Кодирование и программирование биологических молекул

Аминокислотный код является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он даёт представление о механизмах стереохимического кодирования белковых молекул. Этот код содержит набор правил перевода информации из одной её молекулярной формы ("линейной") в другую (стереохимическую). Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трёхмерных пространственных структурах белковых молекул, и об их функциональном и информационном назначении. Изучение кодовых посылок, линейных и стереохимических кодов и кодовых комбинаций в структуре биологических молекул, должно стать приоритетным направлением в молекулярной биологической информатике. Здесь, как мы видим, - процесс стереохимического преобразования структуры и информации осуществляется аминокислотным кодом. Аналогичным образом идет трёхмерное преобразование макромолекул полисахаридов или липидов, осуществляемое кодовыми элементами простых сахаров или жирных кислот. При этом, естественно, эти макромолекулы будут иметь свои биологические характеристики. Линейный принцип кодирования в живой системе - это и есть тот начальный путь, который ведёт от молекулярной информации к специфическим структурам и характеристикам биологических молекул. Информационный смысл этого процесса как раз и заключается в том, что таким способом кодируется трёхмерная организация любых биологических макромолекул. А сами процессы кодирования и программирования биологических молекул в живой клетке настолько "автоматизированы", что даже в простых случаях мы можем лишь только предполагать, как они выглядят в действительности.

6. Программирование функций биологических молекул

Метод пространственного (стереохимического) кодирования основан на предварительном преобразовании линейной кодовой комбинации элементов цепей биомолекул в трёхмерную кодовую координатную организацию этих элементов и их боковых атомных групп в пространственной решетке. К примеру, линейная кодовая информация полипептидных цепей (как, впрочем, и других цепей биомолекул) всегда содержит конкретный алгоритм пространственного преобразования макромолекул. В результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, команд управления, а также органов и механизмов их реализации. Такая организация биомолекул не обладает сильной структурной жесткостью, а всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения их биологических функций. При этом сама программа функционирования белковой молекулы (благодаря программирующим свойствам элементов) коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами элементов (аминокислот) в составе её трёхмерной структуры. А природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер. Макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между мономерами (программными элементами). Поэтому функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке "стереохимических кодовых команд" можно было бы назвать - "программированием в стереохимических кодах" [7].

