Триада жизни (вещество, энергия, информация)

Главная заслуга живой материи, видимо, и заключается в том, что с её «лёгкой руки», информация, зародившаяся в её недрах, вырвалась как джин из сказочной бутылки! Она стала той неуёмной и необузданной 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 пространстве. По крайней мере, до тех пор, пока имеются источники энергии и вещества, подходящие условия для существования и позволяет их программа развития. Вот и получается, что все мы: люди, животные, растения и даже бактерии представляем собой, ничто иное, как информационные субстанции в молекулярно-биологическом воплощении. И ничего тут не поделаешь, - просто на Земле информационные субстанции существует в таких видах и формах, которую они формируют на базе своей первичной (генетической и клеточной) информации и имеющейся на Земле материи. В силу этих обстоятельств, можно утверждать, что Жизнь, - это особая системная форма движения, воспроизведения и генерации информации, которая осуществляется на базе использования энергии и вещества. Поэтому первый, фундаментальный уровень развития информационных субстанций и их технологий на нашей планете был реализован на молекулярно-биологической основе. С тех пор важнейшей сущностью на Земле стала информационная субстанция, а информация как одна из главных составляющих нашего мира действительно стала основой нашего мироздания [12].

По всей вероятности, в этих процессах скрываются причины и механизмы биологической эволюции на нашей Земле. А вещество, энергия и информация - это та триада жизни, без которой организация и движение живой материи немыслима. 6. Физико-химические основы представления молекулярной информации. Как известно, любой био-логический элемент представляет собой простейшую «схему», структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов - водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Различные атомы типового био-логического элемента определённым образом соединены между собой ковалентными связями, образуя углеводородный скелет, а также отдельные функциональные и боковые атомные группы. Наличие тех или иных функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе биомолекулы. Каждый элемент характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в молекулярные цепи. Кроме того, каждый элемент имеет свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, по мнению автора статьи, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала. Поэтому, если в информационных технических системах наиболее широкое применение находят электрические сигналы, с переносчиком в виде импульсного тока или напряжения, то в молекулярно-биологических системах, в качестве элементарных сигналов, используются химические сигналы различных био-логических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. с переносчиком в виде их боковых атомных групп. На этот момент следует обратить особое внимание, так как он является одним из ключевых в молекулярной биологической информатике. Отсюда следует, что элементарной единицей информации в биологической макромолекуле является любой био-логический элемент, входные и выходные цепи (функциональные группы) которого служат для фиксации элемента в молекулярной цепи, а боковая атомная группа и является тем физико-химическим сигналом, с помощью которого осуществляется воплощение информации, то есть кодовая форма записи информации. Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - «боковые» атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Таким образом, живые молекулярные системы используют химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве единиц молекулярной биологической информации. К примеру, каждая из 20 типовых аминокислот, - кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и химических свойств. Причем, аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями - R-группами. Поэтому они подразделяются в зависимости от структурной конфигурации боковых атомных групп их химических свойств и особенностей. По характеру заряженности боковых R-групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: «на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом. Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме R-групп» [1].

