Информационный микромир живой клетки (идеи, концепции, гипотезы)

4. Структурное кодирование и программирование биологических макромолекул

Каждая макромолекула живой клетки функционирует в общей системе управления в соответствии с той программой, которая была загружена в ее микроструктуры при "изготовлении". Сама же программа макромолекулы - это представление алгоритма её функционирования с помощью позиционной последовательности составляющих её химических букв или символов (биологических элементов), многочисленные единичные сигналы которых действуют как внутри макромолекулы, так и воспринимаются управляющей системой живой клетки. Поэтому программы макромолекул обеспечивают возможность физической реализации их биологических функций в клеточной среде. Очевидно, что в живой клетке повсеместно применяется принцип структурного кодирования и модульного программирования биологических макромолекул. Он представляет собой процесс программирования на алгоритмическом языке с использованием определенных конструкций. Структурное кодирование применяется для программирования отдельных модулей. Поэтому средства программного обеспечения состоят из функционально независимых модулей, что дает возможность производить их генерацию, приспосабливая к решению тех или иных биологических задач. Модульная структура позволяет относительно просто использовать и развивать программное обеспечение путем замены модулей, их перестановкой или введением новых компонентов [8]. Этот механизм, по всей вероятности, широко используется во время процессинга и "созревания" иРНК в клеточном ядре. Все загадки наследственности, изменчивости и функциональной организации живых систем кроются в молекулярных кодах живого, а точнее, в их смысловом содержании. Очевидно, что генетическая информация соответствует общему учению об информации. Однако при рассмотрении свойств наследственной информации на первый план выступает её специфика. Важнейшая особенность наследственной информации заключается в том, что вся молекулярная информация в живых системах (данные, команды, сообщения, алфавитные записи) представляется в виде линейных химических или пространственных (стереохимических) кодовых сигналов. То есть вся информация от передатчика к приемнику передается определенным линейным или пространственным комбинационным набором химических букв, символов или знаков. Под кодом понимается система условных предписаний при модульном программировании структур и клеточных компонентов. "Структурное кодирование (или перекодирование) в живой системе - это метод, позволяющий создание программных (кодовых) молекулярных модулей на требуемых языках программирования" [8]. Причем, для кодирования и программирования молекулярных модулей используется элементная база живой материи, состоящая из унифицированных биологических элементов (мономеров). Модульное программирование - это организация программы как совокупности небольших молекулярных модулей, структура и поведение которых подчиняется определенным закономерностям молекулярной биохимической логики и главное, определяется физико-химическими свойствами составляющих их элементов. "Модуль в данном случае рассматривается как простая независимая программная единица (код, процедура или команда), реализующая только одну функцию" [8]. К примеру, каждая полипептидная цепь в клетке состоит из отдельных программных модулей, указывающей ей (в клеточной среде) пути, порядок и последовательность информационной сборки трехмерной конформации белковой молекулы. А в основе генетического кода лежат триплетные модули нуклеотидов, которые определяют состав и чередование аминокислот в полипептидных цепях белковых молекул. Подобным образом кодируются и программируются все биоструктуры и функции клеточных компонентов. Генетическая информация через применение элементной базы (химических букв или символов) определяет структуру биологических макромолекул, а структура всегда является носителем и реализатором их функций, так как функциональные свойства каждой макромолекулы определяются взаимодействием и особенностями составляющих её кодовых модулей. "Системы структурного (модульного) программирования - это системы прямого программирования. То есть это системы, где их функции задаются их структурой. Системы структурного программирования - это такие системы, в которых воспринятый сигнал непосредственно переводится в действие (без всякой промежуточной "оцифровки"). По законам структурного программирования работает вообще любой биологический объект, а также любая часть этого объекта" [8]. Очевидно, что любая макромолекула является системой, функция которой обусловлена взаимодействием и интегративными свойствами образующих её кодовых модулей. Вследствие этого, любая макромолекула клетки, состоящая из конечного множества таких модулей, является реализатором тех биологических функций и операций, которые информационным путём интегрированы и загружены в её трёхмерную структуру. Сейчас в биологической литературе появляются работы, в которых авторы утверждают, что генетический текст и генетический код не способны хранить, обрабатывать и передавать огромные массивы информации. В силу этих обстоятельств, якобы, должны существовать иные пути и способы передачи наследственной информации, вплоть до передачи её "высшими сферами". Однако у официальной науки нет данных, которые бы подтверждали, что гены могут напрямую управлять живым веществом волновым или лазерным, полевым или стереогенетическим, цифровым, или каким-либо другим способом. Структурное кодирование (или перекодирование), применяемое в живой системе - это метод, позволяющий создание программных (кодовых) молекулярных модулей на требуемых языках программирования. Причем, для кодирования и программирования молекулярных модулей