Биологическая информация

В-четвёртых, следует отметить особое значение биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции, которое заключается в том, что с их появлением живая клетка получила целый комплекс различных молекулярных биопроцессорных единиц, предназначенных для «автоматизированной» переработки и передачи генетической информации. При этом достаточно высокая эффективность и производительность биопроцессорных систем транскрипции и трансляции, а также большая скорость передачи данных стала обуславливаться широким параллелизмом их действия на молекулярном уровне.

Весь смысл работы этих биопроцессорных систем сводится к тому, чтобы передать генетическую программную информацию ферментам и другим белкам клетки – выходному звену управления. Это явление, по своей значимости, можно сравнить только с изобретением микропроцессорных систем для автоматизированной переработки информации, которые были реализованы и внедрены в наше время.

В-пятых, действие выходного управляющего звена молекулярных биопроцессоров – ферментов и других клеточных белков было основано не на переборе вариантов при поиске решений. Теперь мы знаем, что ферменты, как молекулярные биологические автоматы, реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на информационное комплементарное соответствие друг другу с помощью их кодовых стереохимических матриц (микроматриц). Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи информационных сообщений.

С появлением ферментов  и белков, выполняющих роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления, живая клетка получила целый комплекс уникальных средств для дистанционной «автоматизированной» переработки, как управляющей, так и сигнальной, осведомляющей информации (молекул субстратов и пищевых веществ). Поэтому, в целом, можно констатировать, что управление всеми химическими и био-логическими функциями живой клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями «автоматизированного» управления.

Внедрение в клетку молекулярных биопроцессоров и их выходного управляющего звена – белков и ферментов, оказало колоссальное влияние на дальнейшее развитие биологической формы материи, в частности, на появление многоклеточных сообществ и организмов и вызвало взрывной, революционный процесс «биокибернетизации» живых систем.

Следовательно, можно  сказать, что молекулярная информатика  – это, прежде всего, информационная молекулярно-биологическая «автоматика», которая основана не на двоичной арифметике, а на принципах и правилах молекулярной биохимической логики. Она предназначена для «автоматизированной» переработки как генетической, так и субстратной информации. Это и есть одна из тех областей, где находят применение различного рода и назначения информационные молекулярно-биологические технологии.

А на практике – это  та область и сфера молекулярных информационных технологий, которая оказалась приспособленной не только для обработки информации, но и для переработки вещества и энергии. И это должно нами восприниматься как нормальное явление, так как информация, точно так же, как и химическая энергия, обнаруживает полное сродство с живым веществом на его молекулярном уровне. Поэтому можно констатировать, что единство вещества, энергии и информации является основным и фундаментальным принципом существования живой формы материи.

А живая клетка, как  элементарная основа жизни, как раз  и становится тем центром, который  предназначен для «автоматизированной» переработки биоорганического вещества, а значит, и химической энергии, и молекулярной биологической информации.

Эволюционное развитие клетки как мультипроцессорной системы  для «автоматизированной» переработки генетической и субстратной информации означало начало революции в областях накопления, передачи и обработки различных форм и видов молекулярной информации в живых биологических системах. Поэтому важно отметить, что каждая живая клетка, точно так же, как и любая другая сложная информационная система, в первую очередь, – это универсальная система для «автоматизированной» переработки информации. Для этой цели она имеет все необходимые программные, аппаратные и энергетические молекулярные средства.

Появление клетки означало и начало эволюционного взрыва в  областях накопления наследственной информации, её обработки, использования и передачи в бесчисленных поколениях дочерних клеток. Эти процессы характеризуются также становлением и унификацией молекулярной элементной базы живой формы материи и этапом форсированного овладения живыми системами вещества, энергии и информации.

Особое значение клеток как раз и состоит в том, что с их появлением живая природа получила:

1. феноменальную генетическую (ДНК) и уникальную оперативную (РНК) память;
2. целый комплекс удивительных молекулярных биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;
3. выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления;
4. собственные универсальные АТФ-генерирующие «станции» и т. д.

Все сведения о живой системе, необходимые сообщения, генетические инструкции, директивы, команды управления и другая информация находится в клетке в закодированной форме в виде последовательности нуклеотидов в структуре ДНК (или РНК). Генетическая память имеет потрясающие информационные возможности, но по молекулярным меркам находится далеко от объектов управления (субстратов). Поэтому она вынуждена все необходимые сведения о структуре и функциях биомолекул передавать в виде закодированных циклических посланий (сообщений), которые сначала записываются в оперативной памяти иРНК, а затем транслируются на полипептидные цепи белковых молекул. Именно с кодированием связано одно из замечательных свойств живой клетки – возможность хранить, передавать и обрабатывать генетические сообщения.

Естественно, что клетка вынуждена постоянно пользоваться той наследственной информацией, которая хранится в её генетической памяти. Поэтому вся управляющая информация в живой клетке хранится, передаётся и реализуется только в молекулярной форме, в виде кодируемых сообщений, имеющих свою адресную, операционную, структурную и текстовую части. Как мы видим, гены управляют поведением биологических молекул не непосредственно, а только путём программирования их биологических функций. Это важное обобщение говорит об информационной сущности всего живого.

Вывод:

Очевидно, что живые  клетки уже давно пользуются своей, сугубо специфической молекулярной информационной технологией. А это означает то, что в основе всех биохимических и биологических «технологий» лежат процессы информационные. Именно такие информационные молекулярно-биологи-ческие технологии стали базовой основой эволюционного развития биосферы нашей планеты и привели к великому разнообразию живого мира.

2.3 Основные элементы биологической информации.

В исследуемой системе  могут быть выделены следующие элементы:

1. Генетическая (ДНК) и оперативная (РНК) память;

Генетическая (ДНК) память - это память биологического вида, согласно которой воспроизводится вся структурно-функциональная организация его представителей, включая (для многих видов) их поведение. Чем большую долю поведения определяет генетическая память для данного вида животных, тем менее приспособлены они к быстрым изменениям условий внешней среды. Древняя генетическая память составляет самую значительную часть памяти у любого организма, в том числе и высокоорганизованного. Носители генетической памяти – нуклеиновые кислоты. Эти вещества, особенно ДНК, имеют ряд свойств, которые обеспечивают стабильность хранения информации. Генетическая информация может меняться в результате изменений повторяющихся генов.

Оперативная (РНК) память – сиюмоментная информация, носителями которой являются молекулы РНК.

2. Комплекс биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации;

Молекулярные биопроцессорные  системы. Генетическая память, молекулярные биопроцессорные системы и их выходное управляющее звено –  белки и ферменты являются центральными устройствами, на базе которых построена управляющая система клетки. Гены служат только для хранения информации, поэтому её необходимо сначала считывать, а затем определённым образом перерабатывать с тем, чтобы получить форму, приспособленную для непосредственного применения в различных биологических процессах. Для этой цели в клетке применяются специальные аппаратные средства транскрипции и трансляции, которые представляют собой ничто иное, как молекулярные системы для микропрограммной переработки генетической информации. Фактически каждая живая клетка для микропрограммной обработки генетической информации применяет такие аппаратные устройства, которые с кибернетической точки зрения вполне эквивалентны молекулярным биологическим процессорам.

3. Выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления;

Белки и ферменты –  выходное звено управления биопроцессорных  систем. Белки и ферменты, как  выходное управляющее звено представляет собой множество различного рода молекулярных биологических автоматов, манипуляторов или агрегатированных аппаратных устройств, с программной биохимической логикой. Каждый из этих, иногда довольно сложных молекулярных устройств, приспособлен выполнять определённую последовательность команд и био-логических функций. То есть все эти аппаратные устройства могут автоматически выполнять какие-то определённые алгоритмы био-логической деятельности . В данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций. Ясно, что программирование структур и функций белковых молекул осуществляются с помощью биопроцессорных аппаратных систем транскрипции и трансляции генетической информации. Мы уже говорили об этом. Сначала с помощью этих устройств строятся и программируются ферменты и другие клеточные белки, а затем с помощью ферментов программируется структурная организация и функциональное поведение всех остальных биомолекул и структур клетки. Причем, функции клеточных структур и органелл могут меняться только на базе вновь синтезированных и включенных в их состав биомолекул. Для их взаимодействия и возникновения новых биологических функций в клетке нужна информация, как старых структур, так и новых биологических молекул. Поэтому эти структуры могут менять форму, делиться, но никогда не могут возникнуть заново, на основе только одних синтезированных биомолекул. В результате большого числа параллельно идущих процессов происходит программирование белков и ферментов, а через них, соответственно, осуществляется и программное управление химическими реакциями и биологическими функциями клетки. Информационная молекулярно-биологическая (биокибернетическая) система живой клетки – это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, который, с одной стороны, осуществляет управление различными химическими процессами и биологическими функциями, а с другой – занимается реорганизацией и реконструкцией своих же биологических структур и компонентов. Поэтому ферменты и другие функциональные белки используются клеткой как выходное управляющее звено её биопроцессорной системы. Ясно, что подобные процессы не могут обеспечиваться химическими катализаторами, какими бы уникальными и замечательными свойствами они не обладали. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством. Феномен биологического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам и манипуляторам. А полифункциональный катализ, используемый молекулярными биологическими автоматами (ферментами), применяется лишь как способ управления химическими превращениями. Однако избирательная химическая и динамическая реактивность фермента может осуществляться только информационным путём. Главное назначение белков и ферментов – обеспечивать живую клетку необходимыми ресурсами и материалами, а также осуществлять управление всеми процессами её жизнедеятельности и развития. Одна из отличительных особенностей управляющей системы клетки заключается в том, что она, как правило, взаимодействует с физико-химическими объектами управления, имеющими признаки единства вещества, энергии и информации. При этом операции, связанные с процессом управления, выполняются в реальном масштабе времени. Целью управления является обеспечение клетки необходимыми ресурсами, энергией и элементной базой

4. Программное обеспечение клетки. и т. д.

В генетической памяти клетки существует значительное количество различных  пакетов программ, решающих различные биологические задачи. Причем, ключ к решению биологических задач, с помощью управляющей системы, лежит не в переборе вариантов при поиске решений. Программы реализуют стереохимические принципы узнавания и динамического взаимодействия, которые гарантируют точность матричного спаривания биологических молекул и проверку их на комплементарное соответствие друг другу. Этим достигается не только повышенная помехоустойчивость при прохождении управляющей информации, но и высокая достоверность передачи сообщений.

Вывод:

Были выделены и рассмотрены  основные элементы БИ, в которые входят: генетическая (ДНК) и оперативная (РНК) память, комплекс биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации, выходное управляющее звено в виде белков и ферментов, выполняющих в клеточной системе роль молекулярных биологических автоматов с программной биохимической логикой управления, программное обеспечение клетки. и т. д.

2.4. Характеристика функций биологической информации.

Функции системы отражают функции элементов системы:

1. Генетическая (ДНК) и оперативная (РНК) память:

• хранение информации,
• реализация хранимой информации (посреднические функции).

2. Комплекс биопроцессорных систем репликации, транскрипции и трансляции генетической информации:

• реализация алгоритма связывания начальной точки считывания матричной цепи иРНК (оперативной памяти) с рибосомой (процесс инициации трансляции);
• микропрограммное преобразование, в реальном масштабе времени линейных информационных кодов (триплетов) иРНК в линейную аминокислотную кодовую последовательность полипептидной цепи белка (процесс элонгации);
• реализация алгоритма процесса терминации (завершения) трансляции.
• конформационное преобразование полипепидной цепи (процесс стереохимического кодирования) и процессинг, связанные с формированием стереохимических кодов фермента (белка), предназначенных для управляющих воздействий и приема регуляторных сигналов обратных связей;
• автоматическое распределение и адресную доставку управляющих белков в соответствующий операционный блок (компартмент);
• реализацию ферментами управляющих воздействий в соответствии с их адресными и каталитическими кодами, определяющими требуемый результат управления;
• согласование взаимодействия выходного управляющего звена (ферментов) биопроцессорной системы с управляемыми биохимическими объектами (субстратом) по их сигнальным кодовым компонентам;
• сбор и использование регуляторных молекул обратной связи (их стереохимических кодов), которые, как правило, являются конечными продуктами химических реакций;
• обмен информацией с вышестоящей ядерной управляющей системой. Такова общая картина прохождения и реализации генетической информации. Важно отметить, что размещенные в оперативной памяти иРНК генетические программы сначала загружаются биопроцессорной системой трансляции в полипептидные цепи, а затем реализуются в виде трёхмерных белков и ферментов.