Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики

Калашников Юрий Яковлевич

Базовой основой организации биологической формы материи является генетическая информация, биохимический алфавит и те закономерности молекулярной биохимической логики и информатики, которыми пользуется живая природа при кодировании, передаче, преобразовании и использовании наследственной информации. Автор в этой статье предлагает конкретные идеи, гипотезы и концепции, которые, с его точки зрения, в наибольшей степени определяют информационную сущность живой материи. Основная часть статьи посвящена молекулярным кодам и вопросу представления информации в различных её молекулярных видах и формах.

генетический материя молекулярный код

нформационный подход, как известно, - это фундаментальный метод научного познания. Его суть заключается в том, что при изучении любого объекта, процесса или явления в природе и обществе, в первую очередь, выявляются и анализируются наиболее характерные для них информационные аспекты, определяющие их функциональное поведение. Все эти аспекты в полной мере касаются и процессов самоуправления, осуществляемого живыми системами. В молекулярной биологии уже давно преобладает та точка зрения, что в любой живой клетке и организме действительно применяется и используется информационный способ управления, регулирования и обеспечения процессов обмена веществ и жизнедеятельности. Этот факт подтверждается тем, что логика структурного построения и функционального поведения биологических молекул определяется генами и природными свойствами стандартных биологических элементов (мономеров), которые входят в состав их молекулярных цепей. То есть базовой основой организации живой формы материи является генетическая информация и биохимический алфавит живой материи. Значит, и рассмотрение проблем молекулярной биологии и биологической информатики следует начинать с этих позиций.

В связи с этим, попытаемся кратко обобщить и сформулировать те физико-химические закономерности, которые могли бы относиться к категории закономерностей информационных. А также обозначить те принципы и правила молекулярной биохимической логики, которыми пользуется живая природа при кодировании, передаче, преобразовании и использовании генетической информации в различных биологических процессах.

Внедрение в биологию идей и методов молекулярной биохимической логики и информатики даёт нам ключ к познанию и пониманию сущности живой формы материи. Ранее нами были рассмотрены информационные и иные аспекты применения молекулярных био-логических элементов (мономеров), которые в живых системах эквивалентно выполняют роль и строительных блоков, и химических букв и символов молекулярного алфавита, и функциональных и программных элементов, и, главное, - информационных единиц живой формы материи. Эти уникальные качества и свойства, как мы выяснили, являются неотделимыми спутниками био-логических элементов и основными их характеристиками [1]. В данной работе затронутая тема находит своё продолжение и развитие.

1. Комбинационный принцип использования молекулярных букв и символов

Запись информации в живых молекулярных системах осуществляется так же, как и при любой письменности - комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Для этой цели применяется общий молекулярный биологический алфавит, содержащий более 30 букв и символов. Молекулярные буквы и символы отличаются друг от друга содержанием функциональных и боковых атомных групп и атомов, входящих в состав каждого элемента, их различными химическими, структурными и функциональными свойствами. Поэтому все биохимические элементы - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры являются натуральными дискретными информационными единицами - буквами или символами, служащими для представления биологической информации в различных её молекулярных видах и формах.

Каждый элемент характеризуется наличием своих функциональных групп, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. А их боковые атомные группы выполняют роль тех физико-химических сигналов, с помощью которых в молекулярной цепи осуществляется воплощение информации, то есть - кодовая форма записи различных сообщений. При этом каждый элемент в составе биомолекулы может иметь различное смысловое значение, которое зависит от его позиционной фиксации в молекулярной цепи, а затем и в трёхмерной структуре. Такая система представления информации называется позиционной. Следовательно, для кодирования молекулярной биологической информации в живых клетках широко применяется комбинационный принцип использования химических букв и символов общего алфавита и позиционная система представления информации с фиксированными дискретными данными. Это один из основных принципов молекулярной биохимической логики и информатики.

2. Линейный принцип кодирования в молекулярных системах применяется не только для передачи генетической информации, но и для программирования трёхмерной структурной организации биологических молекул

Генетическая память и средства 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. Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационного преобразования биологических молекул. В живой клетке функционируют только трёхмерные биомолекулы и структуры, поэтому “одномерная” информация, записанная в “линейных” молекулярных цепях должна быть преобразована в трёхмерную стереохимическую информацию биологических молекул.

