Информационные основы естественных нанотехнологий

5. Ферменты и белки - это молекулярные автоматы естественных нанотехнологий с программной биохимической логикой управления

В различных ситуациях связующим звеном между управляющей системой и управляемым процессом в живой клетке служат рецепторы информации - активные центры (или другие коммуникационные сигналы) и исполнительные органы и механизмы ферментов или других функциональных белков. Работа биологических рецепторов только в некоторой степени напоминает работу датчиков информации, которые используются в технических системах. Биологические рецепторы, например, ферментов сами осуществляют поиск, приём и рецепцию субстратной информации, что, по своей сути, является актом запрограммированного поиска объекта управления (молекулы субстрата), с "запросом" его информации. Нативная макромолекула белка вне информационного воздействия находится в исходном равновесном состоянии. Каталитический центр фермента становится активным и готовым к выполнению команды управления лишь с момента рецепции молекулы подлинного субстрата. Рецепция информации осуществляется активным центром фермента за счет полного соответствия его адресного и каталитического кодов химическим кодовым группам субстрата, и благодаря их комплементарным физико-химическим, стерическим и слабым энергетическим взаимодействиям - электростатическим, гидрофобным, водородным, вандерваальсовым и др. А для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать необходимо, прежде всего, стерическое, пространственное соответствие. Как считают биологи, субстрат присоединяется к активному центру фермента, который геометрически и химически представляет собой как бы негативный отпечаток молекулы субстрата, то есть - комплементарен ей. А с информационной точки зрения - это процесс рецепции кодовых компонентов и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому рецепция и приём осведомляющей кодовой информации субстрата заканчивается подключением его молекулы, через контакт "устройства комплементарного сопряжения" активного центра, к управляющим органам и механизмам фермента. В связи с этим, взаимодействие и контакт реагирующих белков и молекул в живой системе является событием информационным, генетически обусловленным, а не случайным как, например, при взаимодействии молекул в чисто химической реакции. Таким образом, фермент-субстратные взаимодействия можно представить в виде информационной модели, основанной на стереохимических принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Ферменты обладают своей программой "осязательного" распознавания кодовых компонентов молекул субстрата, которые комплементарны по химическим и стерическим (геометрическим) характеристикам их активному центру. Адресный код и код операции каждого типового фермента имеет свой элементарный состав и индивидуальное пространственное расположение боковых атомных группировок в активном центре, поэтому изучение стереохимических кодов белковых молекул является одной из многих задач молекулярной биологической информатики. Процесс рецепции информации подлинного субстрата, осуществляемый активным центром фермента, вызывает конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе, при которых кодовые химические группы фермента и молекулы субстрата занимают самое оптимальное положение для прохождения каталитической операции. Важно отметить, что подключение объекта управления (молекулы субстрата), через кодовый стереохимический контакт комплементарного сопряжения, ведёт к индукции электронно-конформационного возбуждения фермент-субстратного комплекса. Присоединение подлинного субстрата сначала ведёт к переброске электронов и протонов между ферментом и молекулой субстрата, усилению электронной перестройки вдоль сопряженной системы связей, что соответственно приводит к возбуждению фермент-субстратного комплекса и, как итог, благодаря подвижным водородным связям, ведёт к динамическим конформационным сдвигам и срабатыванию "силового молекулярного привода" аппарата химического катализа фермента. Эти механизмы обеспечивают ферменту не только химическую, но и динамическую реактивность и, как результат, - автоматический режим его работы. Возникшие конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе сопровождаются разрывом или образованием химических связей субстрата, которые происходят с высвобождением или затратой энергии. В случае необходимости эти процессы поддерживаются химической энергией в форме АТФ. Быстрому протеканию ферментативной реакции способствует высокая химическая и динамическая реактивность фермента. Высокая химическая