Калашников Юрий Яковлевич
Даннаястатья посвящена трем главным составляющим живой формы материи – веществу,энергии и информации. Здесь кратко и последовательно рассмотрены: 1)разнообразные виды и формы молекулярной информации и разные категорииинформационных сообщений, которые широко применяются в клетках для реализацииразличных биологических функций и химических превращений; 2) комплементарные(матричные) принципы молекулярных информационных взаимодействий; 3)информационные поля и сферы живой формы материи. Основная часть статьипосвящена “принципу триединства биоорганического вещества, химической энергии имолекулярной информации” живой материи. Этот принцип, по всей вероятности,является ключевым в молекулярной биологии, определяющим базисную,фундаментальную основу существования биологической формы материи. В заключениеавтором предлагается для рассмотрения и обсуждения ещё одна важная концепция –концепция взаимообусловленности и взаимозависимости между главнымисоставляющими живой материи – информацией, структурой, энергией и функцией вразличных биологических процессах. Эти две концепции, по мнению автора, внаибольшей степени определяют сущность биологической формы движения материи, азначит, и природу, и принципы её организации.
Известно,что вещество, энергия и информация – это три важнейшие сущности нашего мира,три главнейших его составляющих Мы живём в чрезвычайно богатом по форме иразнообразию окружающем нас материальном мире. Наука уже достаточно давноизучает и исследует различные формы материи, в ряду которых живой материиотводится особое место. Однако особые нюансы возникают с понятием информации. Кпримеру, хотя она и является одной из главных слагаемых нашего мироздания, нодо сих пор не имеет общепринятого научного определения. Между тем этот факт немешает успешно применять понятие “информации” в различных областях науки,техники и человеческой деятельности. Поэтому “информация” также можетклассифицироваться на различные виды и категории и характеризоваться различнымиформами существования, сферами применения и назначением. Тем не менее, этоттермин продолжает вызывать различного рода дискуссии, которые особенно заметнопроявляются в молекулярной биологии. К сожалению, это происходит на фонеобщепринятой и четко сформулированной центральной догмы молекулярной генетики,“которая определяет три главных этапа в обработке генетической информации.Первый этап – репликация, то есть копирование родительской ДНК с образованиемдочерних молекул ДНК, нуклеотидная последовательность которых комплементарнануклеотидной последовательности родительской ДНК и однозначно определяется ею.Второй этап – транскрипция, процесс, в ходе которого часть генетическойинформации переписывается в форме рибонуклеиновой кислоты (РНК). И, наконец,третий этап – трансляция, в процессе которой генетическая информация, записаннаяпри помощи четырёхбуквенного кода в РНК, переводится в рибосомах надвадцатибуквенный код белковой структуры” [1]. Однако и здесь, как мы видим,изучение и исследование прохождения генетической информации, почему-то,остановилось на этапе синтеза белковых молекул. Хотя уже давно стало очевидным,что живые системы в принципе не могут ни существовать, ни функционировать, ниразвиваться только лишь на физико-химической основе. Ясно, что в этих процессахведущую роль может играть только наследственная молекулярная (генетическая)информация. Поэтому изучать общие свойства и структуру молекулярной информации,а также закономерности и принципы её создания, преобразования, передачи ииспользования в различных биологических процессах должна, по всей вероятности,специализированная дисциплина, такая как “Молекулярная биологическаяинформатика”.
1.Роль молекулярной информации в биологических системах. Наука показывает, чтоблагодаря использованию наследственной информации, жизнь на нашей планетесуществует и развивается уже более трёх миллиардов лет. Поэтому большинствоисследователей считает, что понятие информации, в широком смысле этого слова, вбиологии столь же необходимо, как и понятия органического вещества и химическойэнергии. И действительно, ведь только информация может нести ту высокую меруопределённости, которая существует в сложно-зависимых взаимодействияхбиологических молекул друг с другом и с системой управления. И если вещество иэнергия живого являются его материальным наполнителем, то информация вструктуре живого вещества является руководством к действию а, значит, икритерием управления всех химических, молекулярных, энергетических и другихбиологических процессов. Можно сказать, что информация в живой системевыполняет ту руководящую роль, которая раньше приписывалась “таинственнойжизненной силе”. Не вдаваясь в философские обоснования термина “информация”, вданной статье мы будем придерживаться общепринятых идей и концепций, которыеприменяются к сложным системам управления и связи при передаче информационныхкодов и сигналов управления. Потому, что живая клетка, как элементарная основажизни, является сложнейшей самоуправляемой биокибернетической системой, котораявыполнена в миниатюре, и функционирует на почти недосягаемом для изучения – молекулярномуровне. “Информация в сложных системах, как известно, – это содержательныесведения, заключенные в том или ином сообщении. А сообщением может бытькакой-либо текст, передаваемые данные о структурной организации или каком-либопроцессе, значение контролируемого параметра, команда управления и т. д.Причем, сообщение может иметь форму, не приспособленную для передачи, храненияи других информационных процессов. В связи с этим применяются различные способыпреобразования сообщения, такие, как дискретизации и кодирование с цельюполучения оптимального сигнала. Сигналом называется средство передачи(переносчик) сообщения. В общем виде сигнал – это однозначное отображениесообщение, всегда существующее в некотором физическом воплощении” [2]. Естественно,что и в живой молекулярной системе информация передаётся с помощью различныхдискретных кодовых сигналов, которые формируются в “линейных” цепях, а затем ив трёхмерных структурах различных классов биологических молекул [3]. Вообще-тосуществуют разнообразнейшие виды информации, в том числе – логическаясмысловая, метрическая, исчисляемая в битах и другие. Молекулярнойбио-логической информации в этом ряду должно отводиться своё особое место. Идействительно, информация в живой молекулярной системе имеет свой специфическийсмысл, чрезвычайно высокий статус и своё материальное наполнение. Она такжехарактеризуется различными видами, формами и категориями и используется живойсистемой в виде передач и преобразований молекулярных биологических кодов управленияи сигнализации. Поэтому и не удивительно, что с кодированием информации связаноодно из замечательных свойств живой клетки – возможность хранить, передавать иобрабатывать генетические сообщения. Информация в живой системе можетпередаваться и преобразовываться с помощью биологических кодов и алфавитов изодного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы(линейной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую).Вследствие этого, кодирование молекулярной информации в живой клеткеприменяется как для структурной организации различных классов биологическихмолекул, так и для информационного управления различными химическимипревращениями, энергетическими процессами и другими био-логическими функциями.