналов связи.

Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических молекул – это и есть тот путь, который непосредственно ведёт от молекулярной информации к биологическим характеристикам живой формы материи. Нам до сих пор неясен и непонятен этот древнейший язык живой природы, который, по всей вероятности, является не только средством молекулярного “общения”, но и формой выражения биологической сущности живой материи.

Здесь мы кратко рассмотрели формы и способы представления информации в живой молекулярной системе. Таким образом, в живых системах наиболее широко применяется и используется как линейная химическая, так и стереохимическая структурная организация информационных кодов. А для представления (кодирования) разных видов и форм молекулярной информации в живой клетке используются различные молекулярные алфавиты.

Придёт время, и мы полностью убедимся в том, что в основе всех проявлений жизни лежат только те биохимические процессы, которые управляются и поддерживаются молекулярной биологической информацией, представленной в “линейной” химической или стереохимической форме [9].

9. Два информационных уровня организации биологических макромолекул

Главный вывод, к которому можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке, всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также различные молекулярные коды и виды представления.

К примеру, молекулярная биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых кислот, – при записи её нуклеотидами; в виде полипептидных цепей, – при записи её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, – при записи её моносахаридами и т. д. Причем линейная форма записи информации, как правило, является основой для преобразования её в форму пространственную – стереохимическую.

Следовательно, для решения различных биологических задач, живая клетка широко пользуется различными молекулярными алфавитами, языками, а также формами и видами представления информации. Как мы видим, 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 программной информации и 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 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.

Следовательно, второй 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 структуру и 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.

Столь разноплановые признаки и свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её изучением заняты многочисленные естественные науки – биофизика, биохимия, генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие дисциплины. Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению, чем к интеграции знаний. Очевидно, что только альтернативный – информационный подход может позволить по-иному взглянуть на давно известные физические и химические закономерности и открыть новые страницы в изучении живой материи.

10. Молекулярные биологические коды и системы кодирования информации

Известно, что в цифровых технических устройствах широко используются цифровые коды. В основу правил соответствия кодовых комбинаций числам цифровых кодов положены математические системы счисления. В зависимости от значения основания кода, коды называются двоичными, троичными, десятичными и т. д. Однако, компьютеры обрабатывают не только числовую, но и различную алфавитно-цифровую информацию, содержащую помимо цифр, буквенные, синтаксические и математические символы. Совокупность всех этих символов образует алфавит входного языка машины. Поэтому необходимость ввода, обработки и вывода алфавитно-цифровой информации требует выбора определённой системы кодирования. Наибольшее распространение в компьютерах получило кодирование алфавитно-цифровых символов 8-разрядными байтами.

Очевидно, что использование клеткой разных систем био-логических элементов также приводит к необходимости кодирования одних химических букв, символов или знаков через алфавитную систему других. Ясно, что в живой клетке используются свои специфические коды. Причем, автор данной статьи считает, что кодирование живой материи начинается с самого низкого – субмолекулярного уровня её организации, затем поднимается до уровня биологических макромолекул и клеточных структур, и далее выходит на другие уровни организации живого. Наша задача рассмотреть субмолекулярные и молекулярные уровни организации, так как только они являются фундаментальными основами биологической формы движения материи.

Информационные проблемы в любой живой клетке тесно связаны, прежде всего, с применением различных алфавитов и молекулярных биологических кодов. Они также связаны с существующими принципами и правилами молекулярной биохимической логики, которые лежат в основе закономерностей молекулярной биологической информатики. Поэтому важной составляющей частью биоинформатики должна стать теория молекулярной биологической информации. Она должна стать наукой об общих законах преобразования информации, с целью изучения различных форм и видов представления и передачи информации, применительно к молекулярным биологическим системам управления

Известно, что процесс представления информации в виде последовательности расположения букв абстрактного алфавита называется кодированием. А обратный процесс воссоздания по данному дискретному коду исходного вида информации, называется декодированием. Код, как известно, – это набор правил, раскрывающий способ представления информационных данных. На этот момент следует обратить особое внимание, так как мы убеждаемся в том, что в живой клетке используются далеко не абстрактные алфавиты и, в связи с этим, применяются сложные многоступенчатые принципы передачи, с процессами перекодирования одного вида молекулярной информации в другой (например, в процессе трансляции, информация цепей иРНК преобразуется в информацию цепей белковых молекул); одной формы (линейной, одномерной) – в другую (пространственную, стереохимическую). Для этой цели в клетке используются разные алфавиты и различные средства и системы кодирования и преобразования информации.

Краеугольным камнем здесь, естественно, является концепция генетического кода, так как из неё вытекает представление о существовании в живой клетке информационной молекулярно-биологической системы управления. Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, – то есть способ её представления.

В настоящее время в биологии утвердилось представление о наличии такого кода только в случае генетической информации. Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации живая клетка использует различные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами. Это ведёт к новому представлению о том, что в любой живой молекулярной системе для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие молекулярные коды, которые служат для перевода и преобразования информации из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы в другую. При этом различные алфавиты букв и символов, при помощи которых записывается информация в различные классы биологических макромолекул, являются материальными переносчиками информации.

К примеру, вся генетическая информация, которой располагает живая клетка, записана в структуре ДНК в виде комбинационной последовательности нуклеотидов. В настоящее время существует и такая точка зрения, что “некодирующие” последовательности, преобладающие в геномах эукариот, также имеют свои информационные коды, служащие для выполнения определённых биологических функций. Поэтому ключевым аппаратом кодирования наследственной информации в живой клетке является ДНК хромосом.

Нуклеиновые кислоты имеют алфавит, содержащий восемь букв: “четыре из них (дезоксирибонуклеотиды) служат для кодирования информации в структуре ДНК, а другие четыре – (рибонуклеотиды) используются для записи информации в биомолекулы РНК” [6]. Поэтому “в процессе транскрипции осуществляется перенос генетической информации от ДНК к РНК. При этом все виды РНК – иРНК, рРНК и тРНК – синтезируются в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служащей матрицей” [6]. Значит, алфавит нуклеотидов является той системой элементов, которая служит как для хранения информации в генетической памяти ДНК, так и для считывания и загрузки её в структуру нуклеиновых кислот РНК, выполняющих в клетке роль оперативной памяти. Нуклеотиды – это та система элементов, с помощью которой кодируется, хранится и передаётся генетическая информация. Следовательно, информация в цепях ДНК и РНК записывается на языке нуклеиновых кислот.

Кодированием называется процесс преобразования информации в совокупность букв или символов, определяемую кодом. Поэтому любой код является ключом для перевода одного вида информации в другой, или одной формы в другую. “Код имеет следующие основные характеристики:

1) основание кода - m, равное числу отличающихся друг от друга букв (или символов) в алфавите;

2) длина кодовой комбинации - n, называемая также длинной слова, n равно числу одинаковых или отличающихся друг от друга букв (элементарных сигналов) в кодовой комбинации; для данного кода характерно своё множество (набор) кодовых комбинаций, каждая из которых может передавать отдельное дискретное сообщение;

3) N- число кодовых комбинацийв коде, каждая из которых может передавать своё отдельное сообщение. N называется также объёмом кода.

Перечисленные характеристики есть у любого кода и кодовой комбинации, независимо от представления кода, физической его реализации или способа передачи и хранения кодовых комбинаций.

Кроме того, есть характеристики кодовых комбинаций, которые зависят от способа передачи и отображения. Так, по характеру передачи кодовых комбинаций они делятся на параллельный и последовательный способы передачи отдельных букв (или символов) кода. При параллельной передаче все символы кодовой комбинации передаются одновременно (например, при взаимодействии биомолекул друг с другом, с помощью их кодовых биохимических матриц, авт.), а при последовательной – поочередно (последовательно)” [10]. Упрощенно такие передачи называются параллельным или, соответственно, последовательным кодом. Примером последовательной передачи кодовой комбинации химических букв являются процессы репликации, транскрипции или трансляции генетической информации. Несмотря на то, что в живой системе применяются различные методы и способы кодирования и преобразования информации, – генетическому коду, как самому сложному в реализации, отводится особая роль.

