Информационный микромир живой клетки (идеи, концепции, гипотезы)

9. Принцип действия и структура управляющей системы живой клетки

В первую очередь живая клетка представляет собой очень мощную, чрезвычайно миниатюрную и весьма универсальную "автоматизированную" систему управления процессами обработки биоорганического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В основе "автоматизации" управления биохимическими процессами клетки лежит принцип программного управления, заключающийся в том, что управляющая система клетки, "автоматически" решает поставленную биологическую задачу, если в виде программы ей задана последовательность выполняемых действий. К примеру, в процессе транскрипции или трансляции программа указывает управляющей системе клетки на то, какие операции ей необходимо выполнить, над какими данными и в какой последовательности. Программа из генетической памяти, состоящая из отдельных команд, заранее транскрибируется (переписывается) на структуру иРНК, выполняющую роль оперативной памяти, а затем транслируется (перекодируется) на структуру белковых молекул. Таким образом, исходные биологические задачи, представленные различными генетическими программами в виде иРНК, преобразуются в искомый результат путем выполнения определенной последовательности элементарных микроопераций - сначала ковалентного типа сочленения аминокислот в длинные полипептидные цепи, а затем, и нековалентного типа их соединения в трехмерную структуру белковых макромолекул, которые потом применяются для управления различными биохимическими процессами: окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и атомов и т. д. Иными словами, создаваемые таким образом, многочисленные белки и ферменты по существу и представляют собой тот программно-управляемый "машинный парк" молекулярной "робототехники", который работает во всех устройствах управления (УУ) клетки. Это именно он организует и координирует автоматическое взаимодействие всех клеточных устройств в процессе решения тех или иных биологических задач. С помощью стереохимических кодовых сигналов (субмолекулярных микроматриц) обеспечивается согласованное взаимодействие белков и ферментов УУ. Очевидно, что эти белки и ферменты представляют собой выходное управляющее звено молекулярных биопроцессорных систем транскрипции и трансляции. Кстати, одной из основных задач УУ является выборка из генетической памяти кодов команд (в виде оперативной памяти иРНК) и их преобразование в необходимые кодовые последовательности полипептидной цепи белковых молекул. Живые клетки с их программным обеспечением следует отнести к наиболее сложным системам, которые когда-либо существовали в природе. Их сложность определяется чрезвычайной миниатюризацией "изготовления", многочисленностью входящих в их состав биологических элементов, бесчисленным количеством ковалентных и нековалентных химических связей между элементами и неопределенностью законов функционирования и преобразования информации. И, кажется, что нет никакой практической возможности разобраться во всей многосложности протекающих здесь биохимических процессах и биологических функций. Однако заметим, что вся эта сложность всегда сводится к относительно простым закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики и простым принципам, и правилам использования элементной базы! Сначала отметим, что принципы действия управляющей системы клетки относительно просты, хотя при этом могут быть задействованы весьма сложные молекулярные программно-аппаратные устройства управления. К примеру, при организации процессов репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, управляющая система клетки манипулирует целостными элементами - нуклеотидами или аминокислотами, которые играют роль химических букв биологической информации. При построении полисахаридов или липидов она манипулирует уже другими элементами - простыми сахарами и жирными кислотами, которые вполне можно назвать символами молекулярной информации. Кроме того, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать и отдельными химическими знаками этих элементов, то есть их составными частями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все типовые биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки, обладают различными типовыми функциональными и боковыми группами, атомами и их химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы, атомы и их химические связи - это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой биологический элемент клетки! Таким образом, общий принцип действия информационной молекулярно-биологической системы управления живой клетки (также, 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, в основном, производятся над составными частями молекул субстрата - химическими знаками их элементов. Это подтверждает предположение, что все химические и биологические процессы в живых молекулярных системах управляются только информационным путём, а источником управляющей информации является генетическая память. Данный момент трудно переоценить, так как он является ключевым для молекулярной биохимической логики и информатики. При управлении ступенчатыми реакциями, все биохимические процессы (катаболизма или анаболизма) любой сложности также разбиваются на определенную последовательность типовых химических реакций. Заметим, что простота типовых (элементарных) операций управления достигается и обеспечивается применением типовых информационных молекулярных кодов, сформированных в активных центрах соответствующих ферментов. Эти коды эквивалентно соответствуют тем типовым химическим буквам, символам или знакам, с которыми в данный момент работают ферменты! Таким образом, управляющая система клетки работает с биомолекулами так, что воспринимает их и как химические, и как информационные компоненты субстратов! [12]. Достоинствами управляющей системы клетки являются относительно высокая скорость выполнения химических и биологических операций за счет их широкого параллелизма действия, возможность хранения в генетической памяти чрезвычайно большого объема информации, высочайшая плотность записи информации, высокая помехоустойчивость и точность передачи молекулярной информации, а также универсальность её применения для решения различных биологических задач. Однако в первую очередь, управляющая система является универсальным средством автоматизированной обработки информации, представленной в дискретной молекулярной форме.

