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

С кодированной информацией человек встречается на каждом шагу: в информационных технологиях, системах связи, в компьютерных технологиях, системах управления, в информационных системах живых клеток и т. д. 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.

“Информация” не является физической величиной, несмотря на то, что лежит в основе самой жизни и играет роль одной из ключевых субстанций нашего мира. Она, хотя и пользуется для своего воплощения различными материально-энергетическими носителями и средствами, тем не менее, всегда выступает в виде автономного виртуального спутника своего носителя, то есть самостоятельного нематериального (абстрактного, умозрительного, дуального) природного явления!

Поэтому кодированная информация является нематериальной (виртуальной) сущностью. Вспомним обобщение Норберта Винера, который в свое время недвусмысленно отметил, что: “Информация - есть информация, а не материя и не энергия. Тот материализм, который не признает этого, не может быть жизнеспособным в настоящее время”.

Между тем, анализ закономерностей кодированной информации приводит к твердому убеждению в том, что в основе всех явлений жизни лежит информация как универсальная нефизическая сила, определяющая не только все функциональные и биохимические процессы живого, но и обеспечивающая ведущие силы биологической эволюции живых систем!

В общем плане можно сказать, что причины функционирования живой материи кроются в специфических особенностях и характеристиках её составляющих:

1) биоорганического вещества, которое одновременно используется и в качестве материальной основы живого, и в качестве носителя молекулярной информации и энергии, в связи с чем, органическое вещество служит не только для построения биологических макромолекул и структур, но и для записи, хранения, переноса и реализации молекулярной информации (структурных и функциональных программ живого);

2) в ресурсах наследственной информации, а, следовательно, в закономерностях молекулярной биохимической логики и молекулярной информатики, применяемой живой природой в качестве инструмента для формирования живых систем, их функционального поведения и эволюции в течение более чем 3,5 миллиардов лет;

3) в потенциальной и свободной химической энергии биологических молекул; в запасенной химической энергии в виде АТФ, которая служит в живой системе в качестве аккумулятора энергии.

Ключевая роль биоорганического вещества в организации живой материи никем не оспаривалась и никогда не подвергалась сомнению, она всегда считалась естественной и очевидной. Биоорганическое вещество как основа жизни, уже давно изучается разными биологическими науками.

И ведь, действительно, мы сейчас знаем, что наследственная информация в клетке имеет дискретную химическую форму записи, поэтому она заключена в компонентах биологических макромолекул и структур живой клетки. А процесс образования энергии также представляется как синтез ещё одного вещества - АТФ. Видимо поэтому потребности живой системы (организма) всегда рассматривались как потребности исключительно в веществах. А биоорганическому веществу в построении живого всегда отводилось главное место, поэтому физико-химический подход в исследовании живой материи всегда считался единственно верным.

Особенно поражает в живых системах то, что кодированная (наследственная) информация стала той неуёмной и необузданной силой и субстанцией, которая обладает чрезвычайно высокой способностью (на основе энергии и вещества и системной организации) создавать копии самих себя (реплицироваться), развиваться, совершенствоваться и поэтому “вечно” существовать во времени и в пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия внешней среды для существования и позволяет их программа развития.

Удивительно, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии являемся лишь материальными оболочками, - биологическими объектами, приспособленными для выживания и дальнейшего воспроизводства этих информационных субстанций! [4]

Следует отметить, что природная кодированная информация, как мера упорядоченности структур и функций, является естественной характеристикой не любой, а только живой материи! По представлениям сегодняшнего дня сам факт возникновения кодирования связан не только с информационными феноменами живой материи, но и с проблемами её эволюции и другими аспектами жизни. Чрезвычайно важная роль кодирования информации связана не только с зарождением жизни на Земле, но и с её эволюционным развитием, неуемной жаждой активности, размножения и распространения.

Сейчас исследователи активно разыскивают причины появления жизни на Земле, а она лежит на поверхности. И причина эта - кодированная информация. Только она, внедрившись в интимную структуру материи, смогла стать фактором информационного оплодотворения живой материи на нашей планете!

Как мы видим, только информация, из трех составляющих живой материи, наделена чрезвычайно активной способностью проявлять себя (на основе энергии, вещества и системной организации)), - перемещаться (передаваться), размножаться, преобразовываться, самообновляться, распространяться, восприниматься, воспроизводиться, декодироваться и т. д. Ясно, что такими способностями сами по себе не обладают ни вещество и ни энергия.

