Кодирование и программирование биологических молекул

Размещено на http://www.allbest.ru/

Кодирование и программирование биологических молекул

Калашников Юрий Яковлевич,

Контакт с автором: kalashnikov_mgn@rambler.ru

Аннотация

Живую клетку следует считать не только основой жизни, но и прародительницей той удивительной и таинственной сущности нашего мира, которая сейчас называется - "Информация". Кодируемая информация по своей природе сущность нематериальная, а виртуальная, то есть она и не вещество, и не энергия, а что-то другое, данное живой (материи) природе и нам в представление. Трёхмерные структуры хромосом, макромолекул и других клеточных компонентов оказались настолько идеальным вместилищем информации, что её плотность стала оцениваться астрономическими цифрами. К сожалению, мы еще не посвящены в сферу информационных отношений живой материи, и поэтому до сих пор не видим реальности существования молекулярной информации. Несмотря на это, имеются убедительные основания полагать, что общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами Жизни, но и, впоследствии, были заново "открыты" человеком и нашли широкое распространение во всех областях человеческой деятельности. В этой статье автор делится своими идеями информационной концепции организации живого.

1. Рождение Жизни - есть результат "слияния" в одно функциональное целое молекулярной информации, химической энергии и органического вещества

В живых клетках функционируют только те биологические молекулы и структуры, которые сами по себе уже являются материально-энергетическими и информационными субстанциями. Все они внедрены в систему управления клетки и имеют индивидуальное структурное, программное и энергетическое обеспечение, а их совокупность представляет собой единый управляющий информационный ансамбль. Благодаря этому, биологические молекулы и клеточные компоненты всегда находятся в процессе постоянного и непрерывного движения, обновления, развития, расщепления, воспроизведении и информационного взаимодействия друг с другом. Эти процессы являются ключевыми показателями живого [1].

Поэтому клетку следует считать не только основой жизни, но и прародительницей той удивительной и таинственной сущности нашего мира, которая сейчас называется - "Информация". С тех далеких пор Информация, также как и сама Жизнь обрела масштабы грандиозного планетарного явления и стала такой всеобъемлющей сущностью, которая определила не только направления поступательного движения Жизни, но и оказалась той "невидимой и неосязаемой" связующей силой, которая легла в фундамент нашего Мироздания. Выяснились интересные факты. К примеру, оказалось, что живая клетка применяет дискретную форму представления молекулярной информации, которая кодируется последовательностью химических букв или символов. Поэтому любое сообщение, закодированное в молекулярных структурах клетки, всегда имеет форму, приспособленную для передачи, хранения и других информационных процессов. Трёхмерные структуры хромосом, макромолекул и других клеточных компонентов оказались настолько идеальным вместилищем информации, что её плотность стала оцениваться астрономическими цифрами. Поэтому информационная насыщенность клеточных компонентов такова, что её нам трудно не только определить, но и представить.

Выяснилось, что кодируемая информация по своей природе сущность нематериальная, а виртуальная, то есть она и не вещество, и не энергия, а что-то другое, данное живой (материи) природе и нам в представление. А кодирование информации может осуществляться различными материально-энергетическими средствами, от физических характеристик которых содержание информации не зависит. Однако информация существует всегда в жестком сцеплении с теми средствами, при помощи которых осуществляется её запись, передача или преобразование. Поэтому при разрушении переносчика сообщений исчезает и сама информация.

Следовательно, закодированная информация в цепочках химических букв и символов биологических молекул - это та умозрительная сущность, существование которой мы можем мысленно себе представить, то есть для нас это виртуальная реальность. Однако для самих биомолекул, это структурная и программная реальность, данная биомолекулам для построения и функционирования. Поэтому виртуальная реальность сейчас определяется как актуальная, событийная реальность, которая реально значима в настоящий момент времени. Очевидно, что молекулярная информация, как и любая другая кодируемая информация, обладает свойствами виртуальности. Однако здесь информация кодируется при помощи элементарной формы органического вещества - нуклеотидов, аминокислот и других мономеров. Она записывается в линейные и трёхмерные структуры биологических молекул и поэтому реально существует только в молекулярно-биологическом воплощении. А живая материя (биомолекулы) - это уже объективная реальность, данная нам в ощущениях. Отсюда следует, что реальность молекулярной информации вполне может быть аргументирована.