9.1 Генетическая память

Методами генетики было установлено, что ген - это дискретный фактор наследственности, часть хромосомы, и что он переходит от родителя к потомству. Еще в 1945 году Шрёдингер, рассматривая свойства генетического материала с точки зрения физики, писал: "Невероятно маленькая группа атомов, слишком маленькая, чтобы к ней можно было применить законы статистики, играет доминирующую роль в очень упорядоченных и регламентированных событиях, происходящих в живом организме... Ген слишком мал… чтобы передаваемая им способность к упорядоченному и регламентированному поведению происходила на основании законов физики". Никто не сомневался, что ген подчиняется тем законам физики, которые уже известны, но при этом думали, что изучение его свойств может привести к открытию новых законов. Очевидно, исследователи были по-своему правы, потому что дальнейшие события привели к понятию информационной сущности живой материи. А законы информатики - это уже, увы, не физические законы, потому что они подчиняются совершенно другим принципам и правилам. Поэтому фактором наследственности следует считать не ген, который по существу является лишь материальным носителем, а только ту информацию, которая заключена в кодовых последовательностях его структуры. Недаром же в последнее время многие исследователи склоняются к мысли, что не только живая материя, но и сама жизнь во всех её многообразных проявлениях, и сам разум являются продуктом эволюции кодированной информации [13,14]. Хранилищем и источником наследственной информации в каждой живой клетке является ДНК хромосом. Генетическая память, как долговременное запоминающее устройство, служит для длительного хранения данных и программ. Однако, естественно, всегда надо помнить, что генетическая память хромосом - это понятие несравненно более обширное и более грандиозное, чем, к примеру, память компьютерная. К этой многосложной молекулярной структуре, отождествляющей "спираль жизни", нельзя относиться без особой доли уважения и благоговения. Генетическая память обладает феноменальными информационными возможностями. И, действительно, в последовательности оснований внутри двойной спирали ДНК закодирована вся необходимая информация для осуществления жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения живой системы. Генетическая память имеет: операционную систему; полный набор программных средств для обслуживания ступенчатых процессов катаболизма и энергетического обеспечения; матричных процессов реализации генетической информации, программных средств для обслуживания процессов биосинтеза макромолекул, систем репарации ДНК, аппаратных устройств ввода молекулярной информации питательных веществ и вывода конечных продуктов обмена веществ и т. д. Генетическая память живой клетки имеет пакет программ, кодирующих и программирующих молекулярные средства и механизмы самовоспроизведения, которые начинают синтезироваться и действовать строго в соответствии с общей программой развития. А программирование самой генетической памяти осуществляется особым репликативным аппаратом живой клетки в S-период её развития, и дочерние клетки получают полный дубликат генетического материала. Этот аппарат является молекулярной биопроцессорной системой репликации. Программное обеспечение клетки - это важнейший проблемный вопрос молекулярной биологической информатики. В генетической памяти хранится множество пакетов программ, обеспечивающих те или иные биологические функции и процессы. Поэтому "автоматизированное" управление процессами решения различных биологических задач в живой системе осуществляется на основе принципа программного управления. Для программной переработки генетической информации широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции (например, в процессах репликации, транскрипции или трансляции), распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Но, все-таки, главной задачей программных средств, используемых в живых клетках, является обеспечение оперативного взаимодействия её управляющей системы с молекулярными объектами управления (субстратами). Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений. Программы, загруженные в структуру белковых и других макромолекул, реализуют стереохимические принципы кодового узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их кодов на комплементарное соответствие друг другу. То есть в процессе взаимодействия биомолекул широко используются принципы обратной связи. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений. В свете рассмотренных идей (молекулярной биохимической логики и информатики), становятся понятными и механизмы организации доступа к информации генетической памяти. Хромосомы ядра, благодаря присутствию в них структурных и регуляторных белков, а также "малых" двухцепочечных РНК, являются чрезвычайно активными динамическими компонентами клетки. Гибкость ДНК в составе хромосом позволяет регуляторным белкам и РНК информационно связываться с различными её участками и влиять на транскрипцию генов. При этом каждый из этих управляющих белков и "малых" РНК, благодаря загруженной в их структуру информации и своим стереохимическим кодовым компонентам, - четко знает свою функциональную роль. Согласованность действия различных управляющих, а также регуляторных белков и "малых" РНК достигается за счет генетической информации, которая заранее была загружена в их структуру. А загруженные в их структуру программы являются составляющими того пакета программ, который предназначен как для организации автоматического доступа к генам ДНК, так и для управления и регуляции процессами транскрипции генетического материала. В силу этих обстоятельств отдельные домены хроматина в хромосомах в процессе функционирования разворачиваются, а после окончания считывания информации с генов ДНК вновь упаковываются. Поэтому сами хромосомы представляют собой активные динамические структуры, в разных участках которых идут процессы считывания информации с ДНК. Доступ к генетической памяти основан на тех же правилах информационного стереохимического управления и тех же принципах динамического взаимодействия биологических молекул друг с другом, которые являются основой управляющих биологических процессов в живой клетке [12]. Нам остаётся лишь научиться расшифровывать и понимать эту информацию. Все управляемые "биохимические процессы, происходящие в клетке и организме можно разделить на две категории: ступенчатые и матричные Ступенчатые процессы - это синтез и деградация низкомолекулярных соединений: аминокислот, нуклеотидов, оснований, сахаров и др. Матричные - это синтез макромолекул: ДНК, РНК, белков… Очевидно, что воспроизведение генов и реализация генетической информации непосредственно связаны с матричными процессами и в первую очередь с синтезом белка. Поэтому современная теория гена - всецело опирается на успехи биохимии в изучении матричных процессов. С другой стороны, метод генетического анализа вносит существенный вклад в изучение матричных процессов, которые, также как и ступенчатые, находятся под генетическим контролем" [15]. Одни группы генов контролируют посредством транскрипции и трансляции структуру белков, участвующих в ступенчатых процессах. Другие группы генов ответственны за все матричные процессы. Последние подразделяются на две подгруппы, одна из них отвечает за синтез рибосомных и транспортных РНК, которые обслуживают процесс трансляции. Другая подгруппа контролирует структуру белков-ферментов и структурных белков, обеспечивающих матричные процессы, то есть воспроизведение (репликацию) и реализацию генетической информации (транскрипцию и трансляцию). Таким образом, вторые группы генов являются фактором интеграции генотипа, то есть контролируют воспроизведение и проявление всех генов клетки.

