Идеи, концепции и гипотезы молекулярной биохимической логики и информатики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Идеи, концепции и гипотезы молекулярной биохимической логики и информатики

Калашников Юрий Яковлевич

Аннотация

Самую удивительную неоконченную историю науки биологи связывают с открытием, сделанным Джеймсом Уотсоном и Френсисом Криком в 1953 г., - построением модели ДНК (двойной спирали). Стало очевидным, что генетическая информация закодирована, а продуктом её расшифровки через посредство информационной РНК является белок. К сожалению, история открытия наследственной информации и генетического кода не получила надлежащего продолжения. Об этом ясно говорит центральная догма молекулярной биологии: «наследственная информация, закодированная в нуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотные последовательности белков… Белковые молекулы представляют своего рода «ловушку» в потоке генетической информации». Таким образом, сложилось представление, что в дальнейших биохимических и молекулярных процессах информация не участвует. Поэтому, вопрос использования молекулярной информации в живых системах до сих пор остаётся открытым. Автор данной публикации, в целях поддержки информационного направления в биологии, предлагает ряд основных своих идей, концепций и гипотез, которые ранее были сформулированы в статьях, опубликованных в «Интернете» (16 статей) и депонированных в ВИНИТИ РАН (5 работ). Формулировка каждой из идей в данной публикации состоит из трёх частей: 1) названия идеи, концепции или объекта, используемого для гипотезы; 2) короткой формулировки самой идеи, концепции или гипотезы и 3) указания статьи или публикации, где более полно раскрывается их сущность.

1. «Элементная база живой материи»

Элементная база, в соответствии с основами биохимии, представляет собой определенный набор молекулярных «строительных блоков», с помощью которых «конструируются» различные биологические макромолекулы. Предлагаемая гипотеза заключается в том, что эта база, в первую очередь, представляет собой отдельные системы (алфавиты) биологических элементов - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры, которые обладают особыми физико-химическими свойствами, позволяющими им в составе макромолекул одновременно выполнять различные по своей биологической роли функции и операции. А именно. 1. Служить в качестве биологических (биохимических) элементов. С помощью функционально полного набора таких элементов в живой системе могут быть реализованы биологические функции любой сложности. 2. Исполнять роль натуральных информационных единиц - отдельных химических букв и символов общего молекулярного алфавита, при помощи которого в биомолекулы записывается молекулярная информация. Информация передается с помощью последовательности букв или символов, а статистическое содержание информации в цепочке букв или символов есть количественная сторона. Она может быть выражена в битах. 3. Служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которого идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, - воплощение и реализация генетической информации. Информационные передачи всегда упорядочиваются применением кода. А семантический уровень молекулярной информации определяется кодированием, которое применяется для передачи того или иного смыслового сообщения. 4. Быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул. 5. Обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул. Все эти характеристики элементной базы в своей совокупности определяют основные закономерности молекулярной биохимической логики и информатики, которые являются фундаментальными основами живых систем. Поэтому, молекулярный алфавит - это ключ к познанию информационной сущности живой материи.

2. «Переносчик молекулярной биологической информации»

В молекулярных биологических системах переносчик информации до сих пор не определён. Можно предположить, что для этой цели используются химические буквы и символы (биологические элементы) общего молекулярного алфавита. 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, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала. Поэтому, если в информационных технических системах наиболее широкое применение находят электрические сигналы, с переносчиком в виде синусоидального или импульсного тока и напряжения, то в молекулярно-биологических системах, в качестве элементарных сигналов, применяются химические сигналы различных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. с переносчиком в виде их боковых атомных групп. Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК записывается 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. С помощью соответствующих символов (мономеров) функциональная информация записывается и в структуры липидов и полисахаридов. Таким образом, живые молекулярные системы используют химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими биологическими элементами, выступающими в качестве натуральных единиц молекулярной биологической информации.

3. «В живых клетках для записи информации широко применяется комбинационный принцип использования молекулярных букв и символов (биологических элементов) общего алфавита»

Запись информации в живых клетках 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 химических 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 - химическими буквами или символами, служащими для представления биологической информации в различных её молекулярных видах и формах. Боковые атомные группы всех биологических элементов играют 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 имеет 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.

