Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики

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. Исследованием характеристик стереохимических кодов и микроматриц, в каждом конкретном случае, должна, по-видимому, заниматься специализированная дисциплина, такая как молекулярная биологическая информатика.

Мы убеждаемся в том, что специфика молекулярных процессов в биологии 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 существуют и более простые коды, со своими алфавитами - символами представления информации и своими физико-химическими характеристиками.

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. Так, при дискретизации значение параметра может быть представлено числом импульсов число-импульсного кода. Это простейший вид кодирования с алфавитом, состоящим из одних единиц” [4]. 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 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.

Остаётся лишь открытым вопрос - как, и каким образом, кодируются сами моносахариды, жирные кислоты и другие символы общего алфавита живой материи? Если каждая аминокислота кодируется своим триплетом - кодовой комбинацией трёх нуклеотидов в цепи иРНК, следовательно, и символы простого биологического кода должны как-то кодироваться? И действительно, для идентификации и обозначения каждого типового символа используется своя стереохимическая кодовая комбинация аминокислотных остатков, которая располагается в активном центре соответствующего фермента (адресный код). А в основу правил соответствия кодовых комбинаций аминокислотных остатков различным символам также положена их химическая и стерическая комплементарность, то есть взаимодополняемость химических и структурных взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов. В данном случае это и есть подтверждение того, что перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством кодирования (перекодирования). Здесь кодирование информации также осуществляется совокупностью дискретных сигналов, сопоставляемых по определенному алгоритму с конечным множеством сообщений. А по кодовым компонентам активных центров различных ферментов можно иметь представление об их информационных соответствиях и их функциональном назначении. Значит, молекулярные коды соответствий, и средства их передачи существуют не только для важнейших классов макромолекул - ДНК, РНК, белков. Они существуют и для любых других биологических молекул и структур, а также их элементов и их химических знаков. Одинаковые кодовые комбинации элементов и их боковых атомных групп в активных центрах ферментов всегда воспринимаются конкретной клеткой как одна и та же (эквивалентная) информация, реализуемая в одних и тех же действиях. Специалистам лишь следует научиться их правильно выявлять и идентифицировать.

К примеру, при построении цепей полисахаридов активный центр фермента не только узнаёт и присоединяет определённый моносахарид к активному центру, но при этом указывает и характер химической реакции (код операции). Вспомним, что “при биосинтезе макромолекулы гликогена, которая состоит из повторяющихся единиц только одного типа - Д-глюкозы, тождественность и чистота конечного продукта обеспечивается активным центром гликоген-синтазы. Для этого фермента характерна субстратная специфичность, то есть его активный центр способен присоединять только молекулу Д-глюкозы и нередуцирующий конец цепи молекулы гликогена, которая должна быть удлинена. В принципе активный центр этого фермента (как, впрочем, и всех других ферментов) можно рассматривать как матрицу (это слово означает “шаблон” или “форму”), поскольку между молекулой (или молекулами) субстрата и активным центром осуществляется комплементарная подгонка” [2]. Пример показывает, что биомолекулы гликоген-синтазы строятся специально для того, чтобы нести генетическую информацию о биосинтезе макромолекул гликогена. Сначала кодовые компоненты иРНК (а, значит, и ДНК) указывают пути и порядок построения самого фермента, а затем кодовые компоненты активного центра гликоген-синтазы указывают пути и порядок построения макромолекулы гликогена. При этом если для обозначения аминокислот в полипептидной цепи гликоген-синтазы используется генетический код - триплетная комбинация нуклеотидов, то для обозначения биохимического элемента Д-глюкозы используется своя пространственная кодовая комбинация аминокислотных остатков активного центра фермента - адресный код. Адресный и операционный код в данном случае - это закодированное обозначение Д-глюкозы, поэтому идентифицируется именно данный био-логический элемент.