9.2 Операционная система клетки

Важно отметить, что живая клетка точно также, как и любая другая система для "автоматизированной" переработки информации, имеет свою "операционную систему" - набор программ, который формирует, организует и приводит в действие многие аппаратные и программные ресурсы живой клетки. Операционная система является важнейшей центральной частью программного обеспечения клетки, в которую входят программные средства для эффективного управления всеми матричными процессами клетки. В первую очередь, операционная система клетки обеспечивает построение и функционирование основных компонентов молекулярных биопроцессорных систем - транскрипционного и трансляционного аппаратов. То есть тех средств, которые предоставляют услуги для выполнения различных клеточных программ. Операционная система - это совокупность важнейших программ, предназначенных для управления процессами считывания генетической информации и трансляции (перевода) текста программ с языка нуклеиновых кислот на аминокислотный язык белковых молекул, то есть, в конечном итоге, на стереохимический язык трёхмерных биомолекул и структур. Значит, операционная система клетки имеет соответствующие программы-переводчики и программы-трансляторы, которые содержит встроенные функции перекодировки информации из одной системы её кодирования в другую. Поэтому, можно сказать, что операционная система состоит из набора отдельных транскрибирующих и транслирующих программ, обеспечивающих как структурное построение, так и программирование, то есть функциональное поведение основных биопроцессорных компонентов живой клетки. Определённые группы генов кодируют и программируют синтез рибосомных и транспортных РНК, другие группы генов (программ) контролируют биосинтез белков и ферментов, обеспечивающих работу транскрипционного и трансляционного аппаратов (биопроцессорных систем). В структурной схеме (см. схему в конце статьи) операционная система представлена соответствующим участком генетической памяти, своими ядерными биопроцессорными устройствами (транскрипционный аппарат, блок процессинга и каналы ввода/вывода операционной системы), которые кодируют и программируют синтез рибосомных, транспортных и информационных РНК системы. Далее иРНК, в качестве модулей оперативной памяти поступает в операционный блок биопроцессорной системы трансляции (см. в левой части структурной схемы), где осуществляется кодирование и программирование белков и ферментов, которые обеспечивают работу транскрипционного и трансляционного аппаратов клетки. Таким образом, операционная система создаёт и предоставляет аппаратные средства и функциональные услуги для выполнения всех генетических программ живой клетки! Она контролирует проявление всех структурных генов клетки и соответственно является одним из основных факторов клеточной интеграции [12]. Причем, необходимо обратить внимание на сложность информационных процессов, протекающих в живой клетке, которая обусловлена тем, что многочисленные типовые молекулярные биопроцессорные единицы (например, рибосомы) параллельно работают не только с большим числом программ сразу, но и одновременно находятся в различных по назначению управляющих блоках. Если взглянуть на структурную схему, то там, для наглядности, управляющие биопроцессорные блоки распределены по разным управляющим системам.