4. «Линейный принцип кодирования 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 биомолекул. В связи с этим, на разных этапах передачи генетических сообщений и программной информации в молекулярных биологических системах широко применяется и используется линейный принцип кодирования биологических молекул. 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. 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. 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.

5. «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 макромолекул. 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 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 или 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 взаимодействия между мономерами (программными элементами). Поэтому стереохимический принцип кодирования молекулярной информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, команд управления, а также органов и механизмов их реализации. 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. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке «стереохимических кодовых команд» предлагаю назвать - «программированием в стереохимических кодах».

6. «Аминокислотный код»

Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, - способ её представления. В молекулярной биологии в настоящее время утвердилось представление о применении такого кода только в случае трехпозиционного генетического кода. 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. Это ведёт к новому представлению о том, что в любой клетке для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие молекулярные коды, которые служат для перевода и преобразования информации из одного её молекулярного вида в другой, из одной её формы в другую.

В частности, многопозиционный аминокислотный код является одним из таких молекулярных кодов, так как он дает представление о механизмах стереохимического кодирования и программирования ферментов.

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) и т. д.

7. «Молекулярный стереохимический код»

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

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.

8. «Химический принцип представления информации - гениальное изобретение живой природы»

Первая закодированная информация появилась более 3,5 миллиардов лет тому назад. Это была «буквенно-символьная» информация биологических молекул. Можно сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты непредсказуемые пути великой эволюции - биологической. Живая природа оказалась искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования, которые гарантировали сохранность тайн живой материи буквально до наших дней. И только в начале второй половины 20 века был открыт генетический код, и была сформулирована проблема действия генов как расшифровки закодированных в них сообщений. Однако среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), используемые в биомолекулах для передачи информационных сообщений. Ясно, что размещение биологических элементов в пространственной решетке трёхмерных биологических макромолекул является более совершенным способом их организации, чем размещение логических элементов на плоской поверхности интегральных микросхем. Биологические элементы в биомолекулах оказались как бы упакованными «горизонтальными слоями на вертикальных уровнях». Таким образом, в живой материи была достигнута невероятная плотность записи информации, так как её кодирование осуществляется на субмолекулярном уровне, с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров.

9. «Химические буквы, символы и знаки»

Для восприятия информационной концепции живого условно можно принять, что: 1) химическими буквами являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых записывается управляющая информация нуклеиновых кислот и белковых молекул; 2) остальные элементы, например, простые сахара и жирные кислоты, являются химическими символами, служащими для построения других классов биомолекул (полисахаридов и липидов), а также для записи в их структуру информации; 3) химические знаки, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых реакциях, - это отдельные части - функциональные или боковые группы и атомы различных биологических элементов. Ступенчатые химические реакции, как правило, характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а значит, и между молекулами. Это подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и осведомляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и циркулирует только в составе биологических молекул. Значит, общий принцип работы информационной системы управления клетки (так же как и в компьютере) сводится к упорядоченному манипулированию различными буквами, символами и знаками, которым предписан определённый информационный смысл. Сам же механизм действия системы основан на том, что все операции, связанные с организацией управляющего процесса, производятся над единицами биологической информации - химическими буквами и символами. А операции, связанные с управляемыми процессами производятся над составными частями молекул субстрата - химическими знаками элементов. Это подтверждает тот факт, что все биохимические процессы в живых молекулярных системах управляются только информационным путём.

10. «Кодирование химических букв, символов и знаков»

Известно, что компьютеры обрабатывают не только цифровую, но и различную алфавитно-числовую 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-числовых символов 8-разрядными байтами. Очевидно, что использование клеткой разных систем биологических элементов также приводит к необходимости кодирования одних химических букв, символов или знаков через алфавитную систему других. Причем, автор идеи считает, что в живой клетке повсеместно применяются линейные химические и стереохимические коды и принципы кодового соответствия информационных компонентов. К примеру, в основу правил соответствия кодовых комбинаций аминокислотных остатков активного центра фермента, которые эквивалентны определенным химическим символам или знакам, также положена их химическая и стерическая комплементарность, то есть взаимодополняемость химических и структурных контактно взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов. Значит, молекулярные коды соответствий и средства их передачи существуют не только для важнейших систем биологических элементов - нуклеотидов и аминокислот. Они существуют для любых мономеров и их химических знаков.

