Идеи и гипотезы информационного управления на молекулярном уровне живых клеток

Если же теперь обобщить различные наблюдения и факты, то оказывается, что комплементарный матричный (информационный) принцип «подгонки» действует в совершенно различных, казалось бы, по своей биологической роли процессах:

1) при репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;

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

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

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

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

К примеру, точное взаиморасположение молекулярных компонентов рибосом, включая белки, возможно только за счет комплементарного взаимодействия их поверхностных биохимических матриц. А регуляторами, включающими или выключающими процессы их самосборки является наличие или отсутствие иРНК, а также соответствующие ионные, или другие условия, влияющие на перераспределение комплементарных матричных сил и связей. Все эти факторы ведут или к взаимному ориентированному притяжению и самосборке биомолекул в целостную рибосому, или же, наоборот, к их отталкиванию и разборке. Здесь мы наблюдаем один из основных механизмов функционального и регуляторного действия, лежащий в основе информационных взаимодействий между биомолекулами клетки. Рибосома ведет себя как молекулярная автоматическая система, которая отзывается на сигнальные и регуляторные воздействия и функционирует строго в соответствии с загруженной в её компоненты программной информацией. По аналогии совершаются и другие информационные взаимодействия, которые, как мы видим, характерны только для живой молекулярной системы. Ясно, что матричный (комплементарный) принцип соответствия является основой информационных взаимодействий биологических молекул друг с другом [7].

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

Генетическая память, молекулярные биопроцессорные аппараты транскрипции и трансляции и их выходное управляющее звено - белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Белковые макромолекулы, представляющие собой молекулярные биологические автоматы, образуют различные циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные химические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединенных между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. Поэтому, если учесть, что различные ферментативные системы, порой состоящие из десятков и сотен ферментов (молекулярных автоматов), участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления.

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

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

12.1 Генетическая память и принципы программного управления

Хранилищем и источником наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом. Генетическая память как постоянное запоминающее устройство служит для хранения данных и программ. Однако, естественно, всегда надо помнить, что генетическая память хромосом - это понятие несравненно более обширное и более грандиозное, чем, к примеру, - память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей «спираль жизни», нельзя относиться без достаточной доли уважения и благоговения. Сначала отметим, что в живой клетке, точно так же, как и в любой сложной информационной технической системе, действует принцип хранимой в памяти программы. Согласно этому принципу все программы и данные хранятся в генетической памяти в закодированной форме, в виде комбинационной последовательности четырёх нуклеотидов в длинных цепях ДНК. Если, к примеру, в памяти цифровых технических систем имеется два вида информации - команды и данные и их можно четко разграничить, то в генетической памяти их можно идентифицировать лишь условно.

К «данным», видимо, можно отнести ту структурную информацию гена, которая является основой для кодирования тех фрагментов полипептидной цепи, которые ответственны за организацию внутримолекулярных структур, исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. А к «командам», видимо, можно отнести ту часть информации гена, которая ответственна за формирование различного рода локальных или поверхностных стереохимических сигналов белка - адресных кодов, кодов операции, регуляторных кодов, кодовых микроматриц и т. д. Значит, к командам и данным, хранящимся в генетической памяти, можно отнести ту информацию, которая является основой для кодирования трёхмерной организации и функционального поведения белковых молекул, обеспечивающих различные структурные и обменные процессы клетки. Тогда к «данным», которые может обрабатывать управляющая система может относиться и та молекулярная информация, которая поступает в клетку в виде питательных веществ (субстратов). Они, как раз, и являются теми данными, которые в первую очередь подлежат «втоматизированной» переработке с помощью соответствующих ферментативных систем.

К данным, видимо, можно отнести информацию и тех групп генов, которые кодируют структурные белки, хотя структура в биологии понятие относительное, так как она всегда связана с выполнением определённых биологических функций. Следует обратить особое внимание на то, что кодовое разделение сигналов, как линейных химических, так и пространственных - стереохимических, широко применяемое в живых системах, является базовой основой всех информационных передач генома. Только понимание того, что информация в молекулярной системе записывается, передаётся и реализуется с помощью тех молекулярных кодов и кодовых посланий, которые загружены в структуру различных биомолекул, может помочь разобраться с принципами и механизмами организации живой формы материи. К примеру, важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы [9]. В генетической памяти живой клетки может храниться множество программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому, автоматическое управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления.

