Особенности молекулярной информации - Секреты молекулярной информации

Функционирование любых сложно организованных систем, как технических, так и биологических, невозможно без соответствующей информации, процессов ее хранения, передачи, преобразования и использования. Хранилищем и источником управляющей информации в живых системах является генетическая память. ДНК хромосом содержит все сведения о структурной и функциональной организации живого организма. Любая живая клетка относится к информационной самоуправляемой системе, имеющей необходимые программные и молекулярные (аппаратные) средства для управления всеми биологическими процессами и функциями. Поэтому и подход ко всем клеточным и биологическим проблемам должен быть информационно-кибернетическим. Это подтверждается и концепцией генетического кода и наличием в клетке программных и аппаратных средств транскрипции и трансляции генетической информации.

К примеру, известно, что в результате трансляции информация переносится с линейной структуры иРНК на полипептидные цепи белковых молекул. Однако живые клетки имеют трехмерную структуру и состоят из биомолекул и компонентов имеющих трехмерную конформацию. Поэтому линейная информация полипептидных цепей должна быть преобразована в трехмерную стереохимическую информацию белковых макромолекул. То есть информация биомолекул в процессе таких преобразований никуда не теряется и не исчезает. Она не консервируется в молекулярных структурах, а сами биомолекулы не становятся "ловушкой" на пути прохождения генетической информации. Происходит лишь смена молекулярных носителей и переработка информации, с целью получения формы, приспособленной для непосредственного участия в биологических процессах и получения оптимального сигнала, который мог бы восприниматься живой системой. В этом, видимо, и заключен биологический смысл генетической информации.

Сигналом обычно называется средство передачи (переносчик) сообщения. В общем виде сигнал - это однозначное отображение сообщения. Если в информационных технических системах наиболее широко используются электрические сигналы с переносчиком в виде импульсного тока и напряжения, то в молекулярно-биологических системах в качестве элементарных сигналов используются химические сигналы различных биохимических элементов (нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров и жирных кислот), с переносчиком в виде их боковых атомных групп. Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - "боковые" атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Таким образом, биологические системы используют химический принцип записи информации. А хранение сообщений и передача их по различным каналам в живых клетках имеют много общего, например, с передачей и хранением сообщений в технических системах телеуправления и телеконтроля.

Генетическая память, сама по себе, структура инертная и статическая, она не может напрямую, лишь на основе законов физики и химии, передавать и регламентировать способность биологических молекул к упорядоченному поведению. Для этой цели в ДНК имеется только необходимая информация. Кроме того, ДНК, по молекулярным меркам, находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому все, что могут сделать гены, так это заранее передать ферментам и другим белкам клетки нужные сведения об их структурно-функциональной организации и программную информацию, для того, чтобы после доставки на место они могли действовать автоматически и самостоятельно. То есть клетка, для дистанционного управления процессами, сама "проектирует", изготавливает и транспортирует на рабочее место "программируемые" молекулярно-аппаратные средства, которые и служат в качестве выходного управляющего звена ее управляющей системы. Таким образом, любая живая клетка, для "автоматизации" своих процессов, действительно применяет целый арсенал различных молекулярных биологических автоматов и манипуляторов с программной биохимической логикой управления [3]. А разобраться во всех тонкостях информационного управления живой материей может, по-видимому, только специализированная наука - молекулярная биологическая информатика, которая в будущем должна стать основой общей биологической информатики [4].

Совокупность всех химических букв, символов и знаков образует общий алфавит молекулярного языка живой материи. Необходимость ввода, обработки и вывода молекулярной информации требует выбора определенной системы кодирования. Например, в компьютерах наиболее широкое применение 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. Поэтому в клетке применяются свои специфические коды. Причем, автор данной статьи считает, что кодирование начинается с самого низкого - субмолекулярного уровня ее организации, затем поднимается до уровня биологических макромолекул, и далее выходит на другие уровни организации живого. К примеру, для обозначения аминокислот существует генетический код. А 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 основе правил соответствия кодов активного центра различным символам или знакам (типовым атомным группам и атомам элементов), также положена их химическая и стерическая (контактная) комплементарность. Очевидно, что если путем манипуляции атомные группы одних элементов переносятся на другие элементы, то следует считать, что это ничто иное, как процесс перекодирования биологических элементов. Таким образом, 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 макромолекул.

В живых системах повсеместно применяются линейные и стереохимические коды и принципы кодового контактного соответствия информационных компонентов. Здесь так же, 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 трех 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 контактная взаимодополняемость химических и структурных взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов [5].

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.

Молекулярная информация живая материя

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 линейные химические или стереохимические молекулярные коды. Специалистам лишь следует научиться их выявлять и идентифицировать.

В живой клетке функционируют только трехмерные биомолекулы и компоненты, поэтому "одномерная" структурная информация, записанная в "линейных" молекулярных цепях должна быть преобразована в трехмерную 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.

