Ложные и ошибочные представления в современной биохимии и молекулярной биологии в свете информационного подхода

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ложные и ошибочные представления в современной биохимии и молекулярной биологии в свете информационного подхода

Калашников Юрий Яковлевич

1. Живая материя - образование не только клеточное, но и информационное

Информационный подход проникает во все сферы человеческой деятельности. Не исключением является и наука о живой материи. Это естественно, так как наследственная информация и концепция генетического кода предполагают и наличие в любой живой клетке целостной системы управления, передачи и обработки информации.

Сравнительно недавно в технических устройствах для программной обработки информации стали применяться микропроцессоры. Известно, что процессор в технической информационной системе осуществляет процессы автоматического выполнения последовательности команд в соответствии с принципами программного управления.

На основе микропроцессоров строятся различные устройства, способные обрабатывать 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.

А знаете ли вы что первые процессоры, применяемые для микропрограммной обработки информации -- это не изобретение человека?! 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.

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 обрабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах.

Для этой цели в клетке имеются специальные аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой не что иное, как молекулярные системы для микропрограммной обработки 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 типовой 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 структуры 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” [3].

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 выполняет 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. молекула фермент кодирование биологический

Важно отметить, что размещенные в оперативной памяти иРНК генетические программы сначала загружаются биопроцессорной системой трансляции в полипептидные цепи, а затем реализуются в виде трёхмерных макромолекул 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 обработки 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.

В биологической литературе такие аппаратные системы уже давно отождествляются с молекулярными биологическими “машинами” или механизмами.

Наглядный пример: “Синтез белка в клетке осуществляет сложная система, состоящая из множества компонентов. Одна из особенностей этой системы заключается в том, что она существует в клетке как бы в разобранном виде, то есть её отдельные компоненты, когда они не участвуют в синтезе белка, не связаны друг с другом в единую физическую структуру, а находятся в цитоплазме раздельно. Но каждый раз, когда начинается процесс синтеза белка, из этих компонентов, благодаря их согласованному взаимодействию, возникает своеобразная, уникальная биологическая “машина”. Пусковым событием, которое приводит к взаимодействию всех компонентов системы синтеза белка и образованию активно работающей “машины”, является поступление генетической информации в виде иРНК. Завершение процесса трансляции приводит одновременно и к диссоциации белоксинтезирующего комплекса на отдельные его компоненты. Следовательно, биологическая “машина”, синтезирующая белок, представляет собой очень динамичный комплекс, который собирается каждый раз заново для синтеза индивидуальной полипептидной цепи. Уникальность такой “машины” состоит в том, что, возникая каждый раз из одних и тех же компонентов и работая по одному и тому же принципу, она выдаёт каждый раз различную продукцию (различные белки) в зависимости от получаемой ею программы” [4].

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 белков.

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[1].

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 изменения 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 [2].

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 «автоматизрованной» обработке генетической информации, а их выходное управляющее звено - белки и ферменты приспособлены к «автоматизированной» обработке 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 [5].

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” обработки генетической информации. Обработанная и загруженная в различные биологические макромолекулы информация нужна как для взаимодействия биологических молекул друг с другом, так и для их функционального поведения.

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 живой 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.

Это ли не примеры наглядного и прямого доказательства информационной сущности всего живого!

Давно пора биологам повсеместно признать, что живая материя -- это образование не только клеточное, но и информационное! И от этого факта нам, извините, никуда не деться.

2. Физико-химический путь исследования и изучения живой материи привел биохимию и молекулярную биологию в мировоззренческий тупик

Исследование биологической формы движения материи в настоящее время, судя по состоянию молекулярных наук, сводится к изучению физико-химических процессов обмена веществ и энергии в живых системах, то есть к поиску путей и изучению прохождения тех многочисленных биохимических реакций, которые объединены общим понятием - метаболизм. Потому не случайно, что одна из основных формулировок биологии, определяющая сущность жизни, гласит, что «жизнь - это обмен веществ и энергии в организме».

Поэтому, когда сегодня говорят о клетке как об элементарной структурно-функциональной единице всего живого, то под этим понятием, в первую очередь, понимают биохимическую часть её сущности. Именно с этой точки зрения, её изучают и исследуют различные биологические науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, генетика, геномика, цитология и многие другие дисциплины. Как мы видим, с самого начала и до сегодняшнего дня в изучении живой материи доминирует культ физико-химического направления!