Аминокислоты, как и нуклеотиды, являются буквами биологического кода, следовательно, построение макромолекулы гликогена осуществляется также с помощью генетической информации. А длинная цепь молекулы гликогена несёт свою определённую функциональную информацию, которая зависит от физико-химических свойств и взаимодействия составляющих её элементов. И если бы каждый элемент не был носителем своих информационных знаков - функциональных и боковых атомных групп и атомов, и не обладал своими информационными параметрами, то вряд ли у ферментов появилась бы способность к построению длинных молекулярных цепей. По такой же аналогии, пусть не напрямую, но опосредовано, генетическая информация руководит сначала построением, а затем и функциональным поведением любых других биологических молекул и структур.

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.

А перекодировка одного вида информации в другой осуществляется с помощью определённых кодов, которые служит для переноса и загрузки генетической информации в структуру различных молекулярных цепей и биомолекул. Поэтому чтобы перевести информацию из одного её молекулярного вида (или формы) в другой вид, живая клетка использует определённый биологический код. Следовательно, в живой молекулярной системе имеется многоступенчатая система кодовой передачи управляющей информации с различными переходными формами и видами её преобразования и реализации, где кодирование молекулярной информации осуществляется натуральными единицами информации, которые принадлежат к различным системам (алфавитам) химических букв и символов. Феноменальные информационные возможности генетической памяти, использование различных молекулярных алфавитов, ступенчатых передач и систем кодирования - декодирования молекулярной биологической информации, позволяет судить о грандиозности протекающих в живой клетке информационных процессов.

Даже краткий список применяемых ступенчатых систем кодирования и преобразования информации позволяет говорить о существовании в живой клетке сложной информационной молекулярно-биологической системы управления. И, действительно, в каждой живой клетке существует типовая многоступенчатая система кодирования-декодирования молекулярной биологической информации, а именно:

1) комбинационной последовательностью четырёх нуклеотидов в хромосомной ДНК кодируется наследственная информацию, которая необходима и достаточна для развития целостного организма;

2) структурными генами ДНК (последовательностью нуклеотидов определённых участков ДНК) кодируются различные виды РНК - информационная РНК (иРНК), рибосомная РНК (рРНК), транспортная РНК (тРНК);

при этом ДНК не формирует непосредственно белок, а только направляет синтез комплементарной ей иРНК;

3) генетическим кодом - набором кодовых слов (триплетов) в иРНК (а, значит, и в генах ДНК) определяется аминокислотная последовательность цепей (первичная структура) белковых молекул;

4) каждому трёхбуквенному слову - триплету (кодону) в цепи иРНК соответствует либо определённая аминокислота в полипептидной цепи белка, либо сигнал начала (инициации) или окончания (терминации) считывания информации;

5) аминокислотным кодом - комбинационной последовательностью и составом аминокислотных звеньев в полипептидных цепях кодируется конкретная конфигурация - вторичная, третичная и четвертичная структуры, а значит, и трёхмерная стереохимическая организация белковых молекул;

6) стереохимической кодовой организацией аминокислотных остатков, и их боковых R-групп в трёхмерной структуре (пространственной решетке), кодируются и программируются не только исполнительные органы и механизмы, но и различные информационные сигналы белковых молекул;

7) стереохимическими кодами активных центров (адресными кодами и кодами операций) могут кодироваться различные символы, а также различные знаки химических букв и символов и характер их химических превращений, благодаря чему ферменты получают способность к управлению химическими реакциями;

8) кодовой последовательностью моносахаридов в линейных или разветвлённых цепях программируется трёхмерная организация и функции полисахаридов; а кодовой организацией жирных кислот программируются структуры и функции липидов [5]. Таким сложным информационным путём кодируется трёхмерная организация различных биологических молекул, и программируются все их биологические функции. Это убеждает нас в том, что специфика биологических структур и процессов в молекулярной биологии определяется не только различными способами кодирования биологической информации, но и особенностями самих информационных процессов. А сами процессы кодирования и программирования биологических молекул в живой клетке настолько “автоматизированы”, что даже в простых случаях мы можем лишь предполагать, как они выглядят в действительности.

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. Ясно, что информационный аспект, при изучении и исследовании живой материи, обязательно должен учитываться.

Список литературы

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

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

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

4. В. А. Ильин. Телеуправление и телеизмерение. - М: Энергоиздат, 1982.

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

Размещено на Allbest.ru