12410 (Информационное управление клеточными процессами)

Информационное управление клеточными процессами

Калашников Юрий Яковлевич

Живая клетка – это чрезвычайно мощная информационная управляющая система, представляющая собой уникальный центр по синхронной переработке сразу трёх важнейших составляющих – органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. Она является той элементарной биологической единицей, которая обладает всеми свойствами живого. Клетка обычно представляет собой микроскопический объект, где на молекулярном уровне рождается удивительный мир и жгучая загадка жизни. Можно сказать, что это и есть те, издревле разыскиваемые, таинственные “Врата Жизни”, из которых каждый из нас появляется на свет как информационный биологический аналог своих близких и далёких предков. Именно через клетку судьба нам дарит Жизнь – драгоценное диво Вселенной. В своей новой статье, которая является логическим продолжением и развитием идей молекулярной биологической информатики, автор предлагает к рассмотрению информационную концепцию самоуправления живой клеткой.

1. Пути исследования сущности живого.

Исследование биологической формы движения материи в настоящее время, судя по состоянию молекулярных наук, сводится к изучению физико-химических процессов обмена веществ и энергии в живых системах, то есть к поиску путей и изучению прохождения тех многочисленных биохимических реакций, которые объединены общим понятием – метаболизм. Не случайно, одна из основных формулировок биологии, определяющая сущность жизни, гласит, что “жизнь - это обмен веществ и энергии в организме”. Поэтому, когда сегодня говорят о клетке как об элементарной структурно-функциональной единице всего живого, то под этим понятием, в первую очередь, понимают биохимическую часть её сущности. Именно с этой точки зрения, её изучают и исследуют различные биологические науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, генетика, геномика, цитология и многие другие дисциплины. Как мы видим, до сегодняшнего дня в изучении живой формы материи доминирует культ физико-химического направления. Между тем, следует отметить, что вся многосложная “паутина” целенаправленных и упорядоченных химических превращений в клетке формируется не сама по себе, а является результатом деятельности весьма сложной управляющей системы.

Ясно, что живая клетка должна обладать своими устройствами, предназначенными для “автоматизированной” переработки органического вещества, химической энергии и молекулярной информации. В противном случае эти процессы просто не могли бы иметь места. Поэтому многочисленные последовательности химических реакций основных путей клеточного метаболизма, по своей сути, могут относиться только к процессам управляемым. Очевидно, что в настоящее время молекулярная биология, в совокупности с другими дисциплинами, изучает и исследует только те процессы, которые в живой клетке являются вторичными, зависящими от работы системы управления. А первичные, – управляющие клеточные процессы, обеспечивающие управление и генерацию клеточного метаболизма, до сих пор практически не поддаются изучению. Между тем, только они составляют главную сущность живого, и только они обеспечивают все жизненные процессы клеток и организмов.

Следовательно, основная, фундаментальная часть живого по тем или иным причинам, почему-то, выпала из поля зрения молекулярных биологических наук. В силу этих обстоятельств, по вторичной, – управляемой части живого, современная наука накопила обширнейшие исследовательские данные, сведения и знания, полученные многочисленными биологическими науками.

Однако по первичной, самой фундаментальной и неисследованной части, в активе у биологических наук имеются лишь данные о структурно-функциональной организации ДНК, изученный генетический код и фрагменты репликации, транскрипции и трансляции генетической информации, указывающие на наличие в каждой живой клетке целостной молекулярно-биологической системы управления.

Причем эта, – самая необходимая и востребованная область науки, после выдающихся открытий “спирали жизни” (ДНК), генетического кода и других достижений, вот уже около полувека, если можно так сказать, живет знаниями вчерашнего дня. К сожалению, мало прибавилось и дисциплин, которые изучают и исследуют информационную сущность жизни. Хотя уже достаточно давно известно, что генетические и информационные молекулярно-биологические технологии правят великим миром живого уже более 3,5 миллиардов лет!

