Удивительно, но факт – всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых строительных блоков – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных биохимических элементов. В состав этого уникального набора входят различные системы (алфавиты) био-логических элементов: 1) восемь нуклеотидов, «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» [5]; 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул; 3) несколько жирных кислот, сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов; 4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов) и т. д. Все эти химические буквы и символы (мономеры) были отобраны в процессе эволюции. Поэтому, кроме семантики сообщений они обладают ещё и уникальной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, молекулярных и иных биологических функций. Как мы видим, живые клетки имеют не только свои алфавиты, свою письменность, но и пользуются различными молекулярными языками. Основой каждой системы является свой типовой набор (алфавит) индивидуальных молекулярных био-логических (биохимических) элементов

Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов существенно упрощает процессы построения различных классов макромолекул и структурных компонентов, повышает технологичность их изготовления и, одновременно, расширяет их функциональные и информационные возможности. Как мы видим, каждый типовой набор организован в свою систему элементов, которая обладает общими биохимическими, структурными и технологическими особенностями, образует однотипные связи между элементами, совместимые по своим физико-химическим параметрам.

Унификация конструктивно-функциональной элементной базы живой формы материи проходила в течение чрезвычайно длительного времени и, по всей вероятности, формировалась параллельно биологическим эволюционным процессам. Многие секреты живого состояния материи оказались напрямую связанными с уникальными свойствами тех молекулярных элементов (мономеров), которые применяются живой природой для построения биологических молекул и структур.

3. Функции молекулярных био-логических элементов

Уже давно известно, что все биохимические мономеры – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др. являются теми универсальными и унифицированными стандартными «строительными блоками», при помощи которых во всех живых клетках осуществляется физическое построение любых других, более крупных биологических молекул и структур (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т. д.). Образовавшиеся при этом большие макромолекулы приобретают необходимую и достаточную структурную жесткость и получают способность к выполнению определённых биологических функций. Однако это уже достигается за счет других удивительных свойств типовых «строительных блоков» (мономеров).

К сожалению, в молекулярной биологии до сих пор держится представление о молекулярных мономерах только лишь как «строительных блоках» биоорганического вещества. Между тем, они являются многофункциональными элементами и, благодаря своим уникальным природным свойствам, играют фундаментальную роль буквально в различных биологически процессах: структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и информационных.

Во-первых, все они являются теми простыми био-логическими элементами, которые выполняют в живых системах элементарные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Если вспомнить, что все сколь угодно сложные цифровые устройства микроэлектронной техники строятся на базе логических элементов, реализующих основные функции алгебры логики и операции двоичной арифметики, то, по аналогии, можно прийти к выводу, что все информационные проблемы в живой клетке тоже решаются с помощью своих молекулярных био-логических элементов. Можно эту аналогию продолжить. Любой логический элемент представляет собой простейшую схему, структурными составляющими которой могут быть несколько дискретных компонентов: транзистор, резистор, конденсатор и диод.

Любой био-логический элемент также представляет собой простейшую «схему» (только на молекулярном уровне), структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов: водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Различные атомы типового био-логического элемента соединены между собой ковалентными связями, образуя углеводородный скелет, а также отдельные функциональные и боковые атомные группы. Наличие тех или иных функциональных и боковых атомных групп и атомов в составе каждого био-логического элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе макромолекулы. При этом заметим, что если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица – бит, то в живых системах каждый био-логический элемент сам играет роль элементарной и натуральной единицы молекулярной информации.

Во-вторых. Можно сказать, что элементная база представляет собой ничто иное, как тот общий молекулярный алфавит живой материи, с помощью которого во время биосинтеза макромолекул ведётся непрерывная запись информации в их молекулярные цепи. А отдельные элементы, при этом, играют роль различных химических букв или символов, с помощью которых во время записи идёт физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Входя в состав биомолекул, они определяют не только их нативную конформацию, но и обуславливают весь широкий спектр их функциональной и информационной деятельности. При помощи различных биохимических букв и символов строится молекулярная аппаратная система клетки, то есть таким способом в её структуры и макромолекулы записывается (загружается) биологическая информация. Ясно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул может базироваться только на специфических свойствах и правилах применения таких биохимических единиц.