используется элементная база живой материи, состоящая из унифицированных биологических элементов (мономеров). "Поэтому, в частности, нельзя рассматривать генетические тексты как непосредственное зашифрованное описание порождаемых ими структур. Скорее, это - описание алгоритмов их пространственно-временной реализации, или даже алгоритмы построения автоматов, реализующих эти алгоритмы. По-видимому, именно поэтому сравнительно небольшой длине генетического кода организма соответствует огромный массив информации, необходимый как для непосредственного описания морфологических структур, так и их развития" [8]. По мнению автора данной статьи, гены управляют живой материей только путем её структурного кодирования и модульного функционального программирования, а все другие сопутствующие - волновые, полевые и другие проявления - вторичны, так как они обусловлены структурно-функциональным и информационным поведением огромного числа биомолекул и клеточных компонентов. Безусловно, некоторые из этих проявлений могут играть дополнительную, вспомогательную роль в управлении живой материей, однако первую скрипку в общем ансамбле процессов, всё-таки, играет программная информация генов, транслированная и загруженная в биологические молекулы и структуры живой системы. Очевидно, что все информационные массивы, загруженные в макромолекулы и другие клеточные компоненты, могут быть переданы только структурными генами, поэтому нет причин сомневаться в информационных возможностях генома. Здесь важно понять не только биохимическую логику живого состояния, но и найти те слова, которые могли бы дать объяснение логической цепи информационных событий, что порой представляет особую трудность. Не только теория информатики, но и законы биохимии могли бы дать многое для исследования закономерностей молекулярной информатики при перекодировании генетических текстов в морфологическую структуру белков и ферментов, при исследовании информационной и функциональной деятельности ферментов и белков и участия их в управлении метаболическими реакциями и морфогенетическими процессами.

5. Химический и стереохимический способы разделения сигналов

Информационным сигналом обычно называют средство передачи - переносчик сообщения. Сигнал - это однозначное отображение сообщения, всегда существующее в некотором физическом воплощении. В живой молекулярной системе каждый типовой биологический элемент (химическая буква или символ алфавита) 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 длинные молекулярные цепи. И главное, - важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе используется в качестве элементарного информационного химического сигнала! Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - "боковые" атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Поэтому информация в живой системе кодируется на субмолекулярном уровне организации с помощью боковых атомных групп различных молекулярных мономеров. Однако известно, что основной смысл информационных сообщений состоит "не в выбранном коде, форме символов или методах передачи, а в его значении (семантике). Заметим, что этот центральный аспект информации не играет никакой роли в её хранении или передаче. Именно значение превращает определенный код или кодовую последовательность букв или символов в информационное сообщение. Эти значения не связаны ни с материей, ни с энергией, они связаны с определенным смысловым содержанием" [2]. Примером смыслового значения является генетический код, когда отдельные модули - кодовые группы из трех нуклеотидов иРНК (а, значит, и ДНК) определяет правильное расположение аминокислот в полипептидной цепи белка. Значит, проблема действия генов всегда сводится к расшифровке закодированных в них сообщений. Поэтому основной характеристикой живых систем является содержащаяся в них генетическая информация, которая путем перекодирования на другой код и другой носитель (при использовании молекулярного алфавита) обеспечивает все их физико-химические и биологические процессы. Нескончаемая череда длинных дискретных кодовых сообщений, характерных как для клеточного ядра, так и для цитоплазмы, при весьма широком параллелизме этих передач, является главной отличительной чертой живых информационных систем. Ясно, что в основе механизмов передачи генетической информации лежат циклические кодовые посылки различных информационных массивов. Например, различные аминокислоты полипептидной цепи, со всей очевидностью, организованы в виде отдельных структурных (модульных) 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. Заметим, что без соответствующей линейной информации свертывание полипептидной цепи было бы практически невозможным. "Расчеты показывают, что если полипептидная цепь из 100 аминокислотных остатков будет беспорядочно "перебирать" все возможные углы вращения вокруг каждой одинарной связи остова, пока не "найдет" свойственную ей биологически активную конформацию, то на это потребуется по меньшей мере 10 в 50 степени лет! В клеточных условиях, благодаря молекулярной информации в полипептидных цепях эта белковая макромолекула может быть построена всего за 5 с при 37* С" [3]. 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. Очевидно, что каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, передаётся своими кодовыми модулями (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому 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 (модулями) 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 макромолекул. Разные молекулярные цепи, с информационной точки зрения, эквивалентны различным дискретным сообщениям. 