Кстати, напомним, что в цифровой технике для кодирования информации обычно применяются отрицательные, положительные и нулевые электрические сигналы. В соответствии с этим промышленностью выпускаются серии логических элементов положительной или отрицательной логики, которые срабатывают соответственно только от положительных или только от отрицательных потенциалов (импульсов). В живой системе, как мы видим, для представления информации применяется более широкий спектр физико-химических свойств и структурных особенностей различных био-логических элементов. В связи с этим, необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и особенностей различных элементов является базовой основой сигнальной формы представления молекулярной биологической информации. Поэтому носителями единичной информации в биологических молекулах являются биохимические элементы, а их специфические боковые атомные группы - это и есть те элементарные химические сигналы, при помощи которых осуществляется кодирование, передача, а также реализация информации в различных биологических процессах. Ясно, что всё разнообразие информационных сил, связей и взаимодействий в живой системе может базироваться только на применении типовых био-логических элементов, представляющих собой не только элементную базу живой формы материи, но и её общий молекулярный алфавит, с помощью которого производится воплощение генетической информации. Итак, химические буквы и символы общего алфавита (био-логические элементы) живой клетки являются натуральными единицами молекулярной биологической информации. И если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица - бит, то в живых системах каждая буква или символ является элементарной и натуральной единицей молекулярной информации. Хотя информация, как важнейшая сущность нашего мира, явление, в целом, глобальное и пока неподдающееся философскому определению, однако в молекулярной биологии, как мы видим, это понятие приобретает своё специфическое смысловое наполнение. Напомним, 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. Аминокислоты - это именно те элементы, с помощью которых производится запрограммированная последовательность операций во времени, приводящая к трехмерной организации белковых молекул. Алгоритм взаимодействия между аминокислотами и молекулами воды в составе полипептидной цепи на первом этапе определяет нативную конформацию белковой молекулы. На втором этапе этот алгоритм уже определяет процесс информационного взаимодействия белка с его молекулярными партнерами, а на третьем - обуславливает функциональное поведение самой белковой молекулы. Для включения аминокислоты в общую полипептидную цепь используется только константная часть элемента. «Ковалентная пептидная связь образуется путём отщепления компонентов воды от аминогруппы свободной аминокислоты и карбоксильного конца пептида, поэтому аминокислотные звенья, входящие в состав полипептида, обычно называют остатками» [1].

В результате длинная ковалентная цепь состоит из монотонно чередующихся остатков константных частей био-логических элементов (аминокислот), а к каждому углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков - боковые R-группы. Таков принцип записи молекулярной биологической информации в полипептидной цепи белка в процессе трансляции генетической информации. Каждая из боковых R-групп основного остова цепи имеет одно из двадцати кодовых (смысловых) значений, поэтому аминокислотные звенья белка являются материальными носителями информации. Кратко рассмотрим пример записи информации в молекулярных цепях ДНК или РНК с помощью другой системы элементов - нуклеотидов. Каждый нуклеотид, как био-логический элемент, также состоит из двух частей - константной, к которой относится пятиуглеродный сахар и фосфорная кислота, и вариабельной - азотистого основания, при помощи которого, как известно, кодируется и передаётся генетическая информация. Следующие друг за другом нуклеотиды соединяются с помощью фосфодиэфирной связи, поэтому ковалентные остовы цепей нуклеиновых кислот состоят из монотонно чередующихся константных частей биохимических элементов (нуклеотидов) - фосфатных и пентозных групп, а азотистые основания «можно рассматривать как боковые группы, присоединённые к остову на равных расстояниях друг от друга» [1].