реактивность обеспечивается режимом полифункционального катализа, когда на превращаемую химическую связь субстрата одновременно действует стереохимическая комбинация различных каталитически активных химических группировок активного центра (код операции) фермента. Интересным фактом здесь является то, что белковые молекулы стереохимическим способом решает сразу две задачи, - информационной коммуникации и полифункционального катализа. Динамическая реактивность фермента, при взаимодействии фермента с субстратом, создаёт напряжение, то есть ориентирует и фиксирует взаимодействующие химические группы таким образом, что это создаёт механическую составляющую, которая снижает энергию активации и способствует эффективному прохождению реакции. Можно считать, что, в рамках сделанных допущений, информационная модель описывает процесс управления химической реакции, ведущий к образованию продуктов реакции. Образование продуктов реакции сопровождается нарушением их физико-химического соответствия управляющим кодовым компонентам фермента, а это приводит к возврату фермента в исходное состояние. Фермент, как взведённая пружина, возвращаясь в исходное состояние, способствует выбросу продуктов реакции из активного центра. Этап фермент-субстратного взаимодействия является заключительным фрагментом биокибернетического управления, указывающим на единство процессов управления и информации в живой клетке. Заметим также, что клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в роли молекул обратной связи. Сигнальная (осведомляющая) информация субстратов служит для информирования управляющей системы о состоянии управляемых объектов, о ходе реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д. Отличительной особенностью белков клетки является их способность адекватно и сходным образом отвечать на довольно слабые информационные воздействия, достаточно мощными обратимыми конформационными изменениями. В этом, видимо, и заключается основа и сущность их биологической активности. Известно, что смысл действия информационных сигналов и сообщений, как правило, сводится к включению или выключению "силовых управляющих органов и механизмов". В молекулярной биологической системе эти функции обычно выполняются ферментами или другими белками, но, заметим, - только на молекулярном уровне. Здесь управление химическими реакциями осуществляются не только за счет высокой химической реактивности ферментов, но и за счет их высокой реактивности динамической. При этом любая молекула субстрата воспринимается соответствующим ферментом как биологический объект управления, подлежащий химическому и динамическому (механическому) воздействию. А сам объект управления (субстрат), воспринимающий эти воздействия, является "нагрузкой", как для аппарата химического катализа фермента, так и для его "силового молекулярного привода". Таким образом, фермент действует на молекулу субстрата с помощью химических, динамических (механических) и информационных средств. Благодаря стереохимической форме представления информации ферменты способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач: 1) динамический поиск молекул субстрата (объектов управления) по их сигнальным (информативным) структурам; 2) приём осведомляющей информации молекул субстрата и подключение их, через матричный контакт устройства комплементарного сопряжения, к управляющим органам и механизмам фермента; 3) рецепцию кодов осведомляющей информации молекулы (или молекул) субстрата и проверку их на комплементарное соответствие управляющим сигналам - адресному коду и коду операции фермента; 4) запуск силовых молекулярных электронно-конформационных механизмов фермента, через контакт устройства "комплементарного сопряжения" фермента с субстратом. Стереохимический контакт управляющих и сигнальных кодовых компонентов фермента и субстрата является достаточной информационной формой воздействия на исполнительные органы и механизмы фермента. Сдвиги зарядов макромолекулы, во время взаимодействия её с молекулой субстрата, определяют динамическую реактивность фермента и ведут к снижению энергии активации и ускорению прохождения химической реакции, то есть к реализации кода каталитической операции. Таким образом, весь смысл прохождения генетической информации заключается в управлении ферментами различного рода химических реакций или в выполнении белками определённых биологических функций. Поэтому все генетически детерминированные функции управления на расстоянии в клеточной системе выполняются управляющими автоматами естественных нанотехнологий, то есть ферментами и белками. молекулярная информация нанотехнология

