Кодирование сообщений оказались настолько эффективным способом записи, запоминания, преобразования и передачи информации, что в дальнейшем эти принципы были развиты и применены живой природой для сложных биологических систем. Как мы видим, общие законы и принципы кодирования информации стали не только фундаментальными основами жизни, но и, впоследствии, были заново «открыты» человеком и нашли широкое распространение во многих областях человеческой деятельности: в технике, в науке, в управлении, в экономике, в социальной и общественной сфере и т. д. А феномены информационного дуализма и биологической триады - «слияния» Информации, Энергии и Органического Вещества в одно функциональное целое, оказались весьма плодотворными и эффективными способами существования живого [11]. Уже достаточно давно известно, что генетическим кодом можно пользоваться для установления последовательности аминокислот, закодированной в последовательности нуклеотидов иРНК. Следовательно, можно пользоваться и любым другим молекулярным биологическим кодом для установления эквивалентных информационных соответствий. Ясно, что информационный аспект, при изучении и исследовании живой материи, обязательно должен учитываться.
11. Матричный, комплементарный (контактный) принцип информационных взаимодействий
Отметим, что в живых системах для воплощения информационных сигналов молекулярных биохимических микроматриц применяются те естественные природные физико-химические силы, связи и взаимодействия, которые существуют в микроструктуре органических форм материи: притяжение и отталкивание субмолекулярных частиц, нековалентные типы связывания, элементарные молекулярные силы, связи и взаимодействия. Поэтому в любой живой системе для организации информационных процессов наиболее широко используется матричный комплементарный принцип взаимодействия биологических молекул друг с другом с помощью их линейных, локальных, рельефных или поверхностных биохимических кодовых микроматриц. Это взаимодействие проявляется по принципу «ключ-замок», а сам вид взаимодействия можно назвать контактным информационным взаимодействием. Информационные взаимодействия биомолекул, обусловленные кодовыми микроматрицами, состоящими порой из многочисленных боковых атомных групп элементов, достаточно сложны и более грандиозны чем, к примеру, процессы в цифровых системах. Они связаны с меняющейся динамикой взаимодействий и многовариантностью физико-химических сил и связей, определяющих характер молекулярной биологической информации. Здесь отсутствуют четко тестируемые сигналы определённого типа, такие как, например, 1 и 0 в цифровых устройствах. Каждый элементарный биологический сигнал боковой группы имеет своё смысловое значение и характеризуется своим набором физико-химических свойств и своим позиционным расположением в биохимической матрице. От этих параметров, видимо, и зависит функциональная направленность и кооперативность действия каждого индивидуального сигнала, то есть неоднозначность действия отдельного биологического элемента, входящего в состав макромолекулы.
Можно сказать, что к наиболее изученным информационным взаимодействиям в живой клетке относятся, именно, матричные процессы. Здесь хорошо просматриваются идеи программного био-логического управления, когда случайные беспорядочные столкновения молекул сменяются четко организованными, генетически детерминированными процессами. Например, последовательность нуклеотидов в одной цепи ДНК автоматически определяет последовательность в другой, комплементарной цепи. В поддержании и закреплении третичной структуры глобулярных белков принимают участие различные типы комплементарных (информационных) сил, связей и взаимодействий между элементами или фрагментами полипептидной цепи: электростатические эффекты, ионные и водородные связи, вандерваальсовы силы и гидрофобные взаимодействия.
Во время конформационных преобразований каждый сигнал R-группы полипептидной цепи кооперативно взаимодействует с другими сигнальными элементами, а также с молекулами воды, которая всегда принимает участие в формировании трёхмерной структуры белка. При этом стабилизация трёхмерной конформации белковой молекулы и правильное расположение структур определяется сочетанием различных типов комплементарных взаимодействий:
«1) ионными связями между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот;
2) водородными связями между атомами, несущими частичные положительные и частично отрицательные заряды;
3) гидрофобными взаимодействиями, обусловленными стремлением неполярных боковых R-групп аминокислот объединиться друг с другом, а не смешиваться с окружающей их водной средой;
4) ковалентными связями между атомами серы двух молекул аминокислоты цистеина» [5].
Таким образом, трёхмерная конформация белка однозначно определяется информацией, которая записана в «линейной» аминокислотной последовательности его полипептидной цепи. Отсюда следует, что любые информационные взаимодействия между фрагментами молекулярной цепи в структуре биомолекулы, или же между биомолекулами клетки могут базироваться только на химической и стерической комплементарности их биохимических матриц, то есть на взаимодополняемости химических свойств, электрических зарядов и структурных рельефов друг другу.