Здесь также наглядно видно, что длинный остов молекулярной цепи выполняет роль носителя информации, на котором в виде различных вариабельных групп (азотистых оснований) записана генетическая информация. Фиксированный порядок следования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает живая клетка. Становится очевидным, что линейная последовательность любых биохимических элементов в молекулярной цепи всегда представляет собой химическую запись определённой биологической информации. Указанные примеры говорят о существовании общих закономерностей молекулярной биохимической логики и наличии общих принципов и правил применения и использования различных био-логических элементов (химических букв и символов) в живых системах. Известно, что в цифровых технических устройствах широко используются цифровые коды. В основу правил соответствия кодовых комбинаций числам цифровых кодов положены математические системы счисления. В зависимости от значения основания кода, коды называются двоичными, троичными, десятичными и т. д. Однако, компьютеры обрабатывают не только числовую, но и различную алфавитно-цифровую информацию, содержащую помимо цифр, буквенные, синтаксические и математические символы. Совокупность всех этих символов образует алфавит входного языка машины. Поэтому необходимость ввода, обработки и вывода алфавитно-цифровой информации требует выбора определённой системы кодирования. Наибольшее распространение в компьютерах получило кодирование алфавитно-цифровых символов 8-разрядными байтами. Очевидно, что использование клеткой разных систем био-логических элементов также приводит к необходимости кодирования одних химических букв, символов или знаков через алфавитную систему других. Ясно, что в живой клетке используются свои специфические коды. Причем, автор данной статьи считает, что кодирование живой материи начинается с самого низкого - субмолекулярного уровня её организации, затем поднимается до уровня биологических макромолекул и клеточных структур и далее выходит на другие уровни организации живого. Наша задача рассмотреть субмолекулярные и молекулярные уровни организации, так как только они являются фундаментальными основами биологической формы движения материи. К примеру, для идентификации химических знаков - типовых атомных групп и атомов био-логических элементов имеются свои стереохимические коды, образованные пространственной организацией аминокислот, встроенных в активные центры соответствующих ферментов. При этом в основу правил соответствия кодов активного центра различным символам или их знакам (типовым атомным группам и атомам), также положена их химическая и стерическая комплементарность. Очевидно, что если путём манипуляции атомные группы одних элементов переносятся на другие элементы, то следует считать, что это ничто иное, как процесс перекодирования био-логических элементов. Таким способом живая клетка регулирует и восполняет резервы нужных элементов. А сами био-логические элементы (химические буквы и символы) становятся теми молекулярными единицами, с помощью которых кодируется структурная организация биологических молекул. Поэтому, точно так же, как с помощью химических знаков кодируется структурная организация (построение) различных химических букв и символов, точно по такому же принципу, с помощью букв и символов кодируются различные цепи биологических молекул.

Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код - то есть способ её представления. Поэтому любой код является ключом для перевода одного вида информации в другой, или одной формы в другую. Со всей очевидностью, следует констатировать, что каждая буква или символ (био-логический элемент) и каждый химический знак био-логического элемента в живой клетке (по аналогии с кодированием букв, символов и знаков в компьютере) получает своё кодированное обозначение! К примеру, генетическим кодом (тройкой нуклеотидов в иРНК, а значит, и в ДНК) кодируется каждая из 20 типовых аминокислот белковых молекул. 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). Понятие «генетический код» часто упоминается в молекулярной биологии, поскольку оно лежит в основе представления о механизме биосинтеза белка. 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 молекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адрасных 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 [11].

