Молекулярная биологическая информатика

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-синтетазы тРНК присоединяет на одном из своих концов молекулу соответствующей аминокислоты, в результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК. тРНК при участии белковых факторов устройства управления и энергии гуанозинтрифосфата (ГТФ) доставляет аминокислоту в рибосому для включения ее в растущий полипептид. С помощью своего антикодона тРНК информационно взаимодействует с комплементарным ему кодоном иРНК. Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка.

Таким образом, обеспечивается необходимая последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с микропрограммой заданной иРНК. 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. Следовательно, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной микропрограммой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор [8].

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

Важно отметить, что подключение объекта управления (молекулы субстрата), через кодовый стереохимический контакт комплементарного сопряжения к ферменту, 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 [2].

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 взятом компартменте, одновременно может протекать множество различных химических реакций. 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, - молекулярные 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. Очевидно, что весь смысл работы молекулярных биопроцессорных систем транскрипции и трансляции заключается в том, чтобы передать структурную и программную информацию белкам и ферментам - выходному управляющему звену биокибернетической системы живой клетки.

Внедрение в клетку молекулярных биопроцессоров и их выходного управляющего звена - белков и ферментов, в своё время оказало колоссальное влияние на 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 на принципах, правилах и закономерностях молекулярной биохимической логики.

Она предназначена для “автоматизированной” переработка как генетической, так и субстратной информации. Это и есть та область, 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.

Поэтому, если физико-химический подход декларирует о биохимической сущности живого вещества, то с информационной точки зрения вполне можно утверждать, что в живой материи, как правило, нет ничего, кроме молекулярно-биологической программной информации. Здесь все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время экспрессирована, перенесена и загружена в молекулярные цепи биологических молекул и структур клетки. А 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 [8].

Различные ферментативные системы, состоящие порой из десятков и сотен ферментов (молекулярных автоматов), участвуют в управлении множества различных последовательностей идущих друг за другом простых химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм. С информационной точки зрения, это процесс целенаправленного и упорядоченного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками. Следовательно, управление химическими процессами и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления.

Приведённые в статье примеры говорят о том, что молекулярная информатика - это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая “автоматика”, которая основана на использовании генетической информации и применении программируемых молекулярно-аппаратных средств с использованием химических букв, символов и знаков общего молекулярного алфавита. Заметим, что функционирование молекулярных программно-аппаратных средств живых систем основано не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики и информатики.

Молекулярная информатика предназначена для “автоматизированной” переработки как генетической, так и субстратной информации. А живая форма материи, благодаря внедрению и использованию наследственной информации, также как и сама жизнь оказалась явлением эволюционного и функционального перехода вещества, энергии и информации на качественно новый - информационный уровень их системной организации.

Информационный подход, как известно, это фундаментальный метод научного познания. Предлагая в своих статьях идеи и концепции молекулярной биохимической логики и информатики, автор уверен, что в 21 веке самым перспективным направлением в изучении живой материи станет новая дисциплина, такая, как “Молекулярная биологическая информатика”. Будем надеяться, что новая, альтернативная область знаний состоится и, наконец-то, откроет биологам путь в неведомый и необъятный мир информационных молекулярно-биоло-гических систем и технологий. В недалеком будущем это направление может стать составной частью новой науки - “Молекулярной и биологической информатики”.

Список литературы

1. Ю. Я. Калашников. Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 07.12.2006г.

2. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки живой клетки - это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 13.12.2006г.

3. Ю. Я. Калашников. Информационная концепция эволюции нашего мира. Дата публикации: 26 сентября 2006г., Источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 15.12.2006г.

4. Ф. Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. В 3-х томах - М: Мир, 1988

5. 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

6. Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. - М., 2004. - 66с. - Депонир. В ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51 7. П. Кемп, К. Армс. Введение в биологию. Пер. с англ. - М: Мир, 1988

8. Ю. Я. Калашников. Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено. Дата публикации: 30 июня 2006г., Источник: SciTecLibrary.ru

Размещено на Allbest.ru