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

Например, в виде модификации белковых молекул или в виде регуляторных сигналов (молекул) обратных связей для воздействия на аллостерические ферменты. А обработка генетических данных и организация потоков управляющей информации в каждой живой клетке, в первую очередь, осуществляется при помощи уникальных унифицированных молекулярных биопроцессорных систем управления - транскрипционного и трансляционного аппаратов.

12.2 Молекулярные биопроцессорные системы

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

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

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

Сердцем управляющей системы живой клетки являются генетическая память и локальные биопроцессорные контуры управления, находящиеся, как в цитоплазме клетки - трансляционный аппарат, так и биопроцессорные системы верхнего уровня, находящиеся в клеточном ядре - транскрипционный аппарат. Эти аппараты выполняют различные информационные функции. К примеру, ядерные биопроцессорные устройства верхнего уровня (транскрипционный аппарат) служат для микропрограммного управления процессами считывания генетической информации в оперативную память рибонуклеиновых кислот. Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из одних и тех же мономерных звеньев - нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются определённые различия, которые и привели к появлению в живой клетке особой молекулярной биопроцессорной системы, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК.

«Этот процесс носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК… На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная, транспортная и рибосомная» [13]. Таким образом, задача по считыванию генетической информации в оперативную память структуры РНК решается путем выполнения отдельных микроопераций строго в соответствии с микропрограммой того участка ДНК, который определяется структурным геном. Результатом работы транскрипционной процессорной системы является загрузка в оперативную память РНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки.

Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции, то есть для перевода информации иРНК в аминокислотную последовательность белковых молекул с помощью генетического кода. В виде информационной РНК, которая в клеточной системе играет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидов передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам. Кратко рассмотрим принцип работы молекулярной биопроцессорной системы трансляции (трансляционный аппарат). Основным компонентом типовой биопроцессорной единицы является рибосома. Важная регулирующая роль в синтезе белка помимо иРНК принадлежит тРНК. С помощью специального фермента аминоацил-тРНК-синтетазы тРНК присоединяет на одном из своих концов молекулу соответствующей аминокислоты, в результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК. тРНК при участии белковых факторов устройства управления и энергии гуанозинтрифосфата (ГТФ) доставляет аминокислоту в рибосому для включения ее в растущий полипептид. С помощью своего антикодона тРНК информационно взаимодействует с комплементарным ему кодоном иРНК и таким образом обеспечивает необходимую последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с микропрограммой заданной иРНК. Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка. Сама рибосома, в частности, обладает каталитической функцией, ответственной за образование пептидных связей в цепи белка. Как мы видим, иРНК в биопроцессоре играет роль матричного модуля оперативной памяти, несущего микропрограмму преобразования генетической информации в структурную и функциональную информацию полипептидной цепи белка.

Таким образом, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной микропрограммой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор. Весь ход процессинга и адресной доставки фермента в соответствующий компартмент осуществляется в виде отдельных операций манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. В результате конформационного преобразования и процессинга макромолекула фермента (белка) приобретает характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, - свой информационно-кибернетический статус.

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

1) реализацию алгоритма связывания начальной точки считывания матричной цепи иРНК (оперативной памяти) с рибосомой (процесс инициации трансляции); 2) микропрограммное преобразование, в реальном масштабе времени линейных информационных кодов (триплетов) иРНК в линейную аминокислотную кодовую последовательность полипептидной цепи белка (процесс элонгации); 3) реализацию алгоритма процесса терминации (завершения) трансляции. Далее устройство управления биопроцессорной системы осуществляет: 4) конформационное преобразование полипептидной цепи (процесс стереохимического кодирования) и процессинг, связанные с формированием стереохимических кодов фермента (белка), предназначенных для управляющих воздействий и приема регуляторных сигналов обратных связей; 5) автоматическое распределение и адресную доставку управляющих белков в соответствующий операционный блок (компартмент); 6) реализацию ферментами управляющих воздействий в соответствии с их адресными и каталитическими кодами, определяющими требуемый результат управления; 7) согласование взаимодействия выходного управляющего звена (ферментов) биопроцессорной системы с управляемыми биохимическими объектами (субстратом) по их сигнальным кодовым компонентам; 8) сбор и использование регуляторных молекул обратной связи (их стереохимических кодов), которые, как правило, являются конечными продуктами химических реакций; 9) обмен информацией с вышестоящей ядерной управляющей системой.