Однако «код» - это одно из основных понятий информатики, которое определяется как ключ для перевода информации из одной формы в другую. Таким образом, процесс преобразования информации в совокупность символов, определяемую кодом, называется кодированием. 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 [8]. Это ведёт к новому представлению о том, что в любой живой молекулярной системе для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие 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» [1]. 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» [3]. 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. Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых биомолекул. Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, и представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления, регулирования и контроля химических превращений и реализации различных молекулярных и других био-логических функций. Однако в живой клетке, как правило, функционируют только трёхмерные биомолекулы и структуры, поэтому полипептидные цепи, с помощью аминокислотного кода, должны быть преобразованы из линейной формы в пространственную - стереохимическую. Поэтому второй информационный уровень организации белковых молекул - пространственный, осуществляется уже при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые R-группы тех аминокислот, которые в цепи связаны ковалентно, способны к слабым информационным взаимодействиям с другими боковыми R-группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами и атомами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям относятся слабые: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в пространственную структуру и стереохимическую форму информации белковых молекул. Cвязывание взаимодействующих молекулярных структур, как правило, многоточечное. Оно осуществляется за счет участия многочисленных боковых атомных R-групп программных элементов, входящих в состав полипептидной цепи, то есть за счет информации. В результате таких преобразований «одномерная» молекулярная информация полипептидных цепей «сворачивается, пакуется и сжимается» в трёхмерную информацию белковых молекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам и компартментам, а затем, и для непосредственного использования в различных биологических процессах. Заметим, что эти информационные силы и связи определяют не только степень прочности белковых макромолекул, но обуславливают и их функциональные возможности. Поэтому информация в молекулярной биологии справедливо воспринимается как средство, позволяющее макромолекулам клетки не только нести ту или иную биологическую информацию, но и использовать её и для структурного построения, и для функционального поведения. С этой смысловой биологической точки зрения её и следует рассматривать. Фактор расстояния в живых системах позволяет рассматривать белковые и другие биомолекулы как средство дистанционной передачи необходимых инструкций, сообщений, команд, а также исполнительных органов и механизмов их реализации. То есть по такому принципу в живой клетке (и организме) осуществляется «телеуправление» различными рассредоточенными молекулярными объектами управления (субстратами). Наличие в структурах белковых макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей взаимодействия (обусловленных R-группами составляющих их элементов), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг макромолекулы образуется специфическое силовое «информационное поле». Это поле способно влиять как на структуру самого белка, так и на его микроокружение. Поэтому белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными R-группами аминокислотных остатков. А лабильность самой полипептидной цепи в пространственной решетке, с её многочисленными боковыми R-группами элементов, позволяет осуществлять не только точную комплементарную «подгонку» внутримолекулярных структур, но и «подгонку» локальных или поверхностных структур, взаимодействующих друг с другом биомолекул. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных белковых молекул, это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы (линейной) в другую (стереохимическую). Линейный и пространственный элементарный состав белков определяется генами, а каждый био-логический элемент (аминокислота) в составе белковой молекулы тождественно может выполнять различные роли - как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки - белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. И главное, в результате стереохимических 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 [4]. 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 стереохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия белковых молекул с их молекулярными партнёрами и т. д. 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. Поэтому природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику белковой макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер. Нативная белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между аминокислотами (программными элементами). А в результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [4]. Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции. Как мы видим, в «молекулярной информатике» открывается большое поле деятельности для исследования информационных путей построения и программного поведения белковых молекул. В различных ситуациях связующим звеном между управляющей системой и управляемым процессом в живой клетке служат рецепторы информации - активные центры (или другие коммуникационные сигналы) и исполнительные органы и механизмы ферментов или других функциональных белков. Работа биологических рецепторов только в некоторой степени напоминает работу датчиков информации, которые используются в технических системах. Биологические рецепторы, например, ферментов сами осуществляют поиск, приём и рецепцию субстратной информации, что, по своей сути, является актом запрограммированного поиска объекта управления (молекулы субстрата), с «запросом» его информации. Нативная макромолекула белка вне информационного воздействия находится в исходном равновесном состоянии. Каталитический центр фермента становится активным и готовым к выполнению команды управления лишь с момента рецепции молекулы подлинного субстрата. Рецепция информации осуществляется активным центром фермента за счет полного соответствия его адресного и каталитического кодов химическим кодовым группам субстрата, и благодаря их комплементарным физико-химическим, стерическим и слабым энергетическим взаимодействиям - электростатическим, гидрофобным, водородным, вандерваальсовым и др. А для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать необходимо, прежде всего, стерическое, пространственное соответствие. Как считают биологи, субстрат присоединяется к активному центру фермента, который геометрически и химически представляет собой как бы негативный отпечаток молекулы субстрата, то есть - комплементарен ей. А с информационной точки зрения - это процесс рецепции кодовых компонентов и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому рецепция и приём осведомляющей кодовой информации субстрата заканчивается подключением его молекулы, через контакт «устройства комплементарного сопряжения» активного центра, к управляющим органам и механизмам фермента. В связи с этим, взаимодействие и контакт реагирующих белков и молекул в живой системе является событием информационным, генетически обусловленным, а не случайным как, например, при взаимодействии молекул в чисто химической реакции. Таким образом, фермент-субстратные взаимодействия можно представить в виде информационной модели, основанной на стереохимических принципах и правилах молекулярной биохимической логики.

