Молекулярная элементная база живой формы материи

Размещено на http://www.allbest.ru/

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЖИВОЙ ФОРМЫ МАТЕРИИ

Калашников Юрий Яковлевич

Аннотация

Молекулярная элементная база живой формы материи состоит из небольшого числа молекулярных мономеров - нуклеотидов, аминокислот, жирных кислот, простых сахаров и других типовых “био-логических” элементов. Причем, все эти элементы оказались наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, благодаря которым они могут, в составе биологических молекул, одновременно осуществлять буквально различные по своим характеристикам биологические функции и операции. А именно: 1) служить в качестве типовых строительных блоков, с помощью которых идёт физическое построение различных биологических молекул клетки; 2) выполнять роль натуральных информационных единиц - биохимических букв и символов, с помощью которых в структуру макромолекул записывается молекулярная информация; 3) служить в качестве элементарных единиц молекулярных кодов, с помощью которых, сначала идет кодирование, а затем, - преобразование, и впоследствии, - воплощение и реализация генетической информации; 4) быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразование, а затем и программы функционального поведения макромолекул; 5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биологических молекул и т. д. И это далеко не полный перечень удивительных характеристик элементной базы, которая играет фундаментальную роль, как при информационном построении биомолекул и структур, так и при программировании функций биологической формы материи.

биологический молекулярный алфавит материя

Живая форма материи до сих пор остаётся одной из самых таинственных проблем молекулярной биологии. Современное состояние биологических знаний пока еще не позволяет объяснить многие причины и механизмы функционирования живых систем.

В своё время известный американский ученый А. Ленинджер отмечал: “Молекулы, из которых состоят живые организмы, подчиняются всем известным законам химии, но, кроме того, они взаимодействуют между собой в соответствии с другой системой принципов, которой мы можем дать общее название - молекулярная логика живого состояния. Эти принципы вовсе не обязательно представляют собой какие-то новые, до сих пор ещё неизвестные нам физические законы или силы. Их следует рассматривать скорее как особую систему закономерностей, характеризующих природу, функции и взаимодействия биомолекул, то есть таких молекул, которые входят в состав живых организмов” [1].

Значит структурное построение и функциональное поведение биологических молекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам, но и особым принципам и правилам, которые вполне можно отнести к закономерностям “молекулярной биохимической логики”. К сожалению А. Ленинджер ограничился лишь физико-химическим подходом к проблемам “молекулярной логики живого состояния”.

Между тем известно, что клеточный космос биомолекул, 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 своей, сугубо специфической информационной технологией. То есть в основе всех биохимических и био-логических процессов лежат процессы информационные.

Однако естественные науки так и не смогли до сегодняшнего дня 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. В настоящее время с большим трудом выявлены отдельные фрагменты, но пока не видна общая картина прохождения и реализации генетической информации.

В учебниках по биологии отмечается:

“Наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотную последовательность белков… Белковые молекулы представляют, своего рода “ловушку” в потоке генетической информации… 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 химическими процессами в живых организмах” [2].

Как мы видим, в молекулярной биологии и генетике, изучение прохождения генетической информации, почему-то, остановилось на этапе синтеза белковых молекул. Это, соответственно, и ведёт к ложному представлению о том, что в дальнейших биохимических событиях молекулярная биологическая информация не участвует.

Создаётся впечатление, что открытие генетического кода, также как и матричный синтез белков, ещё не побудили биологов к 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 данные уже сейчас позволяют сделать соответствующие обобщения, собрать известные и разыскиваемые фрагменты воедино и ближе подойти к решению многих информационных молекулярно-биологических проблем. Эти задачи вполне решаемы по ряду причин.

Во-первых, мы давно знаем, что благодаря использованию наследственной информации, жизнь на нашей планете существует, поддерживается и развивается уже более трёх миллиардов лет. Этот факт, естественно, предполагает наличие в любой живой клетке целостной системы управления и передачи генетической информации.

А интегративный характер этой информации указывает на то, что лишь она имеет право претендовать на ту особую роль в любой 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 органического вещества, химической энергии и генетической информации. Поэтому нам остается понять и разобраться, - на каких принципах, правилах и механизмах основана работа информационной молекулярно-биологической системы управления.

Системы биологических (биохимических) элементов

Известно, что построение и функционирование сложных информационных устройств базируется на применении типовых унифицированных узлов и элементов. К примеру, все информационные процессы в цифровой технике основаны на использовании различных 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 операции и функции 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 базу. Поэтому и здесь возможен обобщенный подход, основанный на применении простых органических молекул (мономеров), которые играют роль составных элементов различных биологических молекул 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”. 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 формы материи и принципами и правилами её использования. Это основная тема данной статьи.

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 др. Число этих мономеров невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов. Причем, каждый элемент в отдельности, также представляет собой простейшую схему, структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов - водород, кислород, углерод, азот, 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 молекул и структур применяют свои особые, сугубо специфические молекулярные 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 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 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 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 химических букв и символов (элементов) строится аппаратная система клетки и, одновременно, в её структуры записывается программная информация. То есть, на первом этапе информационные сообщения передаются фиксированной позиционной последовательностью расположения букв или символов в “линейных” цепях биологических молекул. Значит, 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 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 биомолекул 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 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 молекул 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 новых биомолекул и разрушением старых, которые отслужили свой срок и выполнили свою задачу. Поэтому, после выполнения своих функций, каждая биомолекула расчленяется на элементарные структурно-информационные единицы, 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 длину 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 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 ничто иное, как различные виды и формы молекулярной информации. Поэтому, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах в живых системах 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 структуру РНК” [1];

2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул;

3) несколько жирных кислот, - сравнительно небольшое число простых 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, 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 различные биологические молекулы 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.