Генетический код – это набор кодовых слов (триплетов) в иРНК(а, значит, и в ДНК), кодирующих аминокислоты белков. Основанием генетического кода (m) являются четыре различных нуклеотида. Поэтому алфавит генетического кода четырёхбуквенный, а вся информация в ДНК записывается на четырёхбуквенном языке структуры дезоксирибонуклеиновых кислот. Длина кодовой комбинации (n) в генетическом коде равно трём. Каждый кодирующий триплет, называемый кодоном, состоит из комбинации трёх одинаковых или различных нуклеотидов и несёт дискретную информацию о соответствующей аминокислоте в полипептидной цепи белка. Каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Это свойство кода называют специфичностью или однозначностью. Генетический код является равномерным, триплетным, так как все кодовые комбинации одинаковы по длине (n = 3). Код называется полным, если N=m в степени n. Поскольку число возможных кодовых комбинаций нуклеотидов в триплете составляет 4 в степени 3, то есть 64, а почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов, то генетический код считается полным и вырожденным. Все кодоны осмыслены – 61 из 64 кодонов используются для обозначения двадцати аминокислот, оставшиеся триплеты являются сигнальными. То есть каждому трёхбуквенному слову (кодону) соответствует либо аминокислота, либо сигнал начала или окончания считывания. Генетический код является универсальным, одинаковым у всех живых организмов и непрерывающимся, так как считывание информации идёт последовательно кодон за кодоном, без “запятых и пробелов”.

Как мы видим, принцип перекодирования относительно прост, несмотря на то, что в нём задействован весьма сложный аппарат трансляции. Заметим, что процесс перекодировки с помощью генетического кода служит для загрузки генетической информации в структуру полипептидных цепей. А информационный смысл этого процесса заключается в том, что таким способом кодируется и программируются линейная организация полипептидных цепей белковых молекул.

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 неограниченно.

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 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.

10. 3. Структура кодовой посылки при передаче информации в полипептидной цепи белка

Однако различные аминокислоты полипептидной цепи, по всей вероятности, 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).

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 макромолекул.

Кооперативные (информационные) взаимодействия боковых радикалов и концевых групп аминокислотных остатков “линейной” цепи вызывают формирование особых трёхмерных образований с упорядоченной внутренней и внешней структурой. Поэтому пространственный метод преобразования белка заключается в кодировании расположения полипептидной цепи в пространственной решетке. По такому принципу осуществляется пространственное кодирование белковых (как, впрочем, и других) макромолекул. Таким путём идёт формирование их информационных и функциональных молекулярных биологических средств.

Аминокислотный код также является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он даёт представление о механизмах стереохимического кодирования белковых макромолекул. 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 молекул, 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.

В результате стереохимических преобразований, внутри белковой макромолекулы (в её пространственной решетке) формируется специфическая пространственная координатная организация аминокислотных остатков, которая является основой построения исполнительных 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.

Коммуникация – это направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику и наоборот. А коммуникативность здесь – это способность биологических макромолекул к обмену информацией через посредство общей системы символов, то есть с помощью их линейных или стереохимических кодовых микроматриц. Коммуникация и взаимодействие основаны на способности биологических макромолекул воспринимать свойства молекулярных партнеров как информационный код.

По принципу взаимодополняемости кодовые микроматрицы молекулярных партнёров должны комплементарно соответствовать друг другу.

К примеру, локальные микроматрицы – активные центры служат для комплементарного (информационного) взаимодействия фермента с молекулами субстрата. Кодовые группы активного центра обычно образуют информационные команды управления, которые могут состоять из адресных кодов, служащих для поиска молекул (или молекулы) субстрата и кода операции, который указывает характер химической реакции.

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 стерическаявзаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций. 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 макромолекулы 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 макромолекулами (или другими функциональными биомолекулами 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. Мы убеждаемся в том, что специфика молекулярных процессов в биологии всегда зависит от генетической информации, и в значительной степени определяется элементной базой и особенностями самих информационных процессов. Перечисленные выше коды сложны не только способами их диагностирования, декодирования и передачи, но и молекулярными (аппаратными) средствами их воплощения. Между тем, они не исчерпывают всех способов представления информации и биологических кодов, применяемых в живых молекулярных системах. В живой клетке существуют и более простые коды, со своими алфавитами – символами представления информации и своими физико-химическими характеристиками.

Простые биологические коды применяются для кодирования и программирования других классов высокомолекулярных соединений, например, – липидов и полисахаридов, которые также играют большую функциональную и структурную роль в живой клетке. Относительно небольшое количество типовых моносахаридов (алфавита простых сахаров) кодирует (при помощи соответствующих ферментов) структурное построение и функциональное поведение углеводов (олигосахаридов), построенных из небольшого числа моносахаридных остатков, и полисахаридов – построенных из сотен и тысяч остатков моносахаридов. Химическое и структурное строение полисахаридов однообразно: они представляют собой линейные или разветвлённые полимеры, мономеры которых связаны глюкозид-глюкозными связями. А сами макромолекулы строятся из конечного множества одинаковых или нескольких типовых элементов.

Однако в их структуру во время биосинтеза, всё-таки, загружается то необходимое количество информации, которое достаточно для выполнения их биологических функций. В молекулярной биологии макромолекулы полисахаридов и липидов не считаются информационными, то есть несущими определённую биологическую информацию. Однако это далеко не так, поскольку и в информационной технике иногда применяют простые коды. Например, “простейший число-импульсный код имеет алфавит, состоящий из одних единиц. Так, при дискретизации значение параметра может быть представлено числом импульсов число-импульсного кода. Это простейший вид кодирования с алфавитом, состоящим из одних единиц” [10]. Да и в цифровой технике обширная информация кодируется всего лишь двумя цифровыми символами – единицей и нулём.

В молекулярной биологии, естественно, все гораздо сложнее. Обратим внимание на то, что каждый единичный символ информации, служащий для построения полисахаридов или липидов и для записи в их структуру информации, имеет довольно сложное химическое и структурное строение. Любой типовой символ обладает своими специфическими атомными группами и атомами, служащими для представления информации. Поэтому каждый символ простого биологического кода является достаточно информативным для управляющей системы клетки (соответствующих ферментов).

Для кодирования и построения липидов также применяется своя система элементов – свой алфавит, состоящий из нескольких жирных кислот. Примечательно, что для физической передачи и реализации простых молекулярных кодов используются и более простые ферментативные системы.

Остаётся лишь открытым вопрос – как, и каким образом, кодируются сами моносахариды, жирные кислоты и другие символы общего алфавита живой материи? Если каждая аминокислота кодируется своим триплетом – кодовой комбинацией трёх нуклеотидов в цепи иРНК, следовательно, и символы простого биологического кода должны как-то кодироваться? И действительно, для идентификации и обозначения каждого типового символа используется своя стереохимическая кодовая комбинация аминокислотных остатков, которая располагается в активном центре соответствующего фермента (адресный код и код операции). А в основу правил соответствия кодовых комбинаций аминокислотных остатков различным символам также положена их химическая и стерическаякомплементарность, то есть взаимодополняемость химических и структурных взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов.

В данном случае это и есть подтверждение того, что перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством кодирования (перекодирования). Здесь кодирование информации также осуществляется совокупностью дискретных сигналов, сопоставляемых по определенному алгоритму с конечным множеством сообщений. А по кодовым компонентам активных центров различных ферментов можно иметь представление об их информационных соответствиях и их функциональном назначении.

Значит, молекулярные коды соответствий, и средства их передачи существуют не только для важнейших классов макромолекул – ДНК, РНК, белков. Они существуют и для любых других биологических молекул и структур, а также их элементов и их химических знаков. Одинаковые кодовые комбинации элементов и их боковых атомных групп в активных центрах ферментов всегда воспринимаются конкретной клеткой как одна и та же (эквивалентная) информация, реализуемая в одних и тех же действиях.

