Таким образом, живые системы при построении различных биологических макромолекул и структур применяют свои особые, сугубо специфические мономеры - «молекулярные биологические элементы». Эти элементы (в составе живой материи) реализуют функционально полный набор элементарных биохимических функций и операций, поэтому при их использовании живая природа может получить биологическую функцию любой сложности. При этом, естественно, наблюдается как аналогия, так и существенные различия между технической и биологической элементными базами и технологиями их применения. К примеру, микросхемы технических устройств могут состоять из сотен, тысяч и более логических элементов нескольких типов, соединенных между собой соответствующим образом. Биологические макромолекулы также могут состоять из сотен, тысяч и более биологических (биохимических) элементов нескольких типов, которые ковалентно соединяются между собой и размещаются в цепях биомолекул в виде линейной позиционной последовательности. Разница также состоит в том, что живые системы используют свои принципы и методы кодирования, передачи и реализации информации и отличаются от технических систем не только субстратным носителем, но и методами представления кодированной информации. Более того, если логический элемент в цифровой технике является простейшим преобразователем двоичной информации, то каждый биологический элемент в живой системе сам играет роль элементарной структурной и натуральной информационно-функциональной единицы. В технической и биологической системах информационные сообщения осуществляются в различных формах. В технических устройствах используются элементарные сигналы 1 и 0 двоичного кода. То есть для передачи информационных сообщений применяется всего лишь два цифровых символа. Обычно символу 1 соответствует потенциал высокого уровня, символу 0 - низкого. Двоичные коды получили широкое применение главным образом из-за сравнительно простой аппаратурной реализации логических операций и арифметических действий, а также устройств для передачи и запоминания сообщений. Здесь каждый логический элемент служит для простейших преобразований двоичной информации, то есть для преобразования двоичных символов. Таким образом, в технических устройствах применяется аппаратный способ преобразования информации.
Однако в биологических системах, - наряду с аппаратным способом преобразования информации, применяется также и информационный способ построения и преобразования самой аппаратной части. Это - уникальная особенность информационных процессов в живых молекулярных системах. Причем, единицей информации служит сам биохимический элемент, который и является буквой или символом информации. Поэтому при помощи генетической информации и химических букв и символов (биологических элементов) строится аппаратная система клетки и, одновременно, в её структуры записывается программная информация. Отметим, что на первом этапе информационные сообщения передаются фиксированной позиционной последовательностью расположения букв или символов в «линейных» цепях биологических макромолекул.
Следовательно, если в технической системе применяется только аппаратный способ преобразование информации, то в молекулярно-биологической системе, - с помощью генетической информации и элементной базы сначала идёт построение и преобразование различных биомолекул и структур, и только потом эти средства могут участвовать в различных информационных процессах. В связи с этим, аппаратная часть клетки становится носителем и реализатором соответствующей программной и молекулярной (структурной) биологической информации. Получается так, что если в технической системе аппарат является преобразователем информационных символов, то в живой клетке наоборот, - молекулярные буквы и символы, организованные в различные молекулярные последовательности информационных сообщений, сами выступают в роли преобразователей аппаратной части.
Причем, функции биомолекул полностью определяются элементарными функциями составляющих их биологических элементов (букв или символов), - то есть информацией. А каждый элемент в составе биомолекулы всегда взаимодействует с другими биологическими элементами или молекулами воды по особым принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Поэтому биохимические элементы здесь, по-видимому, становятся ещё и теми программными элементами, с помощью которых строятся алгоритмы функционального поведения различных биологических макромолекул и структур. Таким образом, чтобы изменить функциональную направленность деятельности клетки - ей, в определённой мере, с помощью новых информационных сообщений, необходимо частично менять свою аппаратную систему. Смена аппаратной системы, естественно, связана с синтезом новых биомолекул и разрушением старых, которые отслужили свой срок и выполнили свою задачу.