Между тем, следует отметить, что вся многосложная «паутина» целенаправленных и упорядоченных химических превращений в клетке формируется не сама по себе, а является результатом деятельности весьма сложной управляющей системы. Ясно, что живая клетка должна обладать своими устройствами, предназначенными для «автоматизированной» обработки органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В противном случае эти процессы просто не могли бы иметь места. Поэтому многочисленные последовательности химических реакций основных путей клеточного метаболизма, по своей сути, могут относиться только к процессам управляемым.

Очевидно, что как в прошлом веке, так и в настоящее время молекулярная биология, в совокупности с другими дисциплинами, изучает и исследует только те процессы, которые в живой клетке являются вторичными, зависящими от работы системы управления. А первичные, - управляющие клеточные процессы, обеспечивающие управление и генерацию клеточного метаболизма, до сих пор практически не поддаются изучению.

Между тем, только они и составляют главную сущность живого, и только они обеспечивают все жизненные процессы клеток и организмов! Следовательно, необходимо признать, что основная, фундаментальная часть живого по тем или иным причинам, почему-то, выпала из поля зрения биохимии и молекулярных биологических наук!

В силу этих обстоятельств, по вторичной, - управляемой части живого, современная наука накопила обширнейшие исследовательские данные, сведения и знания, полученные многочисленными биологическими науками. Однако по первичной, самой фундаментальной и неисследованной части, в активе у биологических наук имеются лишь данные о структурно-функциональной организации ДНК, изученный генетический код и фрагменты репликации, транскрипции и трансляции генетической информации, указывающие на наличие в каждой живой клетке целостной молекулярно-биологической системы управления.

Причем эта, - самая необходимая и востребованная область науки, после выдающихся открытий «спирали жизни» (ДНК), генетического кода и других достижений, вот уже более полувека, если можно так сказать, живет знаниями вчерашнего дня. К сожалению, мало прибавилось и дисциплин, которые изучают и исследуют информационную сущность живого. Хотя уже достаточно давно известно, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят великим миром живого уже более 3,5 миллиардов лет! Ясно что живая материя - образование в высшей степени информационное, поэтому очевидно, что в биохимии, так же как и в молекулярной биологии, давно уже витает вопрос смены физико-химической мировоззренческой парадигмы, на новую - информационную парадигму!

Однако биологи до сих пор пытаются обойтись без исследования закономерностей молекулярной информатики. А проблемы организации живой материи и функционального поведения белковых и других молекул они пытаются решать по-своему. Однако нельзя же серьезно относиться к той концепции, которая без всяких обоснований декларирует, что белковые и другие макромолекулы и структуры живой клетки просто «самоорганизуются», а ферменты, при этом, становятся теми катализаторами, которые получают способность управлять всеми химическими превращениями и биологическими функциями в живых клетках и организмах. Ясно, что катализаторы способны в определённой мере ускорять протекание химических реакций, но не до таких же астрономических значений (10 в восьмой - 10 в двадцатой степени раз!) [1] и не с такой же производительностью, избирательностью и управляемостью, как это делают ферменты! [2].

Поэтому процесс самоорганизации живой материи - далеко не изученный процесс, который, по моему мнению, связан, прежде всего, с информационной сущностью живого, а ферменты - это далеко не простые химические катализаторы, даже только потому, что в своей работе применяют метод полифункционального катализа!

Очевидно, что ферменты различного назначения, по представлениям сегодняшнего дня, - это сложные молекуляные автоматы естественных нанотехнологий, которые применяются живой природой уже многие сотни миллионов лет. Ясно, что феномен био-логического управления, которым обладают ферменты и другие клеточные белки, по силам лишь молекулярным биологическим автоматам или манипуляторам с программной биохимической логикой управления!

Живые клетки - это весьма сложные естественные информационные самоуправляемые системы, которые функционируют на молекулярном уровне и поэтому часто имеют микроскопические размеры. Протекающие процессы в клетке настолько «автоматизированы», взаимосвязаны и сопряжены друг с другом, что порой трудно определить - где идёт преобразование вещества, а где энергии или информации. Логика структурного построения, функционального поведения и взаимодействия биологических молекул определяется генами, поэтому все эти процессы имеют биохимическую основу и носят информационный характер.