18. Представление информации в живой клетке

Код, как известно, - это набор правил, раскрывающий способ представления информационных данных. Очевидно, что в живой клетке используются далеко не абстрактные алфавиты и, в связи с этим, применяются сложные многоступенчатые принципы передачи, с процессами перекодирования одного вида молекулярной информации в другой, одной формы (линейной, одномерной) - в другую (пространственную, стереохимическую). Для этой цели в клетке используются разные алфавиты и различные средства и системы кодирования и преобразования информации. Например, в процессе трансляции, информация цепей иРНК преобразуется в информацию цепей белковых молекул.

В живой клетке используются как трехпозиционные (генетический код), так и многопозиционные коды (например, аминокислотный код). Для кодирования и программирования различных классов биологических молекул используются разные системы (алфавиты) био-логических элементов - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры.

А различные буквенно-символьные кодовые последовательности в цепях применяются не только для передачи сообщений о структурной организации биологических макромолекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адресных сигналов и инструкций. Как мы видим, в живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать химическим и “стереохимическим” кодовым разделением сигналов.

Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, - то есть способ её представления. В молекулярной биологии в настоящее время утвердилось представление о применении такого кода только в случае генетического кода. Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации клетка использует разные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами [7].

Это ведёт к новому представлению о том, что в любой живой молекулярной системе для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие молекулярные биологические коды, которые служат для перевода и преобразования информации из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы в другую. При этом разные алфавиты букв и символов, при помощи которых записывается информация в различные классы биологических молекул, являются материальными переносчиками информации. К примеру, вся генетическая информация, которой располагает живая клетка, записана в структуре ДНК в виде комбинационной последовательности нуклеотидов. Поэтому ключевым аппаратом кодирования наследственной информации в живой клетке является ДНК хромосом. Нуклеиновые кислоты имеют алфавит, содержащий восемь букв: “четыре из них (дезоксирибонуклеотиды) служат для кодирования информации в структуре ДНК, а другие четыре - (рибонуклеотиды) используются для записи информации в биомолекулы РНК” [8]. Поэтому “в процессе транскрипции осуществляется перенос генетической информации от ДНК к РНК. При этом все виды РНК - иРНК, рРНК и тРНК - синтезируются в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служащей матрицей” [9]. Значит, алфавит нуклеотидов является той системой элементов, которая служит как для хранения информации в генетической памяти ДНК, так и для считывания и загрузки её в структуру нуклеиновых кислот РНК, выполняющих в клетке роль оперативной памяти. Нуклеотиды - это та система элементов, с помощью которой кодируется, хранится и передаётся генетическая информация.

Следовательно, информация в цепях ДНК и РНК записывается на языке нуклеиновых кислот. Генетический код - это набор кодовых слов (триплетов) в иРНК (а, значит, и в ДНК), кодирующих аминокислоты белков. Основанием генетического кода являются четыре различных нуклеотида. Поэтому алфавит генетического кода четырёхбуквенный, а вся информация в ДНК записывается на четырёхбуквенном языке структуры дезоксирибонуклеиновых кислот. Длина кодовой комбинации в генетическом коде равно трём. Каждый кодирующий триплет, называемый кодоном, состоит из комбинации трёх одинаковых или различных нуклеотидов и несёт дискретную информацию о соответствующей аминокислоте в полипептидной цепи белка. Каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Это свойство кода называют специфичностью или однозначностью.

Генетический код является равномерным, триплетным, так как все кодовые комбинации одинаковы по длине. Поскольку число возможных кодовых комбинаций нуклеотидов в триплете составляет 64, а почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов, то генетический код считается полным и вырожденным. Все кодоны осмыслены - 61 из 64 кодонов используются для обозначения (кодирования) двадцати аминокислот, оставшиеся триплеты являются сигнальными. То есть каждому трёхбуквенному слову (кодону) соответствует либо аминокислота, либо сигнал начала или окончания считывания. Генетический код является универсальным, практически одинаковым у всех живых организмов и непрерывающимся, так как считывание информации идёт последовательно кодон за кодоном, без “запятых и пробелов”.

Информация, записанная в форме линейных цепей нуклеиновых кислот, в процессе трансляции переводится в информацию аминокислотных цепей белковых молекул, а ключом для перевода является словарь соответствия между этими двумя языками, который носит название генетического кода. При этом новая форма информации - белковая, записывается уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Генетическим кодом, как мы видим, кодируется только первичная - “линейная” структура полипептидной цепи белковой молекулы. Однако, конкретная конфигурация - вторичная, третичная и четвертичная структуры белка кодируется и программируется уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Генетическая информация кодируется в виде последовательности нуклеотидов ДНК, - значит, все программы ДНК записаны и хранятся на линейном языке ДНК, а переписываются (транскрибируются) они на “линейную” последовательность нуклеиновых кислот РНК. Далее программная информация переводится (транслируется) с линейных цепей иРНК на полипептидные цепи белковых молекул. Этот этап характеризуется применением генетического кода и сменой молекулярного носителя информации, когда с помощью молекулярного аппарата трансляции и элементной базы строятся линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков.

