70913-1 (707676), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

Таким образом, задача по преобразованию генетической информации в линейную структуру белка решается путем выполнения отдельных элементарных микроопераций строго в соответствии с заданной микропрограммой, которая заранее была загружена в оперативную память структуры иРНК. При этом системой реализующей процесс трансляции с известными стадиями инициации, элонгации и терминации является молекулярный биологический процессор. Весь ход процессинга и адресной доставки фермента в соответствующий компартмент осуществляется в виде отдельных операций манипуляторами устройства управления, точно в соответствии с кодовыми компонентами белка. В результате конформационного преобразования и процессинга макромолекула фермента (белка) приобретает характерную трехмерную конформацию со своими стереохимическими кодами и, в связи с этим, – свой информационно-кибернетический статус. Далее, точно в соответствии с функциональным адресным кодом и кодом каталитической операции фермент, действуя как молекулярный биологический автомат, выполняет определенный тип химической реакции. Если фермент является аллостерическим, то на него могут воздействовать регуляторные молекулы обратных связей, влияя, таким образом, на ход химической реакции. Так происходит реализация управляющей генетической информации. Поскольку каждый фермент способен ускорять лишь какую-то одну цепь реакций данного соединения, не влияя на другие возможные реакции, то в отдельно взятом компартменте одновременно может протекать множество различных химических реакций. В связи с этим можно сделать заключение о том, что других специальных механизмов синхронизирующих работу белков и ферментов, по-видимому, не требуется (кроме сигналов обратных связей или изменения физических и химических факторов микросреды). Если работу трансляционного аппарата рассматривать с информационной точки зрения, то он, как молекулярный биопроцессор, выполняет следующие основные функции:

1) реализацию алгоритма связывания начальной точки считывания матричной цепи иРНК (оперативной памяти) с рибосомой (процесс инициации трансляции);

2) микропрограммное преобразование, в реальном масштабе времени линейных информационных кодов (триплетов) иРНК в линейную аминокислотную кодовую последовательность полипептидной цепи белка (процесс элонгации);

3) реализацию алгоритма процесса терминации (завершения) трансляции. Далее устройство управления биопроцессорной системы осуществляет: 4) конформационное преобразование полипепидной цепи (процесс стереохимического кодирования) и процессинг, связанные с формированием стереохимических кодов фермента (белка), предназначенных для управляющих воздействий и приема регуляторных сигналов обратных связей;

5) автоматическое распределение и адресную доставку управляющих белков в соответствующий операционный блок (компартмент);

6) реализацию ферментами управляющих воздействий в соответствии с их адресными и каталитическими кодами, определяющими требуемый результат управления;

7) согласование взаимодействия выходного управляющего звена (ферментов) биопроцессорной системы с управляемыми биохимическими объектами (субстратом) по их сигнальным кодовым компонентам;

8) сбор и использование регуляторных молекул обратной связи (их стереохимических кодов), которые, как правило, являются конечными продуктами химических реакций;

9) обмен информацией с вышестоящей ядерной управляющей системой. Такова общая картина прохождения и реализации генетической информации. Важно отметить, что размещенные в оперативной памяти иРНК генетические программы сначала загружаются биопроцессорной системой трансляции в полипептидные цепи, а затем реализуются в виде трёхмерных белков и ферментов. Специфические коды регуляторных молекул воспринимаются центральными устройствами управляющей системы или аллостерическими ферментами, в частности, и это ведет к изменению хода управляемых химических реакций. Система самоуправления живой клетки состоит локальных биопроцессорных контуров управления цитоплазмы и систем верхнего ядерного уровня. Между ними также обеспечивается интенсивный обмен информацией.