Любой процесс функционирования сложного технического или живого объекта всегда и непременно связан с передачей и преобразованием информации. Поэтому исследователей живого всегда волновал вопрос, как и каким образом, генетическая информация определяет не только структурную организацию, но и весь широкий диапазон биологических функций и химических превращений в живой клетке?

3. Информационные компоненты живого

В первую очередь необходимо отметить, что структурное построение и функциональное поведение биологических молекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам, но и особым принципам и правилам, которые, по мнению автора статьи, следует отнести к закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики! Поэтому, чтобы разобраться в работе управляющей и управляемой клеточных системах, в первую очередь, необходимо понять не только принципы и правила их действия, но и осмыслить закономерности применения молекулярной элементной базы.

Известно, что всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых «строительных блоков» - стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов. Этот типовой набор представляет собой не что иное, как элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который, по мнению автора статьи, служит не только для построения биомолекул, но и для кодирования и программирования молекулярных структур и функций живой материи.

В состав этого уникального комплекса элементов входят различные системы био-логических элементов (отдельные молекулярные алфавиты):

1) восемь нуклеотидов, - «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» [1];

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

3) несколько жирных кислот, - сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов;

4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов) и т. д.

Все эти химические буквы и символы живой природы являются натуральными дискретными единицами молекулярной информации. Важно также отметить, что весь этот комплекс элементов обладает функциональной полнотой, так как содержит функционально полный набор био-логических элементов. Именно поэтому живая природа, пользуясь био-логическими элементами, способна к построению и реализации любых биологических структур и функций. Интересно отметить, что кроме семантики сообщений все био-логические элементы обладают еще и универсальной природной способностью к выполнению различных - химических, энергетических, программных, функциональных и других биологических функций.

Информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. Поэтому информация в живой системе, - это содержательные сведения, заключенные в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме в виде биологических макромолекул!

Любой информационный код (и не только генетический) в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества, поэтому различные посылки и сообщения переносятся в структурах разных макромолекул. Очевидно, что элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры, записывать в них информацию, а затем, с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения.

И ведь, действительно, - все биохимические элементы (химические буквы и символы), входящие в состав различных биологических макромолекул, представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации.

Автор статьи считает, что информация в живой молекулярной системе передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые сначала формируются в «линейных» молекулярных цепях, а затем, и в трёхмерных структурах различных биологических макромолекул. Следовательно, информация в живых клетках имеет молекулярный базис представления! [3].

Невероятно, но все биохимические буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических макромолекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли элементарные функции и операции:

1) служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул;

2) выполнять роль натуральных информационных единиц - химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация;

3) служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которых идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, - воплощение и реализация генетической информации;

4) быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул;

5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул и т. д.

Следовательно, все био-логические функции и операции молекулярной биохимической логики в живой системе выполняются и реализуются типовыми мономерами, которые несут элементарные химические сигналы и имеют простую «структурную схему»! Поэтому их вполне заслуженно можно назвать молекулярными био-логическими элементами.

Вследствие этого, любая макромолекула клетки, состоящая из конечного множества таких элементов, является реализатором тех биологических функций и операций, которые информационным путём интегрированы и загружены в её трёхмерную структуру!

Всё это указывает на то, что информация, загруженная в макромолекулы (с помощью аппаратных средств и молекулярного алфавита), определяет не только их молекулярное содержание, но и их структуру, форму, класс биоорганического соединения, потенциальную и свободную энергию химических связей. Кроме того, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет информационное и функциональное поведение биологических макромолекул в живых системах.

Все типовые мономеры (био-логические элементы) были отобраны в процессе эволюции, поэтому входя в состав биологических макромолекул и клеточных компонентов, они определяет не только структуру живого вещества. Элементарный состав биомолекул всегда тождественно является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство живой материи можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации! Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации - это и есть тот главный и основной закон, который определяет и обуславливает само существование биологической формы материи. А универсальные свойства элементной базы живой материи лишь подтверждают данную гипотезу [4].