А 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.

11. «При перекодировании информации происходит смена молекулярных кодов и их носителей»

Наглядный пример: информация, записанная в форме линейных цепей нуклеиновых кислот, в процессе трансляции переводится в информацию аминокислотных цепей белковых молекул, а ключом для перевода является словарь соответствия между этими двумя языками, который носит название генетического кода. При этом новая форма информации - белковая, записывается уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Генетическим кодом, как мы видим, кодируется только первичная - «линейная» структура полипептидной цепи белковой молекулы. Однако, конкретная конфигурация - вторичная, третичная и четвертичная структуры белка кодируется и программируется уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Смена молекулярных носителей, как правило, сопряжена с процессами кодирования и декодирования информации.

Следовательно, аминокислотные цепи белков, с одной стороны, являются конечным продуктом процесса декодирования генетической информации, а с другой - они же являются начальным процессом кодирования стереохимической организации белковых молекул с помощью аминокислотного кода. Аминокислотный код является именно тем молекулярным биологическим кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем воплощение и реализация генетической информации. Длина кодовой комбинации в аминокислотном коде непостоянна и порой (в живой клетке) составляет десятки и сотни аминокислотных остатков. Поэтому этот код неравномерный и многопозиционный. Число кодовых комбинаций, каждое из которых может передавать своё отдельное смысловое сообщение в аминокислотном коде практически неограниченно. Направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику и наоборот называется коммуникацией.

12. «Биологические молекулы представляют собой кодовые циклические послания и сообщения генома»

Известно, что информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. В связи с этим, автор пришел к общей концепции, что управляющая информация в живой системе, - это содержательные сведения, заключенные в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме. А любой информационный код в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества и поэтому переносится в структурах различных биологических молекул. Очевидно, что кодовое разделение сигналов, как линейных химических, так и пространственных - стереохимических, широко применяемое в живых клетках, является базовой основой всех информационных передач генома. Первичная биологическая информация, находящаяся в структурах ДНК живой клетки, всегда представляет собой закодированные генетические сообщения и послания. Очевидно, что путём транскрипции (переписывания) и трансляции (перекодирования) генетических сообщений на аминокислотный код, в полипептидные цепи загружаются те текстовые предписания, в которых содержатся не только описания алгоритмов структурного преобразования, но и сама программа функционального поведения белковых молекул. Посредством ферментов и других белковых молекул кодируются и программируются все остальные макромолекулы живой клетки. А содержащаяся в различных молекулярных структурах клетки информация обеспечивает их функциональное поведение. В принципе, всегда можно построить диаграмму кодовых сигналов для любого генетического сообщения, заключенного в иРНК (а значит, и в генах ДНК) или в цепях любой биологической макромолекулы.

13. «Молекулярная биологическая информация»

Молекулярная информация является фундаментальной основой живой материи, поэтому она отличается от других видов кодируемой информации чрезвычайно высокой плотностью записи, исключительно длительным сроком своего существования и своим биологическим назначением. Если на понятии информация держится весь багаж мировых знаний и любая область человеческой деятельности, то молекулярная информация лежит в основе самой жизни и того необъятного «айсберга» генетических и информационных молекулярно-биологических технологий, которые правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет. Очевидно, что молекулярная информация по своему статусу является праматерью всех других видов кодируемой информации, с которыми человек имеет дело. Во всем остальном она, так же как и другие виды кодируемой информации, характеризуется стандартными уровнями существования. 1. Статистическим уровнем, - когда информация передаётся с помощью фиксированного набора букв, символов или знаков определённого алфавита. Этот уровень позволяет определить статистическое содержание информации, которое может быть выражено в битах. 2.Синтаксическим уровнем, - определяющим лексику и грамматику, правила которых должны быть известны и приемнику и передатчику информации. 3. Семантическим уровнем информации, когда определённая последовательность букв или символов упорядочивается применением кода, который применяется для передачи того или иного смыслового сообщения, обуславливающего ответную реакцию. Очевидно, что информация - это совокупность закодированных данных или сведений о любом факте, явлении или объекте, которые вырабатываются, передаются и воспринимаются той или иной системой.