В-третьих, – хранение, передача, преобразование (перекодирование) и реализация генетической информации в клетке осуществляются только на основе и с помощью различных систем био-логических элементов, представляющих собой общий алфавит живой формы матери. А отдельные буквы и символы каждого алфавита (нуклеинового, белкового, липидного и др.) являются теми дискретными элементами, при помощи которых осуществляется кодирование и преобразование различных видов и форм молекулярной биологической информации. Причем, каждая система биохимических элементов характеризуется своим способом кодирования, видом и формой представления информации. Поэтому при решении различных биологических задач живая клетка пользуется различными молекулярными кодами, видами и формами представления информации.

Молекулярным кодированием в живой системе можно назвать процесс представления данных комбинационной последовательностью химических букв или символов. Информация в клетке передается в форме молекулярного кода, основу которого составляет определённый набор химических букв или символов. При этом, закодированная последовательность букв или символов любого сообщения, как правило, передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы. Информация в живой системе может быть преобразована с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую). К примеру, информация, представленная генетическим кодом в виде молекул иРНК, транслируется в информацию полипептидных цепей, которая записывается уже другим кодом – аминокислотным и поэтому имеет совершенно другой молекулярный вид. А линейная информация, записанная в форме полипептидных цепей, преобразуется в трёхмерную информацию белковых молекул, то есть в совершенно другую молекулярную форму (пространственную, стереохимическую).

В-четвертых, – нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты, как известно, играют фундаментальную роль также и в энергетическом обмене живой клетки.

В-пятых, мы еще не отметили, возможно, наиболее важное назначение элементной базы. Все био-логические элементы оказались наделёнными такими природными химическими и физическими признаками и свойствами, сочетание которых позволяет им функционировать не только в качестве строительных блоков или химических букв и символов, но ещё и служить теми программными элементами, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических молекул. То есть все элементы в составе биологических молекул могут взаимодействовать друг с другом и с молекулами воды по особым специфическим принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики.

Вследствие этого они «автоматически» становятся теми программными элементами, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической молекулы. Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются био-логическими элементами в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем и во время функционального поведения макромолекулы. Таким образом, программирование функций биологических молекул и структур в клеточной среде также осуществляется с помощью элементной базы и генетической информации!

Важно отметить, что все указанные качества и свойства био-логических элементов существуют всегда и одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик позволяет био-логическим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное построение различных молекул и структур, и программное управление их биологическими функциями

Причем, естественно, что разные системы (алфавиты) элементов имеют своё специфическое назначение – структурное, информационное, программное и функциональное. К примеру, все био-логические элементы каждой системы применяются в качестве типовых строительных блоков, поэтому каждый из элементов имеет свою специфическую форму, структуру и конфигурацию, предназначенную для построения своего класса биологических молекул. Если же их рассматривать как программные элементы, то одни из них, – нуклеотиды, в основном служат для записи, хранения и передачи программной информации, а другие – аминокислоты, простые сахара и др., благодаря своим уникальным свойствам, служат для реализации программной информации. В итоге мы приходим к заключению, что любая химическая буква (или символ), входящая в состав биомолекулы, является тождественным эквивалентом такой био-логической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и единичного информационного сигнала, и программного элемента, и элементарной дискретной функциональной единицы.

Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств био-логических элементов, входящих в состав биологических молекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических молекул в клетке осуществляется благодаря применению таких био-логических единиц. Причем, активация функций биологических молекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом с помощью линейных или стереохимических кодовых матриц, расположенных в структурах биомолекул [7].

Важно отметить, что указанные качества и свойства стали неотъемлемыми спутниками всех типовых био-логических элементов, они являются разными сторонами одной и той же молекулярной базы. А сочетание разных характеристик молекулярных элементов оказалось идеально приспособленным для выполнения различных биологических функций в живых клетках. Все без исключения биологические свойства и качества макромолекул оказались напрямую связанными с многофункциональными особенностями составляющих их био-логических элементов. Поэтому, при рассмотрении живой материи, всегда необходимо учитывать не только информационный состав различных биомолекул, но и функциональную взаимозависимость и взаимодополняемость различных характеристик составляющих их элементов. Только такое единство и «слияние» различных характеристик био-логических элементов в одно функциональное целое и их информационное содержание, делает возможным проявление тех биологических черт и признаков макромолекул, которые привыкли наблюдать биологи [6].