Очевидно, что все без исключения биологические свойства и качества макромолекул оказались напрямую связанными с многофункциональными особенностями составляющих их био-логических элементов. Поэтому, при рассмотрении живой материи, всегда необходимо учитывать не только структурный (информационный) состав различных биомолекул, но и функциональную взаимозависимость и взаимодополняемость различных характеристик составляющих их элементов. Такое «слияние» различных характеристик био-логических элементов в одно функциональное целое и их информационное содержание, делает возможным проявление тех биологических черт и признаков макромолекул, которые наблюдают биологи!

Заметим, что каждый типовой био-логический элемент (химическая буква или символ) характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. И главное, - важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, как считает автор статьи, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала! Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - «боковые» атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые атомные R-группы.

Общий алфавит живой материи состоит из более 30 химических букв и символов молекулярного языка живой природы, с помощью которых кодируется молекулярная биологическая информация. Причем, для «автоматизации» процессов кодирования и перекодирования биологической информации в живой клетке применяются свои молекулярные биопроцессорные системы, такие как аппаратные устройства репликации, транскрипции и трансляции генетической информации.

А «теоретической и технологической» основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, следует отнести к закономерностям «молекулярной биохимической логики и информатики»! [5].

Очевидно, что каждая система биохимических элементов в клетке (нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и др.) является отдельным алфавитом и характеризуется своим способом кодирования, а также видом и формой представления молекулярной информации. Это, соответственно, и является первопричиной появления различных классов и великого разнообразия биологических молекул в живых системах.

Причем, функции биомолекул полностью определяются элементарными функциями составляющих их био-логических элементов (букв или символов), - то есть информацией.

Каждый элемент в составе биомолекулы всегда взаимодействует с другими элементами или с молекулами воды по особым принципам и правилам, которые также можно отнести к закономерностями молекулярной биохимической логики. Поэтому биохимические элементы здесь становятся ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения различных биологических молекул и структур

Более того, если, к примеру, логический элемент в цифровой технике является простейшим преобразователем двоичной информации, то каждый био-логический элемент в макромолекуле сам играет роль элементарной структурной, информационной и функциональной единицы.

Таким образом, живые клетки, при построении различных биологических макромолекул и структур и при конструировании различных биологических функций, применяют свои особые, сугубо специфические молекулярные био-логические элементы. Эти элементы (в составе живой материи) реализуют функционально полный набор элементарных биохимических функций и операций, поэтому при их использовании живая природа может получить био-логическую функцию любой сложности. Значит, аналогом биологических функций в живой системе может служить любая биомолекула, выполняющая те функции, которые обуславливаются программной информацией, загруженной в её структуру!

Генетическая память и средства кодирования и программирования белковых молекул находятся на значительных, по молекулярным меркам, расстояниях от объектов управления (субстратов). Поэтому живая клетка вынуждена кодировать информационные сообщения и передавать их по различным каналам связи, сначала в форме линейных молекулярных цепей, а затем и в форме трёхмерных биомолекул. В связи с тем, что информация в клеточной системе записывается с помощью элементарной формы органического вещества (химических букв и символов), - нам всегда следует помнить, что кодирование информации в живой клетке постоянно и неизменно сопряжено с построением определённых молекулярных цепей и биологических структур! [3]. Молекулярное содержание этих цепей и структур напрямую зависит от той информации, которая в них загружается. Следовательно, любую биомолекулу можно рассматривать с двух различных точек зрения: или со структурной (физико-химической), или же с чисто информационной точки зрения. Это следует из принципа единства вещества, энергии и информации живой материи.

4. О молекулярной элементной базе, которая является не только строительной базой живой материи

Из биохимии уже давно известно, что все биохимические мономеры - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др. являются теми универсальными и унифицированными стандартными «строительными блоками», при помощи которых во всех живых клетках осуществляется физическое построение любых других, более крупных биологических молекул и структур (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т. д.). Образовавшиеся при этом большие макромолекулы приобретают необходимую и достаточную структурную «жесткость» и получают способность к выполнению определённых биологических функций. Заметим, что это уже достигается за счет других удивительных свойств типовых «строительных блоков» (мономеров).