Заметим, что в результате преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов! К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые биохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия биомолекул с их молекулярными партнёрами и т. д. В результате стереохимических преобразований, внутри макромолекулы (в её пространственной решетке) формируется специфическая пространственная координатная организация аминокислотных остатков, которая является основой построения исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. А на поверхностных участках и в углублениях макромолекулы, при этом, формируются отдельные локальные и поверхностные кодовые стереохимические микроматрицы (образованные пространственной координатной организацией боковых R-групп элементов), которые служат для информационных взаимодействий и коммуникативного общения белка с другими молекулами клетки. Стереохимические коды и микроматрицы, представляющие собой управляющие или коммуникативные сигналы белковых (как, впрочем, и других) макромолекул, возникли в процессе эволюции живой материи и в настоящее время являются основой молекулярных информационных процессов в каждой живой клетке (организме). Все они образованы соответствующей пространственной организацией боковых атомных группировок биологических элементов (химических букв или символов), входящих в состав кодовых сигналов. Такое динамическое информационное взаимодействие элементов в составе биологических молекул, которое особенно характерно для белковых молекул, является основой динамического механизма их биологических функций. Биохимическая логика информационных взаимодействий, в частности, предопределяет и протекание химических реакций, так как она основана на явлениях стереохимического узнавания соответствующими ферментами различных биологических элементов или их функциональных и боковых атомных групп и их химических связей, то есть различных химических букв, символов и знаков биологических молекул субстрата [1]. Стереохимические коды активных центров построены на основе аминокислотного кода, поэтому ферменты могут адресно взаимодействовать с молекулой субстрата и быстро находить нужную им химическую связь и связывающую группу. Кодовые компоненты активных центров ферментов могут комплементарно взаимодействовать с доступными для них функциональными или боковыми атомными группами и атомами молекулы субстрата. Поэтому все субстраты для своих ферментов являются сигнальными молекулами, несущими осведомляющую стереохимическую информацию. На этих принципах основана биохимическая логика информационных взаимодействий между ферментами и их субстратами. Субстраты - это тот химический и информационный материал, который обрабатывается управляющей системой клетки. Таким образом, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже качественно новый скачок в использовании молекулярной информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи. Стереохимическое кодирование в живых молекулярных системах служит для программирования функций различных биомолекул [7]. Если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, то стереохимический принцип кодирования служит для программирования самих функций биологических молекул. В силу этих обстоятельств информация в молекулярной биологии приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Биологические функции возникают в процессе информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. Заметим, что стереохимическими сигналами активного центра кодируются не только адресный код молекулы субстрата, но и те функции, которые должен осуществить фермент. К примеру, код операции указывает характер химического превращения, которую должен осуществить фермент с молекулой (или молекулами) субстрата. Поэтому стереохимическими кодами (адресными кодами и кодами операций) соответствующих ферментов программируются разные биологические функции, в том числе и функции управления различными ступенчатыми химическими реакциями - окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Таким образом, оказывается, что все химические реакции в живых системах управляются только информационным путём. Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических матриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу. А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций. Целью стереохимического кодирования биомолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов [1]. Более чем наглядно это видно, когда такая программа реализуется в форме белков и ферментов, то есть в виде молекулярных биологических автоматов или манипуляторов. Поэтому можно сказать, что это - универсальный путь передачи управляющей информации для непосредственного использования её в различных биологических процессах. Каждая активная макромолекула клетки, как молекулярный биологический программный объект, всегда состоит из функциональных биохимических элементов (данных) и физико-химических алгоритмов, определяемых биохимической логикой взаимодействия программных элементов. При этом динамическая реактивность макромолекулы связана с кооперативным изменением сил притяжения и отталкивания, поэтому свободная энергия взаимодействия элементов в составе макромолекулы, при информационном контакте с молекулярными партнёрами и определяет её функциональное поведение. При недостатке энергии биологические молекулы способны адресно (информационно) взаимодействовать с молекулами АТФ, которые в живой клетке выполняют роль аккумулятора химической энергии. Как мы видим, стереохимический язык живой формы материи является не только средством выражения информационных сообщений, но и средством "естественного общения" биологических молекул друг с другом. Стереохимический код - это пространственная кодовая организация элементов (букв или символов) и их боковых атомных групп в виде локальных или поверхностных биохимических микроматриц в углублениях или на поверхностных участках биологических молекул. Матричный принцип взаимосоответствия является основой информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Такое соответствие в молекулярной биологии можно назвать информационной функцией. Только в случае комплементарных взаимодействий биомолекул друг с другом с помощью биохимических матриц, когда обнаруживается их химическая и стерическая взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций. То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Здесь речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул. Следовательно, можно констатировать, что стереохимические коды - это те молекулярные коды, которые непосредственно участвуют в формировании биологических функций и реализации химических превращений. Собственно, - это и есть те разыскиваемые коды соответствий биологических молекул, которые являются основой их информационного взаимодействия, а затем и функционального поведения. Стереохимическими кодами - пространственной организацией элементов в трёхмерной структуре, программируются функции, поведение и биологическая судьба не только белковой, но и любой другой биологической молекулы клетки. Таким путём кодируются и программируются все их биологические механизмы и функции.