В ядерную систему верхнего уровня передается как запрос на нужную управляющую информацию, так и сигналы обратной связи о достижении целей управления. Как мы видим, для программной переработки генетической информации в живой клетке широко применяется принцип микропрограммного управления, когда выполнение одной биологической операции распадается на последовательность отдельных элементарных операций. Поэтому живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации имеет свои специфические устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам. Молекулярный биопроцессор, на своём рабочем уровне, тоже реагирует на список операций, называемой программой. Эта программа, как известно, заключена в генах и предназначена для переноса на биомолекулы иРНК, которые в клеточной системе выполняют роль оперативной памяти. В биологической литературе такие аппаратные системы уже давно отождествляются с молекулярными биологическими “машинами” или механизмами. Наглядный пример: “Синтез белка в клетке осуществляет сложная система, состоящая из множества компонентов. Одна из особенностей этой системы заключается в том, что она существует в клетке как бы в разобранном виде, то есть её отдельные компоненты, когда они не участвуют в синтезе белка, не связаны друг с другом в единую физическую структуру, а находятся в цитоплазме раздельно. Но каждый раз, когда начинается процесс синтеза белка, из этих компонентов, благодаря их согласованному взаимодействию, возникает своеобразная, уникальная биологическая “машина”. Пусковым событием, которое приводит к взаимодействию всех компонентов системы синтеза белка и образованию активно работающей “машины”, является поступление генетической информации в виде иРНК. Завершение процесса трансляции приводит одновременно и к диссоциации белоксинтезирующего комплекса на отдельные его компоненты. Следовательно, биологическая “машина”, синтезирующая белок, представляет собой очень динамичный комплекс, который собирается каждый раз заново для синтеза индивидуальной полипептидной цепи. Уникальность такой “машины” состоит в том, что, возникая каждый раз из одних и тех же компонентов и работая по одному и тому же принципу, она выдаёт каждый раз различную продукцию (различные белки) в зависимости от получаемой ею программы” [4]. Как мы видим, весь смысл работы молекулярных биопроцессоров заключаются в том, чтобы передать структурную и программную информацию белкам и ферментам – выходному управляющему звену биопроцессорных систем живой клетки. Поэтому транскрипционный аппарат обеспечивает загрузку разнообразнейшей информации в оперативную память структуры иРНК, а трансляционный аппарат строго в соответствии с этими данными строит различные полипептидные цепи. При этом выходное звено управления, с информационной точки зрения, представляет собой множество различного рода адресно доставляемых и локально рассредоточенных молекулярных биологических автоматов, манипуляторов и агрегатированных аппаратных устройств, с программной биохимической логикой [1]. Применение в управляющей системе биопроцессорных устройств явилось существенным эволюционным вкладом в повышение гибкости и улучшения качества управления биохимическими процессами клетки. Именно на этом уровне рельефно проявляется факт целенаправленного прохождения генетической информации и ее управляющий характер. Функции биопроцессорных единиц в управляющей биокибернетической системе клетки жизненно важны и требуют с информационной точки зрения более детального рассмотрения и изучения.

По выполняемым функциям генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное звено – ферменты и белки являются центральными устройствами клетки, на базе которых построена её информационная биокибернетическая система. А биопроцессорные единицы живой клетки при этом отличаются широким параллелизмом действия и возможностью изменения управляющей программы. В связи с этим, система самоуправления живой клетки состоит из локальных контуров управления, действующих как в цитоплазме, так и в самом ядре живой клетки. Между ними также обеспечивается интенсивный обмен информацией. В ядерную систему верхнего уровня передаётся как запрос на нужную управляющую информацию, так и сигналы обратной связи о достижении целей управления. В связи с этим, самым приоритетным направлением молекулярной биологической информатики должно стать изучение структурной организации биопроцессорных единиц и механизмов их функционирования. Однако уже ясно, что в основе действия этих механизмов лежит позиционная информация биомолекул – линейных, локальных и поверхностных молекулярных биохимических матриц, образованных линейным, а затем и координатным расположением боковых атомных групп составляющих их элементов, способных к динамическому взаимодействию и спариванию посредством различных информационных сил и связей [2]. Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем управления, с уникальной генетической и оперативной памятью. Эти системы приспособлены к автоматической обработке генетической информации, а их выходное управляющее звено – белки и ферменты приспособлены к “автоматизированной” переработке различных видов молекулярной информации, как управляющей, так и сигнальной осведомляющей (субстратной), в том числе и молекулярной информации питательных веществ. Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и биологическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления. А управляющая система клетки, состоящая из генетической памяти, комплекса локальных биопроцессорных систем и выходного управляющего звена – молекулярных автоматов и манипуляторов, воспринимает информацию о ходе управляемых реакций, об эффективности протекающих процессов, об изменении физических и химических факторов и в зависимости от результата корректирует управляющие воздействия [5].