Важно отметить, что виртуальная реальность здесь - это реальность и значимость отдельного дискретного (биологического) объекта, которая обусловлена эффектом сложения (слияния) трёх активных составляющих живого: вещества, энергии и информации. Поэтому основной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в её структуре органического вещества, химической энергии и молекулярной биологической информации. Их совокупность, видимо, и обеспечила движение и развитие биологической формы материи [2]. Биологи не могут определиться с понятием "молекулярная информация" по ряду причин. Одна из них, видимо, заключается в том, что для своих потребителей закодированная информация всегда ясна, реальна и значима, а для непосвященных она не имеет никакой ценности, поэтому и воспринимается как случайный набор букв, символов или знаков. Только тогда информация для нас существенна и реальна, когда мы понимаем её смысл и содержание. Мы еще не посвящены в сферу информационных отношений живой материи, поэтому и не видим реальности существования молекулярной информации. В настоящее время наукой определены лишь некоторые фрагменты, подтверждающие существование генетической информации и управляющей системы живой клетки. Очевидно, что когда исследователи расшифруют весь спектр кодовых посылок и смыслового содержания различных молекулярных сообщений, передаваемых геномом, то тогда и для нас молекулярная и биологическая информация станет реально значимой сущностью. Особое свойство закодированной (виртуальной) информации заключается в том, что она способна быть действующей силой только в той системе, которая воспринимает её как смысловую сущность, то есть, где она становится реальностью. Работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена только потоками и циркуляцией той информации, которая реально значима и дееспособна в данной системе. Поэтому любая сложная система способна пользоваться лишь той информацией, которая присуща её природе. Очевидно, что информация в закодированном виде - это та виртуальная реальность, которая как сущность может восприниматься, воспроизводиться и генерироваться только живыми субстанциями: в одних случаях клетками (молекулярная информация), в других - живыми существами (например, муравьями) и в, особенности, - человеческим мозгом. Поэтому, можно считать, что древними прародителями кодируемой информации как виртуальной реальности, являются первые живые молекулярно-биологические системы. А информация, внедрившаяся в ДНК и клеточные структуры, стала той неукротимой движущей силой, которая породила необычайное распространение различных живых видов и форм и ошеломляющее разнообразие жизни.

Кодирование сообщений оказались настолько эффективным способом записи, запоминания, преобразования и передачи информации, что в дальнейшем эти принципы были развиты и применены живой природой для сложных биологических систем. Как мы видим, общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии, были заново "открыты" человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д. А сам феномен "слияния" Информации, Энергии и Органического Вещества в одно функциональное целое, оказался весьма плодотворным и эффективным способом существования живого [3].

В связи с этим, только живая система управления и, в частности, человек, может естественно воспринимать кодируемую информацию как реальную движущую силу, способную управлять объектами, структурами и процессами. Очевидно, что функционирование живых систем, в первую очередь, обеспечивается потоками и циркуляцией информации, которая заключена в биологических молекулах и структурах живой клетки. Только информация в клеточной системе управления может быть движителем процессов обмена веществ и энергии. Когда движение и циркуляция информации в клетке прекращается, прекращается и сама жизнь [4]. Причем, каждая система управления реагирует только на ту информацию, которая свойственна её природе. Без управляющей и сигнальной (осведомляющей) информации любая сложная система управления мертва. Уберите из компьютера программную информацию и получите груду "железа". Уберите ДНК из живой клетки, и через некоторое время она перестанет функционировать. Ясно, что биологические макромолекулы и клеточные компоненты функционируют только потому, что все они в совокупности представляют собой общую систему управления, а в их цепях и трёхмерных конформациях загружена та структурная и программная информация, которая транслирована генами.

2. Алфавиты химических букв, символов и знаков в клеточной системе управления

Можно убедиться в том, что в живых клетках, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах, существуют свои молекулярные биологические алфавиты, представляющие собой разные системы биологических элементов (химических букв и символов). В состав общего алфавита живой материи входят различные системы (алфавиты) биологических элементов: 1) нуклеотиды, - система структурно-функциональных и информационных биохимических элементов ДНК и РНК (алфавит химических букв нуклеиновых кислот); 2) аминокислоты, - система структурно-функциональных и информационных элементов белков (алфавит химических букв белковых молекул), для которых существует генетический код в виде тройки нуклеотидов; 3) простые сахара, - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) полисахаридов; 4) жирные кислоты, - структурные и функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и т. д. Как уже отмечалось ранее, информация в молекулярной системе управления представляется элементарными физико-химическими сигналами биохимических элементов в виде различных их боковых атомных групп и атомов. Вспомним: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - "боковые" атомные группы нуклеотидов. В полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы [5].