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. Именно этот принцип широко применяется клеткой для структурной организации различных биомолекул, как универсальный способ преобразования "линейных" цепей в трёхмерную структуру биологических молекул. Заметим, что в результате конформационных 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. Очень важно, что в результате стереохимических преобразований, внутри макромолекулы (в её пространственной решетке) формируется специфическая пространственная координатная организация аминокислотных остатков, которая является основой построения исполнительных органов и 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. В результате этих преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [9]. Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции. 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. Именно переключение состояний биологических элементов в трехмерных конформациях, при информационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, обеспечивают те функциональные процессы, которые происходят в структурах самих биологических молекул. То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул. 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. Стереохимические коды и микроматрицы, представляющие собой управляющие или коммуникативные сигналы белковых (как, впрочем, и других) макромолекул, возникли в процессе эволюции живой материи и в настоящее время являются основой молекулярных информационных процессов в каждой живой клетке (организме). Все они образованы соответствующей пространственной организацией боковых атомных группировок биологических элементов (химических букв или символов), входящих в состав кодовых сигналов. Такое динамическое информационное взаимодействие элементов в составе биологических молекул, которое особенно характерно для белковых молекул, является основой динамического механизма их биологических функций. Основной целью стереохимического кодирования и программирования биологических молекул является: 1. Передача в трёхмерных структурах биологических молекул различных сообщений со стереохимическим кодовым разделением сигналов. 2. Передача адресных сигналов стереохимическими кодами, которые удовлетворяют требованиям самых разнообразных сообщений. 3. Программирование работы молекулярных органов и исполнительных механизмов, определяющих функции биологических молекул. 4. Повышение помехоустойчивости информационных сообщений путём применения комплементарных обратных связей, при взаимодействии биологических молекул друг с другом с помощью их биохимических матриц. Следовательно, живые клетки являются системами с информационной обратной связью, так как управляющий код, к примеру, фермента сверяется с сигнальным кодом субстрата по принципу их химической и стерической комплементарности. Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды. 5. Повышение достоверности передачи сообщений, так как ошибочное замещение одной аминокислоты на другую в любом стереохимическом коде, как правило, ведёт к "потере" информационного сигнала белковой молекулы. 6. Повышение надёжности передачи за счет многократной циклической передачи одной и той же информации (в структурах типовых биомолекул, например, белковых). Следовательно, эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых белковых (и других) биомолекул. 7. Возможность регуляторного воздействия на управляющие стереохимические коды белковых макромолекул путем "разрешения или запрета" на прохождение управляющих команд (при помощи регуляторных молекул обратных связей). 8. Экономное использование различных компартментов и каналов связи, так как живая клетка является многоканальной системой самоуправления. 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. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке "стереохимических кодовых команд" можно было бы назвать - "программированием в стереохимических кодах". Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических молекул - это и есть тот путь, который непосредственно ведёт от молекулярной информации к биологическим характеристикам живой материи. Причем, различные буквенно-символьные кодовые последовательности в цепях применяются не только для передачи сообщений о структурной организации биологических молекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адресных сигналов и инструкций. Как мы видим, в живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать химическим и "стереохимическим" кодовым разделением сигналов. 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. Стереохимические коды активных центров построены на основе аминокислотного кода, поэтому ферменты могут адресно взаимодействовать с молекулой субстрата и быстро находить нужную им химическую связь и связывающую группу. Кодовые компоненты активных центров ферментов могут комплементарно взаимодействовать с доступными для них функциональными или боковыми атомными группами и атомами молекулы субстрата. Как полагают 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. Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию. На этих принципах основана биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами. Субстраты - это тот химический и информационный материал, который обрабатывается управляющей системой клетки. 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. Биохимическая логика информационных взаимодействий, в частности, предопределяет и протекание химических реакций, так как она основана на явлениях стереохимического кодового "узнавания" соответствующими ферментами различных биологических элементов или их функциональных и боковых атомных групп и их химических связей, то есть различных химических букв, символов и знаков биологических молекул субстрата. Если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, 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. 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.