В связи с этим, на разных этапах передачи генетических сообщений и программной информации в молекулярных биологических системах широко применяется и используется линейный принцип кодирования и программирования биологических молекул. Это и есть тот метод, который применяется живой клеткой для преобразования линейных цепей в трёхмерную структуру (конформацию) биологических макромолекул. Он, как мы уже отметили, 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. Поэтому линейный принцип кодирования информации и программирования трёхмерной организации биологических молекул в основном используется в процессах хранения, передачи и преобразования биологической информации.

К примеру, 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 и программируются линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков. Смена молекулярных носителей обычно сопряжена с процессами кодирования и декодирования информации. 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.

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. Эта информация носит чисто биологический характер, потому, что, в частности, в процессе линейного кодирования структурная организация макромолекул программируются 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.

При этом последовательностью программных элементов (букв или символов) записывается в молекулярную цепь весь алгоритм структурного преобразования биомолекулы, то есть таким путём программируется построение её трёхмерной стереохимической организации. 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. Этот принцип широко применяется как способ преобразования “линейных” цепей биомолекул в трёхмерную структуру, а, значит, и линейной информации - в пространственную, стереохимическую информацию различных макромолекул. 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 и программирования используется живой клеткой ещё и как способ перевода одномерной формы молекулярной биологической информации в трёхмерную информацию и нативную конформацию биологических молекул.

Поэтому 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. 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 биологической информации к специфическим характеристикам живой формы материи.

3. Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических молекул

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 стереохимического преобразования белковых молекул. Заметим, что в результате этих 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.

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 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”.

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, 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. В связи с этим, в “молекулярной информатике”, для исследования информационных путей построения и программно-функционального поведения биомолекул, открывается большое поле деятельности.

Кстати, метод пространственного кодирования, естественно, со своими особенностями, широко применяется и в технических устройствах, например, в радиолокации и военной технике. В технических информационных устройствах разделение различных сигналов может быть осуществлено во времени, по частоте, фазе, форме импульсов и другим признакам, а наиболее широкое применение находят адресные передачи с временным кодовым распределением сигналов. Заметим, что живая природа и здесь намного опередила технические системы по широте и спектру физико-химических признаков, которые используются для разделения информационных сигналов. Она намного опередила и предвосхитила появление адресных информационных передач. В живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать “стереохимическим кодовым разделением сигналов”.

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. Стереохимическое кодирование в живых молекулярных системах служит для программирования функций различных биомолекул. И если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования и программирования, 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.

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 элементов. 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.

Основной целью стереохимического кодирования и программирования биологических молекул является: 1) передача в трёхмерных структурах биологических молекул различных сообщений со стереохимическим кодовым разделением сигналов; 2) программирование работы молекулярных органов и исполнительных механизмов, определяющих функции биологических молекул; 3) повышение помехоустойчивости информационных сообщений, путём применения комплементарных обратных связей, при взаимодействии биологических молекул друг с другом с помощью их биохимических матриц;

4) повышение достоверности передачи сообщений, так как ошибочное замещение одной аминокислоты на другую в любом стереохимическом коде, как правило, ведёт к “потере” биологического сигнала белковой молекулы;

5) возможность регуляторного воздействия на управляющие стереохимические коды макромолекул путем “разрешения или запрета” на прохождение управляющих команд (при помощи регуляторных молекул обратных связей); 6) экономное использование различных компартментов, каналов связи и т. д.

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. Здесь мы кратко рассмотрели формы и способы представления информации в живой молекулярной системе.

Таким образом, в живых системах наиболее широко применяется и используется как линейная химическая, так и стереохимическая структурная организация информационных кодов. А для представления (кодирования) разных видов и форм молекулярной информации в живой клетке используются различные молекулярные алфавиты. Придёт время, и мы полностью убедимся в том, что в основе всех проявлений жизни лежат только те биохимические процессы, которые управляются и поддерживаются молекулярной биологической информацией, представленной в “линейной” химической или стереохимической форме.