3. Белки и ферменты – выходное звено управления биопроцессорных систем. Белки и ферменты, как выходное управляющее звено представляет собой множество различного рода молекулярных биологических автоматов, манипуляторов или агрегатированных аппаратных устройств, с программной биохимической логикой. Каждый из этих, иногда довольно сложных молекулярных устройств, приспособлен выполнять определённую последовательность команд и био-логических функций. То есть все эти аппаратные устройства могут автоматически выполнять какие-то определённые алгоритмы био-логической деятельности [1]. В данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций. Ясно, что программирование структур и функций белковых молекул осуществляются с помощью биопроцессорных аппаратных систем транскрипции и трансляции генетической информации. Мы уже говорили об этом. Сначала с помощью этих устройств строятся и программируются ферменты и другие клеточные белки, а затем с помощью ферментов программируется структурная организация и функциональное поведение всех остальных биомолекул и структур клетки. Причем, функции клеточных структур и органелл могут меняться только на базе вновь синтезированных и включенных в их состав биомолекул. Для их взаимодействия и возникновения новых биологических функций в клетке нужна информация, как старых структур, так и новых биологических молекул. Поэтому эти структуры могут менять форму, делиться, но никогда не могут возникнуть заново, на основе только одних синтезированных биомолекул. В результате большого числа параллельно идущих процессов происходит программирование белков и ферментов, а через них, соответственно, осуществляется и программное управление химическими реакциями и биологическими функциями клетки. Информационная молекулярно-биологическая (биокибернетическая) система живой клетки – это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, который, с одной стороны, осуществляет управление различными химическими процессами и биологическими функциями, а с другой – занимается реорганизацией и реконструкцией своих же биологических структур и компонентов. Поэтому ферменты и другие функциональные белки используются клеткой как выходное управляющее звено её биопроцессорной системы. Ясно, что подобные процессы не могут обеспечиваться химическими катализаторами, какими бы уникальными и замечательными свойствами они не обладали. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством. Феномен биологического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам и манипуляторам. А полифункциональный катализ, используемый молекулярными биологическими автоматами (ферментами), применяется лишь как способ управления химическими превращениями. Однако избирательная химическая и динамическая реактивность фермента может осуществляться только информационным путём. Главное назначение белков и ферментов – обеспечивать живую клетку необходимыми ресурсами и материалами, а также осуществлять управление всеми процессами её жизнедеятельности и развития. Одна из отличительных особенностей управляющей системы клетки заключается в том, что она, как правило, взаимодействует с физико-химическими объектами управления, имеющими признаки единства вещества, энергии и информации. При этом операции, связанные с процессом управления, выполняются в реальном масштабе времени. Целью управления является обеспечение клетки необходимыми ресурсами, энергией и элементной базой. Поэтому живая клетка в полном смысле может рассматриваться как биокибернетическая система, которая не только самоуправляется, но и “конструируется” информационным путём. Поэтому информационное управление должно охватывать и такие клеточные функции, как: 1) извлечение энергии из окружающей среды (либо в форме энергии солнечного света, либо в форме энергии органических веществ); 2) получение исходных низкомолекулярных материалов для процессов биосинтеза элементной базы; 3) превращение исходных материалов в элементную биохимическую базу живой клетки или получение этих мономеров из окружающей среды; 4) разрушение “устаревших” биомолекул, выполнивших в клетке свои функции.