19. Смена молекулярных носителей информации, как правило, сопряжена с процессами кодирования и декодирования

К примеру, аминокислотные цепи белков, с одной стороны, являются конечным продуктом процесса декодирования генетической информации, а с другой - они же являются начальным процессом кодирования стереохимической организации белковых молекул с помощью аминокислотного кода.

Аминокислотный код является именно тем молекулярным биологическим кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем воплощение и реализация генетической информации. Обратим внимание на то, что основанием аминокислотного кода являются двадцать аминокислот, различающихся между собой только боковыми атомными R-группами. Поэтому алфавит аминокислотного кода 20-ти буквенный, а вся информация в цепях белковых молекул записывается (кодируется) на 20-ти буквенном языке структуры белковых молекул.

Длина кодовой комбинации в аминокислотном коде непостоянна и порой (в живой системе) составляет десятки и сотни аминокислотных остатков. Поэтому этот код неравномерный. Число кодовых комбинаций (программных моделей), каждое из которых может передавать своё отдельное сообщение в аминокислотном коде практически неограниченно! Живые системы обычно имеют свои специфические белковые молекулы. А это означает, что различные типовые белковые молекулы имеют в своих цепях только свою, четко определённую и генетически закреплённую комбинационную последовательность аминокислотных звеньев.

Однако отметим, что хотя одна и та же информация может быть записана разными кодами, например, генетическим кодом или линейным аминокислотным, однако реализация этой информации в биологических процессах может осуществляться только при записи её в форме стереохимических кодов. Поэтому аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую структуру и информацию белковых молекул. Белки и ферменты, как носители молекулярной биологической информации, способны к её реализации только в такой трёхмерной форме. Вследствие этого информация белков носит чисто биологический характер. Подробное изучение строения глобулярных и фибриллярных белков показало, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная трёхмерная организация, которая зависит от его первичной структуры - то есть от информации, записанной “линейным” аминокислотным кодом. Поэтому аминокислотный код является тем ключом, с помощью которого осуществляется переход “линейной” формы белковой информации в стереохимическую форму.

Направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику называется коммуникацией. А коммуникативность в живой системе - это способность биологических молекул к обмену информацией через посредство общей системы символов, то есть с помощью их линейных или стереохимических кодовых матриц. По принципу взаимодополняемости микроматрицы ваимодействующих молекулярных партнёров должны комплементарно соответствовать друг другу. К примеру, локальные матрицы - активные центры служат для комплементарного (информационного) взаимодействия фермента с молекулами субстрата.

Кодовые группы активного центра обычно образуют информационные команды управления, которые могут состоять из адресных кодов, служащих для поиска молекул (или молекулы) субстрата и кода операции, который указывает характер химической реакции. Мы убеждаемся в том, что специфика молекулярных процессов в живой клетке всегда зависит от генетической информации, и в значительной степени определяется элементной базой и особенностями самих информационных процессов. Перечисленные выше коды сложны не только способами их диагностирования, декодирования и передачи, но и молекулярными (аппаратными) средствами их воплощения. Между тем, они не исчерпывают всех способов представления информации и биологических кодов, применяемых в живых молекулярных системах. В живой клетке, как мы убеждаемся, существуют и более простые коды, со своими алфавитами - символами представления информации и своими физико-химическими характеристиками [7].

Простые биологические коды применяются для кодирования и программирования других классов высокомолекулярных соединений, например, - липидов и полисахаридов, которые также играют большую функциональную и структурную роль в живой клетке. Относительно небольшое количество типовых моносахаридов (алфавита простых сахаров) кодирует структурное построение и функциональное поведение углеводов (олигосахаридов), построенных из небольшого числа моносахаридных остатков, и полисахаридов - построенных из сотен и тысяч остатков моносахаридов. Химическое и структурное строение полисахаридов однообразно: они представляют собой линейные или разветвлённые полимеры, мономеры которых связаны глюкозид-глюкозными связями. А сами макромолекулы строятся из конечного множества одинаковых или нескольких типовых элементов. Однако в их структуру во время биосинтеза, всё-таки, загружается то необходимое количество информации, которое достаточно для выполнения их биологических функций.