К примеру, при построении цепей полисахаридов активный центр фермента не только узнаёт и присоединяет определённый моносахарид к активному центру, но при этом указывает и характер химической реакции (код операции). Вспомним, что “при биосинтезе макромолекулы гликогена, которая состоит из повторяющихся единиц только одного типа – Д-глюкозы, тождественность и чистота конечного продукта обеспечивается активным центром гликоген-синтазы. Для этого фермента характерна субстратная специфичность, то есть его активный центр способен присоединять только молекулу Д-глюкозы и нередуцирующий конец цепи молекулы гликогена, которая должна быть удлинена.

В принципе активный центр этого фермента (как, впрочем, и всех других ферментов) можно рассматривать как матрицу (это слово означает “шаблон” или “форму”), поскольку между молекулой (или молекулами) субстрата и активным центром осуществляется комплементарная подгонка” [6]. Пример показывает, что биомолекулы гликоген-синтазы строятся специально для того, чтобы нести генетическую информацию о биосинтезе макромолекул гликогена. То есть генетическая информация передается на макромолекулу гликогена не напрямую, а опосредовано.

Сначала кодовые компоненты иРНК (а, значит, и ДНК) указывают пути и порядок построения самого фермента, а затем кодовые компоненты активного центра гликоген-синтазы указывают пути и порядок построения макромолекулы гликогена. При этом если для обозначения аминокислот в полипептидной цепи гликоген-синтазы используется генетический код – триплетная комбинация нуклеотидов, то для обозначения биохимического элемента Д-глюкозы используется своя пространственная кодовая комбинация аминокислотных остатков активного центра фермента – адресный код и код операции. Адресный и операционный код в данном случае – это закодированное обозначение Д-глюкозы, поэтому идентифицируется именно данный био-логический элемент. Аминокислоты, как и нуклеотиды, являются буквами биологического кода, следовательно, построение макромолекулы гликогена (так же как и других клеточных компонентов) осуществляется также с помощью генетической информации. А длинная цепь молекулы гликогена несёт свою определённую функциональную информацию, которая зависит от физико-химических свойств и взаимодействия составляющих её элементов. И если бы каждый элемент не был носителем своих информационных знаков – функциональных и боковых атомных групп и атомов, и не обладал своими информационными параметрами, то вряд ли у ферментов появилась бы способность к построению длинных молекулярных цепей.

По такой же аналогии, пусть не напрямую, но опосредовано, генетическая информация руководит сначала построением, а затем и функциональным поведением любых других биологических макромолекул и структур.

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.

А перекодировка одного вида информации в другой осуществляется с помощью определённых кодов, которые служит для переноса и загрузки генетической информации в структуру различных молекулярных цепей и биомолекул. Поэтому чтобы перевести информацию из одного её молекулярного вида (или формы) в другой вид, живая клетка использует определённый биологический код. Следовательно, в живой молекулярной системе имеется многоступенчатая система кодовой передачи управляющей информации с различными переходными формами и видами её преобразования и реализации, где кодирование молекулярной информации осуществляется натуральными единицами информации, которые принадлежат к различным системам (алфавитам) химических букв и символов.

Феноменальные информационные возможности генетической памяти, использование различных молекулярных алфавитов, ступенчатых передач и систем кодирования – декодирования молекулярной биологической информации, позволяет судить о грандиозности протекающих в живой клетке информационных процессов.

Особое свойство закодированной (виртуальной) информации заключается в том, что она способна быть действующей силой только в той системе, которая воспринимает её как смысловую сущность, то есть, где она становится реальностью. Работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена только потоками и циркуляцией той информации, которая реально значима и дееспособна в данной системе. Поэтому любая сложная система способна пользоваться лишь той информацией, которая присуща её природе.

Значит, 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. А одинаковые кодовые комбинации элементов и их боковых атомных групп в активных центрах ферментов всегда воспринимаются конкретной клеткой как одна и та же (эквивалентная) информация, реализуемая в одних и тех же действиях. Очевидно, что для информационного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками живая клетка применяет свои специфические химические или стереохимические молекулярные коды. Специалистам лишь следует научиться их правильно выявлять и идентифицировать.

Кодирование сообщений оказались настолько эффективным способом записи, запоминания, преобразования и передачи информации, что в дальнейшем эти принципы были развиты и применены живой природой для сложных биологических систем. Как мы видим, общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии, были заново “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. А феномены информационного дуализма и биологической триады – “слияния” Информации, Энергии и Органического Вещества в одно функциональное целое, оказались весьма плодотворными и эффективными способами существования живого [11].

Уже достаточно давно известно, что генетическим кодом можно пользоваться для установления последовательности аминокислот, закодированной в последовательности нуклеотидов иРНК. Следовательно, можно пользоваться и любым другим молекулярным биологическим кодом для установления эквивалентных информационных соответствий. Ясно, что информационный аспект, при изучении и исследовании живой материи, обязательно должен учитываться.

11. Матричный, комплементарный (контактный) принцип информационных взаимодействий

Отметим, что в живых системах для воплощения информационных сигналов молекулярных биохимических микроматриц применяются те естественные природные физико-химические силы, связи и взаимодействия, которые существуют в микроструктуре органических форм материи: притяжение и отталкивание субмолекулярных частиц, нековалентные типы связывания, элементарные молекулярные силы, связи и взаимодействия. Поэтому в любой живой системе для организации информационных процессов наиболее широко используется матричный комплементарный принцип взаимодействия биологических молекул друг с другом с помощью их линейных, локальных, рельефных или поверхностных биохимических кодовых микроматриц.

Это взаимодействие проявляется по принципу “ключ-замок”, а сам вид взаимодействия можно назвать контактным информационным взаимодействием. Информационные взаимодействия биомолекул, 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, такие 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, видимо, 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 макромолекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий:

“1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот;

2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды;

3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой;

4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина” [5].

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 стерическойкомплементарности их биохимических матриц, то есть на взаимодополняемости химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу.

Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических микроматриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу. А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической, контактной) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций.

В различных ситуациях связующим звеном между управляющей системой и управляемым процессом в живой клетке служат рецепторы информации – активные центры (или другие коммуникационные сигналы) и исполнительные органы и механизмы ферментов или других функциональных белков. Работа биологических рецепторов только в некоторой степени напоминает работу датчиков информации, которые используются в технических системах. Биологические рецепторы, например, ферментов сами осуществляют поиск, приём и рецепцию субстратной информации, что, по своей сути, является актом запрограммированного поиска объекта управления (молекулы субстрата), с “запросом” его информации.

Нативная макромолекула белка вне информационного воздействия находится в исходном равновесном состоянии. Каталитический центр фермента становится активным и готовым к выполнению команды управления лишь с момента рецепции молекулы подлинного субстрата. Рецепция информации осуществляется активным центром фермента за счет полного соответствия его адресного и каталитического кодов химическим кодовым группам субстрата, и благодаря их комплементарным физико-химическим, стерическим и слабым энергетическим взаимодействиям – электростатическим, гидрофобным, водородным, вандерваальсовым и др. А для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать необходимо, прежде всего, стерическое, контактное – пространственное соответствие.

Как считают 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.

В связи с этим, взаимодействие и контакт реагирующих белков и молекул в живой системе является событием информационным, генетически обусловленным, а не случайным как, например, при взаимодействии молекул в чисто химической реакции.

Таким образом, фермент-субстратные взаимодействия можно представить в виде информационной модели, основанной на стереохимических принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Ферменты обладают своей программой “осязательного” распознавания кодовых компонентов молекул субстрата, которые комплементарны по химическим и стерическим (геометрическим) характеристикам их активному центру. Адресный код и код операции каждого типового фермента имеет свой элементарный состав и индивидуальное пространственное расположение боковых атомных группировок в активном центре, поэтому изучение стереохимических кодов белковых молекул является одной из многих задач молекулярной биологической информатики.

Процесс рецепции информации подлинного субстрата, осуществляемый активным центром фермента, вызывает конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе, при которых кодовые химические группы фермента и молекулы субстрата занимают самое оптимальное положение для прохождения каталитической операции.

Важно отметить, что подключение объекта управления (молекулы субстрата), через кодовый стереохимический контакт комплементарного сопряжения, ведёт к индукции электронно-конформационного возбуждения фермент-субстратного комплекса.