6. Матричный (комплементарный) принцип информационных взаимодействий

Направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику называется коммуникацией. А коммуникативность в живой системе - 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. Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических микроматриц, 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. Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся именно матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного биологического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий: "1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот; 2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды; 3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой; 4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина" [7]. Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в "линейной" аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы или же между биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на дополнительности химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу. Естественно возникает вопрос, почему живые молекулярные системы так широко применяют матричный способ рецепции и передачи информации? Заметим, что этот способ одновременно объединяет как структурный, так и химический способ соответствия кодовых компонентов. Во-первых, при взаимодействии биомолекул при помощи кодовых микроматриц большая роль отводится ионным взаимодействиям как наиболее дальнодействующим (до 0,7нм) и включающимся в первую очередь. Затем между молекулами возникают более короткодействующие (на расстоянии до 0,2 нм) связи: водородные, гидрофобные, ван-дер-ваальсовы. Однако для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать, необходимо, прежде всего, стерическое, пространственное соответствие (комплементарность) взаимодействующих поверхностей. Иначе говоря, должна существовать возможность сближения этих поверхностей на короткое расстояние, при котором возможно образование перечисленных связей. Необходима также комплементарность по распределению зарядов противоположного знака (для возникновения электростатических сил), гидрофобных областей и групп, способных к образованию водородных связей. Таким образом, в процессе информационных взаимодействий важнейшую роль играет явление физико-химического кодового "узнавания", то есть наличие стерической и химической комплементарности [10]. Наличие в структурах макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей (обусловленных составляющими их элементами), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг макромолекулы образуется специфическое силовое "информационное поле", которое способно влиять как на структуру самой макромолекулы, так и на её микроокружение. При этом сама макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными группами и атомами мономеров. Эти рассуждения приводят нас к мысли о существовании полей особого типа, которые можно назвать "информационными полями и сферами" живой материи. Информационная сфера - это состав того информационного поля, которое образуется и окружает конкретную биологическую молекулу в определённый период времени. А наложение информационных сфер друг на друга и создаёт в окружающем пространстве живой клетки общее информационное поле. Можно констатировать, что информационное поле живой материи - это одно из видов полей, которое образуется с помощью различных биологических молекул и клеточных структур, способных к информационному взаимодействию. Молекулярные информационные поля, по всей вероятности, служат для облегчения дистанционного, а затем, и контактного коммуникативного общения биологических молекул друг с другом. Только в таком поле молекулы, находящиеся в клеточных отсеках, способны быстро находить друг друга, информационно взаимодействовать и возбуждать при этом биологические функции. Любая молекула может находиться в одной из точек информационного поля, от энергии которого и зависит её поведение. Информационные взаимодействия, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействия и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах. Каждый элементарный биологический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств, и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, по всей видимости, и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального единичного сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного биологического элемента, входящего в состав кодового (микроматричного) сигнала макромолекулы. Целью химического и стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов. Более чем наглядно это видно, когда такая программа реализуется в форме белков и ферментов, то есть в виде молекулярных биологических автоматов или манипуляторов [9]. Поэтому можно сказать, что это - универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах. 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 (программных модулей) в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свое функциональное назначение и свои биологические характеристики.