В молекулярной биологии макромолекулы полисахаридов и липидов не считаются информационными, то есть несущими определённую биологическую информацию. Однако это далеко не так, поскольку и в информационной технике иногда применяют простые коды. Например, простейший число-импульсный код имеет алфавит, состоящий из одних единиц. Да и в цифровой технике обширная информация кодируется всего лишь двумя цифровыми символами - единицей и нулём. В молекулярной биологии, естественно, все гораздо сложнее. Обратим внимание на то, что каждый единичный символ информации, служащий для построения полисахаридов или липидов и для записи в их структуру информации, имеет довольно сложное химическое и структурное строение. Любой типовой символ обладает своими специфическими боковыми и функциональными атомными группами и атомами, служащими для представления информации. Поэтому каждый символ простого биологического кода является достаточно информативным для управляющей системы клетки. Для кодирования и построения липидов также применяется своя система элементов - свой алфавит, состоящий из нескольких жирных кислот. Примечательно, что для физической передачи и реализации простых кодов используются и более простые ферментативные системы [7].

20. Кодирование структуры биологических макромолекул

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 сопряжено с построением определённых цепей и структур, молекулярное содержание которых напрямую зависит от той информации, которая в них загружается. Это вытекает из принципа единства вещества, энергии и информации живой материи [3].

В связи с этим, на разных этапах передачи генетических сообщений и программной информации в молекулярных биологических системах широко применяется и используется линейный принцип кодирования биологических молекул. Это и есть тот принцип, который служит инструментом для преобразования линейных цепей в трёхмерную структуру (конформацию) биологических макромолекул. Он основан на комбинационном принципе использования различных биохимических букв и символов молекулярного алфавита живой материи. Наиболее наглядным примером линейного кодирования информации являются процессы репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, когда осуществляется матричный перенос информации с одних цепей на другие. Линейный принцип кодирования в живой клетке, как правило, используется для трёхмерной организации биологических молекул.

В живой клетке функционируют только трёхмерные биомолекулы и компоненты, поэтому “одномерная” структурная информация, записанная в “линейных” молекулярных цепях должна быть преобразована в трёхмерную структурную организацию и стереохимическую информацию биологических макромолекул. Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационно-информационного преобразования биологических макромолекул.

К примеру, различные аминокислоты полипептидной цепи, по мнению автора статьи, организованны в виде отдельных комбинационных кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты цепи, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка.

В полипептидных цепях белковых молекул кодируется разнообразнейшая информация. Поэтому важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является тождественным эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы. Важно обратить внимание на то обстоятельство, что все биохимические элементы в молекулярной цепи всегда представляют собой те программные элементы, из которых на первом этапе строится алгоритм структурного преобразования любой функциональной биомолекулы.

К примеру, алгоритм конформационного преобразования белка задаётся в виде автоматного описания, заданного комбинационной последовательностью и составом кодирующих элементов (аминокислот) в “линейной” структуре полипептидной цепи. При этом, загруженные в “линейную” структуру молекулярной цепи алгоритмы - это воплощенные в последовательности элементов правила молекулярной биохимической логики, по которым занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению. Отсюда следует, что любое генетическое сообщение, перенесенное на линейную цепь биомолекулы, кодирует не только её трёхмерную структурную организацию, с различными исполнительными органами и механизмами, но и все её стереохимические кодовые (информационные) сигналы. Поэтому можно сказать, что линейный принцип кодирования используется живой клеткой ещё и как способ перевода одномерной формы молекулярной биологической информации в трёхмерную информацию биологических макромолекул [7].

Заметим, что кооперативные (информационные) взаимодействия боковых радикалов и концевых групп аминокислотных остатков “линейной” цепи вызывают формирование особых трёхмерных образований с упорядоченной внутренней и внешней структурой. Поэтому пространственный метод преобразования белка заключается в кодировании расположения полипептидной цепи в пространственной решетке. По такому принципу осуществляется пространственное кодирование белковых (как, впрочем, и других) макромолекул. Таким путём идёт формирование их структурных, информационных и функциональных молекулярных биологических средств. Причем, каждое сообщение, при передаче информации в цепи белка передаётся своим кодовым модулем (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому структура линейной кодовой посылки полипептидной цепи всегда содержит различные информационные сообщения.

Очевидно, что информация в цепи имеет свою адресную, “операционную”, структурную и текстовую (информационную) части. Следовательно, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными сигналами - молекулярными кодами и кодовыми комбинациями аминокислотных остатков [7].

В кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены:

1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата);

2) “операционная” кодовая комбинация аминокислот - служит основой формирования кода операции активного центра, указывающего характер химической реакции;

3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул;

4) текстовая часть - кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с другими биомолекулами клетки (локальные или поверхностные рельефные микроматрицы).

При помощи соответствующих ферментов и элементной базы в клетке строятся линейные цепи и других классов макромолекул, например, полисахаридов, липидов и т. д. Как мы видим, этот принцип широко используется в различных по своему характеру биологических процессах. Линейный принцип кодирования-декодирования прост, даже если в нём задействованы сложные ферментативные системы, так как запись информационных сообщений осуществляется так же, как и при любой письменности - комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Следовательно, любая молекулярная цепь в живой системе представляет собой линейное информационное сообщение, записанное химическим способом. Одни и те же сообщения могут быть записаны различными биологическими кодами, например генетическим кодом в иРНК или аминокислотным кодом в полипептидной цепи белковой молекулы.

Заметим, что эта информация носит чисто биологический характер, потому, что в процессе линейного кодирования структурная организация макромолекул кодируется путём ковалентного соединения и позиционного фиксирования соответствующих букв или символов в длинных молекулярных цепях. В связи с этим разные молекулярные цепи, с информационной точки зрения, эквивалентны различным дискретным сообщениям. Можно сказать, что линейный принцип кодирования применяется живой природой не только для передачи сообщений, но и для компактной упаковки молекулярных цепей, а значит, и информации. Именно этот принцип широко применяется клеткой для структурной организации различных биомолекул, как универсальный способ преобразования “линейных” цепей в трёхмерную структуру биологических молекул.

21. Аминокислотный код

Аминокислотный код является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он даёт представление о механизмах стереохимического кодирования белковых макромолекул. Этот код содержит набор правил перевода информации из одной её молекулярной формы (“линейной”) в другую (стереохимическую). Очевидно, что по кодовым модулям полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых макромолекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Здесь, как мы видим, - процесс стереохимического преобразования структуры и информации осуществляется аминокислотным кодом. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свои биологические характеристики.

Линейный принцип кодирования в живой системе - это и есть тот начальный путь, который ведёт от молекулярной информации к специфическим структурам и характеристикам биологических макромолекул. Информационный смысл этого процесса как раз и заключается в том, что таким способом кодируется трёхмерная организация любых биологических макромолекул. А сами процессы кодирования и программирования биологических молекул в живой клетке настолько “автоматизированы”, что даже в простых случаях мы можем лишь только предполагать, как они выглядят в действительности.

22. Программирование функций биологических макромолекул

Метод пространственного (стереохимического) кодирования основан на предварительном преобразовании линейной кодовой комбинации элементов цепей биомолекул в трёхмерную кодовую координатную организацию этих элементов и их боковых атомных групп в пространственной решетке. К примеру, линейная кодовая информация полипептидных цепей (как, впрочем, и других цепей биомолекул) всегда содержит конкретный алгоритм пространственного преобразования макромолекул.

В результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, команд управления, а также органов и механизмов их реализации. Такая организация биомолекул не обладает сильной структурной жесткостью, а всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения их биологических функций. При этом сама программа функционирования белковой молекулы (благодаря программирующим свойствам элементов) коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами элементов (аминокислот) в составе её трёхмерной структуры. А природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер.

Макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между мономерами (программными элементами). Поэтому функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке “стереохимических кодовых команд” можно было бы назвать - “программированием в стереохимических кодах” [7].

Заметим, что в результате преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов! К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые биохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия биомолекул с их молекулярными партнёрами и т. д.

В результате стереохимических преобразований, внутри макромолекулы (в её пространственной решетке) формируется специфическая пространственная координатная организация аминокислотных остатков, которая является основой построения исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. А на поверхностных участках и в углублениях макромолекулы, при этом, формируются отдельные локальные и поверхностные кодовые стереохимические микроматрицы (образованные пространственной координатной организацией боковых R-групп элементов), которые служат для информационных взаимодействий и коммуникативного общения белка с другими молекулами клетки.

Стереохимические коды и микроматрицы, представляющие собой управляющие или коммуникативные сигналы белковых (как, впрочем, и других) макромолекул, возникли в процессе эволюции живой материи и в настоящее время являются основой молекулярных информационных процессов в каждой живой клетке (организме). Все они образованы соответствующей пространственной организацией боковых атомных группировок био-логических элементов (химических букв или символов), входящих в состав кодовых сигналов. Такое динамическое информационное взаимодействие элементов в составе биологических молекул, которое особенно характерно для белковых молекул, является основой динамического механизма их биологических функций.