14. «Секреты молекулярной информации»

Молекулярная информация является отдельной виртуальной сущностью и подчиняется не законам материального мира, а только своим специфическим принципам и правилам. Очевидно, что живая природа пошла по пути использования, как самой информации, так и средств её молекулярных носителей. Биоорганические структуры всегда являются носителями химической энергии и информации, поэтому они повсеместно служат не только средством воплощения, но и орудием реализации информации. Здесь так же, как и в технических системах применяются как сложные, так и простые коды, а перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством перекодирования. Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых биомолекул.

Причем, если молекулярная информация не зависит от физических свойств своего носителя, то состав и свойства самого биоорганического вещества полностью зависят от той информации, которая записывается в их структуры. Информация в живой системе это тот виртуальный посредник, который с самого начала зарождения жизни, связывает материальную часть нашего мира с нематериальной его частью. Одним из основных секретов информации является возможность выражения одного и того же смыслового содержания в самых различных физических представлениях, то есть в различных кодах. К исключительным свойствам генетической информации относится её способность бесчисленное количество раз передаваться из поколения в поколение, путём простой смены своих материальных носителей. На первый план в живой системе выступает уникальная способность генетической информации двигать потоками энергии и вещества, но при этом самой оставаться неизменной или почти неизменной.

15. «Единство биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации»

Очевидно, что основной функцией живой материи является системная организация и интеграция в её структуре биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Удивительно, но при построении любых биологических молекул используются те же материальные носители, которые применяются для передачи молекулярной информации. Этот факт, пожалуй, может объяснить, почему биомолекулы одновременно подчиняются не только физико-химическим, но и информационным закономерностям. Хотя информация, в философском смысле, не вещество и не энергия, однако, в молекулярной биологии она приобретает своё воплощение и смысл уже на уровне молекулярных единиц биологической информации (букв или символов), которые в живой клетке используются для кодирования и программирования биологических молекул. Отсюда следует, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а объективное свойство и само содержание, и сущность живой материи. Информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне.

Это и есть феномен триединства, то есть стадия такого партнёрства трёх активных составляющих - вещества, энергии и информации, которое доходит до фазы их функционального слияния в одно целое. Очевидно, что единство вещества, энергии и информации является фундаментальной основой жизни. Эта триада, по-видимому, и явилась тем феноменом, который определил движущие силы постоянного развития и совершенствования живой материи. К сожалению, этот феномен создаёт для исследователя иллюзию того, что в живой материи, кроме вещества, нет ничего. Возможно, поэтому в изучении живого до сих пор традиционно доминирует культ только одного физико-химического направления.

«Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи».

16. «Различные подходы к молекулярным биологическим проблемам»

Уникальное свойство единства вещества, энергии и информации и многофункциональный принцип применения элементной базы, привели к удивительной ситуации в биологических науках. Во-первых, такая ситуация подсказывает, почему биологическая форма материи не поддаётся объяснению с какой-либо одной из точек зрения, к примеру, при физико-химическом подходе. Во-вторых, это же обстоятельство позволяет биологам изучать живую материю буквально с разных сторон и различных точек зрения. Поэтому естественные науки вынуждены интенсивно искать и использовать разные подходы и пути к исследованию феномена жизни. В связи с этим в настоящее время изучением живой материи заняты различные биологические дисциплины: 1) биофизика - исследует наиболее простые физические взаимодействия, лежащие в основе биологических явлений; 2) биохимия - изучает различные биохимические процессы и дает объяснение биологическим функциям и жизненным явлениям с использованием данных физико-химических исследований; 3) молекулярные основы наследственности остаются основной темой современной генетики; 4) молекулярная биология - изучает молекулярную структуру живого вещества, механизмы воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмов и механизмы реализации генетической информации через биосинтез белков. Этот список значителен, и его можно продолжить. Однако, к сожалению, самый большой и существенный круг информационных проблем, всё-таки, оказался за бортом биологических наук. Ясно, что, подход, определяющий характер изучения живой материи, в первую очередь, должен быть - информационно-кибернетическим. Поэтому проблема информационной организации живого становится ключевой проблемой молекулярной биологии.