Однако в биохимии и молекулярной биологии до сих пор держится ошибочное представление о молекулярных мономерах лишь только как о строительных блоках биоорганического вещества. «Макромолекулы всех белков, представляющие собой длинные цепи, построены всего из 20 разных аминокислот, расположенных в той или иной последовательности.

Аналогичным образом длинные, напоминающие цепи макромолекулы нуклеиновых кислот у всех организмов построены из небольшого числа нуклеотидов, образующих различные последовательности. Полисахариды также построены из структурных единиц только одного типа или из чередующихся единиц двух типов.

Таким образом, более 90 процентов сухого органического вещества в живых организмах составляют тысячи разнообразных макромолекул, построенных всего лишь из трех-четырех десятков различных видов простых органических молекул».

Между тем, следует отметить, что эти мономеры являются многофункциональными элементами и, благодаря своим уникальным природным свойствам играют фундаментальную роль буквально в различных биологических процессах: структурных, физико-химических, энергетических, информационных и функциональных.

Поэтому все они являются теми простыми био-логическими элементами, которые выполняют в живых системах элементарные функции молекулярной биохимической логики и информатики. По существу мы их можем рассматривать и как молекулярный алфавит живой формы материи. В связи с этим любой процесс биосинтеза макромолекул может и должен рассматриваться не только с химической, но и с информационной точки зрения, то-есть как процесс структурного кодирования и функционального программирования биологических макромолекул!

К сожалению, следует заметить, что в биохимии и молекулярной биологии до сих пор держится ошибочное представление о молекулярных мономерах только лишь как «строительных блоках» биоорганического вещества. Между тем, все они являются многофункциональными элементами и, благодаря своим уникальным природным свойствам, играют фундаментальную роль буквально в различных биологически процессах: структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и информационных.

Во-первых, все они являются теми простыми био-логическими элементами, которые выполняют в живых системах элементарные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Если вспомнить, что все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, реализующих основные функции алгебры логики и операции двоичной арифметики, то, по аналогии, можно прийти к выводу, что все информационные проблемы в живой клетке тоже решаются с помощью своих молекулярных био-логических элементов. Можно эту аналогию продолжить. Любой логический элемент представляет собой простейшую схему, структурными составляющими которой могут быть несколько дискретных компонентов: транзистор, резистор, конденсатор и диод.

Любой био-логический элемент также представляет собой простейшую «схему» (только на молекулярном уровне), структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов: водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Различные атомы типового био-логического элемента соединены между собой ковалентными связями, образуя углеводородный скелет, а также отдельные функциональные и боковые атомные группы. Наличие тех или иных функциональных и боковых атомных групп и атомов в составе каждого био-логического элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы. При этом заметим, что если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица - бит, то в живых системах каждый био-логический элемент сам играет роль элементарной, натуральной и дискретной единицы молекулярной информации.

Во-вторых. Можно сказать, что элементная база представляет собой не что иное, как тот общий молекулярный алфавит живой материи, с помощью которого во время биосинтеза макромолекул ведётся непрерывная запись информации в их молекулярные цепи. А отдельные элементы, при этом, играют роль различных химических букв или символов, с помощью которых во время записи идёт физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Входя в состав биомолекул, они определяют не только их нативную конформацию, но и обуславливают весь широкий спектр их функциональной и информационной деятельности. При помощи различных биохимических букв и символов строится молекулярная аппаратная система клетки, то есть таким способом в её структуры и макромолекулы записывается (загружается) биологическая информация. Ясно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул может базироваться только на специфических свойствах и правилах применения таких биохимических единиц.

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

Молекулярным кодированием в живой системе можно назвать процесс представления данных комбинационной последовательностью химических букв или символов.

5. Информация в клетке передается в форме различных молекулярных кодов, основу которого составляет определённый набор химических букв или символов

При этом, закодированная последовательность букв или символов любого сообщения, как правило, передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы. Информация в живой системе может быть преобразована с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую). К примеру, информация, представленная генетическим кодом в виде молекул иРНК, транслируется в информацию полипептидных цепей, которая записывается уже другим кодом - аминокислотным и поэтому имеет совершенно другой молекулярный вид. А линейная информация, записанная в форме полипептидных цепей, с помощью аминокислотного кода преобразуется в трёхмерную информацию белковых макромолекул, то есть в совершенно другую молекулярную форму (пространственную, стереохимическую).