В связи с этим, макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из цепей биологических элементов (цепей химических букв и символов в виде различных кодов или кодовых последовательностей), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления. Все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов.

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, - боковыми или функциональными атомными группами, отдельными атомами и их химическими связями. Эта способность управляющей системы основана на том, что все 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. Значит, 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 [6].

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 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. Следовательно, совокупность типовых химических знаков представляет собой ничто иное, как субмолекулярный алфавит, предназначенный для ступенчатых процессов управления, а также для кодирования (построения) или для перекодирования типовых биологических элементов (химических букв или символов). В связи с этим, управляющая система клетки, в целом, способна манипулировать различными химическими буквами, символами и знаками, которым предписан определённый биологический и информационный смысл. Для более четкого восприятия информационной концепции управления, а также для устранения разночтений в тексте, условно можно принять, что: 1) химическими буквами в клетке являются нуклеотиды и аминокислоты, с помощью которых непосредственно записывается управляющая и структурная информация нуклеиновых кислот и белковых молекул; 2) остальные элементы, например, простые сахара и жирные кислоты, являются химическими структурно-информационными символами, служащими для построения других классов биомолекул (полисахаридов и липидов), а также для записи в их структуру функциональной информации; 3) информационные химические знаки, которыми может манипулировать управляющая система в ступенчатых химических реакциях, - это отдельные структурно-химические части - функциональные или боковые группы и атомы различных биохимических элементов, и их химические связи. Ступенчатые химические реакции, как правило, характеризуются упорядоченным и целенаправленным движением отдельных химических знаков, переносимых от одного элемента к другому, а значит, и между молекулами. Это напрямую подтверждает мысль о том, что как управляющая, так и сигнальная осведомляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и циркулирует только в составе различных биологических молекул [6]. Таким образом, общий принцип работы 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, производятся над составными частями молекул субстрата - химическими знаками их элементов. Это подтверждает тот факт, 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.

3. Кодирование химических букв, символов и знаков

Известно, что в цифровых технических устройствах широко используются 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. 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 ничто 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 процессе репликации ДНК особый фермент ДНК-полимераза контролирует выбор комплементарного основания соответствующего нуклеотида, иными словами, нужный нуклеотид тоже кодируется основаниями цепи ДНК и стереохимическим кодом активного центра фермента. Выбор определенного нуклеотида в процессе транскрипции (переписывания) информации с генов ДНК на цепи РНК осуществляется своими специфическими ферментами - РНК-полимеразами. Здесь также применяется матричный принцип соответстствия кодовых компонентов активного центра фермента с кодирующей цепью ДНК, растущей цепью РНК и соответствующим нуклеотидом.

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.

4. Представление информации в живой клетке

Код, как известно, - это набор правил, раскрывающий способ представления информационных данных. Очевидно, что в живой клетке используются далеко не абстрактные алфавиты и, в связи с этим, применяются сложные многоступенчатые принципы передачи, с процессами перекодирования одного вида молекулярной информации в другой, одной формы (линейной, одномерной) - в другую (пространственную, стереохимическую). Для этой цели в клетке используются разные алфавиты и различные средства и системы кодирования и преобразования информации. Например, в процессе трансляции, информация цепей иРНК преобразуется в информацию цепей белковых молекул. 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, адрасных 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. 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 [7].