4. Два информационных уровня организации биологических молекул

Главный вывод, к которому можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке, всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также различные молекулярные виды представления. К примеру, молекулярная биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых кислот, - при записи её нуклеотидами; в виде полипептидных цепей, - при записи её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, - при записи её моносахаридами и т. д. Причем линейная форма записи информации, как правило, является основой для преобразования её в форму пространственную - стереохимическую. Следовательно, для решения различных биологических задач, живая клетка широко пользуется различными молекулярными алфавитами, языками, а также формами и видами представления информации.

Как мы видим, информация в живых клетках может существовать в двух молекулярных формах - одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических молекул - линейным и пространственным. На первом уровне, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи. Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную (“линейную”) биологическую структуру. Однако, пространственная организация макромолекул и клеточных структур, так же как и реализация их функций, обычно осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех био-логических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, - белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их функциональные возможности.

Следовательно, второй уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму. В результате таких преобразований “одномерная” молекулярная информация цепей “сворачивается, пакуется и сжимается” в трёхмерную информацию биомолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и непосредственного использования в различных биологических процессах. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных биомолекул - это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую.

Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый био-логический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли - как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки - белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам био-логических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения, - с физико-химической, со структурной, с энергетической, с функциональной, с информационной, или с чисто биологической.

Столь разноплановые признаки и свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её изучением заняты многочисленные естественные науки - биофизика, биохимия, генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие дисциплины. Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению, чем к интеграции знаний. Автор статьи уже давно убежден, что только альтернативный - информационный подход может позволить по-иному взглянуть на давно известные физические и химические закономерности и открыть новые страницы в изучении живой материи. Кроме того, такой интегративный подход мог бы послужить ещё и стимулом к объединению усилий различных биологических наук и дисциплин, изучающих сущность живого. В связи с этим, естественным наукам следовало бы больше уделять внимания информационным аспектам живой формы материи.

5. Молекулярные биологические коды и системы кодирования информации

Информационные проблемы в любой живой клетке тесно связаны, прежде всего, с применением различных алфавитов и молекулярных биологических кодов Они также связаны с существующими принципами и правилами молекулярной биохимической логики, которые лежат в основе закономерностей биологической информатики. Поэтому важной составляющей частью биоинформатики должна стать теория молекулярной биологической информации. Она должна стать наукой об общих законах преобразования информации, с целью изучения различных форм и видов представления и передачи информации, применительно к молекулярным биологическим системам управления.

Известно, что процесс представления информации в виде последовательности расположения букв абстрактного алфавита называется кодированием. А обратный процесс воссоздания по данному дискретному коду исходного вида информации, называется декодированием. Код, как известно, - это набор правил, раскрывающий способ представления информационных данных. На этот момент следует обратить особое внимание, так как мы убеждаемся в том, что в живой клетке используются далеко не абстрактные алфавиты и, в связи с этим, применяются сложные многоступенчатые принципы передачи, с процессами перекодирования одного вида молекулярной информации в другой (например, в процессе трансляции, информация цепей иРНК преобразуется в информацию цепей белковых молекул); одной формы (линейной, одномерной) - в другую (пространственную, стереохимическую). Для этой цели в клетке используются разные алфавиты и различные средства и системы кодирования и преобразования информации.

Краеугольным камнем здесь, естественно, является концепция генетического кода, так как из неё вытекает представление о существовании в живой клетке информационной молекулярно-биологической системы управления. Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, - то есть способ её представления. В настоящее время в биологии утвердилось представление о наличии такого кода только в случае генетической информации. Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации живая клетка использует различные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами [1]. 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 различные алфавиты букв и символов, при помощи которых записывается информация в различные классы биологических молекул, являются материальными переносчиками информации.

К примеру, вся генетическая информация, которой располагает живая клетка, записана в структуре ДНК в виде комбинационной последовательности нуклеотидов. В настоящее время существует и такая точка зрения, что “некодирующие” последовательности, преобладающие в геномах эукариот, также имеют свои информационные коды, служащие для выполнения определённых биологических функций. Поэтому ключевым аппаратом кодирования наследственной информации в живой клетке является ДНК хромосом. Нуклеиновые кислоты имеют алфавит, содержащий восемь букв: “четыре из них (дезоксирибонуклеотиды) служат для кодирования информации в структуре ДНК, а другие четыре - (рибонуклеотиды) используются для записи информации в биомолекулы РНК” [2]. 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.

