В результате стереохимических преобразований, внутри макромолекулы (в её пространственной решетке) формируется специфическая пространственная координатная организация аминокислотных остатков, которая является основой построения исполнительных механизмов белковой молекулы. А на поверхностных участках и в углублениях макромолекулы, при этом, формируются отдельные локальные и поверхностные кодовые стереохимические микроматрицы (образованные пространственной координатной организацией боковых R-групп элементов), которые служат для информационных взаимодействий и коммуникативного общения белка с другими молекулами клетки.
Коммуникация - это направленный процесс кодирования и передачи информации от источника информации к приемнику и наоборот. А коммуникативность здесь - это способность биологических молекул к обмену информацией через посредство общей системы символов, то есть с помощью их линейных или стереохимических кодовых микроматриц. Коммуникация и взаимодействие основаны на способности биологических макромолекул воспринимать свойства молекулярных партнеров как информационный код. По принципу взаимодополняемости кодовые микроматрицы молекулярных партнёров должны комплементарно соответствовать друг другу. К примеру, локальные микроматрицы - активные центры служат для комплементарного (информационного) взаимодействия фермента с молекулами субстрата. Кодовые группы активного центра обычно образуют информационные команды управления, которые могут состоять из адресных кодов, служащих для поиска молекул (или молекулы) субстрата и кода операции, который указывает характер химической реакции.
10.4 Стереохимический код
Стереохимический код - это пространственная кодовая организация элементов (букв или символов) и их боковых атомных групп в виде локальных или поверхностных биохимических микроматриц в углублениях или на поверхностных участках биологических молекул. Матричный принцип взаимосоответствия является основой информационного взаимодействия биологических молекул друг с другом. Такое соответствие в молекулярной биологии можно назвать информационной функцией. Только в случае комплементарных взаимодействий биомолекул друг с другом с помощью биохимических матриц, когда обнаруживается их химическая и стерическая взаимодополняемость, эти коды (субмолекулярные матрицы) активируются и ведут к возбуждению биологических молекул и их функций. То есть по совпадению кодов осуществляется контроль передачи и приёма молекулярной биологической информации. Здесь речь идёт о характеристиках процессов рецепции информации и способности рецепторной системы влиять на исполнительные органы биомолекул.
Следовательно, можно констатировать, что стереохимические коды - это те молекулярные коды, которые непосредственно участвуют в формировании биологических функций и реализации химических превращений. Собственно, - это и есть те разыскиваемые коды соответствий биологических молекул, которые являются основой их информационного взаимодействия, а затем и функционального поведения. Стереохимическими кодами - пространственной организацией элементов в трёхмерной структуре, программируются функции, поведение и биологическая судьба не только белковой, но и любой другой биологической молекулы клетки. Таким путём кодируются и программируются все их биологические механизмы и функции. Так как все функции в молекулярной биологии возникают и формируются информационным путём, то это может означать лишь одно, - вся технология биологических процессов основана на генетической информации и применении различных молекулярных алфавитов живой формы материи. А само информационное сообщение в молекулярной биологии приобретает смысл через функцию, которую оно кодирует. Поэтому в живой молекулярной системе, под выполнением функций, с кибернетической точки зрения, должно пониматься исполнение белковыми молекулами (или другими функциональными молекулами клетки) различных информационных команд, директив, инструкций и сообщений, записанных в их молекулярной пространственной структуре. Все эти сообщения имеют дискретный характер и записываются стереохимическими кодами. Исследованием характеристик стереохимических кодов и микроматриц, в каждом конкретном случае, должна, по-видимому, заниматься специализированная дисциплина, такая как молекулярная биологическая информатика. Мы убеждаемся в том, что специфика молекулярных процессов в биологии всегда зависит от генетической информации, и в значительной степени определяется элементной базой и особенностями самих информационных процессов. Перечисленные выше коды сложны не только способами их диагностирования, декодирования и передачи, но и молекулярными (аппаратными) средствами их воплощения. Между тем, они не исчерпывают всех способов представления информации и биологических кодов, применяемых в живых молекулярных системах. В живой клетке существуют и более простые коды, со своими алфавитами - символами представления информации и своими физико-химическими характеристиками.