Биохимическая логика информационных взаимодействий, в частности, предопределяет и протекание химических реакций, так как она основана на явлениях стереохимического узнавания соответствующими ферментами различных био-логических элементов или их функциональных и боковых атомных групп и их химических связей, то есть различных химических букв, символов и знаков биологических молекул субстрата [1].

Стереохимические коды активных центров построены на основе аминокислотного кода, поэтому ферменты могут адресно взаимодействовать с молекулой субстрата и быстро находить нужную им химическую связь и связывающую группу. Кодовые компоненты активных центров ферментов могут комплементарно взаимодействовать с доступными для них функциональными или боковыми атомными группами и атомами молекулы субстрата. Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию. На этих принципах основана биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами.

Субстраты - это тот химический и информационный материал, который обрабатывается управляющей системой клетки. Таким образом, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже качественно новый скачок в использовании молекулярной информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи.

23. Стереохимическое кодирование в живых молекулярных системах служит для программирования функций различных макромолекул

Если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, то стереохимический принцип кодирования служит для программирования самих функций биологических молекул. В силу этих обстоятельств информация в молекулярной биологии приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Биологические функции возникают в процессе информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. Заметим, что стереохимическими сигналами активного центра кодируются не только адресный код молекулы субстрата, но и те функции, которые должен осуществить фермент. К примеру, код операции указывает характер химического превращения, которую должен осуществить фермент с молекулой (или молекулами) субстрата.

Поэтому стереохимическими кодами (адресными кодами и кодами операций) соответствующих ферментов программируются разные биологические функции, в том числе и функции управления различными ступенчатыми химическими реакциями - окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д.

Таким образом, оказывается, что все химические реакции в живых системах управляются только информационным путём. Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических матриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу.

А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций. Целью стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов [1]. Более чем наглядно это видно, когда такая программа реализуется в форме белков и ферментов, то есть в виде молекулярных биологических автоматов или манипуляторов. Поэтому можно сказать, что это - универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах.

Каждая активная макромолекула клетки, как молекулярный биологический программный объект, всегда состоит из функциональных биохимических элементов (данных) и физико-химических алгоритмов, определяемых биохимической логикой взаимодействия программных модулей. При этом динамическая реактивность макромолекулы связана с кооперативным изменением сил притяжения и отталкивания, поэтому свободная энергия взаимодействия элементов в составе макромолекулы, при информационном контакте с молекулярными партнёрами и определяет её функциональное поведение.

При недостатке энергии биологические молекулы способны адресно (информационно) взаимодействовать с молекулами АТФ, которые в живой клетке выполняют роль аккумулятора химической энергии. Как мы видим, стереохимический язык живой формы материи является не только средством выражения информационных сообщений, но и средством “естественного общения” биологических молекул друг с другом.

Стереохимический код - это пространственная кодовая организация элементов (букв или символов) и их боковых атомных групп в виде локальных или поверхностных биохимических микроматриц в углублениях или на поверхностных участках биологических макромолекул. Матричный принцип взаимосоответствия является основой информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Такое соответствие в молекулярной биологии можно назвать информационной функцией. Только в случае комплементарных взаимодействий биомолекул друг с другом с помощью биохимических матриц, когда обнаруживается их химическая и стерическая взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций.

То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Здесь речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул. Следовательно, можно констатировать, что стереохимические коды - это те молекулярные коды, которые непосредственно участвуют в формировании биологических функций и реализации химических превращений. Собственно, - это и есть те разыскиваемые коды соответствий биологических молекул, которые являются основой их информационного взаимодействия, а затем и функционального поведения.

Стереохимическими кодами - пространственной организацией элементов в трёхмерной структуре, программируются функции, поведение и биологическая судьба не только белковой, но и любой другой биологической молекулы клетки. Таким путём кодируются и программируются все их биологические механизмы и функции.

Так как все функции в молекулярной биологии возникают и формируются информационным путём, то это может означать лишь одно, - вся технология биологических процессов основана на генетической информации и применении различных молекулярных алфавитов живой формы материи. А само информационное сообщение в молекулярной биологии приобретает смысл через функцию, которую оно кодирует. Поэтому в живой молекулярной системе, под выполнением функций, с кибернетической точки зрения, должно пониматься исполнение белковыми молекулами (или другими функциональными молекулами клетки) различных информационных команд, директив, инструкций и сообщений, записанных в их молекулярной пространственной структуре. Все эти сообщения имеют дискретный характер и записываются стереохимическими кодами.