Биологи до сих пор пытаются обойтись без исследования закономерностей молекулярной информатики. А проблемы организации живой материи и функционального поведения белковых и других молекул они пытаются решать по-своему. Однако нельзя же серьезно относиться к той концепции, которая без всяких обоснований декларирует, что белковые и другие макромолекулы и структуры живой клетки просто “самоорганизуются”, а ферменты, при этом, становятся теми катализаторами, которые получают способность управлять всеми химическими превращениями и биологическими функциями в живых клетках и организмах. Ясно, что катализаторы способны в определённой мере ускорять протекание химических реакций, но не до таких же астрономических значений (10 в восьмой – 10 в двадцатой степени раз!) [1] и не с такой же производительностью, избирательностью и управляемостью, как это делают ферменты! [2]. Поэтому процесс самоорганизации живой материи – далеко не изученный процесс, который, по моему мнению, связан, прежде всего, с информационной сущностью живого, а ферменты – это далеко не простые химические катализаторы даже только потому, что в своей работе применяют метод полифункционального катализа. Очевидно, что ферменты различного назначения, по представлениям сегодняшнего дня, – это сложные автоматы естественных нанотехнологий, которые применяются живой природой уже многие сотни миллионов лет.

Ясно, что феномен био-логического управления, которым обладают ферменты и другие клеточные белки, по силам лишь молекулярным биологическим автоматам или манипуляторам с программной биохимической логикой управления. Живые клетки – это весьма сложные естественные информационные самоуправляемые системы, которые функционируют на молекулярном уровне и поэтому часто имеют микроскопические размеры. Протекающие процессы в клетке настолько “автоматизированы”, взаимосвязаны и сопряжены друг с другом, что порой трудно определить – где идёт преобразование вещества, а где энергии или информации. Логика структурного построения, функционального поведения и взаимодействия биологических молекул определяется генами, поэтому все эти процессы имеют биохимическую основу и носят информационный характер. Любой процесс функционирования сложного технического или живого объекта всегда и непременно связан с передачей и преобразованием информации.

Поэтому исследователей живого всегда волновал вопрос, как и каким образом, генетическая информация определяет не только структурную организацию, но и весь широкий диапазон биологических функций и химических превращений в живой клетке?

2.Информационные компоненты живого.

В первую очередь необходимо отметить, что структурное построение и функциональное поведение биологических молекул в живых системах подчинено не только известным физическим и химическим законам, но и особым принципам и правилам, которые, по мнению автора статьи, следует отнести к закономерностям молекулярной биохимической логики и информатики! Поэтому, чтобы разобраться в работе управляющей и управляемой клеточных системах, в первую очередь, необходимо понять не только принципы и правила их действия, но и осмыслить закономерности применения молекулярной элементной базы. Известно, что всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых “строительных блоков” – стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных био-логических (биохимических) элементов.

Этот типовой набор представляет собой ничто иное, как элементную базу, или общий молекулярный биологический алфавит, который, по мнению автора, служит не только для построения биомолекул, но и для кодирования и программирования молекулярных структур и функций живой материи. В состав этого уникального комплекса элементов входят различные системы био-логических элементов (отдельные молекулярные алфавиты):

1) восемь нуклеотидов, – “четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК” [1];

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 живой природы являются натуральными дискретными единицами молекулярной информации. Важно также отметить, что весь этот комплекс элементов обладает функциональной полнотой, так как содержит функционально полный набор био-логических элементов. Именно поэтому живая природа, пользуясь био-логическими элементами, способна к построению и реализации любых биологических структур и функций.

Интересно, что кроме семантики сообщений все био-логические элементы обладают еще и универсальной природной способностью к выполнению различных – химических, энергетических, программных и других биологических функций. Информационные сообщения не могут перемещаться во времени и в пространстве нематериальным способом. Поэтому информация в живой системе, – это содержательные сведения, заключенные в том или ином послании или сообщении генома, которые хранятся, передаются и используются только в закодированной молекулярной форме в виде биологических молекул! Любой информационный код (и не только генетический) в живой клетке записывается химическим способом с помощью элементарной формы органического вещества, поэтому различные посылки и сообщения переносятся в структурах разных макромолекул.

Очевидно, что элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить различные биологические молекулы и структуры, записывать в них информацию, а затем, с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения. И ведь, действительно, – все биохимические элементы (химические буквы и символы), входящие в состав различных биологических молекул, представляют собой ту элементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаются биологические коды молекулярной информации. Автор статьи считает, что информация в живой молекулярной системе передаётся с помощью различных дискретных кодовых сигналов, которые сначала формируются в “линейных” молекулярных цепях, а затем, и в трёхмерных структурах различных биологических молекул. Следовательно, информация в живых клетках имеет молекулярный базис представления! [3].

Невероятно, но все биохимические буквы и символы элементной базы (мономеры) живой материи оказалась наделёнными такими химическими и физическими природными качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им в составе биологических молекул одновременно выполнять буквально различные по своей биологической роли элементарные функции и операции:

1) служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение различных макромолекул;

2) выполнять роль натуральных информационных единиц – химических букв или символов, с помощью которых в биомолекулы записывается молекулярная информация; 3) служить в качестве элементарных единиц молекулярного кода, с помощью которых идёт кодирование, преобразование, передача, а впоследствии, – воплощение и реализация генетической информации;

4) быть программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения различных биологических макромолекул;

5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию биомолекул и т. д.

Следовательно, все био-логические функции и операции молекулярной биохимической логики в живой системе выполняются и реализуются типовыми мономерами, которые несут элементарные химические сигналы и имеют простую “структурную схему”! Поэтому их вполне заслуженно можно назвать молекулярными био-логическими элементами. Вследствие этого, любая макромолекула клетки, состоящая из конечного множества таких элементов, является реализатором тех биологических функций и операций, которые информационным путём интегрированы и загружены в её трёхмерную структуру. Всё это указывает на то, что информация, загруженная в макромолекулы (с помощью аппаратных средств и молекулярного алфавита), определяет не только их молекулярное содержание, но и их структуру, форму, класс биоорганического соединения, потенциальную и свободную энергию химических связей. Кроме того, та программная информация, которая загружена в молекулярные структуры, всегда определяет информационное и функциональное поведение биологических макромолекул в живых системах. Все типовые мономеры были отобраны в процессе эволюции, поэтому, входя в состав биологических молекул и клеточных компонентов, они определяет не только структуру живого вещества.

Элементарный состав биомолекул всегда тождественно является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство живой материи можно назвать тождественностью органического вещества, химической энергии и молекулярной информации!

Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации – это и есть тот главный и основной закон, который определяет и обуславливает само существование биологической формы материи. А универсальные свойства элементной базы живой материи лишь подтверждают данную гипотезу [4]. Очевидно, что 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 структурный (информационный) состав различных биомолекул, но и функциональную взаимозависимость и взаимодополняемость различных характеристик составляющих их элементов. Такое “слияние” различных характеристик био-логических элементов в одно функциональное целое и их информационное содержание, делает возможным проявление тех биологических черт и признаков макромолекул, которые наблюдают биологи. Заметим, что каждый типовой био-логический элемент (химическая буква или символ) характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи. И главное, – важно отметить, что каждый элемент (мономер) имеет еще и свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, как считает автор статьи, используется в качестве элементарного информационного химического сигнала!

Вспомним: 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. Общий алфавит живой материи состоит из более 30 химических букв и символов молекулярного языка живой природы, с помощью которых кодируется биологическая информация. Причем, для “автоматизации” процессов кодирования и перекодирования биологической информации в живой клетке применяются свои молекулярные биопроцессорные системы, такие как аппаратные устройства репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. А “теоретической и технологической” основой применения молекулярной базы служат свои универсальные законы и принципы, которые, следует отнести к закономерностям “молекулярной биохимической логики и информатики” [5].

Очевидно, что каждая система биохимических элементов в клетке (нуклеотиды, аминокислоты, жирные кислоты, простые сахара и др.) является отдельным алфавитом и характеризуется своим способом кодирования, а также видом и формой представления молекулярной информации. Это, соответственно, и является первопричиной появления различных классов и великого разнообразия биологических молекул в живых системах.