Сам же информационный код в молекулярной биологии записывается химическимспособом с помощью элементарной формы органического вещества, и поэтомупереносится в структурах биологических молекул. А для биосинтеза и организацииважнейших классов биоорганических соединений (нуклеиновых кислот, белков,полисахаридов и липидов) и для записи в их структуру информации применяютсяразличные алфавиты – системы био-логических элементов (нуклеотиды,аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др.) [3]. Следовательно, разныеалфавиты служат для кодирования различных форм и видов молекулярнойбиологической информации. Информация, заключенная в последовательностинуклеотидов определяет структуру и функции макромолекул ДНК и РНК.Информационные сообщения в виде последовательности аминокислот в полипептидныхцепях кодируют и программируют структурно-функциональную организацию белковыхмолекул. А информационная последовательность моносахаридов или жирных кислоткодирует структуру и функции полисахаридов и липидов. Всё это подтверждаетмысль о том, что различные виды и формы молекулярной информации определяют своюструктурную и функциональную организацию, присущую различным классамбиологических молекул. Значит, элементарное содержание любой макромолекулыопределяется формой представления и видом молекулярной информации. Поэтому всевиды и формы информационных передач в живой клетке носят чисто биологическийхарактер. А чтобы перевести информацию из одного её молекулярного вида вдругой, или из одной формы в другую, живая клетка использует различные биологическиекоды. Например, информация, записанная в структуре ДНК и РНК в виденуклеотидной последовательности, переводится в аминокислотнуюпоследовательность белка с помощью генетического кода, то есть таким способоминформация преобразуется из одного её молекулярного вида в другой. А для того,чтобы трансформировать аминокислотную последовательность в трёхмерную структуруи форму белковой молекулы, применяется аминокислотный код. Следовательно, здесьинформация преобразуется из одной её молекулярной формы – линейной, в другуюформу – пространственную, стереохимическую. В связи с этим, в живой клеткеиспользуются различные биологические коды, где кодирование и преобразованиеразличных видов и форм молекулярной информации применяется при структурной организацииразных классов биологических молекул, предназначенных для реализациисоответствующих биологических функций и процессов. К примеру, если кодыактивного центра гликоген-синтазы несут генетическую информацию о биосинтеземакромолекул гликогена, значит, эти коды эквивалентны функциональнымвозможностям фермента. Получается, что пространственные кодовые комбинациибоковых R-групп элементов активного центра фермента (адресный код и кодоперации) выступают в роли ключа для перевода генетической информации в кодовуюпоследовательность молекулярной цепи гликогена. А сам фермент при этом являетсяпреобразователем одной формы молекулярной информации в другую. Значитмолекулярные коды соответствий, так же, как и средства их реализации ирецепции, действительно существуют в любой живой клетке. Важно отметить, чтоинформация в живой системе ответственна не только за молекулярное содержание еёкомпонентов, но выступает и в качестве всеобщей взаимосвязи ивзаимозависимости, и является критерием управления её молекулярных объектов. Аинформационные взаимодействия различных классов биологических молекул друг сдругом осуществляются на трёхмерном уровне их структурной организации, спомощью их локальных или поверхностных биохимических матриц. Следовательно,информация в молекулярной биологии не только свойство и содержаниебиологических молекул и структур, но и средство управления и сигнализации,способное совершать работу. Результатом этой работы является строгаяпоследовательность, упорядоченность и согласованность химических процессов,морфологических и физиологических изменений. Только по этой причине всефизико-химические процессы в живой системе выходят за свои собственные рамки ивступают в более содержательную область, – область молекулярной биохимическойлогики, информатики и управления. Поэтому информация в молекулярной биологии неотвлеченное понятие, а само содержание и сущность живой материи. В связи сэтим, живая материя формируется и “движется” под руководством управляющейсистемы, благодаря использованию генетической информации и общего молекулярногоалфавита. А многофункциональные свойства элементной базы являются ключевымкритерием единства вещества, энергии и информации, которое всегдаобнаруживается в различных биологических молекулах [4]. Единство информации соструктурой и энергией живого вещества является важной движущей силой иособенностью эволюции живой материи. А консервация информации в субстратебиоорганического вещества, в виде различных химических букв и символов,становится характерной чертой даже биотического круговорота. Поэтому в прямом ибуквальном смысле можно говорит о том, что каждая живая система обменивается сокружающей средой молекулярной информацией, то есть веществом и энергией.Следовательно, назначение информационного подхода к молекулярным биологическимпроблемам состоит в том, чтобы понять принципы функционирования живых систем,отправляясь от их структуры и сведений о свойствах их составляющих элементов,которые всегда являются натуральными единицами молекулярной информации. Загадкажизни, видимо, и кроется в том, что основой её проявления служит генетическаяпамять, а все процессы функционирования осуществляются и поддерживаютсяинформационной молекулярно-биологической системой управления, созданной на базеживой клетки. Перед живой клеткой не возникает проблемы – как осуществитьадресную передачу молекулярной информации внутри клеточной системы, или вне её.Основным способом передачи информации является транспортировка и адреснаядоставка биологических молекул, в структурах которых записана нужнаяинформация. Доставка информации в соответствующее место осуществляетсяавтоматически. Для этой цели в живой клетке существуют специальные системыавтоматической сортировки и адресной доставки сообщений (биомолекул), имеетсяразветвлённая сеть физических каналов связи, компартментов и отсеков. Причем,как сортировка, так и адресная доставка информационных сообщений осуществляетсяна основе специальных кодов сортировки и адресации, которыми снабжаются всебиомолекулы при их изготовлении. Информационные сообщения в клеточной системеимеют свои специфические свойства и особенности. Во-первых, с одной стороны,сама управляющая система клетки является источником управляющих сообщений,команд и инструкций, передаваемых в виде кодовых передач в структурах белковыхмолекул по различным каналам на многочисленные биохимические объекты управления(субстраты), которые являются приёмниками управляющей информации. Однако сдругой стороны, различные биохимические объекты управления являются источникомсигнальной осведомляющей информации для выходных аппаратов управляющей системы(ферментов и белков). Таким образом, потоки управляющей и сигнальноймолекулярной биологической информации в живой клетке всегда направленынавстречу друг другу. Поэтому управлением в живых системах, по-видимому, можноназвать передачу и транспортировку на расстояния, с помощью ферментов, командуправления и исполнительных органов и механизмов, могущих воздействовать нахимические кодовые группы молекул субстрата. Живая клетка относится к системамс распределёнными объектами управления, где применяется