Ферменты обладают своей программой «осязательного» распознавания кодовых компонентов молекул субстрата, которые комплементарны по химическим и стерическим (геометрическим) характеристикам их активному центру. Адресный код и код операции каждого типового фермента имеет свой элементарный состав и индивидуальное пространственное расположение боковых атомных группировок в активном центре, поэтому изучение стереохимических кодов белковых молекул является одной из многих задач молекулярной биологической информатики. Процесс рецепции информации подлинного субстрата, осуществляемый активным центром фермента, вызывает конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе, при которых кодовые химические группы фермента и молекулы субстрата занимают самое оптимальное положение для прохождения каталитической операции. Важно отметить, что подключение объекта управления (молекулы субстрата), через кодовый стереохимический контакт комплементарного сопряжения, ведёт к индукции электронно-конформационного возбуждения фермент-субстратного комплекса. Присоединение подлинного субстрата сначала ведёт к переброске электронов и протонов между ферментом и молекулой субстрата, усилению электронной перестройки вдоль сопряженной системы связей, что соответственно приводит к возбуждению фермент-субстратного комплекса и, как итог, благодаря подвижным водородным связям, ведёт к динамическим конформационным сдвигам и срабатыванию «силового молекулярного привода» аппарата химического катализа фермента. Эти механизмы обеспечивают ферменту не только химическую, но и динамическую реактивность и, как результат, - автоматический режим его работы [4]. Динамическая реактивность фермента, при взаимодействии фермента с субстратом, создаёт напряжение, то есть ориентирует и фиксирует взаимодействующие химические группы таким образом, что это создаёт механическую составляющую, которая снижает энергию активации и способствует эффективному прохождению реакции. Можно считать, что, в рамках сделанных допущений, информационная модель описывает процесс управления химической реакции, ведущий к образованию продуктов реакции. Образование продуктов реакции сопровождается нарушением их физико-химического соответствия управляющим кодовым компонентам фермента, а это приводит к возврату фермента в исходное состояние. Фермент, как взведённая пружина, возвращаясь в исходное состояние, способствует выбросу продуктов реакции из активного центра. Этап фермент-субстратного взаимодействия является заключительным фрагментом биокибернетического управления, указывающим на единство процессов управления и информации в живой клетке. Заметим также, что клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в роли молекул обратной связи. Пример управляемости химических реакций можно обобщить. Достаточно вспомнить, что за каждой из тысяч химических реакций, протекающих в клетках, скрывается свой фермент - молекулярный автомат с программной биохимической логикой управления. Сигнальная (структурная, осведомляющая) информация субстратов служит для информирования управляющей системы о состоянии управляемых объектов, о ходе реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. Именно переключение состояний био-логических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, обеспечивает те функциональные физические процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул! А порядок и последовательность этих функциональных и динамических проявлений осуществляется той программной информацией, которая заранее была загружена в их структуры. Возникшие конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе сопровождаются разрывом или образованием химических связей субстрата, которые происходят с высвобождением или затратой энергии. В случае необходимости эти процессы поддерживаются химической энергией в форме АТФ. Быстрому протеканию ферментативной реакции способствует высокая химическая и динамическая реактивность фермента. Высокая химическая реактивность обеспечивается режимом полифункционального катализа, когда на превращаемую химическую связь субстрата одновременно действует стереохимическая комбинация различных каталитически активных химических группировок активного центра (код операции) фермента. Интересным фактом здесь является то, что белковые молекулы стереохимическим способом решает сразу две задачи, - информационной коммуникации и полифункционального катализа. Отличительной особенностью белков клетки является их способность адекватно и сходным образом отвечать на довольно слабые информационные воздействия, достаточно мощными обратимыми конформационными изменениями. В этом, видимо, и заключается основа и сущность их биологической активности. Способность белка индуцировано возбуждаться и адекватно отвечать на сигнальную информацию изменением своей конформации является специфической особенностью. Конформация фермента меняется при взаимодействии его с субстратом, молекула гемоглобина - при соединении с кислородом, конформационные изменения обеспечивают функционирование сократительных белков и т. д. Способность ферментов и других белков клетки автоматически отвечать на слабые информационные воздействия, довольно мощными обратимыми конформационными изменениями, используется клеткой практически для всех биологических функций. 7. Действие биологических информационных сигналов. Известно, что смысл действия информационных сигналов и сообщений, как правило, сводится к включению или выключению «силовых управляющих органов и механизмов». В молекулярной биологической системе эти функции обычно выполняются ферментами или другими белками, но, заметим, - только на молекулярном уровне. Здесь управление химическими реакциями осуществляются не только за счет высокой химической реактивности ферментов, но и за счет их высокой реактивности динамической. При этом любая молекула субстрата воспринимается соответствующим ферментом как биологический объект управления, подлежащий химическому и динамическому (механическому) воздействию. А сам объект управления (субстрат), воспринимающий эти воздействия, является «нагрузкой», как для аппарата химического катализа фермента, так и для его «силового молекулярного привода». Таким образом, фермент действует на молекулу субстрата с помощью химических, динамических (механических) и информационных средств.