6. Робототехника естественных нанотехнологий

Динамическая организация белков включает в себя весь необходимый и достаточный набор информационных, управляющих, программных и энергетических средств, наличие которых указывает на несомненную принадлежность ферментов и других функциональных белков клетки к категории молекулярных биологических автоматов или манипуляторов с гибким программным управлением. Причем ключевые ферменты вполне можно отнести к категории полных автоматов с авторегулированием, так как после окончания рабочего цикла они не только начинают его вновь самостоятельно, но и могут регулировать прохождение химических реакций с помощью сигнальных или регуляторных молекул обратной связи. Известно также, что некоторые ферменты и белки программно объединяются между собой или с молекулами РНК в агрегатированные автоматы и становятся способными к выполнению сложнейших биологических функций. К молекулярным агрегатам такого рода можно отнести ДНК и РНК-полимеразы, рибосомы, АТФ-синтетазу и т. д. Причем, каждый из этих, иногда довольно сложных аппаратных устройств, приспособлен выполнять определённую последовательность команд и биологических операций, то есть, способен реализовать какие-то алгоритмы биологической деятельности. Поэтому и в данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций. Таким образом, живая клетка сама "проектирует", создаёт и применяет для дистанционного управления высокоэффективные автоматические молекулярные средства с программным управлением. Только благодаря молекулярным биологическим автоматам, манипуляторам и агрегатам управление всеми клеточными процессами полностью "механизировано и автоматизировано", информационно скоординировано и осуществляется в полном соответствии с теми генетическими программами, которые перенесены и загружены в их молекулярную структуру. Теперь уже не вызывает сомнений, что причиной упорядоченной организации живой материи является системная организация и высокая информационная насыщенность взаимодействующих биологических молекул, несущих как управляющую информацию - адресные и функциональные коды белков и ферментов, так и сигнальную осведомляющую - химические коды субстратов. Информационная молекулярно-биологическая система самоуправления клетки - это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, который, с одной стороны, осуществляет управление различными химическими процессами и биологическими функциями, а с другой - занимается реорганизацией и реконструкцией своих же биологических структур и компонентов. Поэтому ферменты и другие функциональные белки используются клеткой в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы. И, действительно, только в клеточных условиях ферменты способны повышать скорости катализируемых ими реакций в "10 в восьмой степени - 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". Заметим, что такую непревзойденную производительность и избирательность, по мнению автора статьи, могут развивать и вырабатывать только лишь молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Биологи до сих пор пытаются обойтись без исследования закономерностей молекулярной информатики. А проблемы организации живой материи и функционального поведения белковых и других молекул они пытаются решать по-своему. Однако нельзя же серьезно относиться к той концепции, которая без всяких обоснований декларирует, что белковые и другие макромолекулы и структуры живой клетки просто "самоорганизуются", а ферменты, при этом, становятся теми катализаторами, которые получают способность управлять всеми химическими превращениями и биологическими функциями в живых клетках и организмах. Катализаторы способны в определённой мере ускорять протекание химических реакций, но не до таких же астрономических значений и не с такой же производительностью, избирательностью и управляемостью, как это делают ферменты! Поэтому процесс самоорганизации живой материи - далеко не изученный процесс, который, по моему мнению, связан, прежде всего, с информационной сущностью живого, а ферменты, - это далеко не простые химические катализаторы даже только потому, что в своей работе применяют метод полифункционального катализа. Кроме того белки малых и средних размеров являются весьма микроскопическими естественными образованиями и составляют в длину от 3,6 до 6,8 нм. Поэтому, очевидно, что ферменты различного назначения, по представлениям сегодняшнего дня, можно отнести к сложным автоматам естественных нанотехнологий, которые работают на уровни атомов, атомных групп и молекул и применяются живой природой уже многие сотни миллионов лет. Ясно, что феномен биологического управления, которым обладают ферменты и другие клеточные белки, по силам лишь молекулярным биологическим автоматам или манипуляторам с программной биохимической логикой управления. Подобные процессы не могут обеспечиваться химическими катализаторами, какими бы уникальными и замечательными свойствами они не обладали. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством. Поэтому называть ферменты биокатализаторами химических процессов, с точки зрения сегодняшнего дня, более чем несовременно. Феномен биологического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам и манипуляторам. А полифункциональный катализ, используемый молекулярными биологическими автоматами (ферментами), применяется лишь как способ управления химическими превращениями. Однако избирательная химическая и динамическая реактивность фермента может осуществляться только информационным путём. В связи с этим, все белковые молекулы представляют собой не только потоки биоорганического вещества, но они же образуют и информационные потоки и сети, контролирующие различные биохимические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединённых между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. А если учесть, что различные ферментативные системы, состоящие порой из десятков и сотен ферментов, участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями "автоматизированного" управления [7]. К сожалению, мы еще полностью не осознали, что "информация" является отдельной самостоятельной сущностью и подчиняется она не законам материального мира, а только своим специфическим принципам и правилам! Игнорирование этого факта неизбежно ведёт к познавательным коллизиям и часто приводит к серьезным теоретическим упущениям и ошибкам. Например, мы забываем (или не знаем), что функциональное поведение биологических макромолекул в живой системе подчинено не только всем известным законам физики и химии. В первую очередь, оно подчинено закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики, иными словами, - информации, закодированной (загруженной) в структурах биологических макромолекул. Следовательно, изучением живой материи должны заниматься не только биофизика, биохимия, молекулярная биология, но и молекулярная информатика. К сожалению, этот факт биологами пока еще не осознается и не воспринимается, что, на мой взгляд, является причиной мировоззренческого застоя и отставания в изучении биологической формы движения материи. Автор этой статьи уже давно придерживается мнения, что первичная биологическая информация, находящаяся в структурах ДНК живой клетки, представляет собой закодированные генетические сообщения и послания. Поэтому путём транскрипции (переписывания) и трансляции (перекодирования) этих сообщений на аминокислотный код, в полипептидные цепи записываются (загружаются) те текстовые предписания, в которых содержится не только описание алгоритмов структурного преобразования, но и сама программа функционального поведения белковых молекул. А посредством ферментов и других белковых молекул кодируются и программируются все остальные макромолекулы и структуры живой клетки. Здесь, как мы видим, само появление и развитие живой материи обязано такому фундаментальному свойству, как способности одной и той же информации существовать в различных её видах и формах. Причем, переводом информации из одной её системы кодирования в другую, обычно занимаются различные устройства - дешифраторы, трансляторы, преобразователи и т. д. Можно сказать, что ферменты - это автоматы биологических нанотехнологий, специально созданные для "телеуправления" различными рассредоточенными молекулярными объектами живой системы (субстратами). Поэтому в структуру ферментов закладывается не только необходимая для этого информация, но и тот материальный переносчик, который в соответствии с закономерностями молекулярной биохимической логики, становится еще и материальным субстратом, из которого строятся все необходимые органы, механизмы и программы молекулярного автомата (фермента). Получается, что все макромолекулы клетки состоят из материальных (мономеров) и виртуальных компонентов (программ, команд, данных) [7]. Разные классы биомолекул выполняют различные специфические функции, которые основаны на применении своих биохимических элементов и своей структурно-функциональной информации. Так или иначе, генетическая информация, проникая в биологическую структуру через её элементарный состав, переносит туда и весь необходимый набор программных, энергетических и функциональных средств, на основе которых живая клетка достигает упорядоченности структур и процессов. В связи с этим все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время экспрессирована, перенесена и загружена в молекулярную структуру функциональных биологических молекул клетки.. Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехнологией - как заставить молекулы группироваться определенным способом, организовываться, чтобы в итоге получить новые материалы, объекты или устройства с нужными параметрами и свойствами. К примеру, известно, что вирус, проникая в живую клетку способен переключить её аппаратные системы и механизмы и настроить их на свои собственные потребности. Очевидно, что и человек, опираясь на свой разум и свои технические возможности, вполне способен освоить аппаратное и программное обеспечение соответствующих клеток для реализации той или иной нанотехнологии. Для достижения этих целей всегда можно использовать нужные гены наследственной памяти, оперативную память в виде РНК (иРНК, тРНК, рРНК), молекулярные биопроцессорные системы репликации, транскрипции, трансляции, молекулярные автоматы различного назначения (ферменты и белки). и т. д. А разве не соблазнительно было бы химикам иметь химические нанотехнологии, способные реализовать сложные последовательности реакций за какие-то секунды, для проведения которых в химических лабораториях нужны специальные технологические условия и требуются часы, дни или недели работы. Ясно, что апробированные миллионолетиями нанотехнологии химических, энергетических и информационных процессов живых систем, должны стать достоянием науки и технологий сегодняшнего дня.

Статьи и публикации

1. Л.Б. Марголис "Почему мы не понимаем живую клетку, или Мифы молекулярной биологии". Интернет. Ю.Я. Калашников.

2. "Молекулярная элементная база живой материи". Дата публикации: 04.12.2006г., источник: http://new-idea.kulichki.com/, философия. Источник: SciTecLibrary.ru, дата публикации: 14.01.08 г.

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

4. "Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи". Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; сайт: http://new-idea.kulichki.com/, философия, дата публикации: 07.12.2006 г.

5. "Кодирование и программирование биологических молекул". Дата публикации: 01.01.2007 г., источник: http://new-idea.kulichki.com/, философия.

6. "Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики". Дата публикации: 29.11.2007 г., источник: SciTecLibrary.ru; Дата публикации: 05.12.2006 г., источник: http://new-idea.kulichki.com/, философия.

7. "Тайны молекулярной биологической информатики". Дата публикации: 15.09.2007г., сайт: http://new-idea.kulichki.com/, философия. Источник: SciTecLibrary.ru, дата публикации: 16.11.07 г.

Размещено на Allbest.ru