Кодированием называется процесс преобразования информации в совокупность букв или символов, определяемую кодом. Поэтому любой код является ключом для перевода одного вида информации в другой, или одной формы в другую. “Код имеет следующие основные характеристики:

1) основание кода m, равное числу отличающихся друг от друга букв (или символов) в алфавите;

2) длина кодовой комбинации n, называемая также длинной слова, n равно числу одинаковых или отличающихся друг от друга букв (элементарных сигналов) в кодовой комбинации; для данного кода характерно своё множество (набор) кодовых комбинаций, каждая из которых может передавать отдельное дискретное сообщение;

3) число кодовых комбинаций N в коде, каждая из которых может передавать своё отдельное сообщение. N называется также объёмом кода.

Перечисленные характеристики есть у любого кода и кодовой комбинации, независимо от представления кода, физической его реализации или способа передачи и хранения кодовых комбинаций. Кроме того, есть характеристики кодовых комбинаций, которые зависят от способа передачи и отображения. Так, по характеру передачи кодовых комбинаций они делятся на параллельный и последовательный способы передачи отдельных букв (или символов) кода. При параллельной передаче все символы кодовой комбинации передаются одновременно (например, при взаимодействии биомолекул друг с другом, с помощью их кодовых биохимических матриц, авт.), а при последовательной - поочередно (последовательно)” [4]. Упрощенно такие передачи называются параллельным или, соответственно, последовательным кодом. Примером последовательной передачи кодовой комбинации химических букв являются процессы репликации, транскрипции или трансляции генетической информации.

Как уже отмечалось ранее, буквы или символы биологического кода представляются элементарными физико-химическими сигналами биохимических элементов в виде различных их боковых атомных групп и атомов. Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - “боковые” атомные группы нуклеотидов. В полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Несмотря на то, что в живой системе применяются различные методы и способы кодирования и преобразования информации, - генетическому коду, как самому сложному в реализации, отводится особая роль.

Генетический код - это набор кодовых слов (триплетов) в иРНК (а, значит, и в ДНК), кодирующих аминокислоты белков. Основанием генетического кода (m) являются четыре различных нуклеотида. Поэтому алфавит генетического кода четырёхбуквенный, а вся информация в ДНК записывается на четырёхбуквенном языке структуры дезоксирибонуклеиновых кислот. Длина кодовой комбинации (n) в генетическом коде равно трём. Каждый кодирующий триплет, называемый кодоном, состоит из комбинации трёх одинаковых или различных нуклеотидов и несёт дискретную информацию о соответствующей аминокислоте в полипептидной цепи белка. Каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Это свойство кода называют специфичностью или однозначностью. Генетический код является равномерным, триплетным, так как все кодовые комбинации одинаковы по длине (n = 3). Код называется полным, если N=mn. Поскольку число возможных кодовых комбинаций нуклеотидов в триплете составляет 43, то есть 64, а почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов, то генетический код считается полным и вырожденным. Все кодоны осмыслены - 61 из 64 кодонов используются для обозначения двадцати аминокислот, оставшиеся триплеты являются сигнальными. То есть каждому трёхбуквенному слову (кодону) соответствует либо аминокислота, либо сигнал начала или окончания считывания. Генетический код является универсальным, одинаковым у всех живых организмов и непрерывающимся, так как считывание информации идёт последовательно кодон за кодоном, без “запятых и пробелов”.

Как мы видим, принцип перекодирования относительно прост, несмотря на то, что в нём задействован весьма сложный аппарат трансляции. Заметим, что процесс перекодировки с помощью генетического кода служит для загрузки генетической информации в структуру полипептидных цепей. А информационный смысл этого процесса как раз и заключается в том, что таким способом программируются трёхмерная организация, а затем и функциональное поведение белковых молекул.

Итак, 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. Поэтому, можно сказать, что генетический код - это закон соответствия между иРНК (а, значит, и генами ДНК) и полипептидными цепями белковых молекул. При этом новая форма информации - белковая, записывается уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Генетическим кодом, как мы видим, кодируется только первичная - “линейная” структура полипептидной цепи белковой молекулы. Однако, конкретная конфигурация - вторичная, третичная и четвертичная структуры белка кодируется и программируется уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Это ведёт к представлению, что только аминокислотный код обеспечивает трёхмерную структурную организацию белка, а также все его специфические свойства и функции.