Присоединение подлинного субстрата сначала ведёт к переброске электронов и протонов между ферментом и молекулой субстрата, усилению электронной перестройки вдоль сопряженной системы связей, что соответственно приводит к возбуждению фермент-субстратного комплекса и, как итог, благодаря подвижным водородным связям, ведёт к динамическим конформационным сдвигам и срабатыванию “силового молекулярного привода” аппарата химического катализа фермента. Эти механизмы обеспечивают ферменту не только химическую, но и динамическую реактивность и, как результат, – автоматический режим его работы.

Возникшие конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе сопровождаются разрывом или образованием химических связей субстрата, которые происходят с высвобождением или затратой энергии. В случае необходимости эти процессы поддерживаются химической энергией в форме АТФ. Быстрому протеканию ферментативной реакции способствует высокая химическая и динамическая реактивность фермента. Высокая химическая реактивность обеспечивается режимом полифункционального катализа, когда на превращаемую химическую связь субстрата одновременно действует стереохимическая комбинация различных каталитически активных химических группировок активного центра (код операции) фермента.

Интересным фактом здесь является то, что белковые молекулы стереохимическим способом решает сразу две задачи, – информационной коммуникации и полифункционального катализа. Динамическая реактивность фермента, при взаимодействии фермента с субстратом, создаёт напряжение, то есть ориентирует и фиксирует взаимодействующие химические группы таким образом, что это создаёт механическую составляющую, которая снижает энергию активации и способствует эффективному прохождению реакции.

Можно считать, что, в рамках сделанных допущений, информационная модель описывает процесс управления химической реакции, ведущий к образованию продуктов реакции. Образование продуктов реакции сопровождается нарушением их физико-химического соответствия управляющим кодовым компонентам фермента, а это приводит к возврату фермента в исходное состояние. Фермент, как взведённая пружина, возвращаясь в исходное состояние, способствует выбросу продуктов реакции из активного центра.

Этап фермент-субстратного взаимодействия является заключительным фрагментом биокибернетического управления, указывающим на единство процессов управления и информации в живой клетке. Заметим также, что клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в роли молекул обратной связи.

Сигнальная (осведомляющая) информация субстратов служит для информирования управляющей системы о состоянии управляемых объектов, о ходе реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д.

Естественно возникает вопрос, почему живые молекулярные системы так широко применяют комплементарный (матричный, контактный) способ рецепции и передачи информации? Заметим, что этот способ одновременно объединяет как структурный, так и химический способ соответствия кодовых компонентов. Во-первых, при взаимодействии биомолекул при помощи кодовых микроматриц 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 физико-химического кодового “узнавания”, то есть наличие стерической и химической комплементарности кодовых компонентов взаимодействующих биомолекул [9].

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:

1) при репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;

2) при биосинтезе или расщеплении “неинформационных” биомолекул клетки, когда локальные стереохимические кодовые группы активного центра фермента взаимодействуют с молекулами субстрата по матричному принципу;

3) при свертывании белковой (как, впрочем, и любой другой) молекулы, когда отдельные фрагменты полипептидной цепи “отыскивают” друг друга, комплементарно взаимодействуют и “застёгиваются” между собой с помощью линейных матричных взаимодействий боковых атомных R-групп по принципу застёжки-молнии;

4) при объединении между собой отдельных субъединиц олигомерного белка с помощью рельефных матричных взаимодействий в четвертичной структуре белка, когда комплементарная “подгонка” осуществляется при взаимодействии биохимических матриц, образованных многочисленными R-группами, координатно расположенными на поверхности субъединиц олигомерного белка;

5) рельефные поверхностные биохимические матрицы играют ведущую роль в процессах самосборки или разборки надмолекулярных комплексов и ансамблей, состоящих из различных белковых и других молекул.

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 ведут или к взаимному ориентированному притяжению и самосборкебиомолекул 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 (комплементарный) принцип соответствия является основой информационных взаимодействий биологических молекул друг с другом [7].

12. Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено

Генетическая память, молекулярные биопроцессорные аппараты транскрипции и трансляции и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Белковые макромолекулы, представляющие собой молекулярные биологические автоматы, образуют различные циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные химические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединенных между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями.

Поэтому, если учесть, что различные ферментативные системы, порой состоящие из десятков и сотен ферментов (молекулярных автоматов), участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления.

Информационный подход проникает во все сферы человеческой деятельности. Не исключением является и наука о живой материи. Это естественно, так как концепция генетического кода предполагает и наличие в любой живой клетке целостной системы передачи и обработки генетической информации. Сравнительно недавно в технических устройствах для программной обработки информации стали применяться микропроцессоры. Известно, что процессор в технической системе осуществляет процессы автоматического выполнения последовательности команд в соответствии с принципами программного управления. На основе микропроцессоров строятся различные устройства, способные перерабатывать любую информацию. Это чудо техники прошлого века, способное к программному управлению, внесло большой вклад в развитие современных информационных систем и технологий, компьютеров, управляющих устройств и т. д.

Тем не менее, обратим внимание на то обстоятельство, что первые процессоры, встроенные в клетку, были применены живой природой ещё миллиарды лет тому назад! В первую очередь, – это молекулярные биопроцесcорные системы репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. Живая клетка должна постоянно пользоваться той информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому каждая клетка имеет все необходимые программные и аппаратные средства для “автоматизированной” переработки как генетической так и субстратной информации. Обработанная и загруженная в различные биологические молекулы информация нужна как для взаимодействия биомолекул друг с другом, так и для их функционального поведения.

12. 1. Генетическая память и принципы программного управления

Хранилищем и источником наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом. Генетическая память как постоянное запоминающее устройство служит для хранения данных и программ. Однако, естественно, всегда надо помнить, что генетическая память хромосом – это понятие несравненно более обширное и более грандиозное, чем, к примеру, – память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей “спираль жизни”, нельзя относиться без достаточной доли уважения и благоговения.

Сначала отметим, что в живой клетке, точно так же, как и в любой сложной информационной технической системе, действует принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу все программы и данные хранятся в генетической памяти в закодированной форме, в виде комбинационной последовательности четырёх нуклеотидов в длинных цепях ДНК. Если, к примеру, в памяти цифровых технических систем имеется два вида информации – команды и данные и их можно четко разграничить, то в генетической памяти их можно идентифицировать лишь условно.

К “данным”, видимо, можно отнести ту структурную информацию гена, которая является основой для кодирования тех фрагментов полипептидной цепи, которые ответственны за организацию внутримолекулярных структур, исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. А к “командам”, видимо, можно отнести ту часть информации гена, которая ответственна за формирование различного рода локальных или поверхностных стереохимических сигналов белка – адресных кодов, кодов операции, регуляторных кодов, кодовых микроматриц и т. д. Значит, к командам и данным, хранящимся в генетической памяти, можно отнести ту информацию, которая является основой для кодирования трёхмерной организации и функционального поведения белковых молекул, обеспечивающих различные структурные и обменные процессы клетки.

Тогда к “данным”, которые может обрабатывать управляющая система может относиться и та молекулярная информация, которая поступает в клетку в виде питательных веществ (субстратов). Они, как раз, и являются теми данными, которые в первую очередь подлежат “автоматизированной” переработке с помощью соответствующих ферментативных систем.

К данным, видимо, можно отнести информацию и тех групп генов, которые кодируют структурные белки, хотя структура в биологии понятие относительное, так как она всегда связана с выполнением определённых биологических функций. Следует обратить особое внимание на то, что кодовое разделение сигналов, как линейных химических, так и пространственных – стереохимических, широко применяемое в живых системах, является базовой основой всех информационных передач генома. Только понимание того, что информация в молекулярной системе записывается, передаётся и реализуется с помощью тех молекулярных кодов и кодовых посланий, которые загружены в структуру различных биомолекул, может помочь разобраться с принципами и механизмами организации живой формы материи.

К примеру, важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой макромолекулы [9]. В генетической памяти живой клетки может храниться множество программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому, автоматическое управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления.