Это ведёт к новому представлению о том, что в любой живой молекулярной системе для кодирования и декодирования информации широко применяются и другие биологические коды, которые служат для перевода и преобразования информации из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы в другую. При этом разные алфавиты букв и символов, при помощи которых записывается информация в различные классы биологических молекул, являются материальными переносчиками информации. К примеру, вся генетическая информация, которой располагает живая клетка, записана в структуре ДНК в виде комбинационной последовательности нуклеотидов. Поэтому ключевым аппаратом кодирования наследственной информации в живой клетке является ДНК хромосом. Нуклеиновые кислоты имеют алфавит, содержащий восемь букв: "четыре из них (дезоксирибонуклеотиды) служат для кодирования информации в структуре ДНК, а другие четыре - (рибонуклеотиды) используются для записи информации в биомолекулы РНК" [8]. Поэтому "в процессе транскрипции осуществляется перенос генетической информации от ДНК к РНК. При этом все виды РНК - иРНК, рРНК и тРНК - синтезируются в соответствии с последовательностью оснований в ДНК, служащей матрицей" [9]. Значит, алфавит нуклеотидов является той системой элементов, которая служит как для хранения информации в генетической памяти ДНК, так и для считывания и загрузки её в структуру нуклеиновых кислот РНК, выполняющих в клетке роль оперативной памяти. Нуклеотиды - это та система элементов, с помощью которой кодируется, хранится и передаётся генетическая информация. Следовательно, информация в цепях ДНК и РНК записывается на языке нуклеиновых кислот. Генетический код - это набор кодовых слов (триплетов) в иРНК (а, значит, и в ДНК), кодирующих аминокислоты белков. Основанием генетического кода являются четыре различных нуклеотида. Поэтому алфавит генетического кода четырёхбуквенный, а вся информация в ДНК записывается на четырёхбуквенном языке структуры дезоксирибонуклеиновых кислот. Длинна кодовой комбинации в генетическом коде равно трём. Каждый кодирующий триплет, называемый кодоном, состоит из комбинации трёх одинаковых или различных нуклеотидов и несёт дискретную информацию о соответствующей аминокислоте в полипептидной цепи белка. Каждый кодон кодирует только одну аминокислоту. Это свойство кода называют специфичностью или однозначностью.

Генетический код является равномерным, триплетным, так как все кодовые комбинации одинаковы по длине. Поскольку число возможных кодовых комбинаций нуклеотидов в триплете составляет 64, а почти каждой аминокислоте соответствует несколько кодонов-синонимов, то генетический код считается полным и вырожденным. Все кодоны осмыслены - 61 из 64 кодонов используются для обозначения (кодирования) двадцати аминокислот, оставшиеся триплеты являются сигнальными. То есть каждому трёхбуквенному слову (кодону) соответствует либо аминокислота, либо сигнал начала или окончания считывания. Генетический код является универсальным, практически одинаковым у всех живых организмов и непрерывающимся, так как считывание информации идёт последовательно кодон за кодоном, без "запятых и пробелов".

Информация, записанная в форме линейных цепей нуклеиновых кислот, в процессе трансляции переводится в информацию аминокислотных цепей белковых молекул, а ключом для перевода является словарь соответствия между этими двумя языками, который носит название генетического кода. При этом новая форма информации - белковая, записывается уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Генетическим кодом, как мы видим, кодируется только первичная - "линейная" структура полипептидной цепи белковой молекулы. Однако, конкретная конфигурация - вторичная, третичная и четвертичная структуры белка кодируется и программируется уже другим молекулярным кодом - аминокислотным. Генетическая информация кодируется в виде последовательности нуклеотидов ДНК, - значит, все программы ДНК записаны и хранятся на линейном языке ДНК, а переписываются (транскрибируются) они на "линейную" последовательность нуклеиновых кислот РНК. Далее программная информация переводится (транслируется) с линейных цепей иРНК на полипептидные цепи белковых молекул. Этот этап характеризуется применением генетического кода и сменой молекулярного носителя информации, когда с помощью молекулярного аппарата трансляции и элементной базы строятся линейные структуры различных ферментов и других клеточных белков. Смена молекулярных носителей, как правило, 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. Аминокислотный код является именно тем молекулярным биологическим кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем воплощение и реализация генетической информации. Обратим внимание на то, что основанием аминокислотного кода являются двадцать аминокислот, различающихся между собой только боковыми атомными R-группами. Поэтому алфавит аминокислотного кода 20-ти буквенный, а вся информация в цепях белковых молекул записывается (кодируется) на 20-ти буквенном языке структуры белковых молекул. Длина кодовой комбинации в аминокислотном коде непостоянна и порой (в живой системе) составляет десятки и сотни аминокислотных остатков. Поэтому этот код неравномерный. Число кодовых комбинаций, каждое из которых может передавать своё отдельное сообщение в аминокислотном коде практически неограниченно! Живые системы обычно имеют свои специфические белковые молекулы. А это означает, что различные типовые белковые молекулы имеют в своих цепях только свою, четко определённую и генетически закреплённую комбинационную последовательность аминокислотных звеньев. Однако отметим, что хотя одна и та же информация может быть записана разными кодами, например, генетическим кодом или линейным аминокислотным, однако реализация этой информации в биологических процессах может осуществляться только при записи её в форме стереохимических кодов. Поэтому аминокислотный код служит для преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую структуру и информацию белковых молекул. Белки и ферменты, как носители молекулярной биологической информации, способны к её реализации только в такой трёхмерной форме. Вследствие этого информация белков носит чисто биологический характер. Подробное изучение строения глобулярных и фибриллярных белков показало, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная трёхмерная организация, которая зависит от его первичной структуры - то есть от информации, записанной "линейным" аминокислотным кодом. Поэтому аминокислотный код является тем ключом, с помощью которого осуществляется переход "линейной" формы белковой информации в стереохимическую форму.

Направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику и наоборот 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. К примеру, локальные матрицы - активные центры служат для комплементарного (информационного) взаимодействия фермента с молекулами субстрата. Кодовые группы активного центра обычно образуют информационные команды управления, которые могут состоять из адресных кодов, служащих для поиска молекул (или молекулы) субстрата и кода операции, который указывает характер химической реакции. Мы убеждаемся в том, что специфика молекулярных процессов в биологии всегда зависит от генетической информации, и в значительной степени определяется элементной базой и особенностями самих информационных процессов. Перечисленные выше коды сложны не только способами их диагностирования, декодирования и передачи, но и молекулярными (аппаратными) средствами их воплощения. Между тем, они не исчерпывают всех способов представления информации и биологических кодов, применяемых в живых молекулярных системах. В живой клетке, как мы убеждаемся, существуют и более простые коды, со своими алфавитами - символами представления информации и своими физико-химическими характеристиками [7]. Простые биологические коды применяются для кодирования и программирования других классов высокомолекулярных соединений, например, - липидов и полисахаридов, которые также играют большую функциональную и структурную роль в живой клетке. Относительно небольшое количество типовых моносахаридов (алфавита простых сахаров) кодирует структурное построение и функциональное поведение углеводов (олигосахаридов), построенных из небольшого числа моносахаридных остатков, и полисахаридов - построенных из сотен и тысяч остатков моносахаридов. Химическое и структурное строение полисахаридов однообразно: они представляют собой линейные или разветвлённые полимеры, мономеры которых связаны глюкозид-глюкозными связями. А сами макромолекулы строятся из конечного множества одинаковых или нескольких типовых элементов. Однако в их структуру во время биосинтеза, всё-таки, загружается то необходимое количество информации, которое достаточно для выполнения их биологических функций. В молекулярной биологии макромолекулы полисахаридов и липидов не считаются информационными, то есть несущими определённую биологическую информацию. Однако это далеко не так, поскольку и в информационной технике иногда применяют простые коды. Например, простейший числоимпульсный код имеет алфавит, состоящий из одних единиц. Да и в цифровой технике обширная информация кодируется всего лишь двумя цифровыми символами - единицей и нулём. В молекулярной биологии, естественно, все гораздо сложнее. Обратим внимание на то, что каждый единичный символ информации, служащий для построения полисахаридов или липидов и для записи в их структуру информации, имеет довольно сложное химическое и структурное строение. Любой типовой символ обладает своими специфическими боковыми и функциональными атомными группами и атомами, служащими для представления информации. Поэтому каждый символ простого биологического кода является достаточно информативным для управляющей системы клетки. Для кодирования и построения липидов также применяется своя система элементов - свой алфавит, состоящий из нескольких жирных кислот. Примечательно, что для физической передачи и реализации простых кодов используются и более простые ферментативные системы [7].