адресный способпередачи управляющей информации от центральных устройств к многочисленнымлокально рассредоточенным объектам управления (субстратам). А сигнальнойосведомляющей и регуляторной информации обратно, от объектов к центральным илиместным управляющим устройствам (ферментам и белкам). Причем “запрос”управляющей информации, как правило, осуществляется на основе поступившей вклетку осведомляющей информации субстратов. Живая клетка являетсяинформационной молекулярно-биологической системой управления, извлекающейсвободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды. Поэтому, дляреализации различных биологических функций и химических реакций, в клеткеприменяются и различные категории информационных сообщений, а именно: 1)молекулярно-биологическое управление – транспортировка и адресная доставкаферментов (белков), а значит, и передача на расстояние их дискретных сигналов,кодовых команд управления, исполнительных органов и механизмов, длянепосредственного химического и динамического воздействия на объекты управления(субстраты); 2) структурно-функциональная информация – при передаче кодовыхдискретных сообщений о трёхмерной организации биомолекул, выполняющихструктурные или иные биологические функции; 3) осведомляющая сигнализация –транспортировка и адресная доставка в нужный компартмент живой клетки молекулсубстрата, с целью передачи дискретных сигналов от субстратов к соответствующимферментам о состоянии объектов управления; 4) сигнальная и регуляторнаяинформация – при передаче дискретных сигналов в виде молекул обратной связи,воздействующих непосредственно на исполнительные органы белков и ферментов, сцелью контроля и регуляции химических превращений; 5) безадресная передачарегуляторной информации биомолекулам клетки, которая осуществляется путёмизменения концентрации ионного состава клеточной микросреды, измененияводородного показателя рН и т. д. Необходимо отметить, что молекулярнаябиологическая информация в живой системе имеет различные формы существования.Наиболее характерными формами существования информации в живой клетке являются:статическая, динамическая (управляющие) и сигнальная осведомляющая. Статическаяуправляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощи нуклеотидов.Генетическая память сама по себе структура инертная и статическая, поэтомупервичная биологическая информация существует в кодовой форме записиопределённых сведений и сообщений в соответствующих генах ДНК. Динамическаяуправляющая информация – является производной от генетической, она определяетсялинейной, а затем и трёхмерной организацией биомолекул, то есть, в конечномитоге, имеет стереохимическую форму представления. Благодаря стереохимическойформе представления информации – ферменты, белки и другие функциональныемакромолекулы, надмолекулярные комплексы и ансамбли клетки, способны вавтоматическом режиме решать ряд биологических задач. Осведомляющая информация(сигнализация), воспринимаемая управляющей системой клетки, передаётся кодовымиэлементами (буквами, символами или знаками) молекул субстрата. Ферменты и белкиспособны специфически (информационно) взаимодействовать с различнымибио-логическими элементами и их химическими знаками. Поэтому в качествеобъектов сигнальной осведомляющей информации в живой клетке могут выступать какотдельные биохимические элементы, так и различные биомолекулы, состоящие изтаких элементов, то есть многочисленные молекулы субстратов. Осведомляющаясигнализация служит для информирования системы о состоянии управляемыхбиохимических объектов, о ходе химических реакций, об эффективности протекающихпроцессов и т. д. Управляющая система клетки реагирует только на ту сигнальнуюинформацию, которая свойственна её природе. В связи с этим, одним из главныхпризнаков процессов управления в клетке является беспрерывная циркуляцияинформации, которая непрерывно и циклически загружается в молекулярнуюструктуру биоорганического вещества. После выполнения своих функций, различныебиомолекулы, как правило, разрушаются до их составляющих – мономеров(био-логических элементов), которые затем вновь могут быть вовлечены винформационные или другие биологические процессы. При этом если динамическаяуправляющая информация непосредственно связана с молекулярными структурамибелков (закодирована в них), то сигнальная осведомляющая информация,воспринимаемая ферментами (белками), заключена в структурной организации ихмолекулярных партнёров. Поэтому можно констатировать, что молекулярнаябиологическая информация в живой клетке имеет различные формы существования иможет записываться различными химическими буквами и символами. К примеру,статическая управляющая информация кодируется в структуре ДНК при помощинуклеотидов. Динамическая управляющая информация белковых молекул записываетсяи реализуется при помощи аминокислот. Сигнальная (осведомляющая) молекулярнаяинформация может обеспечиваться разными буквами и символами общего алфавитаживой материи, а, следовательно, и их различными химическими знаками. Поэтомупотоки и циркуляция информации в живой системе тождественно могут бытьпредставлены потоками и циркуляцией различных биологических молекул. В связи сэтим появляется необходимость деления информации по формам, видам и категориям,например: 1) по форме представления – непрерывная (аналоговая) и дискретная; 2)по принципу и форме записи – химическая и стереохимическая; 3) по видампредставления – в виде макромолекул нуклеиновых кислот или белков, в видемакромолекул полисахаридов или липидов и т. д.; 4) по форме существования –статическая и динамическая; 5) по назначению и характеру действия – управляющая(функциональная) и сигнальная (осведомляющая); 6) по признакам и свойствам –генетическая (наследственная, статическая, определяющая генотип) ибиологическая функциональная (производная от генетической, динамическая,определяющая фенотип); 7) по способу существования – вещественная(молекулярная) и виртуальная (знание, сознание) и т. д. [4]… В живой клеткедля представления (кодирования) информации используются разные молекулярныеалфавиты, которые содержат свои химические буквы или символы. Представлениебиологической информации разными алфавитами ведёт к тому, что информация вживой системе может записываться разными био-логическими элементами, которые иопределяют различное содержание биологических молекул и, соответственно,различный её молекулярный вид и форму. В связи с этим: 1) одномерная – линейнаяформа наследственной информации в живой системе кодируется в структуре ДНК иРНК в виде последовательности нуклеотидов; 2) “линейная” и пространственная(стереохимическая) форма программной информации ферментов записываетсяаминокислотным кодом в виде полипептидных цепей и трёхмерных белковых молекул;3) линейная и пространственная структурная и функциональная информацияполисахаридов кодируется моносахаридами (простыми сахарами); 4) линейная ипространственная структурная и функциональная молекулярная информация липидовкодируется мономерами жирных кислот и т. д. Живая форма материи отличается отдругих форм тем, что её структура и функции кодируются и программируются тоймолекулярной информацией, которая с помощью элементной базы заранее былазагружена в её молекулярные цепи и трёхмерные структуры. Поэтому всёразнообразие биологических молекул живой клетки формируется только на основеуправляющих средств, с помощью генетической информации и использованияразличных молекулярных алфавитов.