Для программной переработки генетической информации в живой клетке широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции, например, биосинтез белка, распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Хромосомы клетки являются не только хранилищем генетической информации, они же являются и той многофункциональной системой, которая ответственна за передачу различных генетических программ в оперативную память живой клетки. Роль оперативной памяти в клетке выполняют различные биомолекулы РНК – информационная РНК, рибосомная РНК, транспортная РНК. Поскольку программы хранятся в памяти, то одни и те же команды могут извлекаться и выполняться нужное число раз.

Более того, так как реализация команд в живой клетке осуществляется в форме трёхмерных биомолекул, то и над командами, как над информационными данными, могут производиться различные операции.Например, в виде модификации белковых молекул или в виде регуляторных сигналов (молекул) обратных связей для воздействия на аллостерические ферменты. А обработка генетических данных и организация потоков управляющей информации в каждой живой клетке, в первую очередь, осуществляется при помощи уникальных унифицированных молекулярных биопроцессорных систем управления – транскрипционного и трансляционного аппаратов.

12. 2. Молекулярные биопроцессорные системы

Генетическая память, молекулярные биопроцессорные системы и их выходное управляющее звено – белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, а затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Для этой цели в клетке применяются специальные аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой не что иное, как молекулярные системы для микропрограммной переработки генетической информации.

Фактически каждая живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.

Состав и характеристики транскрипционного и трансляционного аппаратов достаточно наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Поэтому можно легко убедиться в том, что эти аппараты, как системы с микропрограммным управлением, имеют все необходимые узлы, компоненты и характеристики, позволяющие их отнести к категории молекулярных биопроцессорных систем управления. Молекулярная биопроцессорная система отличается от управляющего микропроцессора не только вещественно-информационным субстратом или методом обработки информации в управляющие сигналы, но и широким параллелизмом действия её биопроцессорных единиц. Поэтому биопроцессорные единицы, несмотря на то, что они практически состоят из одних и тех же компонентов, можно легко подразделять как по назначению, так и по характеру выполняемых ими функций.

Процесс управления в сложных технических устройствах и в живой клетке, в определённой мере, выполняет одни и те же задачи, хотя есть и существенные различия в информационных субстратах и в организации самих информационных процессов. Кроме того, если информация в технических устройствах есть функция аппаратной системы, то в живых клетках чаще всего наоборот, – информационные сообщения сами являются базовой основой построения или реорганизации аппаратной системы клетки (белков, ферментов и других функциональных устройств).

Сердцем управляющей системы живой клетки являются генетическая память и локальные биопроцессорные контуры управления, находящиеся, как в цитоплазме клетки – трансляционный аппарат, так и биопроцессорные системы верхнего уровня, находящиеся в клеточном ядре – транскрипционный аппарат. Эти аппараты выполняют различные информационные функции.

К примеру, ядерные биопроцессорные устройства верхнего уровня (транскрипционный аппарат) служат для микропрограммного управления процессами считывания генетической информации в оперативную память рибонуклеиновых кислот. Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из одних и тех же мономерных звеньев – нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются определённые различия, которые и привели к появлению в живой 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 партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК… На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомная” [13]. Таким образом, задача по считыванию генетической информации в оперативную память структуры РНК решается путем выполнения отдельных микроопераций строго в соответствии с микропрограммой того участка ДНК, который определяется структурным геном. Результатом работы транскрипционной процессорной системы является загрузка в оперативную память РНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки.

Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции, то есть для перевода информации иРНК в аминокислотную последовательность белковых молекул с помощью генетического кода. В виде информационной РНК, которая в клеточной системе играет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидов передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам.

Кратко рассмотрим 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-синтетазытРНК 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 и таким образом обеспечивает необходимую последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с микропрограммой заданной иРНК. Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка. 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.

Таким образом, 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.

Весь ход процессинга и адресной доставки фермента в соответствующий компартмент осуществляется в виде отдельных операций манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. В результате конформационного преобразования и процессинга макромолекула фермента (белка) приобретает характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, – свой информационно-кибернетический статус.

Далее, точно в соответствии с функциональным адресным кодом и кодом каталитической операции фермент, действуя как молекулярный биологический автомат, выполняет определенный тип химической реакции. Если фермент является аллостерическим, то на него могут воздействовать регуляторные молекулы обратных связей, влияя, таким образом, на ход химической реакции. Так происходит реализация управляющей генетической информации. Поскольку каждый фермент способен ускорять лишь какую-то одну цепь реакций данного соединения, не влияя на другие возможные реакции, то в отдельно взятомкомпартменте одновременно может протекать множество различных химических реакций. В связи с этим можно сделать заключение о том, что других специальных механизмов синхронизирующих работу белков и ферментов, по-видимому, не требуется (кроме сигналов обратных связей или изменения физических и химических факторов микросреды). Если работу трансляционного аппарата рассматривать с информационной точки зрения, то он, как молекулярный биопроцессор, выполняет следующие основные функции:

1) реализацию алгоритма связывания начальной точки считывания матричной цепииРНК (оперативной памяти) с рибосомой (процесс инициации трансляции);

2) микропрограммное преобразование, в реальном масштабе времени линейных информационных кодов (триплетов) иРНК в линейную аминокислотную кодовую последовательность полипептидной цепи белка (процесс элонгации);

3) реализацию алгоритма процесса терминации (завершения) трансляции. Далее устройство управления биопроцессорной системы осуществляет:

4) конформационное преобразование полипептидной цепи (процесс стереохимического кодирования) и процессинг, связанные с формированием стереохимических кодов фермента (белка), предназначенных для управляющих воздействий и приема регуляторных сигналов обратных связей;

5) автоматическое распределение и адресную доставку управляющих белков в соответствующий операционный блок (компартмент);

6) реализацию ферментами управляющих воздействий в соответствии с их адресными и каталитическими кодами, определяющими требуемый результат управления;

7) согласование взаимодействия выходного управляющего звена (ферментов) биопроцессорной системы с управляемыми биохимическими объектами (субстратом) по их сигнальным кодовым компонентам;

8) сбор и использование регуляторных молекул обратной связи (их стереохимических кодов), которые, как правило, являются конечными продуктами химических реакций;

9) обмен информацией с вышестоящей ядерной управляющей системой.

Такова общая картина прохождения и реализации генетической информации. Важно отметить, что размещенные в оперативной памяти иРНК генетические программы сначала загружаются биопроцессорной системой трансляции в полипептидные цепи, а затем реализуются в виде трёхмерных белков и ферментов. Специфические коды регуляторных молекул воспринимаются центральными устройствами управляющей системы или аллостерическими ферментами, в частности, и это ведет к изменению хода управляемых химических реакций.

Система самоуправления живой клетки состоит из локальных биопроцессорных контуров управления цитоплазмы и систем верхнего ядерного уровня. Между ними также обеспечивается интенсивный обмен информацией.

В ядерную систему верхнего уровня передается как запрос на нужную управляющую информацию, так и сигналы обратной связи о достижении целей управления. Как мы видим, для программной переработки генетической информации в живой клетке широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Поэтому живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации имеет свои специфические устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.

Молекулярный биопроцессор, на своём рабочем уровне, тоже реагирует на список операций, называемой программой. Эта программа, как известно, заключена в генах и предназначена для переноса на биомолекулыиРНК, которые в клеточной системе выполняют роль оперативной памяти.

Как мы видим, весь смысл работы молекулярных биопроцессоров заключаются в том, чтобы передать структурную и программную информацию белкам и ферментам – выходному управляющему звену биопроцессорных систем живой клетки. Поэтому транскрипционный аппарат обеспечивает загрузку разнообразнейшей информации в оперативную память структуры иРНК, а трансляционный аппарат строго в соответствии с этими данными строит различные полипептидные цепи. При этом выходное звено управления, с информационной точки зрения, представляет собой множество различного рода адресно доставляемых и локально рассредоточенных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатированных аппаратных устройств, с программной биохимической логикой управления [12].