Поэтому можно сказать, что основной целью стереохимического кодирования и программирования биологических макромолекул является:

1. Передача в трёхмерных структурах биологических молекул различных сообщений со стереохимическим кодовым разделением сигналов.

2. Передача адресных сигналов стереохимическими кодами, которые удовлетворяют требованиям самых разнообразных сообщений.

3. Программирование работы молекулярных органов и исполнительных механизмов, определяющих функции биологических молекул.

4. Повышение помехоустойчивости информационных сообщений путём применения комплементарных обратных связей, при взаимодействии биологических молекул друг с другом с помощью их биохимических матриц.

Потому живые клетки являются системами с информационной обратной связью (так как управляющий код, к примеру, фермента сверяется с сигнальным кодом субстрата по принципу их химической и стерической комплементарности). Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды.

5. Повышение достоверности передачи сообщений, так как ошибочное замещение одной аминокислоты на другую в любом стереохимическом коде, как правило, ведёт к “потере” информационного сигнала белковой молекулы. 6. Повышение надёжности передачи за счет многократной циклической передачи одной и той же информации (в структурах типовых биомолекул, например, белковых). Следовательно, эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых белковых (и других) биомолекул.

7. Возможность регуляторного воздействия на управляющие стереохимические коды макромолекул путем “разрешения или запрета” на прохождение управляющих команд (при помощи регуляторных молекул обратных связей).

8. Экономное использование различных компартментов и каналов связи, так как живая клетка является многоканальной системой самоуправления. Такое стереохимическое кодовое разделение сигналов позволяет белку динамически и информационно взаимодействовать с различными молекулярными партнёрами: с транспортными молекулами, с коферментами, с мембранами клетки, с АТФ, с регуляторными молекулами, с партнёрами по агрегатированию и т. д.

В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке “стереохимических кодовых команд” можно было бы назвать - “программированием в стереохимических кодах”. Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических молекул - это и есть тот путь, который непосредственно ведёт от молекулярной информации к биологическим характеристикам живой формы материи. Нам до сих пор неясен и непонятен этот древнейший язык живой природы, который, по всей вероятности, является не только средством молекулярного “общения”, но и формой выражения биологической сущности живой материи.

Ясно, что, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже качественно новый скачок в использовании молекулярной информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи. И если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, то стереохимический принцип кодирования служит для программирования самих функций биологических макромолекул. В силу этих обстоятельств информация в молекулярной биологии приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует.

Биологические функции возникают лишь в процессе информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. Уже достаточно давно известно, что генетическим кодом можно пользоваться для установления последовательности аминокислот, закодированной в последовательности нуклеотидов иРНК. Следовательно, можно пользоваться и любым другим молекулярным биологическим кодом для установления эквивалентных информационных соответствий. Придёт время, и мы полностью убедимся в том, что в основе всех проявлений жизни лежат только те биохимические процессы, которые управляются молекулярной информацией, представленной в “линейной” химической или стереохимической форме. А воспроизведение и движение биологической формы материи осуществляется под руководством генов, путём использования типовых систем био-логических элементов, с применением различных средств и способов кодирования и перекодирования молекулярной информации.

24. Только информация представляет в живой системе тот феномен, который дарит живой материи те биологические характеристики и свойства, которые давно наблюдают биологи

Поэтому, важно подчеркнуть, что процессы размножения никогда не являлись свойством материи (или вещества ДНК) или энергии, они всегда относились только к специфическим свойствам и особенностям самой кодированной информации, вследствие чего, процесс размножения является составной частью информационных процессов в живых системах!

Как это происходит? В процессе размножения, то есть в процессе “самовоспроизведения”, увеличивается число задействованных кодовых био-логических элементов ДНК (обозначающих триплетов), в связи с этим увеличивается и “количество” материального носителя, то есть происходит приумножение обозначающих объектов при неизменном количестве обозначаемых объектов. К примеру, согласно гипотезе Уотсона - Крика, каждая из цепей двойной спирали ДНК служит информационной матрицей для репликации комплементарных дочерних цепей. При этом образуются две дочерние двухцепочечные молекулы ДНК, идентичные родительской ДНК, причем каждая их этих молекул содержит одну неизменную цепь родительской ДНК. Здесь наглядно видно, что благодаря информации родительской ДНК, происходит приумножение информации на дочерних молекулах ДНК с одновременным приумножением вещества - новых дочерних молекул ДНК, выступающих в качестве носителя скопированной, то есть размноженной информации. Причем, сами множительные действия являются составной частью информационных процессов живой клетки. По такой схеме происходит приумножение, как самой информации, так и вещества - её носителя.