17. «Проблема информации, энергии, структуры и функции в живых молекулярных системах»

Очевидно, что все биологические молекулы отличаются друг от друга информационным содержанием. Вначале генетическая информация загружается (через элементарный состав) в структуру макромолекулы, определяя её трёхмерную организацию, химическую энергию и все её биологические свойства, затем, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, возбуждаются сами биологические функции. Поэтому проблема понимания информации, энергии, структуры и функции в биологии заключается в том, что они не могут существовать друг без друга. Этот факт обеспечивается и многофункциональными характеристиками элементной базы, и закодированными информационными сообщениями генома, и различными классами биологических молекул, в структурах которых загружена программная информация. Поэтому в живых системах нет структуры вне информации, так же как и нет энергии и функции без структуры и информации.

Информационные сообщения в живой системе приобретают смысл через функциональные возможности разных биомолекул, которые строятся и программируются информационным путём. Значит, можно констатировать, что вся технология биологических процессов основана на генетической информации и элементной базе, а все функции возникают и осуществляются только при информационных взаимодействиях биологических молекул друг с другом. Это подводит нас к определённым обобщениям и показывает, где скрыта та разыскиваемая неразрывная связь между главными действующими факторами биологических процессов - информацией, энергией, структурой и функцией. Сущность проблемы можно сформулировать так: «От генетической информации, через молекулярную структуру и информационно-энергетические взаимодействия, к биологическим функциям и управлению». «Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи».

18. «Проблема самоорганизации биологических макромолекул»

Самоорганизация живой материи одна из основных проблем молекулярной биологии. Этот феномен до сих пор не имеет ясных и удовлетворительных объяснений. Я считаю, что классическая схема самоорганизации биомолекул в своей основе держится только на информационных процессах! Вспомним: если целью линейного химического кодирования является формирование трёхмерных структур, то целью стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов. Это и есть тот универсальный путь передачи генетической информации, который используется живой клеткой. Поэтому гены управляют живой материей только путем её структурного кодирования и функционального программирования. При этом все химические буквы и символы обладают такими универсальными природными свойствами и являются такими биологическими единицами, которые предназначены для реализации элементарных функций и операций молекулярной биохимической логики и информатики. Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационно-информационного преобразования биологических молекул. А переключение состояний биологических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях макромолекул друг с другом, обеспечивает те функциональные процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул! Следовательно, порядок и последовательность всех информационных, функциональных и динамических проявлений макромолекул, которые лежат в основе организации живой материи, осуществляется той программной информацией, которая заранее была загружена в их структуры.

19. «В основе жизни лежит необъятный и неисследованный мир молекулярно-биологической информатики»

Клеточный космос биологических молекул, за время своего развития, создал надёжную и универсальную молекулярно-биологическую систему управления с генетической памятью и её феноменальными информационными возможностями. Всё это говорит о том, что живые системы уже давно пользуются своими, сугубо специфическими закономерностями молекулярной биохимической логики и информатики и своими молекулярно-биологическими информационными технологиями. Именно эти технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и ошеломляющего разнообразия жизни. Приходится признать, что первый уровень развития живых информационных систем был реализован на молекулярной основе. А сама жизнь - это системная, информационная форма движения и циркуляции материи (биоорганического вещества). Наше поколение с конца 20 века переживает большой информационно-технологический бум во всех сферах и областях человеческой деятельности. Однако мы только теперь узнаём, что весь этот бум оказался всего лишь малой верхушкой того великого «айсберга» информационных технологий, который лежит в фундаменте нашего мироздания. Большой неожиданностью для нас оказалось и то, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят миром живого уже более 3,5 миллиардов лет! Предлагая идеи и концепции молекулярной биохимической логики и информатики, автор уверен, что в 21 веке самым интересным и перспективным направлением в изучении живой материи станет новая дисциплина, такая, как «Молекулярная биологическая информатика».