Такова общая картина прохождения и реализации генетической информации. Важно отметить, что размещенные в оперативной памяти иРНК генетические программы сначала загружаются биопроцессорной системой трансляции в полипептидные цепи, а затем реализуются в виде трёхмерных белков и ферментов. Специфические коды регуляторных молекул воспринимаются центральными устройствами управляющей системы или аллостерическими ферментами, в частности, и это ведет к изменению хода управляемых химических реакций. Система самоуправления живой клетки состоит из локальных биопроцессорных контуров управления цитоплазмы и систем верхнего ядерного уровня. Между ними также обеспечивается интенсивный обмен информацией.

В ядерную систему верхнего уровня передается как запрос на нужную управляющую информацию, так и сигналы обратной связи о достижении целей управления. Как мы видим, для программной переработки генетической информации в живой клетке широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Поэтому живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации имеет свои специфические устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам. Молекулярный биопроцессор, на своём рабочем уровне, тоже реагирует на список операций, называемой программой. Эта программа, как известно, заключена в генах и предназначена для переноса на биомолекулы иРНК, которые в клеточной системе выполняют роль оперативной памяти.

Как мы видим, весь смысл работы молекулярных биопроцессоров заключаются в том, чтобы передать структурную и программную информацию белкам и ферментам - выходному управляющему звену биопроцессорных систем живой клетки. Поэтому транскрипционный аппарат обеспечивает загрузку разнообразнейшей информации в оперативную память структуры иРНК, а трансляционный аппарат строго в соответствии с этими данными строит различные полипептидные цепи. При этом выходное звено управления, с информационной точки зрения, представляет собой множество различного рода адресно доставляемых и локально рассредоточенных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатированных аппаратных устройств, с программной биохимической логикой управления [12]. Применение в управляющей системе биопроцессорных устройств явилось существенным эволюционным вкладом в повышение гибкости и улучшения качества управления биохимическими процессами клетки. Именно на этом уровне рельефно проявляется факт целенаправленного прохождения генетической информации и ее управляющий характер. Функции биопроцессорных единиц в управляющей биокибернетической системе клетки жизненно важны и требуют с информационной точки зрения более детального рассмотрения и изучения.

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

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

12.3 Белки и ферменты - выходное звено управления биопроцессорных систем

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

Сначала с помощью этих устройств строятся и программируются ферменты и другие клеточные белки, а затем с помощью ферментов программируется структурная организация и функциональное поведение всех остальных биомолекул и структур клетки. Причем, функции клеточных структур и органелл могут меняться только на базе вновь синтезированных и включенных в их состав биомолекул. Для информационного взаимодействия и возникновения новых биологических функций в клетке нужна информация, как старых структур, так и новых биологических молекул. Поэтому эти структуры могут менять форму, делиться, но никогда не могут возникнуть заново, на основе только одних синтезированных биомолекул. В результате большого числа параллельно идущих процессов происходит программирование белков и ферментов, а через них, соответственно, осуществляется и программное управление химическими реакциями и биологическими функциями живой клетки.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

дуализм молекулярный информация кодирование

12.4 Молекулярная информация и молекулярная биологическая информатика

Наука показывает, что только благодаря наследственной молекулярной информации, жизнь на нашей планете существует и развивается уже многие сотни миллионов лет. Однако, основной массив информационных технологий, применяемый живой природой и приведший к появлению и распространению растительного и животного мира, а также становлению самого человека, - современной науке до настоящего времени практически неведом. Это и есть то неохватное «целинное поле», которое самой живой природой предназначено для развития нового в науке направления - «Молекулярной и биологической информатики».

Перед живой клеткой не возникает проблемы - как осуществить адресную передачу молекулярной информации внутри клеточной системы, или вне её. Основным способом передачи информации является транспортировка и адресная доставка биологических молекул, в структурах которых записана нужная информация. Доставка информации в соответствующее место осуществляется автоматически. Для этой цели в живой клетке существуют специальные системы автоматической сортировки и адресной доставки сообщений (биомолекул), имеется разветвлённая сеть физических каналов связи, компартментов и отсеков. Причем, как сортировка, так и адресная доставка информационных сообщений осуществляется на основе специальных кодов сортировки и адресации, которыми снабжаются все биомолекулы при их изготовлении.

Информационные сообщения в клеточной системе имеют свои специфические свойства и особенности. Во-первых, с одной стороны, сама управляющая система клетки является источником управляющих сообщений, команд и инструкций, передаваемых в виде кодовых передач в структурах белковых молекул по различным каналам на многочисленные биохимические объекты управления (субстраты), которые являются приёмниками управляющей информации. Однако с другой стороны, различные биохимические объекты управления являются источником сигнальной осведомляющей информации для выходных аппаратов управляющей системы (ферментов и белков). Таким образом, потоки управляющей и сигнальной молекулярной биологической информации в живой клетке всегда направлены навстречу друг другу.