9.3 Молекулярные биопроцессорные системы для программной обработки генетической информации

Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, а затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Вот для этой цели в клетке и применяются аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой не что иное, как молекулярные системы для программной переработки генетической информации. Поэтому каждая живая клетка для программной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения представляют собой молекулярные биологические процессоры. Известно, что ДНК и РНК живой клетки построены из типовых мономерных звеньев - нуклеотидов. Однако между этими двумя нуклеиновыми кислотами имеются существенные структурные и функциональные различия, которые привели к появлению в живой клетке особой молекулярной биопроцессорной системы транскрипции, которая предназначена для считывания информации с ДНК-матрицы и переноса её на структуру РНК. Синтез РНК включает стадии инициации транскрипции, элонгации цепи РНК и терминации (прекращение роста). "Синтез одноцепочечной иРНК на ДНК носит название транскрипции (переписывания). При этом часть двойной спирали ДНК раскручивается, и вдоль одной из её цепей движется особый фермент РНК-полимераза, который выстраивает нуклеотидные мономеры РНК против их партнёров на цепи ДНК и соединяет эти мономеры друг с другом, так что образуется длинная цепь РНК. При этом к цепи присоединяются те рибонуклеотиды, которые обеспечивают правильное спаривание с цепью ДНК. Движущийся вдоль ДНК фермент РНК-полимераза действует подобно застежке-молнии, "раскрывая" двойную спираль, которая замыкается позади фермента по мере того, как соответствующие основания РНК спариваются с основаниями ДНК в цепи. "Раскрытая" ферментом область простирается только на несколько пар оснований. Естественно, что в этих процессах принимают участие специализированные ферменты и химическая энергия в виде АТФ. На ДНК-матрице образуется три типа РНК: информационная (иРНК), транспортная (тРНК) и рибосомная (рРНК)" [7]. Вспомним, 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. Известно, что первичный транскрипт РНК в клетках эукариот - это точная копия гена, содержащая как экзоны (кодирующие последовательности транскрипта), так и интроны (некодирующие последовательности), которые должны быть удалены. В блоке процессинга "последовательности интронов вырезаются из середины транскрипта РНК, в результате чего образуется молекула иРНК, непосредственно кодирующая белок. Поскольку кодирующие последовательности с обеих сторон интрона после его удаления соединяются друг с другом, эту реакцию назвали сплайсингом РНК. Сплайсинг РНК протекает в клеточном ядре вдали от рибосом, и РНК переносится в цитоплазму только после завершения этого процесса". Процесс вырезания интронов и сплайсинг РНК относится к малоисследованным информационным процессам, который, видимо, связан с позиционной перестановкой и перемещением программных модулей РНК. Таким образом, задача по считыванию генетической информации в оперативную память структуры РНК решается путем выполнения отдельных микроопераций строго в соответствии с программой того участка ДНК, который определяется структурным геном. А сама генетическая память, транскрипционный аппарат, блок процессинга и каналы ввода/вывода информации представляют собой такое множество сложных молекулярных устройств, совокупность которых действительно представляет собой ядерную биопроцессорную систему управления. Результатом работы транскрипционной процессорной системы является формирование транспортных и рибосомных РНК, и главное, - загрузка в оперативную память иРНК структурной и программной информации, которая необходима для выполнения различных биологических функций живой клетки. Поэтому основной смысл действия ядерных биопроцессорных систем транскрипции сводится к тому, чтобы передать программную информацию ДНК в оперативную память модульной структуры РНК. Так происходит считывание генетической информации и передача её к другой биопроцессорной системе для трансляции. В виде информационной РНК, которая в клеточной системе играет роль оперативной памяти, генетические программы по синтезу полипептидных цепей передаются к белоксинтезирующему аппарату клетки, то есть к рибосомам. Отметим, что все биопроцессорные системы трансляции генетической информации действуют по одному и тому же принципу, хотя и задействованы в различных управляющих блоках, которые указаны в структурной схеме (блоки катаболизма, биосинтеза элементной базы или биосинтеза различных макромолекул клетки). Разница заключается в различном программном обеспечении этих блоков при помощи оперативной памяти структуры иРНК. Далее, в цитоплазме, программная информация переводится (транслируется) с оперативной памяти 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 аминокислотной системы элементов строятся и программируются линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков. Кратко рассмотрим принцип работы молекулярной биопроцессорной системы трансляции (трансляционный аппарат). Основным компонентом типовой биопроцессорной единицы является рибосома. Важная регулирующая роль в синтезе белка помимо иРНК принадлежит тРНК. С помощью специального фермента аминоацил-тРНК-синтетазы тРНК присоединяет на одном из своих концов молекулу соответствующей аминокислоты, в результате чего возникает комплекс аминоацил-тРНК. тРНК при участии белковых факторов устройства управления и энергии гуанозинтрифосфата (ГТФ) доставляет аминокислоту в рибосому для включения ее в растущий полипептид. С помощью своего антикодона тРНК информационно взаимодействует с комплементарным ему кодоном иРНК. Благодаря этой функции тРНК дешифрует генетический код в иРНК-матрице и переводит его в биологический код аминокислотной последовательности белка. Таким образом, обеспечивается необходимая