Аминокислотный код является именно тем молекулярным биологическим кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем воплощение и реализация генетической информации. Обратим внимание на то, что основанием аминокислотного кода (m) являются двадцать аминокислот, различающихся между собой только боковыми атомными R-группами. Поэтому алфавит аминокислотного кода 20-ти буквенный, а вся информация в цепях белковых молекул записывается на 20-ти буквенном языке структуры белковых молекул. Длина кодовой комбинации (n) в аминокислотном коде непостоянна и порой (в живой системе) составляет десятки и сотни аминокислотных остатков. Поэтому этот код неравномерный. Число кодовых комбинаций (N), каждое из которых может передавать своё отдельное сообщение в аминокислотном коде практически неограниченно.

Живые системы обычно имеют свои специфические белковые молекулы. А это означает, что различные типовые белковые молекулы имеют в своих цепях только свою, четко определённую и генетически закреплённую комбинационную последовательность аминокислотных звеньев. Однако отметим, что хотя одна и та же информация может быть записана разными кодами, например, генетическим кодом или линейным аминокислотным, однако реализация этой информации в биологических процессах может осуществляться только при записи её в форме стереохимических кодов.

Аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую структуру и информацию белковых молекул. Белки и ферменты, как носители молекулярной биологической информации, способны к её реализации только в такой трёхмерной форме. Поэтому информация белков носит чисто биологический характер. Подробное изучение строения глобулярных и фибриллярных белков показало, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная трёхмерная организация, которая зависит от его первичной структуры - то есть от информации, записанной “линейным” аминокислотным кодом.

Однако различные аминокислоты полипептидной цепи, по всей вероятности, организованны в виде отдельных комбинационных кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты цепи, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка. В полипептидных цепях белковых молекул кодируется разнообразнейшая информация. Поэтому важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является тождественным эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы.

Поэтому, каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, по всей видимости, передаётся своим кодом (кодовыми комбинациями аминокислот). Очевидно, что информация в цепи может содержать свою адресную, “операционную”, структурную и текстовую (информационную) части. Значит, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными молекулярными кодами и кодовыми комбинациями аминокислотных остатков. Следовательно, в кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены: 1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата); 2) “операционная” кодовая комбинация аминокислот - служит основой формирования кода операции активного центра, указывающего характер химической реакции; 3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул; 4) текстовая часть - кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с другими биомолекулами клетки (локальные или поверхностные рельефные микроматрицы). Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых белковых молекул.

Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления и регулирования химических превращений и реализации различных молекулярных и био-логических функций. Комплементарные обратные связи, при взаимодействии биологических молекул друг с другом, применяются для повышения достоверности информационных передач. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды. Таким образом, коды и кодовые комбинации аминокислотных остатков в “линейной” полипептидной цепи наглядно разделяются по их характеристикам и функциональному назначению. А различное информационное содержание полипептидных цепей является основой построения множества различных по функциональному назначению белковых молекул.

Кооперативные (информационные) взаимодействия боковых радикалов и концевых групп аминокислотных остатков “линейной” цепи вызывают формирование особых трёхмерных образований с упорядоченной внутренней и внешней структурой. Поэтому пространственный метод преобразования белка заключается в кодировании расположения полипептидной цепи в пространственной решетке. По такому принципу осуществляется пространственное кодирование белковых (как, впрочем, и других) молекул. Таким путём идёт формирование их информационных и функциональных молекулярных биологических средств. Аминокислотный код тоже является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он даёт представление о механизмах стереохимического кодирования белковых молекул. Этот код содержит набор правил перевода информации из одной её молекулярной формы (“линейной”) в другую (стереохимическую). Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых молекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике.

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

Коммуникация - это направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику и наоборот. А коммуникативность здесь - это способность биологических молекул к обмену информацией через посредство общей системы символов, то есть с помощью их линейных или стереохимических кодовых матриц. По принципу взаимодополняемости микроматрицы 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. Поэтому аминокислотный код является тем ключом, с помощью которого осуществляется переход “линейной” формы белковой информации в стереохимическую форму.

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