Поэтому управлением в живых системах, по-видимому, можно назвать процесс передачи и транспортировки на расстояния, с помощью ферментов, команд управления и исполнительных органов и механизмов, могущих воздействовать на химические кодовые группы молекул субстрата. Живая клетка относится к системам с распределёнными объектами управления, где применяется адресный способ передачи управляющей информации от центральных устройств к многочисленным локально рассредоточенным объектам управления (субстратам). А сигнальной осведомляющей и регуляторной информации обратно, от объектов к центральным или местным управляющим устройствам (ферментам и белкам). Причем, «запрос» управляющей информации, как правило, осуществляется на основе поступившей в клетку осведомляющей информации субстратов.

Живая клетка является информационной молекулярно-биологической системой управления, извлекающей свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. Поэтому, для реализации различных биологических функций и химических превращений, в клетке применяются и различные категории информационных сообщений, а именно:

1) молекулярно-биологическое управление - транспортировка и адресная доставка ферментов (белков), а значит, и передача на расстояние их дискретных сигналов, кодовых команд управления, исполнительных органов и механизмов, для непосредственного химического и динамического (механического) воздействия на объекты управления (субстраты);

2) структурно-функциональная информация - при передаче кодовых дискретных сообщений о трёхмерной организации биомолекул, выполняющих структурные или иные биологические функции;

3) осведомляющая сигнализация - транспортировка и адресная доставка в нужный компартмент живой клетки молекул субстрата, с целью передачи дискретных сигналов от субстратов к соответствующим ферментам о состоянии объектов управления;

4) сигнальная и регуляторная информация - при передаче дискретных сигналов в виде молекул обратной связи, воздействующих непосредственно на исполнительные органы ключевых ферментов, с целью контроля и регуляции химических превращений;

5) безадресная передача регуляторной информации биомолекулам клетки, которая осуществляется путём изменения концентрации ионного состава клеточной микросреды, изменения водородного показателя рН и т. д.

Необходимо отметить, что молекулярная биологическая информация в живой системе имеет различные формы существования. Наиболее характерными формами существования информации в живой клетке являются: статическая, динамическая (управляющая) и сигнальная осведомляющая. Статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Генетическая память сама по себе структура инертная и статическая, поэтому первичная биологическая информация существует в кодовой форме записи определённых сведений и сообщений в соответствующих генах ДНК. Динамическая управляющая информация - является производной от генетической, она определяется линейной, а затем и трёхмерной организацией биомолекул, то есть, в конечном итоге, имеет стереохимическую форму представления. Благодаря стереохимической форме представления информации, - ферменты, белки и другие функциональные макромолекулы, надмолекулярные комплексы и ансамбли клетки способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач.

Осведомляющая информация (сигнализация), воспринимаемая управляющей системой клетки, передаётся кодовыми элементами (буквами, символами или знаками) молекул субстрата. Ферменты и белки способны специфически (информационно) взаимодействовать с различными биологическими элементами и их химическими знаками. Поэтому в качестве объектов сигнальной осведомляющей информации в живой клетке могут выступать как отдельные биохимические элементы, так и различные биомолекулы, состоящие из таких элементов, то есть многочисленные молекулы субстратов. Осведомляющая сигнализация служит для информирования системы о состоянии управляемых биохимических объектов, о ходе химических реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. Управляющая система клетки реагирует только на ту сигнальную информацию, которая свойственна её природе. В связи с этим, одним из главных признаков процессов управления в клетке является беспрерывная циркуляция информации, которая всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества.

Различные биомолекулы, после выполнения своих функций, как правило, разрушаются до их составляющих - мономеров (биологических элементов), которые затем вновь могут быть вовлечены в информационные или другие биологические процессы. При этом если динамическая управляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурами белков (закодирована в них), то сигнальная осведомляющая информация, воспринимаемая ферментами (белками), заключена в структурной организации их молекулярных партнёров. Поэтому можно констатировать, что молекулярная биологическая информация в живой клетке имеет различные формы существования и может записываться различными химическими буквами и символами. К примеру, статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов. Динамическая управляющая информация белковых молекул записывается и реализуется при помощи аминокислот. Сигнальная (осведомляющая) молекулярная информация может обеспечиваться разными буквами и символами общего алфавита живой материи, а, следовательно, и их различными химическими знаками. Поэтому потоки и циркуляция информации в живой системе тождественно могут быть представлены потоками и циркуляцией различных биологических молекул.