7. Три основных потока информации в клетке

"Сама по себе генетическая информация инертна. Её реализация в основные компоненты клеточной структуры требуют строительных материалов (элементной базы) и притока энергии. Ни того, ни другого молекула ДНК не содержит. Все это поступает в клетку из окружающей среды и с помощью белков подвергается соответствующим превращениям. Поэтому в клетке можно выделить три основных потока информации, которые лежат в основе жизнедеятельности. Эти потоки относительно независимы, но вместе с тем и взаимосвязаны, так как в своей сумме они наделяют совокупность молекул, составляющих клетку, свойствами живого. 1. Передача генетической информации по наследству, осуществляемая с помощью механизма репликации ДНК. 2. Выражение генетической информации, закодированной в геноме, то есть её реализация с помощью белоксинтезирующей системы в индивидуальные белки, катализирующие биохимические процессы, с помощью которых синтезируются компоненты клеточной структуры и осуществляются функции данной клетки. 3. Непрерывное поступление в клетку из окружающей среды питательных веществ, являющихся источником строительных материалов и энергии, необходимых для обеспечения обоих потоков генетической информации, то есть осуществления жизнедеятельности клетки" [11]. Живые клетки следует рассматривать и как физические, и как химические, и как информационные (буквенно-символьные) системы. Поэтому живые клетки для информатики и кибернетики являются самыми перспективными объектами изучения и исследования. С одной стороны, это - физические, материальные объекты, которые подчиняются всем физическим и химическим законам. С другой стороны - управление и информационные процессы являются виртуальной (нематериальной) частью живого и поэтому подчиняются своим специфическим закономерностям (информатики, теории связи и управления). В связи с этим, важнейшими характеристиками живой системы являются самоуправление и информационный обмен. Обсуждение клеточных процессов управления должно начинаться с важнейших условий, необходимых для поддержания жизнедеятельности любых клеток. 1. Во-первых, для поддержания жизни любых клеток (микробных, растительных и животных) необходима циркуляция наследственной информации, которая основана на использовании генетической информации, применении управляющих средств, химической энергии и элементной базы живой материи. Заметим, что только циркуляция информации формирует, организует и приводит в действие все управляющие аппаратные системы клетки, обеспечивает их структурное построение, реконструкцию и загрузку в их компоненты программной функциональной информации. Загруженная информация в структуре живой материи является руководством к действию, а значит, и критерием управления и регуляции всех химических, молекулярных, энергетических и других биологических функций и процессов. По этой причине все физико-химические процессы живой системы выходят за свои собственные рамки и вступают в более содержательную область - область молекулярной биохимической логики, информатики и управления. 2. Во-вторых, все химические буквы и символы молекулярного алфавита - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты (и другие биологические элементы) представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются молекулярные коды наследственной информации. Поэтому молекулярная информация точно также, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его элементарном уровне! В связи с этим основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Очевидно, что триединство вещества, энергии и информации является фундаментальной основой существования биологической формы материи. Эта триада, по-видимому, и явилась тем феноменом, который определил движущие силы постоянного развития и совершенствования живой материи [5]. 3. Живая клетка обладает всеми программными и молекулярными аппаратными средствами для "автоматизированной" переработки биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому вся многосложная "паутина" целенаправленных и упорядоченных химических превращений в клетке формируется не сама по себе, а является результатом действия весьма сложной управляющей системы клетки. Кроме того, заметим, что движение информационных сообщений в живой клетке никогда не может осуществляться без движения их молекулярных носителей. Этот факт, по-видимому, и является первопричиной, побуждающей клетку строить свои вещественные отношения таким образом, чтобы движения информации всегда были бы обеспечены вещественными носителями! Этим задачам, по всей вероятности, подчинены все управляемые обменные процессы живой клетки, то есть, таким образом, наследственная информация в живой системе занимается материальным и энергетическим самообеспечением. Следовательно, третьим условием поддержания жизнедеятельности клеток является наличие энергии, запасенной в форме АТФ и наличие исходной элементной базы (молекулярного алфавита), необходимых для процессов кодирования и программирования биологических макромолекул и клеточных структур (то есть для циркуляции информации). 4. Только при использовании общего алфавита у живой клетки появляется способность хранить, передавать, и преобразовывать информационные сообщения. Именно с кодированием связаны многие замечательные свойства живых клеток: 1) возможность хранения, передачи и переработки управляющей генетической информации; 2) возможность структурно-функционального программирования биологических молекул и клеточных структур; 3) совмещение программно-аппаратных средств в структурах белков, нуклеиновых кислот и других функциональных биомолекулах; 4) возможность обработки сигнальной информации субстратных молекул и т. д. В связи с тем, что информация в клеточной системе записывается с помощью элементарной формы органического вещества (химических букв и символов), - нам всегда следует помнить, что кодирование информации в живой клетке постоянно и неизменно сопряжено с построением определённых молекулярных цепей и биологических структур! Молекулярное содержание этих цепей и структур напрямую зависит от той информации, которая в них загружается. Следовательно, любую макромолекулу можно рассматривать с двух различных точек зрения: или со структурной (физико-химической), или же с чисто информационной точки зрения. Это следует из принципа единства вещества, энергии и информации живой материи. 5. Все биологические функции и химические превращения в клетке поддерживаются и осуществляются управляющей системой под руководством генетической информации. Следовательно, живая клетка самоуправляется и "реконструируется" информационным путем. Это свойство является основным фактором, определяющим движение клетки по пути клеточных циклов развития и самовоспроизведения. Поэтому основной задачей наследственной информации является структурная и функциональная организация биологических объектов (живых существ).