10.5 Простые молекулярные коды
Простые биологические коды применяются для кодирования и программирования других классов высокомолекулярных соединений, например, - липидов и полисахаридов, которые также играют большую функциональную и структурную роль в живой клетке. Относительно небольшое количество типовых моносахаридов (алфавита простых сахаров) кодирует (при помощи соответствующих ферментов) структурное построение и функциональное поведение углеводов (олигосахаридов), построенных из небольшого числа моносахаридных остатков, и полисахаридов - построенных из сотен и тысяч остатков моносахаридов. Химическое и структурное строение полисахаридов однообразно: они представляют собой линейные или разветвлённые полимеры, мономеры которых связаны глюкозид-глюкозными связями. А сами макромолекулы строятся из конечного множества одинаковых или нескольких типовых элементов.
Однако в их структуру во время биосинтеза, всё-таки, загружается то необходимое количество информации, которое достаточно для выполнения их биологических функций. В молекулярной биологии макромолекулы полисахаридов и липидов не считаются информационными, то есть несущими определённую биологическую информацию. Однако это далеко не так, поскольку и в информационной технике иногда применяют простые коды. Например, «простейший число-импульсный код имеет алфавит, состоящий из одних единиц. Так, при дискретизации значение параметра может быть представлено числом импульсов число-импульсного кода. Это простейший вид кодирования с алфавитом, состоящим из одних единиц» [10]. Да и в цифровой технике обширная информация кодируется всего лишь двумя цифровыми символами - единицей и нулём.
В молекулярной биологии, естественно, все гораздо сложнее. Обратим внимание на то, что каждый единичный символ информации, служащий для построения полисахаридов или липидов и для записи в их структуру информации, имеет довольно сложное химическое и структурное строение. Любой типовой символ обладает своими специфическими атомными группами и атомами, служащими для представления информации. Поэтому каждый символ простого биологического кода является достаточно информативным для управляющей системы клетки (соответствующих ферментов). Для кодирования и построения липидов также применяется своя система элементов - свой алфавит, состоящий из нескольких жирных кислот. Примечательно, что для физической передачи и реализации простых молекулярных кодов используются и более простые ферментативные системы.
Остаётся лишь открытым вопрос - как, и каким образом, кодируются сами моносахариды, жирные кислоты и другие символы общего алфавита живой материи? Если каждая аминокислота кодируется своим триплетом - кодовой комбинацией трёх нуклеотидов в цепи иРНК, следовательно, и символы простого биологического кода должны как-то кодироваться? И действительно, для идентификации и обозначения каждого типового символа используется своя стереохимическая кодовая комбинация аминокислотных остатков, которая располагается в активном центре соответствующего фермента (адресный код и код операции). А в основу правил соответствия кодовых комбинаций аминокислотных остатков различным символам также положена их химическая и стерическая комплементарность, то есть взаимодополняемость химических и структурных взаимодействующих поверхностей, слабых энергетических сил и связей кодовых компонентов.
В данном случае это и есть подтверждение того, что перевод информации, записанной в одной системе элементов в другую, осуществляется посредством кодирования (перекодирования). Здесь кодирование информации также осуществляется совокупностью дискретных сигналов, сопоставляемых по определенному алгоритму с конечным множеством сообщений. А по кодовым компонентам активных центров различных ферментов можно иметь представление об их информационных соответствиях и их функциональном назначении. Значит, молекулярные коды соответствий, и средства их передачи существуют не только для важнейших классов макромолекул - ДНК, РНК, белков. Они существуют и для любых других биологических молекул и структур, а также их элементов и их химических знаков. Одинаковые кодовые комбинации элементов и их боковых атомных групп в активных центрах ферментов всегда воспринимаются конкретной клеткой как одна и та же (эквивалентная) информация, реализуемая в одних и тех же действиях.
К примеру, при построении цепей полисахаридов активный центр фермента не только узнаёт и присоединяет определённый моносахарид к активному центру, но при этом указывает и характер химической реакции (код операции). Вспомним, что «при биосинтезе макромолекулы гликогена, которая состоит из повторяющихся единиц только одного типа - Д-глюкозы, тождественность и чистота конечного продукта обеспечивается активным центром гликоген-синтазы. Для этого фермента характерна субстратная специфичность, то есть его активный центр способен присоединять только молекулу Д-глюкозы и нередуцирующий конец цепи молекулы гликогена, которая должна быть удлинена. В принципе активный центр этого фермента (как, впрочем, и всех других ферментов) можно рассматривать как матрицу (это слово означает «шаблон» или «форму»), поскольку между молекулой (или молекулами) субстрата и активным центром осуществляется комплементарная подгонка» [6]. Пример показывает, что биомолекулы гликоген-синтазы строятся специально для того, чтобы нести генетическую информацию о биосинтезе макромолекул гликогена. То есть генетическая информация передается на макромолекулу гликогена не напрямую, а опосредованно.