Благодаря стереохимической форме представления информации ферменты способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач: 1) динамический поиск молекул субстрата (объектов управления) по их сигнальным (информативным) структурам; 2) приём осведомляющей информации молекул субстрата и подключение их, через матричный контакт устройства комплементарного сопряжения, к управляющим органам и механизмам фермента; 3) рецепцию кодов осведомляющей информации молекулы (или молекул) субстрата и проверку их на комплементарное соответствие управляющим сигналам - адресному коду и коду операции фермента; 4) запуск силовых молекулярных электронно-конформационных механизмов фермента, через контакт устройства «комплементарного сопряжения» фермента с субстратом. Стереохимический контакт управляющих и сигнальных кодовых компонентов фермента и субстрата является достаточной информационной формой воздействия на исполнительные органы и механизмы фермента. Сдвиги зарядов макромолекулы, во время взаимодействия её с молекулой субстрата, определяют динамическую реактивность фермента и ведут к снижению энергии активации и ускорению прохождения химической реакции, то есть к реализации кода каталитической операции [4]. Очевидно, что весь смысл прохождения генетической информации заключается в управлении ферментами различного рода химических реакций или в выполнении белками определённых биологических функций. Поэтому все генетически детерминированные функции управления на расстоянии в клеточной системе выполняются управляющими автоматами, то есть ферментами и белками. Динамическая организация белков включает в себя весь необходимый и достаточный набор информационных, управляющих, программных и энергетических средств, наличие которых указывает на несомненную принадлежность ферментов и других функциональных белков клетки к категории молекулярных биологических автоматов или манипуляторов с гибким программным управлением. Причем ключевые ферменты вполне можно отнести к категории полных автоматов с авторегулированием, так как после окончания рабочего цикла они не только начинают его вновь самостоятельно, но и могут регулировать прохождение химических реакций с помощью сигнальных или регуляторных молекул обратной связи. Известно также, что некоторые ферменты и белки программно объединяются между собой или с молекулами РНК в агрегатированные автоматы и становятся способными к выполнению сложнейших биологических функций. К молекулярным агрегатам такого рода можно отнести ДНК и РНК-полимеразы, рибосомы, АТФ-синтетазу и т. д. Причем, каждый из этих, иногда довольно сложных аппаратных устройств, приспособлен выполнять определённую последовательность команд и био-логических операций, то есть, способен реализовать какие-то алгоритмы биологической деятельности. Поэтому и в данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций. Таким образом, живая клетка сама «проектирует», создаёт и применяет для дистанционного управления высокоэффективные автоматические молекулярные средства с программным управлением. Только благодаря молекулярным биологическим автоматам, манипуляторам и агрегатам управление всеми клеточными процессами полностью «механизировано и автоматизировано», информационно скоординировано и осуществляется в полном соответствии с теми генетическими программами, которые перенесены и загружены в их молекулярную структуру. Теперь уже не вызывает сомнений, что причиной упорядоченной организации живой материи является системная организация и высокая информационная насыщенность взаимодействующих биологических молекул, несущих как управляющую информацию - адресные и функциональные коды белков и ферментов, так и сигнальную осведомляющую - химические коды субстратов. Информационная молекулярно-биологическая система самоуправления клетки - это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, который, с одной стороны, осуществляет управление различными химическими процессами и биологическими функциями, а с другой - занимается реорганизацией и реконструкцией своих же биологических структур и компонентов. Поэтому ферменты и другие функциональные