Вследствие этого они автоматически становятся теми элементами программных модулей, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической макромолекулы. Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются программными модулями в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем, во время функционального поведения макромолекулы. Таким образом, программирование функций биологических молекул и структур в клеточной среде также осуществляется с помощью элементной базы и генетической информации (под руководством аппаратных средств).
Рассмотрим пример, подтверждающий эту гипотезу. Благодаря уникальным природным свойствам боковых атомных групп элементов в составе молекулярной цепи, между ними возникают такие силы, связи и взаимодействия, которые позволяют им становиться (в клеточной среде) теми программными элементами, с помощью которых сначала строится алгоритм конформационного
преобразования биомолекулы, а затем, и программа её функционального поведения. Значит, биохимические элементы выполняют не только чисто строительные функции. Здесь наглядно видно, что в основе решения различных биологических задач лежит совокупность элементарных биологических функций и операций, выполняемыми этими элементами в составе программных модулей биологических макромолекул. С помощью таких программных модулей (последовательностей букв и символов) живая система может выразить и осуществить любое из имеющихся в её арсенале биологических функций и процессов. Поэтому при программировании различных биологических функций, процессов и задач в живой клетке широко используются программные модули биологических элементов и «аппарат молекулярной биохимической логики». Без полного знания правил и принципов кодирования и программирования биологических макромолекул, лежащих в основе репликации, транскрипции и трансляции генетической информации и реализации её в различных биологических функциях, вряд ли возможен и осуществим процесс познания живой материи. Важно отметить, что все указанные качества и свойства биологических элементов существуют всегда и одновременно и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик позволяет биологическим элементам обеспечивать в живой клетке и информационное построение различных молекул и структур, и программное управление их биологическими функциями. Причем, естественно, что разные системы (алфавиты) элементов имеют своё специфическое назначение - структурное, информационное, программное и функциональное. К примеру, все биологические элементы каждой системы применяются в качестве типовых строительных блоков, поэтому каждый из элементов имеет свою специфическую форму, структуру и конфигурацию, предназначенную для построения своего класса биологических молекул. Если же их рассматривать как программные элементы, то одни из них, - нуклеотиды, в основном служат для записи, хранения и передачи программной информации, а другие - аминокислоты, простые сахара и др., благодаря своим уникальным свойствам, служат для реализации программной (функциональной) информации. В итоге мы приходим к заключению, что любая химическая буква (или символ), входящая в состав макромолекулы, является тождественным эквивалентом такой биологической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и элементарного информационного сигнала, и составного элемента программного модуля, и функциональной единицы. Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств биологических элементов, входящих в состав биологических макромолекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических макромолекул и клеточных структур осуществляется благодаря применению таких биологических единиц. Причем, активация биологических макромолекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом с помощью их кодовых биохимических микроматриц.
Важно отметить, что указанные качества и свойства стали неотделимыми спутниками всех типовых биологических элементов, они являются разными сторонами одной и той же молекулярной базы. А сочетание разных характеристик молекулярных элементов оказалось идеально приспособленным для выполнения различных биологических функций в живых клетках и организмах. Вводя понятие биологических элементов, следует иметь в виду не только закономерную взаимосвязь между различными их свойствами, но и одну из главных сторон элементов - информационный аспект их применения. Он непременно должен учитываться при изучении и исследовании живой материи. Мы отметили лишь основные направления использования различных биохимических элементов. Ясно, что элементная база живых молекулярных систем действительно обладает удивительными многофункциональными природными качествами и свойствами, подтверждающими информационный дуализм и «триаду» живой материи (триединство вещества, энергии и информации). Ясно, что молекулярный алфавит живой материи имеет фундаментальное значение в различных биохимических, энергетических, молекулярных, функциональных, биологических и других, в том числе, и программно-информационных процессах.
6.2 Физико-химические принципы представления молекулярной информации
Как мы уже отметили, любой биологический элемент представляет собой простейшую «схему», структурными компонентами которой могут быть несколько химических элементов - водород, кислород, углерод, азот, а также фосфор и сера. Различные атомы типового биологического элемента определённым образом соединены между собой ковалентными связями, образуя углеводородный скелет, а также отдельные функциональные и боковые атомные группы. Наличие тех или иных функциональных атомных групп, боковых групп и атомов в составе каждого элемента позволяет прогнозировать не только его поведение в химических реакциях, но и предвидеть ту структурно-информационную роль, которую элемент будет играть в составе биомолекулы. Каждый элемент характеризуется наличием своих функциональных атомных групп, которые определяют его химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно (в соответствии с генетической программой) соединяться друг с другом в длинные молекулярные цепи.