Применение в управляющей системе биопроцессорных устройств явилось существенным эволюционным вкладом в повышение гибкости и улучшения качества управления биохимическими процессами клетки. Именно на этом уровне рельефно проявляется факт целенаправленного прохождения генетической информации и ее управляющий характер. Функции биопроцессорных единиц в управляющей биокибернетической системе клетки жизненно важны и требуют с информационной точки зрения более детального рассмотрения и изучения.

По выполняемым функциям генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное звено – ферменты и белки являются центральными устройствами клетки, на базе которых построена её информационная биокибернетическая система. А биопроцессорные единицы живой клетки при этом отличаются широким параллелизмом действия и возможностью замены управляющей программы. В связи с этим, система самоуправления живой клетки состоит из локальных контуров управления, действующих как в цитоплазме, так и в самом ядре живой клетки. Между ними также обеспечивается интенсивный обмен информацией. В ядерную систему верхнего уровня передаётся как запрос на нужную управляющую информацию, так и сигналы обратной связи о достижении целей управления. В связи с этим, самым приоритетным направлением молекулярной биологической информатики должно стать изучение структурной организации биопроцессорных единиц и механизмов их функционирования. Однако уже ясно, что в основе действия этих механизмов лежит позиционная информация биомолекул – линейных, локальных и поверхностных молекулярных биохимических матриц, образованных линейным, а затем и координатным расположением боковых атомных групп составляющих их элементов, способных к динамическому взаимодействию и спариванию посредством различных информационных сил и связей [9].

Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем управления, с уникальной генетической и оперативной памятью. Эти системы приспособлены к автоматической обработке генетической информации, а их выходное управляющее звено – белки и ферменты приспособлены к “автоматизированной” переработке различных видов молекулярной информации, как управляющей, так и сигнальной осведомляющей (субстратной), в том числе и молекулярной информации питательных веществ. Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления. А управляющая система клетки, состоящая из генетической памяти, комплекса локальных биопроцессорных систем и выходного управляющего звена – молекулярных автоматов и манипуляторов, воспринимает информацию о ходе управляемых реакций, об эффективности протекающих процессов, об изменении физических и химических факторов и в зависимости от результата корректирует управляющие воздействия [15].

12. 3 Белки и ферменты – выходное звено управления биопроцессорных систем живой клетки

Белки и ферменты, как выходное управляющее звено представляет собой множество различного рода молекулярных биологических автоматов, манипуляторов или конструктивных узлов, входящих в состав агрегатированных аппаратных устройств, с программной биохимической логикой управления. Каждый из этих, иногда довольно сложных молекулярных устройств, приспособлен выполнять определённую последовательность команд и био-логических функций. То есть все эти аппаратные устройства могут автоматически выполнять какие-то определённые алгоритмы био-логической деятельности [12]. В данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций. Ясно, что программирование структур и функций белковых молекул осуществляются с помощью биопроцессорных аппаратных систем транскрипции и трансляции генетической информации. Мы уже говорили об этом.

Сначала с помощью этих устройств строятся и программируются ферменты и другие клеточные белки, а затем с помощью ферментов программируется структурная организация и функциональное поведение всех остальных биомолекул и структур клетки. Причем, функции клеточных структур и органелл могут меняться только на базе вновь синтезированных и включенных в их состав биомолекул.

Для информационного взаимодействия и возникновения новых биологических функций в клетке нужна информация, как старых структур, так и новых биологических молекул. Поэтому эти структуры могут менять форму, делиться, но никогда не могут возникнуть заново, на основе только одних синтезированных биомолекул. В результате большого числа параллельно идущих процессов происходит программирование белков и ферментов, а через них, соответственно, осуществляется и программное управление химическими реакциями и биологическими функциями живой клетки.

Информационная молекулярно-биологическая (биокибернетическая) система живой клетки – это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, который, с одной стороны, осуществляет управление различными химическими процессами и биологическими функциями, а с другой – занимается реорганизацией и реконструкцией своих же биологических структур и компонентов. Поэтому ферменты и другие функциональные белки используются клеткой как выходное управляющее звено её биопроцессорных систем. Ясно, что подобные процессы не могут обеспечиваться химическими катализаторами, какими бы уникальными и замечательными свойствами они не обладали. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством. Феномен биологического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам и манипуляторам. А полифункциональный катализ, используемый молекулярными биологическими автоматами (ферментами), применяется лишь как способ управления химическими превращениями. Однако избирательная химическая и динамическая реактивность фермента может осуществляться только информационным путём.

Главное назначение белков и ферментов – обеспечивать живую клетку необходимыми ресурсами и материалами, а также осуществлять управление всеми процессами её жизнедеятельности и развития. Одна из отличительных особенностей управляющей системы клетки заключается в том, что она, как правило, взаимодействует с физико-химическими объектами управления, имеющими признаки единства вещества, энергии и информации. При этом операции, связанные с процессом управления, выполняются в реальном масштабе времени. Целью управления является обеспечение клетки необходимыми ресурсами, энергией и элементной базой. Поэтому живая клетка в полном смысле может рассматриваться как биокибернетическая система, которая не только самоуправляется, но и “конструируется” информационным путём.

Поэтому информационное управление должно охватывать и такие клеточные функции, как: 1) извлечение энергии из окружающей среды (либо в форме энергии солнечного света, либо в форме энергии органических веществ); 2) получение исходных низкомолекулярных материалов для процессов биосинтеза элементной базы; 3) превращение исходных материалов в элементную биохимическую базу живой клетки или получение этих мономеров из окружающей среды;4) разрушение “устаревших” биомолекул, выполнивших в клетке свои функции.

Иными словами, часть выходного аппарата биокибернетической системы должна координировать во времени и пространстве совокупность огромного числа ступенчатых химических реакций: окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Поэтому “сотни протекающих в клетке химических реакций управляемых ферментами, организованы в виде множества различных последовательностей идущих друг за другом реакций. Такие последовательности могут состоять из нескольких реакций – от 2 до 20 и более. Одни из этих последовательностей ферментативных реакций приводят к расщеплению органических пищевых продуктов на более простые соединения, причем в процессе такого расщепления из них извлекается энергия. Другие последовательности реакций, требующие затраты энергии, начинаются с малых предшественников, которые постепенно соединяются друг с другом и образуют крупные и сложные макромолекулы” [6].

Все эти процессы обычно локализованы в соответствующих участках клетки и организованы ферментативным аппаратом в виде различных последовательностей единичных операций по конвейерному или циклическому типу. Каждый объект управления (субстрат) является носителем в “законсервированном” (статическом) виде определённой структурной биологической информации и химической энергии, накопленной в его химических связях. Поэтому все органические питательные вещества, поступающие в живую систему, представляют собой молекулярные информационно-энергетические субстраты, которые поставляют в клетку необходимые структурные, информационные и энергетические компоненты. И всё это клетка получает в результате информационной переработки субстратов (данных).

Если генетическую информацию рассматривать как программы, предназначенные для переработки “данных”, то под общим термином – “данные” можно понимать и ту биохимическую информацию субстратов, которую перерабатывает управляющая система, а так же те химические буквы и символы, которыми манипулирует система при организации управляющих процессов клетки. То есть информационная, вещественная и энергетическая составляющие различных субстратов (в том числе и органических пищевых веществ) – это и есть те материальные компоненты, с которыми работает управляющая система клетки. Путём “расконсервации” этих составляющих живая клетка получает всё необходимое для процессов жизнедеятельности и развития.

Благодаря стереохимической форме представления информации, сигнальными элементами субстратов для управляющей системы являются лишь те элементы, к которым она в данный момент имеет доступ. Другие же сигнальные элементы (буквы, символы или знаки) временно маскируются в трёхмерной структуре субстрата. Поэтому информационное преобразование молекулы субстрата, при обработке её различными ферментами, осуществляется последовательно, шаг за шагом (программно), в виде отдельных единичных каталитических операций (реакций). Таким образом, все биологические процессы управления и химического превращения веществ в клетке сопряжены с процессами преобразования биологической информации и находятся под генетическим контролем.