Поэтому, после выполнения своих функций, каждая биомолекула расчленяется на элементарные структурно-информационные единицы (мономеры), которые вновь могут быть вовлечены в информационные процессы. Использованная информация как бы стирается и ликвидируется, а отдельные составляющие её буквы или символы, то есть «молекулярный биологический шрифт» рассыпается для того, чтобы вновь быть использованным в новых информационных сообщениях или других клеточных процессах. Такова основная отличительная особенность информационных передач в молекулярно-биологических системах. Живая клетка экономна во всём. Если вспомнить, что химические буквы и символы (элементы) строятся на базе отдельных атомов и атомных групп, то можно себе представить, какое колоссальное количество информации хранится в генетической памяти и циркулирует в живой клетке, размеры которой в длинy подчас составляют сотые доли миллиметра. К примеру, зигота содержит всю информацию необходимую для развития целостного организма. Для изменения управляющих воздействий, клетке постоянно нужно обновлять информационные сообщения, что, соответственно, приводит и к обновлению аппаратной (управляющей) части клетки. Поэтому в живой клетке идет постоянное движение информации и вещества. С одной стороны идёт процесс переработки и обновление управляющей информации, а значит ферментов и других белковых молекул, с другой - это приводит к изменению химических управляемых процессов, которые осуществляются ферментами. В случае необходимости данные процессы поддерживаются дозовой циркуляцией химической энергии в форме АТФ. Можно убедиться в том, что для построения различных классов высокомолекулярных соединений, таких как нуклеиновые кислоты, белки, полисахариды или липиды, живая клетка использует различные системы (алфавиты) биохимических элементов. Заметим, что с информационной точки зрения, эти классы биологических молекул представляют собой не что иное, как различные виды и формы молекулярной информации. Поэтому в живых клетках, для представления молекулярной информации в различных её видах и формах, существуют системы биологических элементов разных типов:
1) нуклеотиды, - система структурно-функциональных и информационных биохимических элементов ДНК и РНК (алфавит нуклеиновых кислот);
2) аминокислоты, - система структурно-функциональных и информационных элементов белков (алфавит белковых молекул), для которых существует генетический код в виде тройки нуклеотидов;
3) простые сахара, - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) полисахаридов;
4) жирные кислоты, - структурно-функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и др. Более четкой идентификацией и классификацией биологических элементов, по всей вероятности, должна заниматься отдельная дисциплина, такая как «Молекулярная биологическая информатика». Наличие в живой клетке систем молекулярных биохимических элементов (мономеров) существенно упрощает процессы построения различных классов макромолекул и структурных компонентов, повышает технологичность их изготовления и, одновременно, расширяет их функциональные и информационные возможности. Как мы видим, каждый типовой набор организован в свою систему элементов, которая обладает общими биохимическими, структурными и технологическими особенностями, образует однотипные связи между элементами, совместимые по своим физико-химическим параметрам. В основном из этих молекулярных элементов в различных сочетаниях, составе и последовательности построены все структурные и функциональные компоненты живой клетки. Следует отметить, что каждая система биохимических элементов в клетке является отдельным алфавитом и характеризуется своим способом кодирования, а также видом и формой представления молекулярной биологической информации. Это, соответственно, и является первопричиной появления различных классов и великого разнообразия биологических молекул в живых системах. Удивительно, но факт, - всё живое на Земле, от ничтожной бактерии до человека, состоит из одинаковых строительных блоков - стандартного набора более чем трёх десятков типовых функциональных биологических (биохимических) элементов. В состав этого уникального набора входят: 1) восемь нуклеотидов, - «четыре из них играют роль кодирующих единиц ДНК, а другие четыре используются для записи информации в структуре РНК» [6]; 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул; 3) несколько жирных кислот, - сравнительно небольшое число стандартных органических молекул, служащих для построения липидов; 4) родоначальниками большинства полисахаридов является несколько простых сахаров (моносахаридов). Все эти элементы были отобраны в процессе эволюции, вследствие их уникальной пригодности к выполнению различных - химических, энергетических, молекулярных, программно-информационных и других биологических функций в живых клетках.
Как мы видим, основой каждой системы являются свои индивидуальные молекулярные биологические (биохимические) элементы. А на базе различных систем биологических элементов, - молекулярных алфавитов, могут быть «сконструированы» разнообразные макромолекулы клетки - ДНК, РНК, белки, полисахариды и липиды. Поэтому элементная база представляет собой те системы биохимических элементов, используя которые живая клетка способна информационным путём строить и программировать различные биологические макромолекулы и структуры, а затем с помощью этих средств осуществлять любые биологические функции и химические превращения. «Структурные схемы» базовых молекулярных элементов, их природные свойства и особенности достаточно наглядно рассмотрены и представлены в различных учебниках по биохимии. Наша задача - больше уделить внимания информационным аспектам применения таких биохимических единиц.