последовательность микроопераций включения аминокислот в синтезируемую полипептидную цепь, строго в соответствии с программой заданной в структуре иРНК. Поэтому функционирование биопроцессорной единицы (рибосомы) в основном состоит из повторяющихся рабочих циклов, каждый из которых соответствует выполнению одной микрокоманды программы иРНК. Рабочий цикл содержит в общем случае последовательность определенных этапов, которые наглядно отражены в соответствующей биологической литературе. Сама рибосома, в частности, обладает каталитической функцией, ответственной за образование пептидных связей в цепи белка. Как мы видим, иРНК в биопроцессоре играет роль матричной модульной структуры оперативной памяти, несущей программу преобразования структурной генетической информации в структурную и функциональную информацию полипептидной цепи белка. Следовательно, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной программой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор трансляции. Так как молекулярные биопроцессорные единицы (рибосомы) трансляционного аппарата локально рассредоточены по различным блокам и компартментам, то клеточная система управления процессами строится в виде набора единичных процессоров, для которых, как правило, предусматривается своя локальная оперативная память в виде иРНК. Множество подобных молекулярных процессорных единиц обычно соединяются каналами связи, образуя сеть. Итак, все ядерные биопроцессорные системы различных управляющих систем (катаболизма, биосинтеза элементной базы, биосинтеза макромолекул клетки и т. д., см. структурную схему) обеспечивают транскрипцию (считывание) программной информации с соответствующих участков структуры ДНК и осуществляют загрузку и размещение её в оперативной памяти структур РНК. Далее программная информация оперативной памяти иРНК становится основой работы биопроцессорных систем трансляции, то есть служит для перевода текста программ с языка нуклеиновых кислот на полипептидный язык белковых молекул. При этом осуществляется не только перевод программы с одного языка на другой, но и загрузка программ и данных в структуру белковых молекул. Таким образом, осуществляется перекодирование информации, записанной генетическим кодом и перевод её в программную информацию, записанную кодом аминокислотным. Заметим, что 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. Причем, если генетический код служит для переноса и трансляции генетической программной информации на "линейную" структуру белка, то аминокислотный код является тем молекулярным кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем, и, через деятельность белков, - воплощение и реализация генетической информации. Очевидно, что генетическим кодом кодируется только первичная, - "линейная" структура полипептидной цепи. Однако "конкретная конформация (вторичная, третичная и четвертичная структуры) любого белка полностью определяется первичной структурой входящих в его состав полипептидных цепей и зависит от химических свойств боковых групп аминокислотных остатков" [3]. Следовательно, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых молекул кодируются и программируются уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. В результате конформационных преобразований и процессинга макромолекула фермента (белка) формирует характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, приобретает свой информационно-кибернетический статус. Весь ход процессинга и адресной доставки фермента в соответствующий операционный блок осуществляется в виде отдельных операций манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. Каждый фермент или другой белок клетки по своим индивидуальным кодам адресации доставляется в свой операционный блок. В операционном блоке, точно в соответствии с функциональным адресным кодом и кодом каталитической операции фермент, действуя как молекулярный биологический автомат, выполняет определенный тип химической реакции. 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 решают 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. Если фермент является аллостерическим, то на него могут воздействовать регуляторные молекулы обратных связей, влияя, таким образом, на ход химической реакции. Так происходит реализация управляющей генетической информации [12]. 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. Способность белка индуцированно возбуждаться и адекватно отвечать на сигнальную информацию изменением своей конформации является специфической особенностью. Конформация фермента меняется при взаимодействии его с субстратом, молекула гемоглобина - при соединении с кислородом, конформационные изменения обеспечивают функционирование сократительных белков и т. д. Способность ферментов и других белков клетки автоматически отвечать на слабые информационные воздействия, довольно мощными обратимыми конформационными изменениями, используется клеткой практически для всех биологических функций. А этап фермент-субстратного взаимодействия является заключительным фрагментом биокибернетического управления. По всей вероятности, это и есть те, пока недостающие и разыскиваемые фрагменты информационного управления, указывающие на единство процессов управления и информации в каждой живой клетке! 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. Как мы видим, - для управления всеми химическими и молекулярными процессами живая клетка создает свой парк молекулярной "робототехники". Здесь мы рассмотрели работу управляющей подсистемы клетки, действие которой непосредственно связано с программной информацией генетической памяти. Очевидно, что нет никаких причин сомневаться в информационной основе рассмотренных выше процессов управления. Теперь нам важно понять сущность управляемых клеточных процессов и убедиться в том, что, несмотря на химическую основу, они также носят информационный характер!