8. Клетка как сверхминиатюрная система управления

В структурах живой клетки мы не найдем привычной начинки информационных технических систем с четким разделением материальных и программных средств. В клетках функционируют только те программируемые биологические макромолекулы, структуры и компоненты, которые после "биосинтеза" сами по себе становятся материально-энергетическими и программно-аппаратными средствами управления. Все они встраиваются в общую управляющую систему для выполнения тех или иных биологических функций и информационных операций! Благодаря этому, биомолекулы и структуры клетки всё время находятся в процессе постоянного и непрерывного движения, обновления, расщепления и информационного взаимодействия друг с другом, который и называется жизнью. Никто не будет отрицать, что живая клетка относится к одной из самых древних информационных систем естественного происхождения. Система управления каждой живой клетки, несмотря на их различную специализацию, имеет типовую структурную организацию и стандартный функциональный принцип действия. Во-первых, она имеет свою генетическую память, в которой заключена (закодирована) наследственная информация, достаточная для того, чтобы был воспроизведен целостный организм. Поэтому каждая клетка является миниатюрным носителем жизни. А ДНК как сверхминиатюрное вместилище информации, закручена в двойную молекулярную спираль с шагом 3,4 нм и диаметром всего 2 нм. Каждая спираль содержит десять нуклеотидов, чем достигается высочайшая плотность записи информации. Профессор информатики Вернер Гитт (Германия) по этому поводу приводит впечатляющие примеры: "Информационная емкость ДНК как носителя информации живых существ, в 4,5x10 в тринадцатой степени раз выше, чем у мегачипа! Общая сумма информации, собранной во всех библиотеках мира, оценивается в 10 в восемнадцатой степени бит. Если бы эта информация была бы записана в молекуле ДНК, для нее хватило бы одного процента объема булавочной головки. Если бы эта информация была бы записана с помощью мегачипов, то высота их, сложенных в стопку, была бы больше расстояния от Земли до Луны. Эффективность ДНК так высока потому, что ДНК - трехмерная молекула, а чип - двумерное хранилище информации. Кроме того, в чипе возможна лишь двухвариантная коммутация, что ведет к двоичному коду, а ДНК, с четырьмя различными нуклеотидами, имеет четверичный код, при котором одно состояние уже представляет два бита. Кроме того, даже самая продвинутая технология сверхвысокого уровня интеграции не дает нам возможности управлять чем-либо на уровне единичной молекулы" [2]. В данной ситуации традиционные подходы пасуют перед сложностью информационных процессов живых молекулярных систем. Ситуация осложняется еще и их микроскопическими размерами, выходящими за рамки обычных объектов и понятий. Молекулярный уровень управления и передачи информации для нас чрезвычайно интересен именно тем, что позволят управлять биохимическими процессами на недосягаемом для других технологий уровне, - на уровне малых молекул их атомных групп и отдельных атомов! Кроме того, живая материя отличается преемственностью и неразрывностью линии жизни, общностью протекающих биохимических и структурных процессов, которые основаны на циркуляции генетической и клеточной информации. Причем, циркуляция наследственной информации, являясь руководством к управлению биохимическими процессами, программирует не только структуры, но и функции биоорганического вещества, Так как структура, так и функции отдельных молекулярных устройств кодируются и программируются с помощью генетической информации и элементной базы (общего молекулярного алфавита), то все аппаратно-управляющие устройства живой клетки являются программируемыми устройствами. Причем, для кодирования и программирования биологических макромолекул часто применяются довольно сложные аппаратные устройства, например, молекулярные биопроцессорные системы трансляции. Управление и информационный обмен являются важнейшими характеристиками поведения живых систем. Причем, все компоненты живых клеток, макромолекулы, структуры, каналы передачи молекулярных сигналов можно рассматривать как "конструируемые" объекты, которые изготавливаются на основе элементной базы по соответствующим текстам информационных сообщений. Причем, "конструирование" и "реконструкция" молекулярных объектов являются основной характеристикой живых систем. Все биохимические процессы клетки также подчиняются управляющим воздействиям. К примеру, "сотни протекающих в клетке химических реакций, управляемых ферментами, организованы в виде множества различных последовательностей идущих друг за другом реакций. Такие последовательности могут состоять из нескольких реакций - от 2 до 20 и более. Одни из этих последовательностей ферментативных реакций приводят к расщеплению органических пищевых продуктов на