В связи с этим появляется необходимость деления информации по формам, видам и категориям, например:

1) по форме представления - непрерывная (аналоговая) и дискретная;

2) по принципу записи - химическая и стереохимическая;

3) по назначению и характеру действия - управляющая (функциональная) и сигнальная (осведомляющая);

4) по форме существования - статическая и динамическая;

5) по видам представления - в виде макромолекул нуклеиновых кислот или белков, в виде макромолекул полисахаридов или липидов и т. д.;

6) по признакам и свойствам - генетическая (наследственная, статическая, определяющая генотип) и биологическая функциональная (производная от генетической, динамическая, определяющая фенотип);

7) по способу существования - вещественная (виртуальная, закодированная в макромолекулах) и виртуальная логическая (знание, сознание).

В живой клетке для представления (кодирования) информации используются разные молекулярные алфавиты, которые содержат свои химические буквы или символы. Представление биологической информации разными алфавитами ведёт к тому, что информация в живой системе может записываться разными биологическими элементами, которые и определяют различное содержание биологических молекул и, соответственно, различный её молекулярный вид и форму. В связи с этим:

1) одномерная - линейная форма наследственной информации в живой системе кодируется в структуре ДНК и РНК в виде последовательности нуклеотидов;

2) «линейная» и пространственная (стереохимическая) форма программной информации ферментов записывается аминокислотным кодом в виде полипептидных цепей и трёхмерных белковых молекул;

3) линейная и пространственная структурная и функциональная информация полисахаридов кодируется моносахаридами (простыми сахарами);

4) линейная и пространственная структурная и функциональная молекулярная информация липидов кодируется мономерами жирных кислот и т. д.

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

Молекулярная форма управления и передачи информации для нас привлекательна именно тем, что позволяет управлять биохимическими процессами живых клеток на недосягаемом для других технологий уровне, - на уровне малых молекул, их атомных групп и отдельных атомов! К своему удивлению мы только сейчас узнаем, что в основе живого лежит необъятный и практически неисследованный мир молекулярно-биологической информатики и мир естественных информационных биохимических нанотехнологий. Здесь для записи информации применяются мономеры - химические буквы и символы (биологические элементы) - нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и другие мономеры, имеющие размер в диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм.

Все биологические макромолекулы, структуры и компоненты живой клетки и организма должны рассматриваться с информационно-кибернетической точки зрения как носители и реализаторы генетической информации. Законы молекулярной биологии, информационный дуализм, триединство вещества, энергии и информации живой материи, точно также как и закономерности молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики живого, еще никто не отменял. В этом контексте должны даваться и общие представления о теории молекулярной информации и биологической информатике. Сейчас же «Биологической информатикой» почему-то называют науку, изучающую живую материю с помощью средств технической информатики, что явно не соответствует не только смыслу названия, но и самой сути информационной биологической науки.

Очевидно, что «Молекулярная и биологическая информатика» должна изучать, тот необъятный и мало исследованный информационный мир, который является причиной функционирования живых систем и лежит в основе живой природы и сущности самой жизни. Все, что происходило и происходит в живой природе, есть результат проявления информационного дуализма, принципа «триады» и информационного взаимодействия, при которых живая материя использует универсальный язык живой природы - кодированную информацию.

В общем виде можно сказать, что «Информация - это закодированные данные или сведения о любом факте, явлении, объекте или процессе, которые вырабатываются, передаются, и воспринимаются той или иной системой. Здесь информация обозначена как содержательные данные и сведения, которые представлены только в закодированной форме. Как мы видим, любая информация всегда предполагает наличие своей системы, где она способна циркулировать - генерироваться, кодироваться, перерабатываться, передаваться и восприниматься. Причем, источник информации передает её, а приемник - принимает. Такая модель вполне справедлива и для молекулярной биологической информации. Все эти процессы являются фундаментальными для любой живой системы, поэтому информация здесь тоже имеет свой семантический смысл и становится эффективной управляющей силой.

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

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

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

Этот прием называется иерархическим построением сложных систем на базе более простых элементов и конструкций, с сохранением структуры, морфогенеза удачных простых систем, способных к выполнению многообразных функций. При этом теория управления показывает, что в любой сложной системе управления функционируют три уровня иерархии. Первый уровень - уровень простых систем, называется программным управлением, или тактическим управлением в военной терминологии. Второй уровень - уровень координационного управления, или оперативного управления в военной терминологии.