9.4 Информационная основа управляемых процессов

Одна из отличительных особенностей клеточной системы управления заключается в том, что она информационно взаимодействует с молекулярными объектами управления. Вспомним, - все объекты управления (субстраты), точно также, как и сама система управления, состоят не только из типовых биологических элементов (и химических знаков), но и построены по одним и тем же типовым закономерностям. Этот факт позволяет живой клетке не только осуществлять управление превращениями субстратов (или пищевых продуктов), но и осуществлять самоуправление своими же биологическими компонентами. Очевидно, что все биохимические элементы, а значит и биомолекулы клетки (в том числе и молекулы субстратов), обладают разными типовыми функциональными и боковыми группами, атомами и их химическими связями, которые свободно узнаются и тестируются соответствующими ферментами. Боковые и функциональные атомные группы, атомы и их химические связи - это и есть те опознавательные знаки, благодаря которым управляющая система легко может идентифицировать любой биологический элемент клетки. Поэтому в живой клетке, кроме молекулярного алфавита различных элементов, существует ещё и свой химический алфавит типовых атомных групп и атомов, манипулируя которыми управляющая система может осуществлять их движение от одного элемента к другому (а, значит, и между молекулами). Поэтому, циркуляция атомных групп и атомов определяет свою субмолекулярную форму движения информации, которая в живой клетке организована в виде управляемых ступенчатых химических реакций! [12]. Таким образом, информационные процессы в живой клетке практически затрагивают не только молекулярный уровень организации, но и, что удивительно, субмолекулярный - атомный! Однако следует отметить, - если целостные элементы в основном служат для организации самих аппаратных устройств и управляющих процессов клетки, то отдельные химические знаки используются не только в качестве информационных сигналов для организации управляемых химических процессов, но применяются и для построения или реорганизации (перекодировки) самих биологических элементов. В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими буквами, символами и знаками, которым предписан определённый биологический и информационный смысл [4]. Очевидно, что все управляемые процессы представляют собой не что иное, как те ступенчатые химические реакции, которые определяют пути клеточного метаболизма. Только, в ступенчатых химических реакциях различные ферменты способны манипулировать отдельными химическими знаками биологических элементов. Эта способность управляющей системы основана на том, что при фермент-субстратных взаимодействиях, адресные и операционные коды определенных ферментов соответствуют тем или иным боковым или функциональным атомным группам или атомам и их химическим связям. 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.