2.Матричный, комплементарный принцип информационных взаимодействий. Отметим, чтов живой системе для организации информационных процессов наиболее широкоиспользуется комплементарный принцип взаимодействия биологических молекул другс другом с помощью их линейных, локальных, рельефных или поверхностныхбиохимических кодовых матриц. Информационные взаимодействия биомолекул, обусловленныекодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомныхгрупп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессыв цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействий имноговариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характермолекулярной биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемыесигналы определённого типа, такие как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах.Каждый элементарный био-логический сигнал боковой группы имеет своё смысловоезначение и характеризуется своим набором физико-химических свойств и своимпозиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, видимо,и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждогоиндивидуального сигнала, то есть неоднозначность действия отдельногобио-логического элемента, входящего в состав макромолекулы. Можно сказать, чток наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся,именно, матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программногобио-логического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекулсменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами.Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматическиопределяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании изакреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различныетипы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементамиили фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные иводородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия. Во времяконформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепикооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также смолекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмернойструктуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулыи правильное расположение структур определяется сочетанием различных типовкомплементарных взаимодействий: “1) ионными связями между положительно иотрицательно заряженными боковыми группами аминокислот; 2) водородными связямимежду атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательныезаряды; 3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярныхбоковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться сокружающей их водной средой; 4) ковалентными связями между атомами серы двухмолекул аминокислоты цистеина” [5]. Таким образом, трёхмерная конформация белкаоднозначно определяется информацией, которая записана в “линейной”аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, чтолюбые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи вструктуре биомолекулы, или же между биомолекулами клетки могут базироватьсятолько на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц,то есть на взаимодополняемости химических свойств, электрических зарядов иструктурных рельефов друг другу. Если же теперь обобщить различные наблюдения ифакты, то оказывается, что комплементарный матричный (информационный) принцип“подгонки” действует в совершенно различных, казалось бы, по своейбиологической роли процессах: 1) при репликации, транскрипции и трансляциигенетической информации; 2) при биосинтезе или расщеплении “неинформационных”биомолекул клетки, когда локальные стереохимические кодовые группы активногоцентра фермента взаимодействуют с молекулой (или молекулами) субстрата по матричномупринципу; 3) при свертывании белковой (как, впрочем, и любой другой) молекулы,когда отдельные фрагменты полипептидной цепи “отыскивают” друг друга,комплементарно взаимодействуют и “застёгиваются” между собой с помощью линейныхматричных взаимодействий боковых атомных R-групп по принципу застёжки-молнии;4) при объединении между собой отдельных субъединиц олигомерного белка спомощью рельефных матричных взаимодействий в четвертичной структуре белка,когда комплементарная “подгонка” осуществляется при взаимодействиибиохимических матриц, образованных многочисленными R-группами, координатнорасположенными на поверхности субъединиц олигомерного белка; 5) рельефныеповерхностные биохимические матрицы играют ведущую роль в процессах самосборкиили разборки надмолекулярных комплексов и ансамблей, состоящих из различныхбелковых и других молекул. К примеру, точное взаиморасположение молекулярныхкомпонентов рибосом, включая белки, возможно только за счет комплементарноговзаимодействия их поверхностных биохимических матриц. А регуляторами,включающими или выключающими процессы их самосборки является наличие илиотсутствие иРНК, а также соответствующие ионные, или другие условия, влияющиена перераспределение комплементарных матричных сил и связей. Все эти факторы иведут или к взаимному ориентированному притяжению и самосборке биомолекул вцелостную рибосому, или же, наоборот, к их отталкиванию и разборке. Здесь мынаблюдаем один из основных механизмов функционального и регуляторного действия,лежащий в основе информационных взаимодействий между биомолекулами клетки.Рибосома ведет себя как молекулярная автоматическая система, которая отзываетсяна сигнальные и регуляторные воздействия и функционирует строго в соответствиис загруженной в её компоненты программной информацией. По аналогии совершаютсяи другие информационные взаимодействия, которые, как мы видим, характернытолько для живой молекулярной системы. Ясно, что матричный принцип соответствияявляется основой информационных взаимодействий биологических молекул друг сдругом [4].