4. Правила применения био-логических элементов

Вспомним, что каждый логический элемент микроэлектронной техники, перед тем как выполнить свои функции, должен быть подключен к источнику питания и к соответствующим цепям общей схемы. Для этой цели каждый элемент имеет свои входные и выходные цепи. Определённая аналогия наблюдается и при подключении биохимических элементов к цепям биологических молекул. Например, каждая аминокислота, как элемент, состоит из двух частей – константной, одинаковой для всех аминокислот части, к которой относится углеводородный скелет и его функциональные группы (аминогруппа и карбоксильная группа), и вариабельной – боковой цепи (или R-группы), которая имеет в каждой аминокислоте присущие только ей природные свойства и структурные отличия. В связи с этим аминокислоты различаются между собой только боковыми R-группами, посредством которых в полипептидной цепи белка осуществляется физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации.

Для включения аминокислоты в общую полипептидную цепь используется только константная часть элемента. «Ковалентная пептидная связь образуется путём отщепления компонентов воды от аминогруппы свободной аминокислоты и карбоксильного конца пептида, поэтому аминокислотные звенья, входящие в состав полипептида, обычно называют остатками» [5]. В результате длинная ковалентная цепь состоит из монотонно чередующихся остатков константных частей био-логических элементов (аминокислот), а к каждому углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков – боковые R-группы. Таков принцип записи молекулярной биологической информации в полипептидной цепи белка в процессе трансляции генетической информации. Каждая из боковых R-групп основного остова цепи имеет одно из двадцати кодовых (смысловых) значений, поэтому аминокислотные звенья белка являются материальными переносчиками информации.

Кратко рассмотрим пример записи информации в молекулярных цепях ДНК или РНК с помощью другой системы элементов – нуклеотидов. Каждый нуклеотид как био-логический элемент, также состоит из двух частей – константной, к которой относится пятиуглеродный сахар и фосфорная кислота, и вариабельной – азотистого основания, при помощи которого, как известно, кодируется и передаётся генетическая информация. Следующие друг за другом нуклеотиды соединяются с помощью фосфодиэфирной связи, поэтому ковалентные остовы цепей нуклеиновых кислот состоят из монотонно чередующихся константных частей биохимических элементов (нуклеотидов) – фосфатных и пентозных групп, а азотистые основания «можно рассматривать как боковые группы, присоединённые к остову на равных расстояниях друг от друга» [5]. Здесь тоже наглядно видно, что длинный остов молекулярной цепи выполняет роль носителя информации, на котором в виде различных вариабельных групп (азотистых оснований) записана генетическая информация.

Фиксированный порядок следования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает живая клетка. Следовательно, линейная последовательность любых биохимических элементов в молекулярной цепи всегда представляет собой химическую запись определённой биологической информации. Примеры говорят о существовании общих закономерностей молекулярной биохимической логики и информатики и о наличии общих принципов и правил применения в живых системах различных био-логических элементов (химических букв и символов) .

5. Два информационных уровня организации биологических молекул

Главный вывод, к которому можно прийти, заключается в том, что информация, циркулирующая в живой клетке, всегда находится в молекулярных структурах биоорганического вещества. Она имеет функциональный характер, химическую или стереохимическую форму записи, а также различные молекулярные виды представления. К примеру, молекулярная биологическая информация может быть представлена в виде цепей нуклеиновых кислот, – при записи её нуклеотидами. В виде полипептидных цепей, – при записи её аминокислотами; в виде линейных или разветвлённых цепей полисахаридов, – при записи её моносахаридами и т. д.

Причем линейная форма записи информации, как правило, является основой для преобразования её в форму пространственную – стереохимическую. Следовательно, для решения различных биологических задач, живая клетка широко пользуется различными молекулярными алфавитами, языками, а также видами и формами записи (кодирования) информации. Как мы видим, информационные сообщения в живых клетках могут существовать в двух молекулярных формах – одномерной химической (линейной) и пространственной, стереохимической. Значит, живая клетка пользуется двумя информационными уровнями организации биологических молекул – линейным и пространственным. На первом уровне, автоматически, с помощью управляющих средств обеспечивается последовательное ковалентное соединение различных химических букв или символов в длинные молекулярные цепи. Таким путём производится запись информационных сообщений в первичную, одномерную («линейную») биологическую структуру. Однако, пространственная организация макромолекул и клеточных структур, так же как и реализации их функций, осуществляются при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые группы тех био-логических элементов, которые в цепи связаны ковалентно, способны к информационным взаимодействиям с другими боковыми группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами близлежащих молекул.