5. Кодирование структуры биологических молекул

Генетическая память и средства кодирования и программирования белковых молекул находятся на значительных, по молекулярным меркам, расстояниях от объектов управления (субстратов). Поэтому живая клетка вынуждена кодировать информационные сообщения и передавать их по различным каналам связи, сначала в форме линейных молекулярных цепей, а затем и в форме трёхмерных биомолекул. 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 сопряжено с построением определённых цепей и структур, молекулярное содержание которых напрямую зависит от той информации, которая в них загружается. Это вытекает из принципа единства вещества, энергии и информации живой материи [3]. В связи с этим, на разных этапах передачи генетических сообщений и программной информации в молекулярных биологических системах широко применяется и используется линейный принцип кодирования биологических молекул. Это и есть тот принцип, который служит инструментом для преобразования линейных цепей в трёхмерную структуру (конформацию) биологических макромолекул. Он основан на комбинационном принципе использования различных биохимических букв и символов молекулярного алфавита живой материи. Наиболее наглядным примером линейного кодирования информации являются процессы репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, когда осуществляется матричный перенос информации с одних цепей на другие. Линейный принцип кодирования в живой клетке, как правило, используется для трёхмерной организации биологических молекул. В живой клетке функционируют только трёхмерные биомолекулы и компоненты, поэтому "одномерная" структурная информация, записанная в "линейных" молекулярных цепях должна быть преобразована в трёхмерную структурную организацию и стереохимическую информацию биологических молекул. Благодаря уникальным свойствам элементной базы, структура молекулярных цепей всегда содержит конкретный алгоритм конформационно-информационного преобразования биологических молекул. К примеру, различные аминокислоты полипептидной цепи, по мнению автора статьи, организованны в виде отдельных комбинационных 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. 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. Важно обратить внимание на то обстоятельство, что все биохимические элементы в молекулярной цепи всегда представляют собой те программные элементы, из которых на первом этапе строится алгоритм структурного преобразования любой функциональной биомолекулы. К примеру, алгоритм конформационного преобразования белка задаётся в виде автоматного описания, заданного комбинационной последовательностью и составом кодирующих элементов (аминокислот) в "линейной" структуре полипептидной цепи. При этом, загруженные в "линейную" структуру молекулярной цепи алгоритмы - это воплощенные в последовательности элементов правила молекулярной биохимической логики, по которым занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению. Отсюда следует, что любое генетическое сообщение, перенесенное на линейную цепь биомолекулы, кодирует не только её трёхмерную структурную организацию, с различными исполнительными органами и механизмами, но и все её стереохимические кодовые (информационные) сигналы. Поэтому можно сказать, что линейный принцип кодирования используется живой клеткой ещё и как способ перевода одномерной формы молекулярной биологической информации в трёхмерную информацию биологических молекул [7].

Заметим, что кооперативные (информационные) взаимодействия боковых радикалов и концевых групп аминокислотных остатков "линейной" цепи вызывают формирование особых трёхмерных образований с упорядоченной внутренней и внешней структурой. Поэтому пространственный метод преобразования белка заключается в кодировании расположения полипептидной цепи в пространственной решетке. По такому принципу осуществляется пространственное кодирование белковых (как, впрочем, и других) молекул. Таким путём идёт формирование их структурных, информационных и функциональных молекулярных биологических средств. Причем, каждое сообщение, при передаче информации в цепи белка передаётся своим кодом (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому структура линейной кодовой посылки полипептидной цепи всегда содержит различные информационные сообщения. Очевидно, что информация в цепи имеет свою адресную, "операционную", структурную и текстовую (информационную) части. Следовательно, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными сигналами - молекулярными кодами и кодовыми комбинациями аминокислотных остатков [7]. 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). При помощи соответствующих ферментов и элементной базы в клетке строятся линейные цепи и других классов макромолекул, например, полисахаридов, липидов и т. д. Как мы видим, этот принцип широко используется в различных по своему характеру биологических процессах. Линейный принцип кодирования-декодирования прост, даже если в нём задействованы сложные ферментативные системы, так как запись информационных сообщений осуществляется также, как и при любой письменности - комбинационной последовательностью соответствующих букв или символов. Следовательно, любая молекулярная цепь в живой системе представляет собой линейное информационное сообщение, записанное химическим способом. Одни и те же сообщения могут быть записаны различными биологическими кодами, например генетическим кодом в иРНК или аминокислотным кодом в полипептидной цепи белковой молекулы. Эта информация носит чисто биологический характер, потому, что в процессе линейного кодирования структурная организация макромолекул кодируется путём ковалентного соединения и позиционного фиксирования соответствующих букв или символов в длинных молекулярных цепях. В связи с этим 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. молекулярная информация кодирование клеточная