Кодовые компоненты активных центров ферментов могут специфически (стереохимически и комплементарно) взаимодействовать с доступными для них атомными группами и химическими связями биомолекул (субстратов). Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию! На этом основана молекулярная биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами. В ходе каждой химической реакции, которая управляется своим ферментом, обычно происходит лишь небольшое химическое изменение, например, удаление, перенос или присоединение какого-нибудь атома, боковой или функциональной группы или отдельного биохимического элемента. Иными словами, часть выходного звена управляющего аппарата должна координировать в пространстве и во времени совокупность огромного числа ступенчатых реакций: окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Поэтому в качестве объектов управления в клетке могут выступать как отдельные биологические элементы (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты), так и различные биологические молекулы, состоящие из этих элементов, - то есть многочисленные молекулы субстратов. Каждый объект управления (субстрат) является носителем в "законсервированном" виде определённой структурной биологической информации и химической энергии, накопленной в его химических связях. Поэтому все органические питательные вещества, поступающие в живую систему, представляют собой молекулярные информационно-энергетические субстраты, которые поставляют в клетку необходимые структурные, информационные и энергетические компоненты. И всё это клетка получает в результате информационной переработки субстратов (данных). Благодаря стереохимической форме представления информации, сигнальными элементами субстратов для управляющей системы являются лишь те элементы, к которым она в данный момент имеет доступ. Другие же сигнальные элементы (буквы, символы или знаки) временно маскируются в трёхмерной структуре субстрата. Поэтому информационное преобразование молекулы субстрата, при обработке её различными ферментами, осуществляется последовательно, шаг за шагом (программно), в виде отдельных единичных каталитических операций. Таким образом, все биологические процессы управления и химического превращения веществ в клетке сопряжены с процессами преобразования, как управляющей, так и осведомляющей молекулярной информации. Поскольку каждый фермент способен управлять лишь какую-то одну цепь реакций данного соединения, не влияя на другие возможные реакции, то в отдельно взятом компартменте (операционном блоке) одновременно может протекать множество различных химических реакций. В связи с этим, можно сделать заключение о том, что других специальных механизмов синхронизирующих работу белков и ферментов, по-видимому, не требуется (кроме сигналов обратных связей или изменения физических и химических факторов микросреды).

9.5 Операционные блоки ступенчатых процессов

Ступенчатые биохимические процессы - это деградация или синтез различных простых органических соединений. Это именно тот, программно управляемый биохимический "генератор жизни", который осуществляет вечное движение органического вещества и энергии и поддерживает баланс разрушительных и созидательных процессов в живой клетке. Очевидно, что управляющая система клетки, по своему назначению, является той информационной системой, которая служит для управления молекулярными биологическими объектами (субстратами). На структурной схеме показаны операционные блоки катаболических и амфиболических (центральных) путей. Важнейшие из них - гликолиз, -окисление жирных кислот, цикл трикарбоновых кислот и пути распада аминокислот обеспечивают поступление электронов и протонов в электрон-транспортную систему и образование углеродсодержащих соединений (около десяти веществ). Как видно из структурной схемы, каждый операционный блок содержит свою управляющую и управляемую части. Поступление в блок молекулярных автоматов или манипуляторов - выходного звена управления биопроцессоров, показано жирными черными стрелками. Управляемые потоки вещества, тождественно представляющие потоки сигнальной (осведомляющей) информации субстратов, показаны в виде серых стрелок. Каждый операционный блок предназначен для переработки своей субстратной информации, или, с точки зрения биохимии, для осуществления определенных биохимических реакций. К примеру, блок амфиболических путей обеспечивает не только поступление в блок синтеза элементной базы соответствующих углеродсодержащих соединений, но и осуществляет энергообеспечение живой клетки в форме АТФ. "Благодаря разной локализации ферментов катаболизма и анаболизма эти противоположные метаболические процессы протекают в клетке одновременно. Их связывают центральные, или амфиболические процессы. Примером служит цикл трикарбоновых кислот. Тесная связь между анаболизмом и катаболизмом проявляется на трех уровнях:

1) на уровне источников углерода: продукты катаболизма могут быть исходными субстратами анаболических реакций;

2) на энергетическом уровне: в процессе катаболизма образуются АТФ и другие высокоэнергетические соединения; анаболические процессы протекают с их потреблением; 3) на уровне восстановительных эквивалентов: реакции катаболизма являются в основном окислительными; процессы анаболизма, наоборот, потребляют восстановительные эквиваленты" [12].