К таким взаимодействиям (их называют слабыми связями) относятся: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Поэтому они определяют не только степень прочности сложных макромолекул, – белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и т. д., но и обуславливают их информационные и функциональные возможности. Следовательно, второй информационный уровень организации макромолекул осуществляется в основном при помощи слабых нековалентных сил, связей и взаимодействий между боковыми атомными группами и атомами химических букв или символов. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в стереохимическую структуру и форму.

В результате таких преобразований «одномерная» молекулярная информация цепей «сворачивается, пакуется и сжимается» в трёхмерную информацию макромолекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам, а затем, и для непосредственного использования в различных биологических процессах. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных биомолекул – это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы в другую.

К примеру, белковая макромолекула, представляет собой ничто иное, как трехмерную лабильную информационную субстанцию (молекулярный автомат), на поверхностных участках или в углублениях которой, для передачи сообщений, формируются разнообразные информационные матрицы (активные центры), состоящие из трехмерной кодовой комбинации различных био-логических элементов (аминокислот). Эти биохимические матрицы служат для информационной коммуникации белка с его молекулярными партнерами. Поэтому в основе молекулярных информационных процессов лежит способность биологических молекул взаимодействовать друг с другом с помощью линейных, локальных или рельефных биохимических матриц. Во время комплементарного взаимодействия биомолекул осуществляется процесс рецепции кодовых компонентов молекулярных партнеров и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому все информационные взаимодействия биомолекул являются прелюдией к выполнению функций биологических. 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 [7]. Линейный и пространственный элементарный состав макромолекул определяется генами, а каждый био-логический элемент в составе биологической молекулы тождественно может выполнять различные роли, – как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента.

Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также пользуются своим индивидуальным энергетическим и программным обеспечением. Это ведет к представлению, что ферменты и другие клеточные белки являются не простыми катализаторами химических процессов, а выполняют роль молекулярных биологических автоматов или манипуляторов с программной биохимической логикой управления [8]. Только благодаря удивительным многофункциональным свойствам биологических элементов, макромолекулы клетки становятся обладателями настолько многоликих и разносторонних качеств и свойств, что их можно изучать и рассматривать буквально с разных сторон и различных точек зрения. К примеру, их можно исследовать – с физико-химической, со структурной, с энергетической, с функциональной, с биологической, с информационной и других точек зрения. Столь разноплановые признаки и свойства биологической формы материи привели к тому, что в настоящее время её изучением заняты многочисленные естественные науки – биофизика, биохимия, генетика, молекулярная биология, биоэнергетика, цитология и многие другие дисциплины.

Однако такой дифференцированный подход больше ведёт к разобщению, чем к интеграции знаний. Только альтернативный – информационный подход может позволить гораздо шире взглянуть на давно известные физические и химические закономерности и помочь открыть новые страницы в изучении живой материи. А для того, чтобы молекулярная информация могла стать для биологов реальной смысловой категорией, необходимо, прежде всего, приступить к исследованию сферы информационных отношений биологических молекул друг с другом, к изучению принципов и правил молекулярной биохимической логики и информатики, которые лежат в основе необъятного мира генетических и молекулярно-биологических информационных систем и технологий.

Данная статья была опубликована в Интернет на сайте: http://new-idea.kulichki.com/ 15.12.2006г.

Список литературы

1. Вадим Репин. Молекулярная информация: миф или реальность? Полемика с Александром Викоруком. («НГ-наука», №2, 16 февраля 2000г). – Интернет «НГ-наука», №06 (42) 20 июня 2001г. 2

. Александр Викорук. Метафоры вместо информации. Полемика с Вадимом Репиным. («НГ-наука», №3, 17марта 1999г. и №9, 20 октября 1999г.). – Интернет «НГ-наука», №06 (42) 20 июня 2001г.

3. Н. А. Заренков. Теоретическая биология. – Изд. Московского университета, 1988.

4. В. А. Ильин. Телеуправление и телеизмерение. – М: Энергоиздат, 1982.

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

6 . Ю. Я. Калашников. Триединство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живой материи. Дата публикации: 30. 06. 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; сайт http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 07.12.2006г.

7. Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004. – 66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51

8. Ю. Я. Калашников. Ферменты и белки живой клетки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Дата публикации: 30 июня 2006г., источник: SciTecLibrary.ru; сайт http://new-idea.kulichki.com/ , дата публикации: 13.12.2006г.