Сначала кодовые компоненты иРНК (а, значит, и ДНК) указывают пути и порядок построения самого фермента, а затем кодовые компоненты активного центра гликоген-синтазы указывают пути и порядок построения макромолекулы гликогена. При этом если для обозначения аминокислот в полипептидной цепи гликоген-синтазы используется генетический код - триплетная комбинация нуклеотидов, то для обозначения биохимического элемента Д-глюкозы используется своя пространственная кодовая комбинация аминокислотных остатков активного центра фермента - адресный код и код операции. Адресный и операционный код в данном случае - это закодированное обозначение Д-глюкозы, поэтому идентифицируется именно данный биологический элемент. Аминокислоты, как и нуклеотиды, являются буквами биологического кода, следовательно, построение макромолекулы гликогена (так же как и других клеточных компонентов) осуществляется также с помощью генетической информации. А длинная цепь молекулы гликогена несёт свою определённую функциональную информацию, которая зависит от физико-химических свойств и взаимодействия составляющих её элементов. И если бы каждый элемент не был носителем своих информационных знаков - функциональных и боковых атомных групп и атомов, и не обладал своими информационными параметрами, то вряд ли у ферментов появилась бы способность к построению длинных молекулярных цепей. По такой же аналогии, пусть не напрямую, но опосредованно, генетическая информация руководит сначала построением, а затем и функциональным поведением любых других биологических макромолекул и структур.
Заметим, что стереохимическими сигналами активного центра кодируются не только адресный код молекулы субстрата, но и те функции, которые должен осуществить фермент. К примеру, код операции указывает характер химического превращения, которую должен осуществить фермент с молекулой (или молекулами) субстрата. Поэтому стереохимическими кодами (адресными кодами и кодами операций) соответствующих ферментов программируются разные биологические функции, в том числе и функции управления различными ступенчатыми химическими реакциями - окисления, восстановления, расщепления, межмолекулярного переноса атомных групп и т. д. Таким образом, оказывается, что все химические реакции в живых системах управляются только информационным путём.
А перекодировка одного вида информации в другой осуществляется с помощью определённых кодов, которые служит для переноса и загрузки генетической информации в структуру различных молекулярных цепей и биомолекул. Поэтому чтобы перевести информацию из одного её молекулярного вида (или формы) в другой вид, живая клетка использует определённый биологический код. Следовательно, в живой молекулярной системе имеется многоступенчатая система кодовой передачи управляющей информации с различными переходными формами и видами её преобразования и реализации, где кодирование молекулярной информации осуществляется натуральными единицами информации, которые принадлежат к различным системам (алфавитам) химических букв и символов. Феноменальные информационные возможности генетической памяти, использование различных молекулярных алфавитов, ступенчатых передач и систем кодирования - декодирования молекулярной биологической информации, позволяет судить о грандиозности протекающих в живой клетке информационных процессов.
Особое свойство закодированной (виртуальной) информации заключается в том, что она способна быть действующей силой только в той системе, которая воспринимает её как смысловую сущность, то есть, где она становится реальностью. Работа живых и сложных технических систем может быть обеспечена только потоками и циркуляцией той информации, которая реально значима и дееспособна в данной системе. Поэтому любая сложная система способна пользоваться лишь той информацией, которая присуща её природе. Значит, молекулярные коды соответствий и средства их передачи существуют не только для важнейших систем био-логических элементов - нуклеотидов и аминокислот. Они существуют для любых мономеров и их химических знаков. А одинаковые кодовые комбинации элементов и их боковых атомных групп в активных центрах ферментов всегда воспринимаются конкретной клеткой как одна и та же (эквивалентная) информация, реализуемая в одних и тех же действиях. Очевидно, что для информационного манипулирования различными химическими буквами, символами и знаками живая клетка применяет свои специфические химические или стереохимические молекулярные коды. Специалистам лишь следует научиться их правильно выявлять и идентифицировать.