“Поэтому, как правило, множительные действия являются составной частью процесса приумножения информации. Тем не менее, при определенных обстоятельствах выделение процесса размножения в отдельную операцию не только целесообразно, но и настоятельно необходимо. А сам процесс размножения выполняется путем копирования информации при обязательном наличии экземпляра, “работающего” как оригинал” [3]. Вспомним, например, аналогичные процессы транскрипции или трансляции генетической информации. То есть процесс размножения это чисто информационный процесс, а приумножение вещества-носителя информации является результатом (следствием) или продуктом этого процесса! В силу этих обстоятельств движение живой (биологической) формы материи может осуществляться только под руководством генетической информации.

Следовательно, ДНК, “по человеческим понятиям”, - это не информация, а дезоксирибонуклеиновая кислота, которая в живой природе применяется в качестве носителя наследственной информации. А вот от того, какая наследственная информация закодирована на этом носителе будет зависеть, какой организм будет развиваться на основе этой информации. К примеру, ответ на вопрос, кто вылупится из яйца - цыпленок или змея, страус или крокодил (?) определяет не ДНК, а обуславливает только та молекулярная наследственная информация, которая закодирована в её материальных структурах.

Поэтому самым наглядным примером могущества информационного дуализма, является точное копирование (размножение) генетической информации и передача её от поколения к поколению, следствием которой является процесс репликации - то есть процесс приумножения нуклеиновых кислот как новых носителей информации. Сейчас же этот процесс трактуется биологами довольно просто, как “самовоспроизведение макромолекул нуклеиновых кислот”. Между тем, объяснение жизни может базироваться только на общности материальных и информационных закономерностей, которые присущи всем живым системам. Но беда в том, что биологи до сегодняшнего дня не могут разобраться с информационными закономерностями живого, несмотря на то, что в нашу жизнь повсеместно ворвался век технической информатики.

Ясно, что процесс размножения (самовоспроизведения) присущ и практически возможен только для кодированной информации, но не для материи (вещества) или энергии. Только благодаря тому, что кодированная информация является составной частью (триады) живой материи, биологическая форма материи приобретает свойства “самоуправления, саморегулирования и самовоспроизведения”. “Общая теория информации утверждает, что смысловым критерием развития живой природы является создание все новых и новых устойчивых, упорядоченных материальных форм, а инструментом этого созидательного процесса является информационный дуализм” [2].

Только информационные ресурсы и закономерности позволяют веществу, энергии и информации в живой системе циркулировать, обновляться, воспроизводиться и создавать новые биологические реальности. Вполне очевидно, что основной причиной движущих сил эволюции, порождающих необузданную генерацию живого, и ошеломляющее разнообразие жизни являются, - ресурсы наследственной кодированной информации [4]!

Кодированная информация, сохраняемая в любой записи, может считываться и передаваться на расстояние, записываться и вновь воспроизводиться без потерь, то есть формы её существования могут переходить одна в другую многократно. Информация, записанная любым способом на носителе, с течением времени может разрушаться под действием коррозии носителя и других физико-химических факторов. Потери информации также могут происходить при её передаче под действием помех и т. д. Информация сохраняет свое значение в неизменном виде, пока остается в неизменном виде носитель информации - память. Однако в природе нет памяти с бесконечным временем существования, поэтому срок “жизни” носителя (памяти), как правило, и определяет время существование информации.

Между тем, кодированная информация, благодаря уникальным способностям к смене своего носителя (например, генетическая), приобретает воистину удивительные способности - “вечности своего существования”! Поэтому можно сказать, что информация, хотя и зависит от многих факторов, однако она способна существовать неограниченно долго, что явно свидетельствует о том, что информация не зависит от времени своего существования. Это еще одно важное подтверждение того, что информация как сущность - нематериальна.

Не удержусь от соблазна заметить, что в уникальной способности информации к вечному существованию заложена и потенциальная вероятность продления жизни любого живого существа, в том числе и человека.

Отметим еще одно из замечательных закономерностей кодированной информации. А именно: информационным ресурсам всегда характерно постоянное движение, воспроизводство и обновление. Поэтому процессы размножения живых систем непосредственно связаны с удивительной способностью ресурсов наследственной информации к процессам самообновления, самовоспроизведения, развития и размножения. Очень важно, что только эти процессы обуславливают способность живых существ к продолжению рода в дочерних системах (в новых поколениях), путем применения новых материальных носителей для информации.