Биологические функции возникают лишь в процессе адресной встречи и обмена информацией между биомолекулами с помощью их кодовых стереохимических микроматриц, которые должны комплементарно соответствовать друг другу. А соответствие молекулярных кодов в живых системах строится по принципу их структурной (стерической, контактной) и химической комплементарности, то есть на основе взаимодополняемости их связей, структур и функций.
В различных ситуациях связующим звеном между управляющей системой и управляемым процессом в живой клетке служат рецепторы информации - активные центры (или другие коммуникационные сигналы) и исполнительные органы и механизмы ферментов или других функциональных белков. Работа биологических рецепторов только в некоторой степени напоминает работу датчиков информации, которые используются в технических системах. Биологические рецепторы, например, ферментов сами осуществляют поиск, приём и рецепцию субстратной информации, что, по своей сути, является актом запрограммированного поиска объекта управления (молекулы субстрата), с «запросом» его информации. Нативная макромолекула белка вне информационного воздействия находится в исходном равновесном состоянии. Каталитический центр фермента становится активным и готовым к выполнению команды управления лишь с момента рецепции молекулы подлинного субстрата. Рецепция информации осуществляется активным центром фермента за счет полного соответствия его адресного и каталитического кодов химическим кодовым группам субстрата, и благодаря их комплементарным физико-химическим, стерическим и слабым энергетическим взаимодействиям - электростатическим, гидрофобным, водородным, вандерваальсовым и др. А для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать необходимо, прежде всего, стерическое, контактное - пространственное соответствие. Как считают биологи, субстрат присоединяется к активному центру фермента, который геометрически и химически представляет собой как бы негативный отпечаток молекулы субстрата, то есть - комплементарен ей. А с информационной точки зрения - это процесс рецепции кодовых компонентов и проверка их на функциональное соответствие друг другу. Поэтому рецепция и приём осведомляющей кодовой информации субстрата заканчивается подключением его молекулы, через контакт «устройства комплементарного сопряжения» активного центра, к управляющим органам и механизмам фермента. В связи с этим, взаимодействие и контакт реагирующих белков и молекул в живой системе является событием информационным, генетически обусловленным, а не случайным как, например, при взаимодействии молекул в чисто химической реакции. Таким образом, фермент-субстратные взаимодействия можно представить в виде информационной модели, основанной на стереохимических принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Ферменты обладают своей программой «осязательного» распознавания кодовых компонентов молекул субстрата, которые комплементарны по химическим и стерическим (геометрическим) характеристикам их активному центру. Адресный код и код операции каждого типового фермента имеет свой элементарный состав и индивидуальное пространственное расположение боковых атомных группировок в активном центре, поэтому изучение стереохимических кодов белковых молекул является одной из многих задач молекулярной биологической информатики. Процесс рецепции информации подлинного субстрата, осуществляемый активным центром фермента, вызывает конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе, при которых кодовые химические группы фермента и молекулы субстрата занимают самое оптимальное положение для прохождения каталитической операции. Важно отметить, что подключение объекта управления (молекулы субстрата), через кодовый стереохимический контакт комплементарного сопряжения, ведёт к индукции электронно-конформационного возбуждения фермент-субстратного комплекса. Присоединение подлинного субстрата сначала ведёт к переброске электронов и протонов между ферментом и молекулой субстрата, усилению электронной перестройки вдоль сопряженной системы связей, что соответственно приводит к возбуждению фермент-субстратного комплекса и, как итог, благодаря подвижным водородным связям, ведёт к динамическим конформационным сдвигам и срабатыванию «силового молекулярного привода» аппарата химического катализа фермента. Эти механизмы обеспечивают ферменту не только химическую, но и динамическую реактивность и, как результат, - автоматический режим его работы. Возникшие конформационные изменения в фермент-субстратном комплексе сопровождаются разрывом или образованием химических связей субстрата, которые происходят с высвобождением или затратой энергии. В случае необходимости эти процессы поддерживаются химической энергией в форме АТФ. Быстрому протеканию ферментативной реакции способствует высокая химическая и динамическая реактивность фермента. Высокая химическая реактивность обеспечивается режимом полифункционального катализа, когда на превращаемую химическую связь субстрата одновременно действует стереохимическая комбинация различных каталитически активных химических группировок активного центра (код операции) фермента. Интересным фактом здесь является то, что белковые молекулы стереохимическим способом решает сразу две задачи, - информационной коммуникации и полифункционального катализа. Динамическая реактивность фермента, при взаимодействии фермента с субстратом, создаёт напряжение, то есть ориентирует и фиксирует взаимодействующие химические группы таким образом, что это создаёт механическую составляющую, которая снижает энергию активации и способствует эффективному прохождению реакции. Можно считать, что, в рамках сделанных допущений, информационная модель описывает процесс управления химической реакции, ведущий к образованию продуктов реакции. Образование продуктов реакции сопровождается нарушением их физико-химического соответствия управляющим кодовым компонентам фермента, а это приводит к возврату фермента в исходное состояние. Фермент, как взведённая пружина, возвращаясь в исходное состояние, способствует выбросу продуктов реакции из активного центра. Этап фермент-субстратного взаимодействия является заключительным фрагментом биокибернетического управления, указывающим на единство процессов управления и информации в живой клетке. Заметим также, что клеточная система сразу же получает информацию о ходе управляемых процессов в виде стереохимических кодов продуктов реакции, которые становятся субстратами для других ферментов или выступают в роли молекул обратной связи. Сигнальная (осведомляющая) информация субстратов служит для информирования управляющей системы о состоянии управляемых объектов, о ходе реакций, об эффективности протекающих процессов и т. д.