К примеру, процессы управления ступенчатыми химическими реакциями в живой клетке непосредственно связаны с переработкой двух видов информации. С одной стороны, с обработкой генетической информации, которая в результате процессов транскрипции и трансляции преобразуется в трёхмерную структуру и информацию управляющих биомолекул ферментов и белков, с другой стороны – с преобразованием ферментами осведомляющей информации биомолекул субстрата, так как каждая ступенчатая реакция химического превращения вещества ведёт и к изменению его кодовых компонентов [9]. Поэтому клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых химических процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в качестве сигнальных или регуляторных молекул обратной связи.

Так как в основе биологической формы материи лежит принцип тождественности химических и информационных компонентов, то все биохимические процессы, в частности, можно рассматривать с двух точек зрения – или с физико-химической, или же с информационной. Если же учесть, что только информационная составляющая обеспечивает упорядоченность структур и процессов, то и в молекулярной биологии возникает необходимость применения именно информационного подхода, потому что все белковые (как, впрочем, и другие) биомолекулы образуют циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные биохимические и молекулярные функции живой клетки (организма).

Увеличение помехоустойчивости передач генетических сообщений достигается за счет циклической работы информационных сетей и потоков “автоматизированного управления”, которые, собственно, и обеспечивают как движение, так и управление всеми потоками вещества, энергии и различными сетями химических реакций в живой клетке. Поэтому сущность живого состояния сводится к хранению, передаче, преобразованию и реализации генетической информации по различным сложно организованным сетям и каналам клетки. Только молекулярные биологические процессоры и их выходное управляющее звено – белки и ферменты, организованные в виде информационных потоков и сетей “автоматизированного” управления, обеспечивают управление, регуляцию и контроль клеточного метаболизма.

Только наличие таких потоков и сетей способно превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр, где все процессы по переработке генетической информации, органического вещества и химической энергии полностью скоординированы, “механизированы и автоматизированы” [15]. В связи с этим, все химические процессы в живой клетке трансформируются на более высокий уровень организации, который может быть обеспечен только программной информацией. Важно еще раз подчеркнуть, что для реализации и воплощения генетической информации в биологическую структуру и функцию и программного управления этими процессами в клетке имеются свои унифицированные молекулярные аппараты, которые со всех точек зрения вполне эквивалентны процессорным устройствам для программной переработки информации.

12. 4. Молекулярная информация и молекулярная биологическая информатика

Наука показывает, что только благодаря наследственной молекулярной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже многие сотни миллион ов 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. Это и есть то неохватное “целинное поле”, которое самой живой природой предназначено для развития нового в науке направления – “Молекулярной и биологической информатики”.

Перед живой клеткой не возникает проблемы – как осуществить адресную передачу молекулярной 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 информационных сообщений осуществляется на основе специальных кодов сортировки и адресации, которыми снабжаются 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 макромолекул 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 процесс передачи и транспортировки на расстояния, с помощью ферментов(белков), 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.

Живая клетка является информационной молекулярно-биологической системой управления, извлекающей свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. Поэтому, для реализации различных биологических функций и химических превращений, в клетке применяются и различные категории информационных сообщений, а именно: 1) молекулярно-биологическое управление – транспортировка и адресная доставка ферментов (белков), а значит, и передача на расстояние их дискретных сигналов, кодовых команд управления, исполнительных органов и механизмов, для непосредственного химического и динамического (механического) воздействия на объекты управления (субстраты);2) структурно-функциональная информация – при передаче кодовых дискретных сообщений о трёхмерной организации биомолекул, выполняющих структурные или иные биологические функции; 3) осведомляющая сигнализация – транспортировка и адресная доставка в нужный компартмент живой клетки молекул субстрата, с целью передачи дискретных сигналов от субстратов к соответствующим ферментам о состоянии объектов управления;4) сигнальная и регуляторная информация – при передаче дискретных сигналов в виде молекул обратной связи, воздействующих непосредственно на исполнительные органы ключевых ферментов, с целью контроля и регуляции химических превращений; 5) безадресная передача регуляторной информации биомолекулам клетки, которая осуществляется путём изменения концентрации ионного состава клеточной микросреды, изменения водородного показателя рН и т. д.

Необходимо отметить, что молекулярная биологическая информация в живой системе имеет различные формы существования. Наиболее характерными формами существования информации в живой клетке являются: статическая, динамическая (управляющая) 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 отгенетической, она определяется линейной, а затем и трёхмерной организацией биомолекул, то есть, в конечном итоге, имеет стереохимическую форму представления. Благодаря стереохимической форме представления информации, – ферменты, белки и другие функциональные макромолекулы, надмолекулярные комплексы и ансамбли клетки способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач.

Осведомляющая информация (сигнализация), воспринимаемая управляющей системой клетки, передаётся кодовыми элементами (буквами, символами или знаками) 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 всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества.

Различные биомолекулы, после выполнения своих функций, как правило, разрушаются до их составляющих – мономеров (био-логических элементов), которые затем вновь могут быть вовлечены в информационные или другие биологические процессы. При этом если динамическая управляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурами белков (закодирована в них), то сигнальная осведомляющая информация, воспринимаемая ферментами (белками), заключена в структурной организации их молекулярных партнёров.

Поэтому можно констатировать, что молекулярная биологическая информация в живой клетке имеет различные формы существования и может записываться различными химическими буквами и символами. К примеру, статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Динамическая управляющая информация белковых молекул записывается и реализуется при помощи аминокислот. Сигнальная (осведомляющая) молекулярная информация может обеспечиваться разными буквами и символами общего алфавита живой материи, а, следовательно, и их различными химическими знаками. 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 формам, видам и категориям, например: 1) по форме представления – непрерывная (аналоговая) и дискретная; 2) по принципу записи – химическая и стереохимическая; 3) по назначению и характеру действия – управляющая (функциональная) и сигнальная (осведомляющая); 4) по форме существования – статическая и динамическая;5) по видам представления – в виде макромолекул нуклеиновых кислот или белков, в виде макромолекул полисахаридов или липидов и т. д.; 6) по признакам и свойствам – генетическая (наследственная, статическая, определяющая генотип) и биологическая функциональная (производная от генетической, динамическая, определяющая фенотип); 7) по способу существования – вещественная (виртуальная, закодированная в макромолекулах) и виртуальная логическая (знание, сознание).

В живой клетке для представления (кодирования) информации используются разные молекулярные алфавиты, которые содержат свои химические буквы или символы. Представление биологической информации разными алфавитами ведёт к тому, что информация в живой системе может записываться разными био-логическими элементами, которые и определяют различное содержание биологических молекул и, соответственно, различный её молекулярный вид и форму. В связи с этим:1) одномерная – линейная форма наследственной информации в живой системе кодируется в структуре ДНК и РНК в виде последовательности нуклеотидов;2) “линейная” и пространственная (стереохимическая) форма программной информации ферментов записывается аминокислотным кодом в виде полипептидных цепей и трёхмерных белковых молекул; 3) линейная и пространственная структурная и функциональная информация полисахаридов кодируется моносахаридами (простыми сахарами);4) линейная и пространственная структурная и функциональная молекулярная информация липидов кодируется мономерами жирных кислот и т. д.

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.

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 также как и закономерности молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики живого, 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.

“Управление в живой клетке (организме) – это особый вид энергоинформационного взаимодействия, в процессе которого на основании имеющегося опыта, накопленного в ходе движения (развития, эволюции) системы, в виде закодированной информации, хранящейся в памяти системы, осуществляется изменение характеристик движения или формы указанной системы, то есть величины скорости (энергии) и направленности движения (информации). Сложность данной формулировки объясняется сложностью этого вида информационного взаимодействия.

В нем надо четко выделить три основных постулата: 1) Всякое управление есть управлением движением. 2) Всякое управление основано на информации, хранящейся в памяти системы. Без памяти нет управления. (Это означает, что управление может осуществляться только на основе прошлого опыта). 3) Всякое управление имеет как минимум два канала, два органа управления – орган управления скоростью движения (энергией) и орган управления направленностью движения (информацией).

При этом информационный канал осуществляет собственно управление, то есть управляет направленностью движения, а энергетический осуществляет регулирование энергии под воздействием информации. Таким образом, управление всегда включает в себя собственно управление (управление направленностью движения) и регулирование (энергией) – два канала, которые автономны и связаны, ибо не могут существовать друг без друга. Управление как информационное взаимодействие тоже непрерывно развивается вместе с развитием материи и вытекающим из этого развитием информации. И в этом развитии живая природа нашла очень интересный прием эволюции, ведущий к усложнению создаваемых структур с целью их лучшего приспособления к окружающей среде, уменьшению диссипации энергии и повышению стабильности существования.

Этот прием называется иерархическим построением сложных систем на базе более простых элементов и конструкций, с сохранением структуры, морфогенеза удачных простых систем, способных к выполнению многообразных функций. При этом теория управления показывает, что в любой сложной системе управления функционируют три уровня иерархии.

Первый уровень – уровень простых систем, называется программным управлением, или тактическим управлением в военной терминологии.

Второй уровень – уровень координационного управления, или оперативного управления в военной терминологии.

Третий уровень – уровень системного управления, или, как его часто называют по тому же военному образу – стратегическое управление.

Таким образом, любая сложная иерархическая система управления может быть представлена в виде простых двухканальных систем при этом в сложной системе оптимально должно быть не более трех уровней управления. Живая природа искала это оптимальное соотношение уровней иерархии миллионы лет” ” [2].

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.

Таким образом, любая живая клетка, для “автоматизации” своих процессов, действительно применяет целый арсенал различных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатов с программной биохимической логикой управления [15]. 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.

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 [4].

Внедрение в клетку молекулярных биопроцессоров 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!

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.

Появление 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.

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. [4].

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 имеет потрясающие информационные возможности, но по молекулярным меркам находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому она вынуждена все необходимые сведения о структуре и функциях биомолекул передавать в виде закодированных циклических посланий (сообщений), которые сначала записываются в оперативной памяти иРНК, а затем транслируются на полипептидные цепи белковых макромолекул.

Именно с кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки – возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения.

Естественно, что клетка 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.

Как мы видим, гены управляют поведением биологических молекул не непосредственно, а только путём программирования их биологических структур и функций. Это важное обобщение говорит об информационной сущности всего живого.

Биологические процессы, как мы выяснили, не ограничены одними физико-химическими законами, – они подчиняются и закономерностям молекулярной биохимической логики, и молекулярной информатике, и генетической программной информации. На основании этих закономерностей и программной информации в живой клетке постоянно возбуждаются биологические алгоритмы, или совокупность процедур и операций, определяющих характер поведения биологических молекул и молекулярных систем.

Генетическая память обладает феноменальными информационными возможностями. И, действительно, в последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения живой системы. А главной задачей программных средств, используемых в клетке, является обеспечение оперативного взаимодействия управляющего звена – белков и ферментов с биохимическими объектами управления.

Поэтому все клеточные процессы и функции координируются той программной информацией, которая в данное время перенесена (загружена при помощи биопроцессорных систем или соответствующих ферментов) и находится в функциональных биомолекулах и структурах живой клетки.

Важно отметить, что живая клетка, точно так же как и любая другая система для автоматизированной переработки информации, имеет свою “операционную систему” – набор программ, который организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы живой клетки. В первую очередь, операционная система клетки обеспечивает построение и функционирование основных компонентов молекулярных биопроцессорных систем – транскрипционного и трансляционного аппаратов. То есть тех средств, которые предоставляют услуги для выполнения различных клеточных программ.

Операционная система – это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул и структур. Значит, операционная система клетки содержит встроенные функции перекодировки из одной системы кодирования в другую. А для перевода закодированных сообщений используются свои программы-переводчики. Поэтому, можно сказать, что операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как построение, так и функциональное поведение основных биопроцессорных комплексов живой клетки.

Определённые группы генов кодируют и программируют синтез рибосомных и транспортных РНК, другие группы генов (программ) контролируют биосинтез белков и ферментов, обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов (биопроцессорных систем). Таким образом, операционная система создаёт и предоставляет аппаратные средства и функциональные услуги для выполнения всех генетических программ живой клетки. Она контролирует проявление всех структурных генов клетки и соответственно является одним из основных факторов клеточной интеграции. В генетической памяти клетки существует значительное количество различных пакетов программ, решающих различные биологические задачи. Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений.

Программы реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на контактное, комплементарное соответствие друг другу. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений.

В свете рассмотренных идей становятся понятными и принципы организации доступа к информации генетической памяти. Хромосомы ядра, благодаря присутствию в них структурных и регуляторных белков, а также “малых” двухцепочечных РНК, являются чрезвычайно активными динамическими компонентами клетки. Гибкость ДНК в составе хромосом позволяет регуляторным белкам и РНК информационно связываться с различными её участками и влиять на транскрипцию генов.

При этом каждый из этих управляющих белков и “малых” РНК, благодаря программной информации и своим стереохимическим кодовым компонентам, четко знает свою функциональную роль. Согласованность действия различных управляющих, а также регуляторных белков и “малых” РНК достигается за счет генетической информации, которая заранее была загружена в их структуру. А загруженные в их структуру программы являются составляющими того пакета программ, который предназначен как для организации автоматического доступа к генам ДНК, так и для управления и регуляции процессами транскрипции генетического материала. В силу этих обстоятельств отдельные домены хроматина в хромосомах в процессе функционирования разворачиваются, а после окончания считывания информации с генов ДНК вновь упаковываются. Поэтому сами хромосомы представляют собой активные динамические структуры, в разных участках которых идут процессы считывания информации с ДНК.

Доступ к генетической памяти основан на тех же правилах информационного стереохимического управления и тех же принципах динамического взаимодействия биологических молекул друг с другом, которые являются основой управляющих био-логических процессов в живой клетке [15]. Нам остаётся лишь научиться расшифровывать и понимать эту информацию. Функциональные программы, хранящиеся в генетической памяти, считываются по запросу или по мере необходимости транскрипционным аппаратом хромосом в оперативную память живой клетки, роль которой выполняют биомолекулы РНК.

Генетическая память имеет полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения, для обслуживания процессов биосинтеза молекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д.

Генетическая память живой клетки имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. А программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Этот аппарат является молекулярной биопроцессорной системой репликации.

Программное обеспечение клетки – это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики. Автор статьи давно убеждён, что только альтернативный информационный подход к молекулярным биологическим проблемам может позволить по-иному взглянуть на давно известные биофизические и биохимические закономерности и открыть новые страницы в изучении биологической формы движения материи. Кроме того, информационный подход мог бы послужить еще и стимулом к объединению усилий различных биологических наук и дисциплин, изучающих сущность живого.

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

2. А. И. Демин. “Информация как всеобщее свойство материи”. Интернет.

3. С. Е. Здор. Об информационной сущности жизни и разума – М: Издательство “Спутник +”, 2008.

4. Ю. Я. Калашников. Информация как движущая сила биологической эволюции. Дата публикации 22.10.09г., источник: SciTecLibrary.ru

5. Ф. Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. – М: Мир, 1988.

6. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах – М: Мир, 1985.

7. Ю. Я. Калашников. В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно-биологической информатики. Дата публикации: 14 февраля июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 21.12.2006г.

8. Ю. Я. Калашников. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М., 2002. – 34с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК577.217:681.51

9. Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622 – В2004, УДК 577.217: 681.51

10. В. А. Ильин. Телеуправление и телеизмерение. – М: Энергоиздат, 1982

11. Ю. Я. Калашников. Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru

12. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. – М., 2002.–25с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 21.05.02, №899-В2002, УДК 577.217:681.51

13. П. Кемп, К. Армс. Введение в биологию. Пер. с англ. – М: Мир, 1988.

14. А. И. Коротяев, Н. Н. Лищенко. Молекулярная биология и медицина. – М: “Мед”. 1987.

15. Ю. Я. Калашников. Концепция информационной молекулярно-биологической системы управления. – М., 2005.– 88с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 14.04.05, №505-В2005