Идеи и гипотезы информационного управления на молекулярном уровне живых клеток

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 биологических 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, вандерваальсовы 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 биологический 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 биологических 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 молекул, 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) число кодовых комбинаций N в коде, каждая из которых может передавать своё отдельное сообщение. N называется также объёмом код.

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.

10.1 Генетический код

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.

10.2 Аминокислотный код

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

Аминокислотный код является именно тем молекулярным биологическим кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем воплощение и реализация генетической информации. Обратим внимание на то, что основанием аминокислотного кода (m) являются двадцать аминокислот, различающихся между собой только боковыми атомными R-группами. Поэтому алфавит аминокислотного кода 20-ти буквенный, а вся информация в цепях белковых молекул записывается на 20-ти буквенном языке структуры белковых молекул. Длина кодовой комбинации (n) в аминокислотном коде непостоянна и порой (в живой системе) составляет десятки и сотни аминокислотных остатков. Поэтому этот код неравномерный. Число кодовых комбинаций (N), каждое из которых может передавать своё отдельное сообщение в аминокислотном коде практически 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 биологических функций. Комплементарные обратные связи, при взаимодействии биологических молекул друг с другом, применяются для повышения достоверности информационных передач. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды. Таким образом, коды и кодовые комбинации аминокислотных остатков в «линейной» полипептидной цепи наглядно разделяются по их характеристикам и функциональному назначению. А различное информационное содержание полипептидных цепей является основой построения множества различных по функциональному назначению белковых молекул. 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) молекул. Таким путём идёт формирование их информационных и функциональных молекулярных биологических средств. Аминокислотный код тоже является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он даёт представление о механизмах стереохимического кодирования белковых молекул. Этот код содержит набор правил перевода информации из одной её молекулярной формы («линейной») в другую (стереохимическую). Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых 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 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 молекул 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.

10.4 Стереохимический код

Стереохимический код - это пространственная кодовая организация элементов (букв или символов) и их боковых атомных групп в виде локальных или поверхностных биохимических микроматриц в углублениях или на поверхностных участках биологических молекул. Матричный принцип взаимосоответствия является основой информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Такое соответствие в молекулярной биологии можно назвать информационной функцией. Только в случае комплементарных взаимодействий биомолекул друг с другом с помощью биохимических матриц, когда обнаруживается их химическая и стерическая взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций. То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Здесь речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул.

Следовательно, можно констатировать, что стереохимические коды - это те молекулярные коды, которые непосредственно участвуют в формировании биологических функций и реализации химических превращений. Собственно, - это и есть те разыскиваемые коды соответствий биологических молекул, которые являются основой их информационного взаимодействия, а затем и функционального поведения. Стереохимическими кодами - пространственной организацией элементов в трёхмерной структуре, программируются функции, поведение и биологическая судьба не только белковой, но и любой другой биологической молекулы клетки. Таким путём кодируются и программируются все их биологические механизмы и функции. Так как все функции в молекулярной биологии возникают и формируются информационным путём, то это может означать лишь одно, - вся технология биологических процессов основана на генетической информации и применении различных молекулярных алфавитов живой формы материи. А само информационное сообщение в молекулярной биологии приобретает смысл через функцию, которую оно кодирует. Поэтому в живой молекулярной системе, под выполнением функций, с кибернетической точки зрения, должно пониматься исполнение белковыми молекулами (или другими функциональными молекулами клетки) различных информационных команд, директив, инструкций и сообщений, записанных в их молекулярной пространственной структуре. Все эти сообщения имеют дискретный характер и записываются стереохимическими кодами. Исследованием характеристик стереохимических кодов и микроматриц, в каждом конкретном случае, должна, по-видимому, заниматься специализированная дисциплина, такая как молекулярная биологическая информатика. 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.

10.5 Простые молекулярные коды

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 стерическая комплементарность, 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 опосредованно.

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 биологический 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 опосредованно, 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 биологический 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 биологического элемента, входящего в состав макромолекулы.

Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся, именно, матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного био-логического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия.

Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий:

«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 стерической комплементарности 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].