более простые соединения, причем в процессе такого расщепления из них извлекается химическая энергия. Другие последовательности реакций, требующие затраты энергии, начинаются с малых молекул-предшественников, которые постоянно соединяются друг с другом и образуют крупные и сложные макромолекулы. Все эти цепи взаимосвязанных ферментативных реакций, в своей совокупности составляют клеточный метаболизм. Обратим внимание, что общий принцип работы информационной молекулярно-биологической системы управления живой клетки (также как и в компьютере) сводится к упорядоченному манипулированию различными буквами, символами и знаками (молекулярными мономерами, их атомными группами и атомами), которым предписан определенный информационный и биологический смысл. Причем, применяемые для записи информации химические буквы и символы, - нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и т. д. имеют размер в диаметре всего от 0,5 до 0,7 нм, а для физико-химического воплощения молекулярной информации используют те же природные силы, связи и взаимодействия, которые произвольно существуют и в микроструктурах любых неорганических форм материи. В принципе любая живая клетка является "автоматизированной" биологической системой управления, представляющая собой комплекс, состоящий из генетической памяти, молекулярных биопроцессорных систем, средств сбора, ввода-вывода, передачи и обработки биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Поэтому живые клетки следует рассматривать и как физические, и как химические, и как информационные (буквенно-символьные) системы. Так как генетическая память живой клетки содержит всю информацию, необходимую для жизнедеятельности, развития и воспроизведения целостного организма, то информационная проблема биологической формы материи приобретает первостепенное значение. Известно, что в цифровых технических устройствах для передачи информации широко применяются цифровые коды. В основу правил соответствия кодовых комбинаций числам цифровых кодов положены математические системы счисления. В зависимости от значения основания кода, коды называются двоичными, троичными, десятичными и т. д. Однако, компьютеры обрабатывают не только числовую, но и различную алфавитно-цифровую информацию, содержащую помимо цифр, буквенные, синтаксические и математические символы. Совокупность всех этих символов образует алфавит входного языка машины. Поэтому необходимость ввода, обработки и вывода алфавитно-цифровой информации требует выбора определённой системы кодирования. Наибольшее распространение в компьютерах получило кодирование алфавитно-цифровых символов 8-разрядными байтами. Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает её организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, - то есть способ её представления. В молекулярной биологии в настоящее время утвердилось представление о применении такого кода только в случае генетического кода. Однако для кодирования различных видов и форм молекулярной информации клетка использует разные системы элементов общего алфавита, поэтому запись информации может осуществляться различными буквами и символами. В живой клетке используются как трехпозиционные (генетический код), так и многопозиционные коды (например, аминокислотный код). Для кодирования и программирования различных классов биологических молекул используются разные системы (алфавиты) биологических элементов - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры. А различные буквенно-символьные кодовые последовательности в цепях применяются не только для передачи сообщений о структурной организации биологических молекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адресных сигналов и инструкций. Как мы видим, в живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать химическим и "стереохимическим" кодовым разделением сигналов. Очевидно, что использование клеткой разных систем биологических элементов также приводит к необходимости кодирования одних химических букв, символов или знаков через алфавитную систему других. Ясно, что в живой клетке используются свои специфические коды. Причем, автор данной статьи считает, что кодирование живой материи начинается с самого низкого - субмолекулярного уровня её организации, затем поднимается до уровня биологических макромолекул и клеточных структур, и далее выходит на другие уровни организации живого. Наша задача рассмотреть субмолекулярные и молекулярные уровни организации, так как только они являются фундаментальными основами биологической формы движения материи. К примеру, для идентификации химических знаков - типовых атомных групп и атомов биологических элементов имеются свои стереохимические коды, образованные пространственной организацией аминокислот, встроенных в активные центры соответствующих ферментов. При этом в основу правил соответствия кодов активного центра