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

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

Вследствие этого они «автоматически» становятся теми программными элементами, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической макромолекулы.

Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются био-логическими элементами в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем и во время функционального поведения макромолекулы.

Таким образом, так называемая, «самоорганизация» биомолекул, по своей сути представляет собой информационный процесс программирование функций биологических макромолекул и структур в клеточной среде с помощью элементной базы и генетической информации!

Важно отметить, что все указанные качества и свойства био-логических элементов существуют всегда и одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик позволяет био-логическим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное построение различных молекул и структур, и программное управление их биологическими функциями

Причем, естественно, что разные системы (алфавиты) элементов имеют своё специфическое назначение - структурное, информационное, программное и функциональное. К примеру, все био-логические элементы каждой системы применяются в качестве типовых строительных блоков, поэтому каждый из элементов имеет свою специфическую форму, структуру и конфигурацию, предназначенную для построения своего класса биологических молекул. Если же их рассматривать как программные элементы, то одни из них, - нуклеотиды, в основном служат для записи, хранения и передачи программной информации, а другие - аминокислоты, простые сахара и др., благодаря своим уникальным свойствам, служат для реализации программной информации.

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

Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств био-логических элементов, входящих в состав биологических молекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических молекул в клетке осуществляется благодаря применению таких био-логических единиц.

Причем, активация функций биологических молекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом с помощью линейных или стереохимических кодовых микроматриц, расположенных в структурах самих биомолекул [7].

Важно отметить, что указанные качества и свойства стали неотъемлемыми спутниками всех типовых био-логических элементов, они являются разными сторонами одной и той же молекулярной базы. А сочетание разных характеристик молекулярных элементов оказалось идеально приспособленным для выполнения различных биологических функций в живых клетках. Все без исключения биологические свойства и качества макромолекул оказались напрямую связанными с многофункциональными особенностями составляющих их био-логических элементов. Поэтому, при рассмотрении живой материи, всегда необходимо учитывать не только информационный состав различных биомолекул, но и функциональную взаимозависимость и взаимодополняемость различных характеристик составляющих их элементов. Только такое единство и «слияние» различных характеристик био-логических элементов в одно функциональное целое и их информационное содержание, делает возможным проявление тех биологических черт и признаков макромолекул, которые привыкли наблюдать биологи [6].

6. Правила применения био-логических элементов

Вспомним, что каждый логический элемент микроэлектронной техники, перед тем как выполнить свои функции, должен быть подключен к источнику питания и к соответствующим цепям общей схемы. Для этой цели каждый элемент имеет свои входные и выходные цепи. Определённая аналогия наблюдается и при подключении биохимических элементов к цепям биологических молекул. Например, каждая аминокислота, как элемент, состоит из двух частей - константной, одинаковой для всех аминокислот части, к которой относится углеводородный скелет и его функциональные группы (аминогруппа и карбоксильная группа), и вариабельной - боковой цепи (или R-группы), которая имеет в каждой аминокислоте присущие только ей природные свойства и структурные отличия. В связи с этим аминокислоты различаются между собой только боковыми R-группами, посредством которых в полипептидной цепи белка осуществляется физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации.

Для включения аминокислоты в общую полипептидную цепь используется только константная часть элемента. «Ковалентная пептидная связь образуется путём отщепления компонентов воды от аминогруппы свободной аминокислоты и карбоксильного конца пептида, поэтому аминокислотные звенья, входящие в состав полипептида, обычно называют остатками» [5]. В результате длинная ковалентная цепь состоит из монотонно чередующихся остатков константных частей био-логических элементов (аминокислот), а к каждому углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков - боковые R-группы. Таков принцип записи молекулярной биологической информации в полипептидной цепи белка в процессе трансляции генетической информации. Каждая из боковых R-групп основного остова цепи имеет одно из двадцати кодовых (смысловых) значений, поэтому аминокислотные звенья белка являются материальными переносчиками информации.