Так как все функции в молекулярной биологии возникают и формируются информационным путём, то это может означать лишь одно, - вся технология биологических процессов основана на генетической информации и применении различных молекулярных алфавитов живой формы материи. А само информационное сообщение в молекулярной биологии приобретает смысл через функцию, которую оно кодирует. Поэтому в живой молекулярной системе, под выполнением функций, с кибернетической точки зрения, должно пониматься исполнение белковыми молекулами (или другими функциональными молекулами клетки) различных информационных команд, директив, инструкций и сообщений, записанных в их молекулярной пространственной структуре. Все эти сообщения имеют дискретный характер и записываются стереохимическими кодами. Основной целью стереохимического кодирования и программирования биологических молекул является: 1. Передача в трёхмерных структурах биологических молекул различных сообщений со стереохимическим кодовым разделением сигналов. 2. Передача адресных передач стереохимическими кодами, которые удовлетворяют требованиям самых разнообразных сообщений. 3. Программирование работы молекулярных органов и исполнительных механизмов, определяющих функции биологических молекул. 4. Повышение помехоустойчивости информационных сообщений путём применения комплементарных обратных связей, при взаимодействии биологических молекул друг с другом с помощью их биохимических матриц. Потому живые клетки являются системами с информационной обратной связью (так как управляющий код, к примеру, фермента сверяется с сигнальным кодом субстрата по принципу их химической и стерической комплементарности). Всё это означает, что в любой живой системе применяются помехозащищенные коды. 5. Повышение достоверности передачи сообщений, так как ошибочное замещение одной аминокислоты на другую в любом стереохимическом коде, как правило, ведёт к "потере" информационного сигнала белковой молекулы. 6. Повышение надёжности передачи за счет многократной циклической передачи одной и той же информации (в структурах типовых биомолекул, например, белковых). Следовательно, эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых белковых (и других) биомолекул. 7. Возможность регуляторного воздействия на управляющие стереохимические коды макромолекул путем "разрешения или запрета" на прохождение управляющих команд (при помощи регуляторных молекул обратных связей). 8. Экономное использование различных компартментов и каналов связи, так как живая клетка является многоканальной системой самоуправления. Такое стереохимическое кодовое разделение сигналов позволяет белку динамически и информационно взаимодействовать с различными молекулярными партнёрами: с транспортными молекулами, с коферментами, с мембранами клетки, с АТФ, с регуляторными молекулами, с партнёрами по агрегатированию и т. д. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке "стереохимических кодовых команд" можно было бы назвать - "программированием в стереохимических кодах". Стереохимический принцип кодирования и программирования функций биологических молекул - это и есть тот путь, который непосредственно ведёт от молекулярной информации к биологическим характеристикам живой формы материи. Нам до сих пор неясен и непонятен этот древнейший язык живой природы, который, по всей вероятности, является не только средством молекулярного "общения", но и формой выражения биологической сущности живой материи. Ясно, что, молекулярные биологические системы наиболее широко используют стереохимические кодовые сигналы с переносчиком информации в виде трёхмерных биомолекул. А это уже качественно новый скачок в использовании молекулярной информации, которая в такой форме явно становится основной характеристикой живой материи. И если для компактной трёхмерной упаковки молекулярных цепей, а, следовательно, и информации, в живых системах применяется линейный принцип кодирования, то стереохимический принцип кодирования служит для программирования самих функций биологических молекул. В силу этих обстоятельств информация в молекулярной биологии приобретает смысл только через функцию, которую она кодирует. Биологические функции возникают лишь в процессе информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. Уже достаточно давно известно, что генетическим кодом можно пользоваться для установления последовательности аминокислот, закодированной в последовательности нуклеотидов иРНК. Следовательно, можно пользоваться и любым другим молекулярным биологическим кодом для установления эквивалентных информационных соответствий. Придёт время, и мы полностью убедимся в том, что в основе всех проявлений жизни лежат только те биохимические процессы, которые управляются молекулярной информацией, представленной в "линейной" химической или стереохимической форме. А воспроизведение и движение биологической формы материи осуществляется под руководством генов, путём использования типовых систем биологических элементов, с применением различных средств и способов кодирования и перекодирования информации.

Список литературы

1. Ю Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. - М., 2004. - 66 с. - Депонир. В ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В 2004, УДК 577.217:681.51.

2. Ю.Я. Калашников. Молекулярная информация - это не миф, а виртуальная реальность. Дата публикации: 15.12.2006 г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

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

4. Ю.Я. Калашников. Молекулярная биологическая информатика - альтернативная концепция жизни. Дата публикации: 13.12.2006 г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

5. Ю.Я. Калашников. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. - М., 2002. - 34с. - Депонир. В ВИНИТИ РАН 06.11.02, №1923-В 2002, УДК 577. 217:681.51.

6. Ю.Я. Калашников. Молекулярная элементная база живой материи. Дата публикации: 04.12.2006 г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

7. Ю.Я. Калашников. Аспекты молекулярной биохимической логики и информатики. Дата публикации: 05.12.2006 г., источник: http://new-idea.kulichki.com/

8. А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. В 3-х томах - М: Мир, 1985. 9. Ф. Айала, Дж. Кайгер. Современная генетика. Пер. с англ. В 3-х томах - М: Мир, 1988.

Размещено на Allbest.ru