20. «Ферменты и белки - это молекулярные автоматы естественных нанатехнологий с программной биохимической логикой управления»

Непревзойденная избирательность действия ферментов и других клеточных белков является одной из самых жгучих проблем молекулярной биологии. С ней связаны поиск путей к секретам управления обменом веществ и поведения биологических молекул в живых системах. На первом этапе построения белковых молекул - осуществляется последовательное ковалентное соединение соответствующих аминокислот в длинные полипептидные цепи. Так производится позиционное размещение аминокислот в «линейных» цепях, а, следовательно, и декодирование различного рода информационных сообщений, инструкций и команд управления, передаваемых генами. При этом, загруженные в «линейную» цепь алгоритмы, - это воплощенные в последовательности аминокислот правила молекулярной биохимической логики, по которым, занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению. В результате стереохимических преобразований в белковой молекуле формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы. А на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых сигналов. К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные стереохимические матрицы, служащие для информационного взаимодействия белковых молекул с молекулярными партнёрами. Программа функционирования белковой молекулы коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами аминокислот в составе её трёхмерной структуры.

21. «Адресный код и код операции активного центра фермента представляет собой биологическую команду управления»

Стереохимические коды активного центра обычно состоят из двух зон, имеющих определённое информационное и функциональное назначение. Та пространственная комбинация атомных группировок активного центра фермента, которая осуществляет поиск, узнавание и ориентацию молекулы субстрата, контактирует с непревращаемыми фрагментами субстрата и укрепляет его в активном центре, то есть производит поиск, приём и рецепцию его информации, - представляет собой функциональный стереохимический адресный код фермента. Та пространственная комбинация атомных группировок активного центра фермента, которая принимает непосредственное участие в синтезе или расщеплении связи субстрата и входит в каталитическую зону, - является кодом каталитической операции, определяющим, в каждом конкретном случае, характер химической реакции. Таким образом, у ферментов формат команды управления может состоять из двух полей: адресного кода, с помощью которого осуществляется динамический поиск и рецепция молекулы субстрата и кода каталитической операции, который определяет характер химической реакции. Во время информационного фермент-субстратного взаимодействия должны быть найдены и комплементарно соответствовать друг другу адресные и каталитические кодовые компоненты фермента и молекулы субстрата. Поэтому биохимическая логика информационных взаимодействий основана на матричных взаимодействиях кодовых компонентов различных биомолекул. По принципу взаимодополняемости локальные или поверхностные микроматрицы молекулярных партнёров должны комплементарно соответствовать друг другу. Значит, только по совпадению кодов в живой системе может осуществляться контроль передачи и приёма молекулярной информации.

22. «Информационная концепция фермент-субстратных взаимодействий»

материя код информация сигнал

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 реакции. Подключение молекулы субстрата, через кодовый стереохимический контакт ведёт к индукции электронно-конформационного возбуждения фермент-субстратного комплекса. Присоединение подлинного субстрата 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 аппарата химического катализа фермента. Эти механизмы обеспечивают ферменту не только химическую, но и динамическую реактивность. Возникшие конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе сопровождаются разрывом или образованием химических связей субстрата, которые происходят с высвобождением или затратой энергии. Быстрому протеканию 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 ферменты стереохимическим способом решает сразу две задачи, - информационной коммуникации и полифункционального катализа.

23. «Принцип действия информационных сигналов в молекулярной системе»

Смысл действия информационных сигналов и сообщений, как правило, сводится к включению или выключению «силовых управляющих органов и механизмов». В молекулярной системе эти функции обычно выполняются ферментами или другими белками, но, заметим, - только на молекулярном уровне. 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. Все генетически детерминированные функции управления на расстоянии в клеточной системе выполняются управляющими автоматами, то есть ферментами и белками. «Ферменты и белки живой клетки - это молекулярные биологические автоматы с программным управлением».