белки используются клеткой в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы. Как мы видим, живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Посредством оперативной памяти иРНК, молекулярного алфавита и соответствующих аппаратно-программных средств (трансляции) информация загружается в структуру белковых молекул, где она диктует биомолекулам не только структурное содержание, но и правила их поведения. Таким образом, циркуляция информации в клетке определяет не только структурную, но и программно-содержательную часть всех компонентов клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями. Для этих целей клетка имеет все необходимые механизмы и устройства для получения предшественников и синтеза из них молекулярной элементной базы. Обмен веществ в своей основе является основным механизмом, который задействован для получения энергии и синтеза элементной базы. Поэтому информация является ведущей и движущей силой, определяющей ход как метаболических, так и энергетических процессов живой системы. Таким образом, единство вещества, энергии и информации в живой клетке обеспечивает все биологические свойства, присущие живой материи. Только эта триада составляющих в их разнообразии, взаимопроникновении (слиянии) и взаимодействии способна предопределить в клеточной системе не только феномен физико-химического движения вещества с его обменом, но и движение энергии и информации как главных факторов живого состояния. Очевидно, что все взаимоотношения этих трёх составляющих жизни в функциональном плане нельзя изучать отдельно друг от друга, так как долевое участие вклада каждого из составляющих в системную организацию живого велико и практически немыслимо без каждого из них. Причем, биоорганические структуры живой системы являются не только вещественным наполнителем системы, как это декларируется сейчас. Ясно, что они всегда были, будут и являются носителем молекулярной информации. Их структурный состав всегда определяется генетической информацией. Поэтому биоорганическое вещество повсеместно служит не только средством воплощения, но и орудием реализации биологической информации. В связи с этим, многим исследователям уже давно стало ясно, что наступила пора устранить возникшую историческую несправедливость. В молекулярной биологии настало не только время, но и возможность научно обобщить и обосновать ключевую роль молекулярной информации в организации живых систем и навсегда узаконить её фундаментальное значение во всех проявлениях жизни.

Список литературы

1. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах. М: Мир, 1985.

2. Генетика и наследственность. Сборник статей. Перевод с французского. М: Мир, 1987.

3. Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. в 3-х томах. М: Мир, 1988.

4. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки живой клетки - это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 13.12.2006г.

5. Биохимия. Учебник для институтов физической культуры. Под редакцией В. В. Меньшикова, Н.И. Волкова. М: Изд. «Физкультура и спорт, 1986г. Ю. Я. Калашников.

6. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. М., 2002. 34 с. Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217: 681.51.

7. Основы молекулярной биологической информатики. М., 2004. 66 с. Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622 - В2004, УДК 577.217: 681.51.

8. Молекулярная элементная база живой материи. Дата публикации: 04.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/.

9. Информация - гениальное изобретение живой материи. Дата публикации: 13 июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 05.05.2007г.

10. В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно- биологической информатики. Дата публикации: 14 февраля июля 2007г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 21.12.2006г.

11. Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики. Дата публикации: 05.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/ 12. Информационная концепция эволюции нашего мира. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 5.12.2006г.

Размещено на Allbest.ru