Естественно возникает вопрос, почему живые молекулярные системы так широко применяют комплементарный (матричный, контактный) способ рецепции и передачи информации? Заметим, что этот способ одновременно объединяет как структурный, так и химический способ соответствия кодовых компонентов. Во-первых, при взаимодействии биомолекул при помощи кодовых микроматриц большая роль отводится ионным взаимодействиям как наиболее дальнодействующим (до 0,7нм) и включающимся в первую очередь. Затем между молекулами возникают более короткодействующие (на расстоянии до 0,2 нм) связи: водородные, гидрофобные, ван-дер-ваальсовы. Однако для того, чтобы эти силы могли возникнуть и действовать, необходимо, прежде всего, стерическое, пространственное соответствие (комплементарность) взаимодействующих поверхностей. Иначе говоря, должна существовать возможность сближения этих поверхностей на короткое расстояние, при котором возможно образование перечисленных связей. Необходима также комплементарность по распределению зарядов противоположного знака (для возникновения электростатических сил), гидрофобных областей и групп, способных к образованию водородных связей. Таким образом, в процессе информационных взаимодействий важнейшую роль играет явление физико-химического кодового «узнавания», то есть наличие стерической и химической комплементарности кодовых компонентов взаимодействующих биомолекул [9].
Если же теперь обобщить различные наблюдения и факты, то оказывается, что комплементарный матричный (информационный) принцип «подгонки» действует в совершенно различных, казалось бы, по своей биологической роли процессах:
1) при репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;
2) при биосинтезе или расщеплении «неинформационных» биомолекул клетки, когда локальные стереохимические кодовые группы активного центра фермента взаимодействуют с молекулами субстрата по матричному принципу;
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 линейных матричных взаимодействий боковых атомных R-групп по принципу застёжки-молнии;
4) при объединении между собой отдельных субъединиц олигомерного белка с помощью рельефных матричных взаимодействий в четвертичной структуре белка, когда комплементарная «подгонка» осуществляется при взаимодействии биохимических матриц, образованных многочисленными R-группами, координатно расположенными на поверхности субъединиц олигомерного белка;
5) рельефные поверхностные биохимические матрицы играют ведущую роль в процессах самосборки или разборки надмолекулярных комплексов и ансамблей, состоящих из различных белковых и других молекул.
К примеру, точное взаиморасположение молекулярных компонентов рибосом, включая белки, возможно только за счет комплементарного взаимодействия их поверхностных биохимических матриц. А регуляторами, включающими или выключающими процессы их самосборки является наличие или отсутствие иРНК, а также соответствующие ионные, или другие условия, влияющие на перераспределение комплементарных матричных сил и связей. Все эти факторы ведут или к взаимному ориентированному притяжению и самосборке биомолекул в целостную рибосому, или же, наоборот, к их отталкиванию и разборке. Здесь мы наблюдаем один из основных механизмов функционального и регуляторного действия, лежащий в основе информационных взаимодействий между биомолекулами клетки. Рибосома ведет себя как молекулярная автоматическая система, которая отзывается на сигнальные и регуляторные воздействия и функционирует строго в соответствии с загруженной в её компоненты программной информацией. По аналогии совершаются и другие информационные взаимодействия, которые, как мы видим, характерны только для живой молекулярной системы. Ясно, что матричный (комплементарный) принцип соответствия является основой информационных взаимодействий биологических молекул друг с другом [7].
12. Генетическая память, молекулярные биопроцессоры и их выходное управляющее звено
Генетическая память, молекулярные биопроцессорные аппараты транскрипции и трансляции и их выходное управляющее звено - белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Белковые макромолекулы, представляющие собой молекулярные биологические автоматы, образуют различные циклические информационные потоки и сети, контролирующие различные химические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединенных между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. Поэтому, если учесть, что различные ферментативные системы, порой состоящие из десятков и сотен ферментов (молекулярных автоматов), 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 живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления.