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, - структурные и функциональные элементы и информационные символы (алфавит) липидов и др.
Более четкой идентификацией и классификацией биологических элементов и их систем, 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» [1]; 2) двадцать различных стандартных аминокислот, которые кодируются в ДНК и служат для матричного построения белковых молекул; 3) несколько жирных кислот, - сравнительно небольшое число простых 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, 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 различные биологические молекулы 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.
Функции молекулярных биологических элементов. Крайне важно отметить, что все биохимические элементы живой материи являются многофункциональными элементами. Благодаря своим уникальным природным свойствам, они играют фундаментальную роль буквально в различных биологических процессах - структурных, физико-химических, энергетических, функциональных и 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 молекул 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 биологических элементов представляет собой ничто иное, как тот общий молекулярный алфавит живой 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 биологическими единицами (элементарными сигналами), реализующими основные функции молекулярной биохимической логики и информатики. Входя в состав биомолекул, они определяют не только их нативную конформацию, но и весь широкий спектр их функциональной и информационной деятельности. При помощи различных химических букв и символов строится молекулярная аппаратная система клетки, то есть таким способом в её структуры и макромолекулы записывается биологическая информация. Очевидно, что информационная концепция построения и функционального поведения биомолекул 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) биологических 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 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, как правило, передаётся не однократно, а с многократным повторением, что ведет к повышению помехоустойчивости информационной системы. С кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки - возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения. Информация в живой клетке может преобразовываться с помощью биологических кодов и алфавитов из одного её молекулярного вида в другой, из одной её молекулярной формы (линейной, 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 биологические 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 служить и теми программными элементами, с помощью которых строятся различные алгоритмы программного поведения биологических молекул.
То есть, все элементы в составе биологических молекул могут взаимодействовать друг с другом и с молекулами воды по особым специфическим принципам и правилам, которые вполне можно назвать закономерностями молекулярной биохимической логики. Вследствие этого они «автоматически» становятся теми программными элементами, при помощи которых сначала строится алгоритм конформационного преобразования, а затем и программа функционального поведения отдельной биологической молекулы. Под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются биологическими элементами в составе молекулярной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем и во время функционального поведения биомолекулы.
Таким образом, программирование функций биологических молекул и структур в клеточной среде также осуществляется с помощью элементной базы и генетической информации (под руководством соответствующих аппаратных средств). 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 информации. В итоге мы приходим к заключению, что любая химическая буква (или символ), входящая в состав биомолекулы, является тождественным эквивалентом такой биологической единицы, которая выполняет роль и типового структурного строительного блока, и элементарного информационного сигнала, и программного элемента, и функциональной единицы молекулярного кода. Сама же биологическая функция возникает путём активации всей совокупности качеств и свойств биологических элементов, входящих в состав биологических молекул. Поэтому программная, информационная и функциональная деятельность биологических молекул в клетке осуществляется благодаря применению таких биологических единиц.
Причем, активация биологических молекул возникает только на основе их информационного взаимодействия друг с другом. Однако, это уже тема для другой статьи. 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. 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. Очевидно, что элементная база живых молекулярных систем действительно обладает удивительными многофункциональными природными качествами и свойствами, которые имеют фундаментальное значение в различных биологических, в том числе, и информационных процессах.
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 соединяться друг с другом в молекулярные цепи. Кроме того, каждый элемент имеет свою индивидуальную боковую атомную группу (или группы), которая в живой системе, по мнению автора статьи, 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.