3.Информационные поля и сферы живой формы материи. Живое вещество, в отличие оттвёрдого, кристаллического, жидкого или газообразного, имеет свои строгоопределённые структурные особенности и свойства, и отличается от других веществудивительной способностью целенаправленно выполнять определенные биологическиефункции. Макромолекулы живой клетки характеризуются строгой упорядоченностьюмолекулярных цепей в пространственной решётке и специфическим конденсированнымсостоянием, поэтому к ним вполне приемлемо редко применяемое, но достаточноточное название – “кристаллоиды”. Кристаллоиды обладают и другими уникальнымикачествами и свойствами. Наличие в структурах макромолекул каквнутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей (обусловленныхсоставляющими их элементами), которые сами по себе слабы, но мощны своеймногочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри ивокруг кристаллоида образуется специфическое силовое “информационное поле”,которое способно влиять как на структуру самого кристаллоида, так и на егомикроокружение. При этом сама макромолекула как бы стабилизируетсясамосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативнымисилами притяжения между боковыми атомными группами и атомами мономеров. Этирассуждения приводят нас к мысли о существовании новых полей особого типа,которые можно назвать “информационными полями и сферами” живой формы материи.Информационная сфера – это состав того информационного поля, которое образуетсяи окружает конкретную биологическую молекулу в определённый период времени. Аналожение информационных сфер друг на друга и создаёт в окружающем пространствеживой клетки общее информационное поле. Можно констатировать, чтоинформационное поле – это одно из видов полей, которое образуется с помощьюразличных биологических молекул и клеточных структур, способных кинформационному взаимодействию. Молекулярные информационные поля, по всейвидимости, служат для организации дистанционного, а затем, и контактногокоммуникативного общения биологических молекул друг с другом. Только в такомполе молекулы, находящиеся в клеточных отсеках, способны быстро находить другдруга, информационно взаимодействовать и возбуждать при этом биологическиефункции. Любая молекула может находиться в одной из точек информационного поля,от энергии которого и зависит её поведение. Известно, что большинствомакромолекул биоорганических соединений имеют “огромные размеры”, которыеопределяют их чрезвычайно важные в биологическом и информационном отношениисвойства. Во-первых, большие размеры благоприятны для динамических ифункциональных характеристик, которыми обладают эти молекулы. Во-вторых, секретбольших молекул заключается в их особых электрических и других удивительных свойствах,которые строго специфичны для их молекулярных структур и поверхностныхпрофилей. Если небольшие молекулы, представляющие собой постоянные иливременные диполи, создают вокруг себя электрические поля небольшого радиусадействия, обуславливающие ван-дер-ваальсовы взаимодействия, то крупные полярныемолекулы создают дисперсионные силы, которые являются электрическими силами“большого радиуса действия”. За счет них большие молекулы способны притягивать,отталкивать и ориентировать другие молекулы. Чем больше размер кристаллоида,тем больше радиус действия его силового поля и, следовательно, тем больше сфераего влияния. А “буквенная мозаика” на поверхностных участках, в виде различногорода центров и биохимических матриц, определяет ту часть информационной сферы,которая непосредственно отвечает за комплементарные контактные (матричные)взаимодействия макромолекулы с её молекулярными партнёрами. Ясно, чтоинформационные молекулярные поля и сферы подвержены влиянию не только клеточноймикросреды, но и возмущению известных и неизвестных нам полей космоса иокружающего нас мира. Изучение информационных полей живого вещества и сфербиологических макромолекул-кристаллоидов может дать дополнительные сведения оприроде и принципах организации живой формы материи.
4.Единство вещества, энергии и информации – основной принцип существования живойформы материи. Вещество, энергия и информация являются важнейшими сущностяминашего мира и главнейшими его составляющими. Они могут существовать в различныхвидах, формах и качествах, и в различных сочетаниях между собой. А когда путёмпошагового объединения они слагаются между собой, то возникает новоекачественное состояние. К примеру, таким путём идёт развитие производительныхсил: сначала возникли орудия труда, затем из орудия труда, – путём объединенияс энергетической составляющей, возникают машины, а затем и автоматы сважнейшими составляющими – вещества, энергии и информации. Аналогичный процессразвития лежал и в основе становления биологической формы движения материи,когда её составляющими стали органическое вещество, химическая энергия имолекулярная биологическая информация. Эта триада, по-видимому, и явилась темфеноменом, который определил движущие силы постоянного развития исовершенствования живой материи. В живом веществе, как оказалось, заключены нетолько валентные и невалентные химические силы и связи, определяющие характербиохимических и информационных взаимодействий, но также и те элементарныевнутренние силы саморазвития, которые делают возможным возникновения большогочисла различных вариантов форм, позволяющих осуществить процесс селекции. Аосновной функцией живой материи стала системная организация и интеграция в еёструктуре органического вещества, химической энергии и молекулярнойбиологической информации. Их совокупность, видимо, и обеспечила движение иразвитие биологической формы материи. Это – ключевой момент в становленииживого, и не ясно только, почему ему биологи не уделяют должного внимания.Причем, информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полноесродство с живым веществом на его элементарном уровне. И действительно, ведьвсе биохимические элементы биологических молекул представляют собой туэлементарную форму органического вещества, с помощью которой формируются и передаютсябиологические коды молекулярной информация. Поэтому можно сказать, чтотриединство вещества, энергии и информации является фундаментальной основойсуществования живой формы материи. И хотя информация, в философском смысле, неесть ни вещество и ни энергия – она является лишь свойством материи, однако, вмолекулярной биологии она приобретает своё воплощение и смысл уже на уровнемолекулярных единиц биологической информации (букв или символов), которые вживой клетке используются для кодирования и программирования биологическихмолекул. Отсюда следует, что информация в молекулярной биологии не отвлеченноепонятие, а объективное свойство и, более того, – само содержание и сущностьживой материи. Биологические молекулы и структуры, как носители генетическойинформации в различных её видах и формах, всё время находятся в информационномвзаимодействии друг с другом и системой управления. Поэтому все они вполнемогут быть признаны информационными “образованиями”. Благодаря информационнымвзаимодействиям и системной организации живая форма материи никогда не стоялана месте в своём развитии, причем, эти процессы всегда имели закономерныйхарактер. Здесь, видимо, и следует искать ключ к разгадке великой тайны живогосостояния и развития. “Закон триединства”, если им правильно воспользоваться,по-видимому, может решить многие проблемы молекулярной биологии. Приведёмсоответствующие факты и аргументы. Прежде всего, обратим внимание на то, чтоэтот принцип начинает действовать уже на элементарном уровне, то есть на уровнебиохимических букв и символов алфавита живой формы материи. Био-логическиеэлементы нельзя мыслить и воспринимать без их многофункциональных качеств исвойств. Все они тождественно и эквивалентно выполняют роль структурных,физико-химических, информационных и функциональных единиц, а также программныхэлементов живой формы материи. А принцип многофункциональности позволяетрассматривать элементную базу буквально с разных стон и различных точек зрения.Сначала остановимся на информационных аспектах применения таких элементов.Точно так же, как мы свободно узнаём любую букву русского алфавита по еёочертаниям, так и управляющая система живой клетки легко тестирует и узнаётлюбой биохимический элемент по составу его функциональных и боковых атомных групп,их строению, форме и химическим свойствам. Кроме отличительных химическихсвойств каждая буква или символ биологического алфавита обладает ещё и своимструктурным и стерическим рельефом, который как бы дополняет его химическуюинформационную составляющую. Получается так, что если, к примеру, информация вструктурном рельефе обыкновенного ключа является его основной характеристикой,то информация биохимических элементов состоит и слагается из разныхсоставляющих – структурной и химической. А эти компоненты, как известно, играютведущую роль при комплементарных – информационных взаимодействиях. То есть, какструктурная, так и физико-химическая составляющие каждого элемента являются егоинформационными параметрами. Иными словами, в основе представления молекулярнойбиологической информации лежит принцип эквивалентности структурно-химических иинформационных компонентов. Это свойство можно назвать принципомтождественности вещества и информации. “Формула тождественности” говорит о том,что все биологические структуры и процессы в частности, можно рассматривать слюбой из двух точек зрения – или с физико-химической (вещественной), или же синформационной. Это как две стороны одной медали. Следовательно, всебио-логические элементы в живой системе, с одной стороны, могут играть рольстроительных блоков, а с другой – кодирующих и функциональных единицмолекулярной информации. То есть уже на этом уровне наглядно соблюдаютсяусловия единства вещества и информации. Потенциальная энергия в клеткепредставлена главным образом в форме химической энергии связей между атомами вмолекулах органических соединений. А центральная роль в биоэнергетике клетокживотных принадлежит дыхательному обмену. Он, как известно, включает в себяреакции расщепления сахаров, жирных кислот, аминокислот и использованиявыделяемой энергии для синтеза химической энергии в виде АТФ. Иными словами,все биохимические элементы вносят свой существенный вклад и в энергетику живойклетки. Кроме того, элементарный состав биологических молекул, то есть молекулярнаяинформация, определяет не только структуру, но и все многочисленные химическиевалентные и невалентные связи между элементами, а, значит, и потенциальную, исвободную химическую энергию биомолекул. Заметим, что все основныехарактеристики био-логических элементов наиболее ярко проявляются только всоставе биологических молекул. А многофункциональные свойства элементной базыстановятся ключевым критерием того “триединства”, которое обнаруживается вразличных биологических макромолекулах и структурах, обладающих интегративнымисвойствами составляющих их элементов. Значит, “принцип триединства вещества,энергии и информации” в живой системе, который обнаруживается на элементарномуровне, распространяется и на все биологические молекулы и структуры живойматерии. В связи с этим, можно сказать, что генетическая информация определяетне только структуру, но и энергетический, и функциональный потенциалбиологических молекул [4]. Принцип триединства показывает, как многолик образживой формы материи. Поэтому, когда в молекулярной биологии мы говорим –“информационное сообщение”, то должны подразумевать и ту “молекулярнуюбиологическую структуру”, которую оно определяет. А когда говорим –“молекулярная структура”, то, естественно, должны иметь в виду и ту “информацию”,и ту энергетическую составляющую, которые представлены в биомолекуле на еёэлементарном уровне.