Необходимо 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 задается в виде автоматного описания, заданного комбинационной последовательностью и составом кодирующих элементов (аминокислот) в "линейной" структуре полипептидной цепи.

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 ее трехмерную структурную организацию, с различными исполнительными органами и механизмами, но и все ее стереохимические информационные сигналы. Поэтому можно сказать, что линейный принцип кодирования используется живой клеткой еще и как способ перевода одномерной формы молекулярной биологической информации в трехмерную информацию биологических молекул.

Заметим, что кооперативные (информационные) взаимодействия боковых радикалов и концевых групп аминокислотных остатков "линейной" цепи вызывают формирование особых трехмерных образований с упорядоченной внутренней и внешней структурой. Поэтому, к примеру, 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 путем идет формирование их структурных, информационных и функциональных молекулярных биологических средств [6]. Причем, каждое сообщение, при передаче информации в цепи белка передается 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.

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) [3].

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 нем задействованы сложные ферментативные системы, так как запись информационных сообщений осуществляется так же, 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 путем 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 трехмерную структуру биологических молекул [6].

Аминокислотный код является одним из основных молекулярных биологических кодов, так как он дает представление о механизмах стереохимического кодирования белковых молекул. Этот код содержит набор правил перевода информации из одной ее молекулярной формы ("линейной") в другую (стереохимическую). Очевидно, что по кодовым компонентам полипептидных цепей вполне можно делать предсказания и о трехмерных 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 трехмерное 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 ведет от молекулярной информации к специфическим структурам и характеристикам биологических молекул. Информационный смысл этого процесса как раз и заключается в том, что таким способом кодируется трехмерная 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.

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). Понятие "генетический код" часто упоминается в молекулярной биологии, поскольку оно лежит в основе представления о механизме биосинтеза белка. Для кодирования и программирования различных классов биологических молекул используются разные системы (алфавиты) биологических элементов - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и другие мономеры. А различные буквенно-символьные кодовые последовательности в цепях применяются не только для передачи сообщений о структурной организации биологических молекул, но используются и для передачи независимых команд, сообщений, адресных сигналов и инструкций. Как мы видим, в живой системе широкое применение находят именно адресные передачи, где разделение передающих сигналов (в структуре биомолекул) можно назвать химическим и "стереохимическим" кодовым разделением сигналов [6].

Однако "код" - это одно из основных понятий информатики, которое определяется как ключ для перевода информации из одной формы в другую. Таким образом, процесс преобразования информации в совокупность символов, определяемую кодом, называется кодированием. Информация, как известно, определяет поведение системы, повышает ее организацию и понижает энтропию (дезорганизацию). Для того чтобы понять информацию, необходимо знать код, - то есть способ ее 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 [4].

Это ведет 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 ее молекулярного вида в другой, из одной ее 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.

Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых биомолекул. Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде и РНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, и представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления, регулирования и контроля химических превращений и реализации различных молекулярных и других биологических функций.

Между тем, заметим, что Основой любого сообщения является не выбранный код, форма символов или метод передачи, а в его смысловое значение (семантика). Этот центральный аспект информации не играет никакой роли в ее хранении или передаче. Однако именно смысловое значение превращает последовательность символов в информационное сообщение. Как мы видим, молекулярная информация всецело подчиняется всем закономерностям кодируемой информации.

Благодаря наличию молекулярного алфавита, живая природа с большим успехом освоила удивительные химические методы кодирования молекулярной информации и уникальные способы переноса и загрузки программной информации на молекулярные носители - биологические молекулы. Поэтому не случайно различные информационные коды в молекулярной системе записываются химическим способом с помощью молекулярных букв и символов и переносятся непосредственно в структурах биологических макромолекул [5].

Только таким путем была достигнута невероятная плотность записи информации, так как ее кодирование в структурах макромолекул осуществляется на субмолекулярном уровне с помощью боковых атомных групп молекулярных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров. Можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в биологических молекулах и структурах одной клетки, размеры которой в длину подчас составляют сотые доли миллиметра. Поэтому можно сказать, что химический способ представления информации стал именно тем гениальным изобретением природы, с помощью которого была подведена черта под химической эволюцией материи, и были открыты необъятные дали и непредсказуемые пути великой эволюции - биологической. При этом живая природа оказалась настолько искусным шифровальщиком и применила на молекулярном уровне такие системы кодирования и программирования, которые гарантировали сохранность тайн живой формы материи буквально до наших дней!

К сожалению, среди биологов не оказалось квалифицированных криптографов, которые могли бы расшифровать Многочисленные молекулярные коды и различные линейные и пространственные кодовые комбинации молекулярных биологических элементов (мономеров), используемые в структурах биологических макромолекул. Понятно, что для представления молекулярной информации в живых системах не применяются функции алгебры логики и операции двоичной арифметики. Здесь действуют строго свои, специфические закономерности молекулярной биохимической логики и информатики.

Особенности молекулярной информации - Секреты молекулярной информации

Похожие статьи