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 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 молекул 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 ничто 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 биомолекул, они определяют не только их нативную конформацию, 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 биологическая информация. Ясно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул 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 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, как правило, передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы.

С кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки - возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения. 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, 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 молекул, 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 программными элементами, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологическх молекул. То есть все элементы в составе биологических молекул 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 программными элементами, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической молекулы. Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются био-логическими элементами в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем и во время функционального поведения биомолекулы. Таким образом, программирование функций биологических молекул и структур в клеточной среде также осуществляется с помощью элементной базы и генетической информации.

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 молекул. 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 информации.

В итоге мы приходим к заключению, что любая химическая буква (или символ), входящая в состав биомолекулы, является тождественным эквивалентом такой био-логической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и элементарного информационного сигнала, и программного и функционального элемента. Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств био-логических элементов, входящих в состав биологических молекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических молекул в клетке осуществляется благодаря применению таких био-логических единиц. Причем, активация биологических молекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом. Однако, эта тема уже для другой статьи.

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. 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, которые имеют фундаментальное значение в различных биологических, в том числе, и информационных процессах.

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 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 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 химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве единиц молекулярной биологической информации.

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” [1].

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)” [3].

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 формы материи, но и её общий молекулярный алфавит, с помощью которого производится воплощение генетической информации.

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 молекул. 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 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” [1].

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 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” [1]. Здесь также наглядно видно, что длинный остов молекулярной цепи выполняет роль носителя информации, на котором в виде различных вариабельных групп (азотистых оснований) записана генетическая информация. Фиксированный порядок следования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает живая клетка.

Мы убеждаемся, 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.

Химические буквы, символы и знаки

Итак, химические буквы и символы общего алфавита (био-логические элементы) живой клетки являются 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 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 и физическое 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 можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации - это и есть тот главный и основной закон, который определяет и обуславливает само существование живой формы материи. 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 формы материи. При этом информация, - это содержательные сведения генетических сообщений, которые передаются в структурах биологических молекул с помощью молекулярных кодов.

Эти коды формируются на основе химических букв и символов (био-логических элементов) и служат как для построения различных макромолекул и структур живой клетки, так и для получения различных биохимических, молекулярных и информационных функций и сигналов управления.

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 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 закономерная реальность”.

Кроме того, в ступенчатых химических реакциях, различные ферменты способны манипулировать и отдельными химическими знаками этих элементов, то есть их составными частями, - боковыми или функциональными атомными группами, отдельными атомами и их химическими связями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами и химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами.

Боковые и функциональные атомные группы и их химические связи - это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой био-логический элемент клетки.

Значит, в живой клетке, кроме молекулярного алфавита различных элементов, существует ещё и свой химический алфавит типовых атомных групп и атомов, манипулируя которыми управляющая система может осуществлять их движение от одного элемента к другому (а, значит, и между молекулами). Поэтому, циркуляция атомных групп и атомов определяет свою субмолекулярную форму движения информации, которая в живой клетке организована в виде управляемых ступенчатых химических реакций.

Таким образом, информационные процессы в живой клетке практически затрагивают не только молекулярный уровень организации, но и, что удивительно, субмолекулярный - атомный. Однако следует заметить, - если целостные элементы служат для организации самих аппаратных устройств и управляющих информационных процессов клетки, то их химические знаки используются также и в качестве информационных сигналов для организации управляемых химических процессов. В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими “буквами, символами и знаками”, которым предписан определённый биологический и информационный смысл. Для более четкого восприятия информационной концепции управления, а также для устранения разночтений в тексте, условно можно принять, что:

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 биомолекулах и структурах клетки. Таким образом, получается, что управление биохимическими процессами в живых системах осуществляется при помощи “программируемых” молекулярно-аппаратных средств: ферментов, белков и других функциональных биологических молекул. Однако эти вопросы выходят за рамки данной статьи.

Молекулярный алфавит живой формы материи

Уже давно известно, что “генетическая информация кодируется с помощью нуклеотидов подобно тому, как информация, содержащаяся в книге, передаётся с помощью последовательности букв” [2]. 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 биологическая информация. Поэтому возможность построения различных биологических молекул из химических букв и символов общего алфавита живой формы материи также 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 биомолекул 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 биомолекулы. То есть гены сами несут необходимую информацию о структурных и функциональных особенностях различных биологических молекул. Этот момент также является ключевым в молекулярной биологической информатике. По сути дела, генетическая информация, во время трансляции, диктует программу построения ферментов и других белковых молекул 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 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 пространственный, стереохимический) 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.

Программные элементы живой системы

Все биохимические элементы в составе биологических молекул взаимодействуют друг с другом и с молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. 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 биологических молекул. С помощью таких программных элементов (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 био-логические элементы и “аппарат молекулярной биохимической логики”. Без полного знания правил и принципов кодирования и программирования биологических молекул, лежащих в основе репликации, транскрипции и трансляции генетической информации и реализации её в различных биологических функциях, вряд ли возможен и осуществим процесс познания живой формы материи.