5.Различные подходы к молекулярным биологическим проблемам. Как мы видим,уникальное свойство единства вещества, энергии и информации и многофункциональныйпринцип применения элементной базы, привели к удивительной ситуации вестественных науках. Во-первых, такая ситуация подсказывает, почемубиологическая форма материи не поддаётся объяснению с какой-либо одной из точекзрения, к примеру, при физико-химическом подходе. Во-вторых, это жеобстоятельство позволяет биологам изучать живую материю буквально с разныхсторон и различных точек зрения. Поэтому любую биомолекулу, например, белка,можно исследовать: 1) с информационной точки зрения, так как никаких особыхкомпонентов, кроме информационных, белок не содержит; 2) с физико-химической, –так как белок является веществом живой материи и подчиняется всем известнымфизическим и химическим законам; 3) с энергетической, – так как в химическихковалентных и нековалентных связях биомолекулы содержится химическая энергия, апри недостатке свободной энергии макромолекула белка способна адресносвязываться и взаимодействовать с молекулой АТФ, которая в живой клетке играетроль аккумулятора химической энергии и т. д. Причем количество вещества,энергии и информации в различных классах биологических молекул варьирует.Например, биомолекулы белков несут в своей структуре значительное количествоинформации, но обладают небольшим запасом свободной химической энергии, поэтомучасто нуждаются в дополнительной энергии в форме АТФ. А биомолекулыполисахаридов, наоборот, при значительных запасах энергии в их химическихсвязях, обладают небольшим количеством информации. Однако, используя даже одинили два информационных символа, при построении полисахаридов или липидов, живаяклетка, всё-таки, закладывает в их структуру то необходимое количествоинформации, которое достаточно для осуществления их биологических функций.Поэтому в любой отдельно взятой биологически активной молекуле – веществонеотделимо от структурной информации и химической энергии, а молекулярнаяинформация и энергия как раз и являются теми составляющими, которыеобуславливают структурную организацию вещества. Это и есть “принциптождественности информации, энергии и вещества”, который является основным вмолекулярной биологии и позволяет осуществлять разные подходы, при рассмотренииживой формы материи. Как мы видим, образ любой биологически активной молекулымноголик. Однако, заметим, что информация в этой триаде, всё-таки, играетпервую “скрипку”, так как она определяет и трёхмерную структуру биомолекулы, иеё энергетику, и её биологические функции. Наличие “закона триединства” привелок тому, что в настоящее время все биологические проблемы оказались в фокусеинтересов различных естественных наук. Эти проблемы рассматриваются с различныхсторон и изучаются разными дисциплинами. Современная наука вынуждена интенсивноискать и использовать разные подходы и пути к исследованию феномена жизни.Поэтому изучением живой формы материи заняты различные биологическиедисциплины: 1) биофизика – исследует наиболее простые физическиевзаимодействия, лежащие в основе биологических явлений; 2) биохимия – изучаетразличные биохимические процессы и дает объяснение биологическим функциям ижизненным явлениям с использованием данных физико-химических исследований; 3)молекулярные основы наследственности остаются основной темой современнойгенетики; 4) молекулярная биология – изучает молекулярную структуру живоговещества, механизмы воспроизведения генетической информации в поколениях клетоки организмов и механизмы реализации генетической информации через биосинтезбелков. Этот список значителен, и его можно продолжить. Однако, к сожалению,самый большой и существенный круг информационных проблем, всё-таки, оказался забортом биологических наук. К примеру, не рассмотрены: 1) принципы и правилапрохождения управляющей и сигнальной (осведомляющей) информации в живой клетке;2) закономерности молекулярной биохимической логики; 3) принципы и правилакодирования и программирования биологических молекул; 4) использованиепрограммной информации в управлении биологическими функциями и химическимипревращениями и т. д. Не изучены: 1) принципы работы молекулярных биологическихсредств с программным управлением (например, белков и ферментов); 2) принципыработы молекулярных биопроцессорных систем управления (репликации, транскрипциии трансляции генетической информации) с информационной точки зрения; 3)биокибернетическая система живой клетки и принципы её работы; 4) программныесредства клетки и многое другое. Эти реально существующие информационныемеханизмы и процессы, почему-то, постоянно “ускальзывают” от нашего внимания.Между тем, все информационные взаимодействия в живой клетке имеют невиртуальный, а вполне вещественный, биологический характер. Поэтому и подход,определяющий характер изучения живой формы материи, в первую очередь, долженбыть – информационно-кибернетическим [6]. Поскольку живая форма материиявляется высшим единством, связующим в себе в одно целое – вещество, энергию иинформацию, то и проблема информационной организации живых систем становитсяключевой проблемой молекулярной биологии.
6.“От генетической информации, через молекулярную структуру и информационныевзаимодействия, к биологическим функциям и управлению”. В молекулярных цепях итрёхмерных структурах биологических молекул не содержится никаких компонентов,в которых были бы скрыты особые жизненные силы. Мы имеем лишь определённуюкомбинационную последовательность или пространственную кодовую организациюхимических букв или символов (программных элементов), соединённых между собойковалентными связями и слабыми (информационными) физико-химическими силами ивзаимодействиями в трёхмерной структуре. Причем, порядок чередования,последовательность и состав биохимических элементов в различных цепях а, затем,их координатная организация в биологической структуре (пространственнойрешетке) определяется генами, то есть информацией. Следовательно, можносказать, что различные биологические молекулы отличаются друг от друга толькоинформационным содержанием, то есть специфическим способом организацииинформационных биохимических единиц, входящих в состав их структуры. Вначалеинформация (через элементарный состав) загружается в структуру макромолекулы,определяя её трёхмерную организацию и все её биологические свойства, затем, приинформационных взаимодействиях биомолекул друг с другом, возбуждаются самибиологические функции. Поэтому проблема понимания информации, структуры ифункции в молекулярной биологии заключается в том, что они не могутсуществовать друг без друга. Этот факт обеспечивается и многофункциональнымихарактеристиками элементной базы, и закодированными информационными сообщениямигенома, и различными классами биологических молекул, в структурах которыхзагружена программная информация. Поэтому в живых системах нет структуры внеинформации, так же как и нет функции без структуры и информации. А всебиологические характеристики живой материи обеспечиваются интегральнымисвойствами молекулярной элементной базы. Такой вывод напрашивается из тогофакта, что возникновение любых биологических структур связано с молекулярнойэлементной базой, генетической информацией и функциями других структур. Кпримеру, все белковые молекулы содержат ту информацию, которая определяет ихфункции. А информация, действующая в системе, как известно, всегда возбуждаетфункцию. Есть информация – осуществляется функция, нет информации – функцияотсутствует. Не потому ли белковые молекулы, как обладатели и реализаторыгенетической программной информации, специфически способны к выполнениювеликого разнообразия биологических функций? Эти функции возникают лишь впроцессе молекулярного взаимодействия, то есть в результате адресной встречи и обменаинформацией между биомолекулами с помощью их кодовых биохимических матриц. Аносителем этого функционального единства, безусловно, является генетическаяпрограммная информация, перенесённая и трансформированная в стереохимическуюформу функциональных биомолекул и структур живой клетки. Таким образом, толькоинформация, загруженная в молекулярные цепи, может определить всё разнообразиетрёхмерной организации биологических молекул и их биологических функций.Поэтому различные биомолекулы столь разительно отличаются друг от друга нетолько структурой и формой, но и их функциональными способностями иназначением. А белковые молекулы приобретают свойства того “живого состояния”,которое наблюдают исследователи. В живой клетке функционируют сотни различных белкови ферментов. Свои специфические функции выполняют полисахариды, липиды, а такжедругие макромолекулы клетки, которые, как мы убедились, отличаются друг отдруга только информационным содержанием, а, значит, и той системой молекулярныхэлементов (алфавитом), которая применяется для кодирования их информации. Приэтом в молекулярных цепях, а затем и в трёхмерных структурах, с помощью букв исимволов записывается лишь те информационные сообщения, которые передают гены.Эти молекулярные сообщения являются структурной и программной основой, как дляпостроения, так и для функционального поведения биологических молекул. Значит,с информационной точки зрения, в молекулярных цепях и в трёхмерных конформацияхмакромолекул нет ничего, кроме структурной и программной молекулярнойбиологической информации. А это означает лишь одно, что все они построены ибудут работать с помощью той информации, которая загружена в их структуру.Напомним, что все био-логические элементы в составе макромолекул играют также ироль тех программных элементов, с помощью которых строятся алгоритмыфункционального поведения. Это важное обобщение логически связывает между собойструктурно-информационную основу биологических молекул с их функциональнымивозможностями. А если учесть, что элементарный состав определяет не толькоструктуру, но и все многочисленные химические связи между элементами, какковалентные, так и многочисленные слабые невалентные, то, можно сказать, чтомолекулярная информация определяет не только функциональное поведениебиомолекул, но и их энергетический потенциал. Таким образом, информационныесообщения генов в молекулярной биологии определяют всё: как структурнуюорганизацию, так и химическую энергию макромолекул; как программноеобеспечение, так и все их функциональные возможности. Значит, в итоге,информационные сообщения в молекулярной биологии приобретают смысл черезфункциональные возможности различных биомолекул, которые строятся ипрограммируются информационным путём. Следовательно, можно констатировать, чтовся технология биологических процессов основана на генетической информации иэлементной базе, а все функции возникают и осуществляются только приинформационных взаимодействиях биологических молекул друг с другом. Любаяактивная биологическая молекула обладает определенным количеством свободнойэнергии, которая необходима для выполнения её информационных и биологическихфункций. Ясно, что информационные и функциональные процессы могут нуждаться вдополнительном источнике энергии. Для этой цели в живой клетке постоянноподдерживается дозовая циркуляция химической энергии в форме АТФ к“потребителю”, а АДФ и фосфата – к митохондриям, для нового восстановления ихдо АТФ. АТФ – “гибкий” источник энергии, позволяющий получить нужные дозы еёдля непосредственного использования в нужном месте. Поэтому, при недостаткесвободной энергии макромолекула, к примеру, белка, способна адресно(информационно) связываться с молекулой АТФ, которая в живой системе играетроль аккумулятора химической энергии. В итоге преобразований любое генетическоесообщение приобретает смысл через структуру и функцию, которые оно кодируют, асам носитель информации – макромолекула, при этом, формирует все необходимые ейинформационные сигналы, а также исполнительные молекулярные органы и механизмы.Только таким путём информация определяет биологические характеристики живойформы материи. А биологические структуры и функции упорядочиваются намолекулярном уровне. Все эти рассуждения подводят нас к определённым обобщениями показывают, где скрыта та разыскиваемая неразрывная связь между главнымидействующими факторами биологических процессов – информацией, энергией,структурой и функцией. В связи с этим, можно сказать, что в молекулярнойбиологии действует ещё один “важный закон”, распределяющий “права иобязанности” в иерархической лестнице взаимообусловленности и взаимозависимостиструктурных свойств и особенностей биомолекул от генетической информации, абиологической функции и энергии от молекулярной структуры, а, значит, тоже отинформации. И если формула единства вещества, энергии и информации показывает иопределяет базисную основу существования живой формы материи, то вторая формула“от генетической информации, через молекулярную структуру и информационныевзаимодействия, к биологическим функциям и управлению”, в своейпоследовательности, указывает порядок и взаимообусловленность био-логическихсобытий в живой системе на молекулярном уровне. Можно сказать, что эти двеформулировки в наибольшей степени определяют сущность биологической формы движенияматерии, а, значит, и природу, и принципы её организации [6]. Поэтому, как намкажется, иерархический принцип взаимообусловленности и подчинения мог бы бытьвторым основополагающим принципом молекулярной биохимической логики, а,следовательно, молекулярной биологии и биологической информатики. Этот законустанавливает иерархию отношений и взаимообусловленности между информацией,структурой, энергией и функцией в молекулярных биологических процессах. Внастоящее время в молекулярной биологии такая концепция отсутствует. Как мыубеждаемся, биологическая форма материи подчиняется ещё одному закону, покоторому генетические сообщения преобразуются и загружаются в специфическуюструктуру биомолекул, а их стереохимическая информация, при комплементарных(информационных) взаимодействиях, возбуждает биологическую функцию, а,следовательно, и процессы управления. Поэтому все биологические функции в живойсистеме возникают и формируются только информационным путём, а вся “технология”построения и функционального поведения биологических молекул определяетсягенами и удивительными природными качествами и свойствами применяемыхбио-логических элементов (химических букв и символов общего молекулярногоалфавита).
Список литературы
1.А. Ленинджер. Основы биохимии. Пер. с англ. в 3-х томах – М: “Мир”, 1985.
2.В. А. Ильин. Телеуправление и телеизмерение. – М: “Энергоиздат”, 1982.
3.Ю. Я. Калашников. Биологика информационных взаимодействий в живой клетке. – М.,2002. – 34с.– Депонир. в ВИНИТИ РАН 6.11.02, №1923-В2002, УДК 577.217:681.51
4.Ю. Я. Калашников. Основы молекулярной биологической информатики. – М., 2004.–66с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 13.04.04, №622-В2004, УДК 577.217:681.51
5.П. Кемп, К. Армс. Введение в биологию. Пер. с англ. – М: “Мир”, 1988.
6.Ю. Я. Калашников. Концепция информационной молекулярно-биологической системыуправления. – М., 2005. –88с. – Депонир. в ВИНИТИ РАН 14. 04. 05, № 505-В2005,УДК 577. 217:681.51
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.sciteclibrary.ru