Кроме того, каждый элемент имеет свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе используется в качестве элементарного информационного химического сигнала. Поэтому, если в информационных технических системах наиболее широкое применение находят электрические сигналы, с переносчиком в виде импульсного тока или напряжения, то в молекулярно-биологических системах, в качестве элементарных сигналов, используются химические сигналы различных биологических элементов - нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др. с переносчиком в виде их боковых атомных групп. На этот момент следует обратить особое внимание, так как он является одним из ключевых в молекулярной биологической информатике.
Отсюда следует, что элементарной единицей информации в биологической макромолекуле является любой биологический элемент, входные и выходные цепи (функциональные группы) которого служат для фиксации элемента в молекулярной цепи, а боковая атомная группа (или группы) и является тем физико-химическим сигналом, с помощью которого осуществляется воплощение информации, то есть кодовая форма записи информации. Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания - «боковые» атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. Таким образом, живые молекулярные системы используют дискретный химический принцип записи информации. А элементарные химические информационные сигналы определяются соответствующими элементами, выступающими в качестве единиц молекулярной биологической информации [9].
К примеру, каждая из 20 типовых аминокислот, - кодирующих единиц белковых молекул, характеризуется своим индивидуальным набором структурных и химических свойств. Причем, аминокислоты отличаются друг от друга только вариабельными боковыми цепями - R-группами. Поэтому они подразделяются в зависимости от структурной конфигурации боковых атомных групп, их химических свойств и особенностей. По характеру заряженности боковых R-групп и их полярности, аминокислоты классифицируются: «на полярные или гидрофобные; полярные, но незаряженные; полярные с отрицательным зарядом; полярные с положительным зарядом. Внутри каждого класса имеется определённая градация по полярности, размерам и форме R-групп» [6]. Кстати, напомним, что в цифровой технике для кодирования информации обычно применяются отрицательные, положительные и нулевые электрические сигналы. «В соответствии с этим промышленностью выпускаются серии логических элементов положительной или отрицательной логики, которые срабатывают соответственно только от положительных или только от отрицательных потенциалов (импульсов)» [10]. В живой системе, как мы видим, для представления информации применяется более широкий спектр физико-химических свойств и структурных особенностей различных биологических элементов.
В связи с этим, отдельно необходимо подчеркнуть, что широкий диапазон природных свойств и особенностей различных элементов является базовой основой для сигнальной формы представления молекулярной биологической информации. Поэтому носителями единичной информации в биологических молекулах являются биохимические элементы, а их специфические боковые атомные группы - это и есть те элементарные химические сигналы, при помощи которых осуществляется кодирование, передача, а также реализация информации в различных биологических процессах. Ясно, что всё разнообразие информационных сил, связей и взаимодействий в живой системе может базироваться только на применении типовых биологических элементов, представляющих собой не только элементную базу живой материи, но и её общий молекулярный биологический алфавит, с помощью которого производится воплощение генетической информации.
6.3 Правила применения биологических элементов
Вспомним, что каждый логический элемент микроэлектронной техники, перед тем как выполнить свои функции, должен быть подключен к источнику питания и к соответствующим цепям общей схемы. Для этой цели каждый элемент имеет свои входные и выходные цепи. Определённая аналогия наблюдается и при подключении биохимических элементов к цепям биологических макромолекул. Например, каждая аминокислота как элемент, состоит из двух частей - константной, одинаковой для всех аминокислот части, к которой относится углеводородный скелет и его функциональные группы (аминогруппа и карбоксильная группа), и вариабельной - боковой цепи (или R-группы), которая имеет в каждой аминокислоте присущие только ей природные свойства и структурные отличия. В связи с этим аминокислоты различаются между собой только боковыми R-группами, посредством которых в полипептидной цепи белка осуществляется физико-химическое воплощение молекулярной биологической информации. Для программного включения аминокислоты в общую полипептидную цепь используется только константная часть элемента. «Ковалентная пептидная связь образуется путём отщепления компонентов воды от аминогруппы свободной аминокислоты и карбоксильного конца пептида, поэтому аминокислотные звенья, входящие в состав полипептида, обычно называют остатками» [6]. В результате длинная ковалентная цепь состоит из монотонно чередующихся остатков константных частей биологических элементов (аминокислот), а к каждому углеродному атому основной цепи присоединены вариабельные части аминокислотных остатков - боковые R-группы. Таков принцип записи молекулярной биологической информации в полипептидной цепи белка в процессе трансляции генетической информации. Каждая из боковых R-групп основного остова цепи имеет одно из двадцати кодовых (смысловых) значений, поэтому аминокислотные звенья белка являются материальными носителями кодированной информации.