Все ступенчатые процессы находятся под генетическим контролем. Сотни протекающих в операционных блоках химических реакций программно организованы с помощью ферментов - молекулярных автоматов, в виде множества различных последовательностей идущих друг за другом операций (реакций). В блоке синтеза молекулярной элементной базы с использованием предшественников идут управляемые процессы биосинтеза аминокислот, нуклеотидов, простых сахаров и жирных кислот. Из структурной схемы видно, что живая клетка способна сама создавать молекулярную элементную базу для построения своих систем или получать ее из внешней среды. Аминокислоты и нуклеотиды в основном используются в матричных процессах биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. В блоке синтеза структурных и функциональных макромолекул клетки под управлением своих программ идут процессы биосинтеза и процессинга сложных макромолекул белков, ферментов, компонентов мембран и органелл и т. п., которые, после транспортировки, войдут составной частью в клеточные ансамбли, и будут работать в разных клеточных структурах. А создаваемые различными биопроцессорными системами информационные компоненты (рРНК, тРНК, иРНК, белки, ферменты т. д.) - это, по существу, и есть тот программно-аппаратный парк, который работает в различных по своему назначению операционных блоках. Живая клетка на любом отрезке своего развития всегда имеет необходимый и достаточный набор программных и программируемых молекулярно-аппаратных средств, необходимый для обеспечения управления всеми своими химическими процессами и биологическими функциями. Поэтому главной задачей генетической памяти состоит в том, чтобы передать необходимые данные и программную информацию биологическим молекулам и структурам клетки. А загруженная в биомолекулы структурная и программная информация является основой их информационного и функционального поведения в общей системе управления живой клетки.

В связи с этим, все белковые и другие биомолекулы клетки 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. Ясно, что живая клетка повсеместно пользуется мультипрограммным режимом работы, при котором одновременно выполняются несколько программ или независимые участки одной программы, например, для применения мультиферментных систем. 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. Отсюда, как следствие, вытекает и тот факт, что все клеточные процессы управляются, регулируются и взаимно координируются той программной информацией, которая (с помощью генетической информации и элементной базы) загружена в аппаратную систему клетки, то есть находится в функциональных биомолекулах и структурах клетки! Каждая из управляющих систем клетки (операционная система, управляющие системы катаболизма, биосинтеза элементной базы, биосинтеза макромолекул клетки и т. д.), состоящая из генетической памяти, комплекса локальных биопроцессорных устройств и выходного управляющего звена - молекулярных биологических автоматов и манипуляторов, воспринимает информацию о ходе химических превращений, об эффективности протекающих процессов, об изменении внешних и внутренних физических и химических факторов и, в зависимости от результата, корректирует управляющие воздействия. Системы запрограммированы на четкое взаимодействие управляющих и управляемых подсистем (и друг с другом), на оптимальное прохождение всех биохимических и энергетических процессов. Живая клетка в любое время имеет необходимый и достаточный набор программных, энергетических и функциональных средств для поддержания и обновления своих структур, обеспечения процессов развития и жизнедеятельности. В настоящее время накоплен огромнейший экспериментальный и теоретический материал по изучению живой материи, который рассредоточен по различным областям и дисциплинам молекулярных биологических наук. Теперь уже стало очевидным, что чрезвычайная детализация изучаемых биохимических процессов ведёт только к бесконечной лавине все новых и новых проблем и вопросов. Это не приводит ни к осознанию сущности живой материи, ни к пониманию причин и механизмов её функционирования. По мнению автора статьи, в молекулярной биологии наступила пора переосмысления имеющихся знаний и сведений в пользу новой, альтернативной науки - молекулярной биологической информатики. О необходимости такого шага свидетельствует вся история возникновении и развития жизни на Земле, которая повсеместно связана с наследственной информацией и действующей на её основе универсальной мультипроцессорной молекулярно-биологической системы управления живой клетки.

Список литературы

1. Библиотека РГИУ. Философия информационной цивилизации. Интернет.

2. Вернер Гитт. "Информация: третья фундаментальная величина". Интернет.

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

4. Ю.Я. Калашников. Кодирование и программирование биологических молекул. Дата публикации: 01.01.2007 г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

5. Ю.Я. Калашников. Единство вещества, энергии и информации - основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 07.12.2006 г.

6. Ю.Я. Калашников. Жизнь - это бесценный дар материального и виртуального мира. Дата публикации: 24 января 2008г., источник: SciTecLibrary.ru; Сайт: http://new-idea.kulichki.com/, дата публикации: 09.01.2008 г.