различным символам или их знакам (типовым атомным группам и атомам), также положена их химическая и стерическая комплементарность. Очевидно, что если путём манипуляции атомные группы одних элементов переносятся на другие элементы, то следует считать, что это не что иное, как процесс перекодирования биологических элементов. Таким способом живая клетка регулирует и восполняет резервы нужных элементов. А сами биологические элементы (химические буквы и символы) становятся теми молекулярными единицами, с помощью которых кодируется структурная организация биологических молекул. Поэтому, точно также, как с помощью химических знаков кодируется структурная организация (построение) различных химических букв и символов, точно по такому же принципу, с помощью букв и символов, кодируются различные цепи биологических молекул. Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код - то есть способ её представления. Поэтому любой код является ключом для перевода одного вида информации в другой, или одной формы в другую. Со всей очевидностью, следует констатировать, что каждая буква или символ (биологический элемент) и каждый химический знак биологического элемента в живой клетке (по аналогии с кодированием букв, символов и знаков в компьютере) получает своё кодированное обозначение! К примеру, генетическим кодом (тройкой нуклеотидов в иРНК, а значит, и в ДНК) кодируется каждая из 20 типовых аминокислот белковых молекул. В живой клетке повсеместно применяются стереохимические коды и принципы кодового соответствия информационных компонентов. Здесь также, как и в технических системах применяются как сложные, так и простые коды. Рассмотрим пример кодирования моносахаридов, жирных кислот и других символов 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 и код операции). А в основу правил соответствия тех кодовых комбинаций аминокислотных остатков, которые эквивалентны определенным 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 в живой клетке перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством кодирования (перекодирования). Любой фермент, как правило, выступает в качестве молекулярного преобразователя информации. Здесь кодирование (или перекодирование) информации также осуществляется совокупностью дискретных сигналов, сопоставляемых по определенному алгоритму с конечным множеством сообщений. Очевидно, что 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 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. Очевидно, что для информационного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками живая клетка применяет свои специфические химические или стереохимические молекулярные коды. Специалистам лишь следует научиться их правильно выявлять и идентифицировать. Микромир живой клетки сильно отличается от окружающего нас макроскопического мира. Поэтому вполне понятен наш интерес к тем физико-химическим явлениям, силам и взаимодействиям, которые лежат в основе информационных процессов живых систем. Дело в том, что те микроскопические явления, которые слабо проявляются при привычных технологиях, в информационных живых нанотехнологиях приобретают новые свойства и становятся намного значительнее и весомее. А все совокупные признаки и особенности биологических макромолекул зависят от информации, загруженной в их структуру, то есть от интегративных физико-химических свойств, состава и линейной позиционной последовательности их биологических элементов. Заметим, что в живой клетке как и в компьютере, решаемая задача любой сложности всегда разбивается на ряд мелких элементарных шагов, которые реализуются в виде последовательности отдельных элементарных управляемых операций (химических реакций). Поэтому теории коммуникации, управления и информационного потока между устройствами одной системы, применяемые в технических системах вполне применимы и для молекулярных систем управления. Такое заимствование понятий и представлений вполне оправдано, так как позволяет лучше понять и объяснить явления информационного управления в живых системах. Молекулярная информатика вполне приемлема для исследования живых систем и их управляющих и регулирующих механизмов. А классическая (кодируемая генетическая) информация позволяет исследовать приемы её кодирования и перекодирования в передатчике и декодирования в приемнике, позволяет исследовать пропускную способность канала связи между ними, изучать помехоустойчивость информационных сообщений, достоверность передачи информационных кодовых сигналов и т. д. Ясно, что кодируемая на всех молекулярных уровнях информация связана с работой генов, самосборкой клеточных структур, мембранным транспортом, внутриклеточной и межклеточной коммуникациями - процессами, лежащими в основе жизнедеятельности и развития живых систем. Сложное поведение живых молекулярных систем должно получить причинно-следственные объяснения.