Кратко рассмотрим пример записи информации в молекулярных цепях ДНК или РНК с помощью другой системы элементов - нуклеотидов. Каждый нуклеотид, как биологический элемент, также состоит из двух частей - константной, к которой относится пятиуглеродный сахар и фосфорная кислота, и вариабельной - азотистого основания, при помощи которого, как известно, кодируется и передаётся генетическая информация. Следующие друг за другом нуклеотиды соединяются с помощью фосфодиэфирной связи, поэтому ковалентные остовы цепей нуклеиновых кислот состоят из монотонно чередующихся константных частей биохимических элементов (нуклеотидов) - фосфатных и пентозных групп, а азотистые основания «можно рассматривать как боковые группы, присоединённые к остову на равных расстояниях друг от друга» [6]. Здесь также наглядно видно, что длинный остов молекулярной цепи играет роль носителя информации, на котором в виде различных вариабельных боковых атомных групп (азотистых оснований) записана генетическая информация. Фиксированный порядок следования нуклеотидов в ДНК содержит всю генетическую информацию, которой располагает живая клетка. Становится очевидным, что линейная последовательность любых биохимических элементов в молекулярной цепи всегда представляет собой химическую запись определённой биологической информации. Указанные примеры говорят о существовании общих закономерностей молекулярной биохимической логики и наличии общих принципов и правил применения и использования различных биологических элементов (химических букв и символов) в живых системах. 6. 4. Химические буквы, символы и знаки
Итак, химические буквы и символы общего алфавита (биологические элементы) живой клетки являются натуральными единицами молекулярной биологической информации. И если за единицу информации в технических устройствах принята двоичная единица - бит, то в живых системах каждая буква или символ является элементарной и натуральной единицей молекулярной информации. И хотя информация, как важнейшая сущность нашего мира, явление, в целом, глобальное и пока неподдающееся философскому определению, однако в молекулярной биологии, как мы видим, это понятие приобретает своё специфическое смысловое наполнение. И, действительно, мы убеждаемся в том, что элементарный состав биологических макромолекул определяет не только структуру живого вещества, но он же, тождественно, является и эквивалентом информационного генетического сообщения, и средством программного и энергетического обеспечения. Это замечательное свойство живой материи можно назвать тождественностью (триединством) органического вещества, химической энергии и молекулярной информации [11]. Поэтому, зная основы биохимии и молекулярной биологии, можно констатировать, что принцип единства вещества, энергии и информации - это и есть тот главный и основной закон, который определяет и обуславливает само существование живой формы материи. А уникальные свойства элементной базы живой материи лишь подтверждают такую гипотезу. Однако ясно, что здесь мы коснулись серьёзной проблемы, которая детально не может быть рассмотрена в этой статье. Наша задача - показать, что информация в молекулярной биологии не отвлеченное понятие, а объективное свойство и необходимая сущность живой материи. При этом информация, - это содержательные сведения генетических сообщений, которые передаются в структурах биологических макромолекул с помощью молекулярных кодов. Эти коды формируются на основе химических букв и символов (био-логических элементов) и служат как для построения различных макромолекул и структур живой клетки (носителей информации), так и для получения различных биохимических, молекулярных и программно-информационных функций, а так же сигналов управления и оповещения. Ясно, что при этом управляющая система живой клетки воспринимает свойства молекулярного носителя как код и правильно интерпретирует содержащуюся на этом носителе закодированную информацию.
Макромолекулы и структуры живой системы, состоящие из биологических элементов (составляющих коды), являются естественными носителями информации и программных средств, поэтому всё время находятся во взаимодействии друг с другом и с системой управления. В связи с этим, все информационные управляющие процессы в живой клетке, как правило, базируются на применении целостных биохимических элементов. К примеру, при организации процессов репликации, транскрипции или трансляции генетической информации, управляющая система клетки манипулирует целостными элементами - нуклеотидами или аминокислотами, которые играют роль химических букв биологической информации. При построении полисахаридов или липидов она манипулирует уже другими элементами - простыми сахарами и жирными кислотами, которые вполне можно назвать символами молекулярной информации. Значит в действительности молекулярная информация в биологии вовсе не «миф, а виртуальная реальность».