Иными словами, часть выходного аппарата биокибернетической системы должна координировать во времени и пространстве совокупность огромного числа ступенчатых химических реакций: окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Поэтому “сотни протекающих в клетке химических реакций катализируемых ферментами, организованы в виде множества различных последовательностей идущих друг за другом реакций. Такие последовательности могут состоять из нескольких реакций – от 2 до 20 и более. Одни из этих последовательностей ферментативных реакций приводят к расщеплению органических пищевых продуктов на более простые соединения, причем в процессе такого расщепления из них извлекается энергия. Другие последовательности реакций, требующие затраты энергии, начинаются с малых предшественников, которые постепенно соединяются друг с другом и образуют крупные и сложные макромолекулы” [6]. Все эти процессы обычно локализованы в соответствующих участках клетки и организованы ферментативным аппаратом в виде различных последовательностей единичных операций по конвейерному или циклическому типу. Каждый объект управления (субстрат) является носителем в “законсервированном” (статическом) виде определённой структурной биологической информации и химической энергии, накопленной в его химических связях. Поэтому все органические питательные вещества, поступающие в живую систему, представляют собой молекулярные информационно-энергетические субстраты, которые поставляют в клетку необходимые структурные, информационные и энергетические компоненты. И всё это клетка получает в результате информационной переработки субстратов (данных). Если генетическую информацию рассматривать как программы, предназначенные для переработки “данных”, то под общим термином – “данные” можно понимать и ту биохимическую информацию субстратов, которую перерабатывает управляющая система, а так же те химические буквы и символы, которыми манипулирует система при организации управляющих процессов клетки. То есть информационная, вещественная и энергетическая составляющие различных субстратов (в том числе и органических пищевых веществ) – это и есть те материальные компоненты, с которыми работает управляющая система клетки. Путём “расконсервации” этих составляющих живая клетка получает всё необходимое для процессов жизнедеятельности и развития. Благодаря стереохимической форме представления информации, сигнальными элементами субстратов для управляющей системы являются лишь те элементы, к которым она в данный момент имеет доступ. Другие же сигнальные элементы (буквы, символы или знаки) временно маскируются в трёхмерной структуре субстрата. Поэтому информационное преобразование молекулы субстрата, при обработке её различными ферментами, осуществляется последовательно, шаг за шагом (программно), в виде отдельных единичных каталитических операций (реакций). Таким образом, все биологические процессы управления и химического превращения веществ в клетке сопряжены с процессами преобразования биологической информации и находятся под генетическим контролем. К примеру, процессы управления ступенчатыми химическими реакциями в живой клетке непосредственно связаны с переработкой двух видов информации. С одной стороны, с обработкой генетической информации, которая в результате процессов транскрипции и трансляции преобразуется в трёхмерную структуру и информацию управляющих биомолекул ферментов и белков, с другой стороны – с преобразованием осведомляющей информации биомолекул субстрата, так как каждая ступенчатая реакция химического превращения вещества ведёт и к изменению его кодовых компонентов [2]. Поэтому клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых химических процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в качестве сигнальных или регуляторных молекул обратной связи. Так как в основе биологической формы материи лежит принцип тождественности химических и информационных компонентов, то все биохимические процессы, в частности, можно рассматривать с двух точек зрения – или с физико-химической, или же с информационной. Если же учесть, что только информационная составляющая обеспечивает упорядоченность структур и процессов, то и в молекулярной биологии возникает необходимость применения именно информационного подхода. Все белковые (как, впрочем, и другие) молекулы образуют циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные биохимические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединённых между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. А если учесть, что различные ферментативные системы, порой состоящие из десятков и сотен ферментов, участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления. Увеличение помехоустойчивости передач генетических сообщений достигается также и за счет циклической работы информационных сетей и потоков “автоматизированного управления”, которые, собственно, и служат для управления всеми потоками вещества, энергии и различными сетями химических реакций в живой клетке. Поэтому сущность живого состояния сводится к хранению, передаче, преобразованию и реализации генетической информации по различным сложно организованным сетям и каналам клетки. Только молекулярные биологические процессоры и их выходное управляющее звено – белки и ферменты, организованные в виде информационных потоков и сетей “автоматизированного” управления, обеспечивают управление, регуляцию и контроль клеточного метаболизма. Только наличие таких потоков и сетей способно превратить клетку в элементарную основу жизни, в центр, где все процессы по переработке органического вещества, химической энергии и генетической информации полностью скоординированы, “механизированы и автоматизированы” [5]. В связи с этим, все химические процессы в живой клетке трансформируются на более высокий уровень организации, который может быть обеспечен только программной информацией. Важно еще раз подчеркнуть, что для реализации и воплощения генетической информации в биологическую структуру и функцию и программного управления этими процессами в клетке имеются свои унифицированные молекулярные аппараты, которые со всех точек зрения вполне эквивалентны процессорным устройствам для программной переработки информации.

Характеристики

Список файлов реферата