24. «Средства внешнего информационно-программного обеспечения белков»

В результате стереохимического кодирования и программирования каждый белок клетки получает своё, как внешнее, так и внутреннее структурно-функциональное и информационно-программное обеспечение.

К средствам внешнего обеспечения могут относиться:

1) средства информационной коммуникации, представляющие собой адресные стереохимические коды активных центров, которые состоят из пространственной комбинации аминокислотных остатков с различными R-группами, - при помощи таких кодов ферменты способны к адресному поиску, комплементарному взаимодействию и связыванию молекул субстрата;

2) зона химического катализа, представляющая собой код каталитической операции активного центра фермента, который определяет характер химической реакции и состоит из стереохимической комбинации различных боковых R-групп, обладающих высокой химической реактивностью;

3) средства коммуникативного «общения» белка с другими молекулами клетки, к которым могут относиться разного рода и назначения локальные или рельефные поверхностные кодовые микроматрицы. К примеру: адресный код (или коды), - служит для комплементарной рецепции функционального адреса молекулы (или молекул) субстрата. При помощи адресных кодов определяется тип биологического элемента или атомной группы для связывания его с активным центром. Код операции, - указывает характер химической операции (реакции) во время химических превращений. Регуляторные коды, - служат для принятия информационных сигналов (молекул) обратных связей во время работы фермента. Информационные коды - это те локальные или поверхностные рельефные биохимические матрицы, которые служат для связывания белковой макромолекулы с её функциональными молекулярными партнёрами.

25. «Средства внутреннего информационно-программного обеспечения белков»

К средствам внутреннего обеспечения белковых молекул могут относиться: 1) средства программного обеспечения, которые скорее неявно, чем в явной форме «загружены и заложены» в аминокислотной «линейной», а затем, и в трёхмерной структуре белковой молекулы; 2) средства структурной организации исполнительных органов и механизмов белка, которые обладают высокой динамической реактивностью; 3) энергетические средства макромолекулы, заключенные в её химических ковалентных и нековалентных (слабых) связях, а при необходимости и в дополнительной энергии в форме АТФ. Такое стереохимическое кодовое разделение сигналов позволяет белку динамически и информационно взаимодействовать с различными молекулярными партнёрами: с транспортными молекулами, с коферментами, с мембранами клетки, с АТФ, с регуляторными молекулами, с партнёрами по агрегатированию и т. д.

Каждый функционально активный белок клетки, как молекулярный биологический программный объект, всегда состоит из данных, то есть, - функциональных биохимических программных элементов (аминокислот) и физико-химических алгоритмов, определяемых биохимической логикой их взаимодействия. При этом динамическая реактивность макромолекулы белка связана с кооперативным изменением сил притяжения и отталкивания, поэтому свободная энергия взаимодействия аминокислот в составе макромолекулы, при информационном контакте с молекулярными партнёрами, определяет её функциональное поведение. При недостатке энергии белковые молекулы способны адресно (информационно) взаимодействовать с молекулами АТФ, которые в живой клетке играют роль аккумулятора химической энергии.

26. «Агрегатированные молекулярные автоматы»

Известно, 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 биологических операций. Поэтому и в данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций.

В связи с этим все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время экспрессирована, перенесена и загружена в аппаратную систему клетки. Аппаратная система самоуправления живой клетки - это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, а ферменты и другие белки используются клеткой в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы. И, действительно, только в клеточных условиях ферменты способны повышать скорости катализируемых ими реакций в 10 в восьмой - 10 в двадцатой степени раз! А число оборотов наиболее активных ферментов достигает 36 000 000 в 1мин! Такое число молекул субстрата, претерпевает превращение за 1 минуту в расчете на одну молекулу фермента. Ясно, что подобные избирательные и высокопроизводительные процессы не могут быть обеспечены химическими катализаторами. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством. Феномен биологического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам, манипуляторам и агрегатам.