6.1 Функции молекулярных биологических элементов
Заметим, что все биохимические элементы живых систем являются многофункциональными элементами. Благодаря своим уникальным природным свойствам, они играют фундаментальную роль буквально в различных биологических процессах - структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и программно-информационных. Во-первых, - все биологические элементы различных систем (нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара, жирные кислоты и др.) являются теми универсальными и унифицированными стандартными «строительными блоками», при помощи которых во всех живых клетках осуществляется физическое построение любых других, более крупных биологических макромолекул и структур (нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов, липидов и т. д.). Образовавшиеся при этом большие макромолекулы приобретают достаточную структурную жесткость и получают способность к выполнению определённых биологических функций. Однако это достигается уже за счет других удивительных свойств молекулярных элементов. Во-вторых, - типовой стандартный набор био-логических элементов представляет собой не что иное, как тот общий молекулярный алфавит живой формы материи, с помощью которого во время биосинтеза макромолекул ведётся непрерывная запись информации в их молекулярные цепи. А отдельные элементы, при этом, играют роль различных химических букв или символов, с помощью которых во время записи идёт физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Поэтому, если их рассматривать с информационной точки зрения, то можно отметить, - все биохимические элементы в живой системе являются информационными био-логическими единицами (элементарными сигналами), реализующими основные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Входя в состав макромолекул, они определяют не только их нативную конформацию, но и весь широкий спектр их функциональной и информационной деятельности. При помощи различных биохимических букв и символов строится молекулярная аппаратная система клетки, то есть таким способом в её структуры и макромолекулы записывается молекулярная информация. Ясно, что информационная концепция построения и функционального поведения макромолекул может базироваться только на специфических свойствах и правилах применения таких биохимических единиц. В-третьих, - хранение, передача, преобразование и реализация генетической информации в клетке осуществляются только на основе и с помощью различных систем (алфавитов) био-логических элементов, представляющих собой общий алфавит живой формы матери. А отдельные буквы и символы каждого алфавита являются теми элементами, при помощи которых осуществляется кодирование и преобразование различных видов и форм молекулярной биологической информации. Причем, каждая система биохимических элементов характеризуется своим способом кодирования, видом и формой представления информации. Поэтому, при решении различных биологических задач, живая клетка пользуется различными молекулярными кодами, видами и формами представления информации.
Молекулярным кодированием в живой системе можно назвать процесс представления данных последовательностью химических букв или символов. Информация в клетке передается в форме молекулярного кода, основу которого составляет определённый набор химических букв или символов. При этом, закодированная последовательность букв или символов любого сообщения в белковых макромолекулах, как правило, передаётся не один раз, а с многократным циклическим повторением в структурах однотипных белков, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы. Получается, что одна и та же информация передается в структурах однотипных макромолекул многократно столько раз, сколько это необходимо клетке, то есть сколько было синтезировано макромолекул для передачи данного сообщения. С кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки - возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения [8].
Информация в живой системе может преобразовываться с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, одномерной, химической) в другую (пространственную, стереохимическую). К примеру, информация, представленная генетическим кодом в виде молекул иРНК, транслируется в информацию полипептидных цепей, которая записывается уже другим кодом - аминокислотным и поэтому имеет совершенно другой молекулярный вид. А линейная информация, записанная в форме полипептидных цепей, преобразуется в трёхмерную информацию белковых молекул, то есть в совершенно другую молекулярную форму (пространственную, стереохимическую). В-четвёртых, - нуклеотиды, аминокислоты, простые сахара и жирные кислоты, как известно, играют существенную роль также и в энергетическом обмене живой клетки. В-пятых, мы еще не отметили, возможно, наиболее важное назначение элементной базы. Все био-логические элементы оказались наделёнными такими химическими и физическими качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им функционировать не только в качестве строительных блоков или химических букв и символов, но ещё и служить теми био-логическими элементами программных модулей, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических макромолекул и структур. То есть, все биологические элементы, в составе биологических макромолекул, могут взаимодействовать друг с другом и с молекулами воды по особым специфическим принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики.