Ферменты і білки живою клітиною – це молекулярні біологічні автомати з сучасним програмним управлінням

Ферменты і білки живою клітиною — це молекулярні біологічні автомати із програмною управлением.

Калашников Юрій Якович.

Аннотация

Гены що неспроможні безпосередньо контролювати і взаємопов'язувати складні біохімічні процеси живою клітиною. Тому вони змушені кодувати і програмувати структурне колег і функціональне поведінка молекулярних управляючих коштів, яких, насамперед, ставляться ферменти та інші клітинні білки. Яким чином біологічні функції можна запрограмувати в структурної організації білкових макромолекул? Це питання, певне, найбільш актуальним у сучасній молекулярної біології. Пропонуючи ідеї «молекулярної біохімічної логіки й інформатики», авторка у своїй статті призводить і конкретні обгрунтування інформаційної концепції дії білків і ферментів, які, як він стверджує, є молекулярними біологічними автоматами чи маніпуляторами з програмною біохімічної логікою управления.

Непревзойденная вибірковість дії ферментів та інших білків клітини є одним із самих жгучих і хвилюючих загадок сучасної біохімії та молекулярної біології. З ним пов’язані пошук і освоєння перебування нових підходів і шляхів до управління обміном речовин власної поведінки біологічних молекул живими системах. Жива форма матерії досі залишається однієї з найбільш таємничих світових проблем. Навіть сьогодні неймовірним, що у незначному одній клітини приховані все основні характеристики живого, — прагнення чіткої структурної і функціональної організації, невгамовна жага активності, розмноження і поширення. Проте, попри найбільше розмаїтості та надзвичайну складність живих форм, — усі мають єдину матеріальну елементну базу і дискретну молекулярну і клітинну організацію. Усі живі клітини у своїй основі мають типову молекулярно-биологическую систему управління й володіють генетичну пам’ять з феноменальними інформаційними можливостями. А закономірності молекулярної біохімічної логіки й інформатики, якими користуються живі системи, цілком імовірно, і є інструментами і механізмами, з яких здійснюється як структурна організація, а й управління біологічної формою матерії. Цю статтю є продовженням дуже дискусійною в біології теми — «молекулярної інформатики», і присвячена інформаційним аспектам побудови і функціонального поведінки білкових молекул, де попутно викладено і нове альтернативна концепція фермент-субстратных інформаційних взаємодій.

1. Принципи і механізми структурної організації білкових молекул. Програмування побудови білкових молекул живою клітиною, як відомо, здійснюється універсальними клітинними апаратними засобами транскрипції і трансляції, під керівництвом генетичної інформації. Логіка структурного побудови і функціонального поведінки білкових молекул визначається генами природними властивостями стандартних био-логических елементів (амінокислот), що входять у склад полипептидных ланцюгів. Тим паче типову дискретну організацію різних біологічних молекул і структур, то узагальненому вигляді можна сказати, — базової основою організації біологічної форми матерії є генетична інформація, і загальний біохімічний алфавіт живої матерії, яка полягає більш ніж із 30 био-логических елементів (хімічних літер чи символів) — нуклеотидів, амінокислот, простих цукрів, жирних кислот та інших мономерів. По меншою мірою, існує два інформаційних рівня організації білкових (і інших) макромолекул. У першому рівні побудови — здійснюється послідовне ковалентное з'єднання відповідних амінокислот в довгі полипептидные ланцюга. Так виробляється позиційне розміщення амінокислот в «лінійних» ланцюгах, отже, і декодування різноманітних сигналів, з повідомлень, інструкцій і команд управління, переданих генами. Так здійснюється і запис потрібного алгоритму структурного перетворення ланцюга, тобто — програмування тривимірній організації білкової макромолекули. При цьому, завантажені в «лінійну» ланцюг алгоритми, — це втілені послідовності амінокислот правила молекулярної біохімічної логіки, по яким, що є в ланцюг дані сприймаються, мов елементарні сигнали, підлягають виконання. Тут під алгоритмом слід розуміти послідовність операцій, які виконуються амінокислотами у складі полипептидной ланцюга, спочатку під час конформационного перетворення, та був, і під час функціонального поведінки білкової молекули. Отже, програмування структур та зняття функцій білкових молекул в клітинної середовищі здійснюється з допомогою уніфікованої системи био-логических елементів — амінокислот, що є хімічними літерами білкового алфавіту. А проходження цих процесів здійснюється відповідними апаратними засобами транскрипції і трансляції під керівництвом генетичної інформації. Це уможливилося, тому, що це типові амінокислоти мають дивовижними природними характеристиками. Усі двадцять стандартних амінокислот виявилися наделёнными такими хімічними і фізичними якостями і властивостями, поєднання яких дозволяє йому, у складі білкових молекул, одночасно виконувати буквально різні био-логические функції та проведення операції. Як-от: 1) б служити у ролі будівельних блоків, з допомогою яких здійснюється фізичне побудова білкових молекул; 2) виконувати роль натуральних інформаційних одиниць — хімічних літер, з допомогою яких записується молекулярна інформація; 3) б служити у ролі елементарних одиниць аминокислотного коду, з допомогою якого спочатку йде перетворення, а згодом, — втілення і реалізація генетичної інформації; 4) бути програмними елементам, з допомогою яких будуються алгоритми структурного перетворення, та був і яскрава програма функціонального поведінки ферментів та інших білкових молекул; 5) зумовлювати потенційну і вільну хімічну енергію білків тощо. буд. Тут ми відзначили лише що з основних напрямів застосування білкового алфавіту. Проте, і з цих прикладів ясно, що аминокислотная система справді наділена унікальними багатофункціональними природними якостями і властивостями, які мають фундаментальне значення у створенні білкових молекул та його функцій в будь-яких живих клітинах. Важливо, що ці якості й властивості амінокислот існують ніколи й одночасно, і тому вони, за своєю сутністю, відмінні характеристиками одному й тому ж елементної бази. Тільки така поєднання характеристик, дозволяє аминокислотам забезпечувати на живу клітині і інформаційне побудова білкових молекул, і встановлюють програмне управління їх біологічними функціями. І усе це може здійснювати аж з урахуванням і поза рахунок завантаженою (аминокислотным кодом) в білкові макромолекули структурної, програмної і функціональної інформації. Причому, кожна типова амінокислота характеризується наявністю функціональних атомних груп (аминогруппы і карбоксильной групи), які визначають її хімічні властивості і служать вхідними і вихідними ланцюгами, з допомогою яких елементи можуть ковалентно з'єднуватися одна з одним в довгі полипептидные ланцюга. З іншого боку, важливо відзначити, кожна амінокислота має ще свою, індивідуальну бічну атомну R-группу, що у живої системі, зазвичай, використовують у ролі - елементарного інформаційного хімічного сигналу! Тому, тоді як інформаційних технічних системах найбільш широке застосування знаходять електричні сигнали, з переносником інформацією вигляді імпульсного струму чи напруги, то молекулярно-біологічних системах, як елементарних сигналів, використовуються хімічні сигнали різних био-логических елементів загального алфавіту — нуклеотидів, амінокислот, простих цукрів, жирних кислот і ін., з переносником у вигляді їхнього бічних атомних груп [1]. Наочний: повідомлення ланцюга ДНК чи РНК кодується як послідовності нуклеотидів, а носіями генетичної інформації є азотисті підстави — «бічні» атомні групи нуклеотидів. Відповідно, й у полипептидной ланцюга білка це повідомлення записується як послідовності амінокислот, де носіями інформації є їхньою бічні R-группы. «Лінійну» «структурну основу будь-якого пептида становить зиґзаґоподібний остов, освічений атомами вуглецю і азоту. Спрямовані зовні стосовно кістяку бічні R-группы будь-яких сусідніх амінокислотних залишків орієнтовані в супротивники. В одному кінці в молекулі пептида перебуває вільна аминогруппа, але в краю — вільна карбоксильная група» [2]. Отже, орієнтація сусідніх бічних атомних угруповань в супротивники дозволяє полипептидной ланцюзі у складі білка здійснювати спочатку внутримолекулярные, та був, і межмолекулярные інформаційні взаємодії. Причому, якщо генетичного коду служить для перенесення генетичної програмної інформації на «лінійну» структуру білка, то амінокислотний код є тією молекулярным кодом, з допомогою якого здійснюється спочатку перетворення, та був, і крізь діяльність білків, — втілення і реалізація генетичної інформації. Докладний вивчення глобулярных і фибриллярных білків показало, що кожного індивідуального білка характерна своя просторова тривимірна організація, яка від його первинної структури — тобто не від інформації, записаній лінійним аминокислотным кодом. Зауважимо, що генетичним кодом кодується лише первинна — «лінійна» структура полипептидной ланцюга. Проте «конкретна конфігурація (вторинна, третинна і четвертичная структури) будь-якого білка повністю визначається первинної структурою які входять у його склад полипептидных ланцюгів і від хімічних властивостей бічних груп амінокислотних залишків» [2]. Отже, вторинна, третинна і четвертичная структури білкових макромолекул кодуються і програмуються вже іншим молекулярным кодом — аминокислотным. Це веде до уявленню, що тільки амінокислотний код забезпечує тривимірну структурну організацію білкової молекули, та був, і всі її специфічні властивості і функції. Тобто, цей код, насамперед, призначений для організації нова форма молекулярної інформації - просторової, стереохимической. Тому перше рівень організації білкових молекул характеризується застосуванням лінійного аминокислотного коду, який є основою перетворення лінійної форми інформації полипептидов в стереохимическую форму інформації білкових молекул. Тут слід звернути увагу, що різні амінокислоти полипептидной ланцюга, у всій ймовірності, теж організовані як окремих комбінаційних кодових сигналів, визначальних (в клітинної середовищі) різні зі своєї біохімічної характеристиці зони, ділянки і фрагменти, які зумовлюють відповідні шляху, лад і послідовність інформаційної складання білка. У полипептидных ланцюгах білкових молекул кодується найрізноманітніша інформація. Тому важливо знати, будь-яка полипептидная ланцюг завжди є тотожний еквівалентом відповідного кодового послання геному, яке зазначає майбутні характеристики білкової молекули. Причому, кожне повідомлення, під час передачі інформацією полипептидной ланцюга білка, очевидно, передається своїм індивідуальним кодом (кодовими комбінаціями амінокислот). Тому інформація у ланцюзі може містити як свій адресну і «операційну», і свою структурну і текстову (інформаційну) частини. Отже, різні інформаційні сполучення полипептидных ланцюгах можуть бути різними молекулярними кодами і кодовими комбінаціями амінокислотних залишків. Отже, в кодових посилках структури полипептидной ланцюга може бути укладено: 1) адресні кодові комбінації амінокислотних залишків, яка є основою формування адресних стереохимических кодів активного центру ферменту (для комунікативного взаємодії з молекулами субстрату); 2) «операційна» кодова комбінація амінокислот, — служить на формування стереохимического коду операції активного центру, яке зазначає характер реакції; 3) структурна частина кодовою комбінації амінокислотних залишків, яка кодує колег і одночасно здійснює програмне забезпечення виконавчих органів прокуратури та механізмів білкових молекул; 4) текстова (інформаційна) частина — кодує і програмує кошти інформаційної комунікації білка з різними їх молекулярними партнерами. Тобто, «інформаційна» частина полипептидной ланцюга варта формування різноманітних локальних чи поверхневих рельєфних микроматриц, які зазвичай розміщуються на локальних чи поверхневих ділянках білкової макромолекули і полягає з багатьох бічних R-групп амінокислотних залишків. Ефективність застосування живими системах молекулярних кодів забезпечується багаторазовим циклічним їх повторенням в структурах типових біомолекул. Безкінечна низка довгих дискретних повідомлень (як иРНК, полипептидных ланцюгів і білкових молекул), за своєю сутністю, і становить собою, ніщо інше, як управляючі інформаційні потоки і мережі, які здійснюють циклічну передачу інформації із управління, регулювання і функцію контролю хімічних перетворень та її реалізації різних молекулярних та інших био-логических функцій. Однак у живої клітині функціонують лише тривимірні биомолекулы і структури, тому полипептидные ланцюга, з допомогою аминокислотного коду, повинні прагнути бути перетворені з лінійної форми в просторову — стереохимическую. Тому другий інформаційний рівень організації білкових молекул — просторовий, здійснюється вже за часів допомоги хімічних зв’язків, значно більше слабких, ніж ковалентные. Це тому, що бічні R-группы тих амінокислот, які у ланцюга пов’язані ковалентно, здатні до слабким інформаційним взаємодіям коїться з іншими бічними R-группами, як у межах однієї макромолекули, і з бічними групами і атомами сусідніх молекул. До таким взаємодіям ставляться слабкі: водневі та іонні зв’язку, ван-дер-ваальсовы сили, гидрофобные взаємодії, що у сукупності, завдяки їхнім численності і розмаїттям, виявляються доволі сильними. Через посередництво цих зусиль і зв’язків йде втілення лінійної молекулярної інформацією просторову структуру і стереохимическую форму інформації білкових молекул. Cвязывание, взаємодіючих молекулярних структур, як правило, багатоточкове. Воно відбувається з допомогою участі численних бічних атомних R-групп програмних елементів, входять до складу полипептидной ланцюга, тобто з допомогою інформації. Через війну таких перетворень «одномірна» молекулярна інформація полипептидных ланцюгів «звертається, пакується і стискається» в тривимірну інформацію білкових молекул, що у такому вигляді стає придатної транспортуванню, передачі різними каналами і компартментам, та був, й у прямого використання у різних біологічні процеси. Зауважимо, що це інформаційні сили та зв’язки визначають як ступінь міцності білкових макромолекул, але зумовлюють та його функціональні можливості. Наявність у структурах білкових макромолекул як внутримолекулярных, і зовнішніх інформаційних зусиль і зв’язків взаємодії (обумовлених R-группами складових елементів), які власними силами слабкі, але потужні своєї численністю і розмаїттям, дозволяє казати про тому, що в навколо макромолекули утворюється специфічне силове «інформаційне полі». Це полі здатне впливати як у структуру самого білка, і з його микроокружение. Тому білкова макромолекула хіба що стабілізується самосогласованным стискаючим інформаційним полем, обумовленою кооперативними силами тяжіння між бічними атомними R-группами амінокислот. А лабільність самої полипептидной ланцюзі у просторової решітці, з її численними бічними R-группами елементів, дозволяє здійснювати не лише точну комплементарную «підгонку» внутримолекулярных структур, а й «підгонку» локальних чи поверхневих структур, взаємодіючих друг з іншому біомолекул. Трансформація лінійних генетичних повідомлень в тривимірну структуру і форму різних білкових молекул, — це важливе етап переходу біологічної інформації з однієї її молекулярної форми (лінійної) до іншої (стереохимическую). Лінійний і просторовий елементарний склад білків визначається генами, а кожен био-логический елемент (амінокислота) у складі білкової молекули тотожний може виконувати різні ролі - як структурної, і інформаційної одиниці, як функціонального, і програмного елемента. Тому всі апаратні кошти живою клітиною — білки, ферменти та інші клітинні компоненти мають суворо своєї специфічної структурної організацією, мають своє інформаційне і функціональне призначення, і навіть своє індивідуальне енергетичне і забезпечення. І головне, — в результаті стереохимических змін у структурі білкової молекули формуються відповідні молекулярні органи влади й виконавчі механізми, а на локальних і поверхневих ділянках виникає така пространственно-упорядоченная організація бічних атомних R-групп елементів, що у живої системі ж виконує функцію стереохимических кодових інформаційних сигналів. До таких сигналам можуть ставитися: стереохимические команди управління активного центру ферменту (адресний код і код хімічної операції); різні сигнальні і регуляторні кодові компоненти; комунікативні локальні й поверхневі кодові стереохимические матриці (микроматрицы), службовці для інформаційного взаємодії білкових молекул зі своїми молекулярними партнерами тощо. буд. У цьому, сама програма функціонування білкової молекули (завдяки програмуючим властивостями елементів) комутується лабильными фізико-хімічними силами, зв’язками і взаємодіями між бічними R-группами елементів (амінокислот) у складі її тривимірній структури. Тому природа взаємодій бічних атомних груп, визначальних конформаційні особливості і внутрішню динаміку білкової макромолекули, має хімічну основу носить інформаційного характеру. Нативная білкова макромолекула хіба що стабілізується самосогласованным стискаючим інформаційним полем, обумовленою силами тяжіння між амінокислотами (програмними елементами). І як наслідок перетворень кожен білок клітини отримує своє індивідуальне структурне, інформаційне, енергетичне, функціональне і забезпечення. Тому, стереохимический принцип кодування молекулярної біологічної інформації застосовується живої природою розміщувати лише у макромолекуле різних за своєму призначенню сигналів, повідомлень, інструкцій, команд управління, і навіть органів прокуратури та механізмів реалізації [1]. Така була білкових молекул не має сильної структурної жорсткістю, вона завжди досить лабільна у його межах, що необхідні виконання ними біологічних функцій. А функціональне поведінка макромолекули, при взаємодії її з молекулярними партнерами, визначається вільної енергією і результатом інформаційного взаємодії як внутрішніх, і зовнішніх складових її елементів. Тому цей інформаційний рівень характеризується вже взаємодією біологічних молекул друг з одним з допомогою їх локальних, рельєфних чи поверхневих микроматриц, у яких і порушуються їх біологічні функції. Як бачимо, в «молекулярної інформатики» відкривається велике полі діяльності дослідження інформаційних шляхів побудови і програмного поведінки білкових молекул.

2. Адресний код і код операції активного центру ферменту є био-логическую команду управління. Стереохимические коди і микроматрицы, які становлять управляючі чи комунікативні сигнали білкових (як, втім, та інших) макромолекул, виникли у процесі еволюції живої матерію та в час є основою молекулярних інформаційних процесів у кожному живої клітині (організмі). Усі вони утворені відповідної просторової організацією бічних атомних угруповань био-логических елементів (хімічних літер чи символів), входять до складу кодових сигналів. Усі стереохимические коди і біохімічні матриці білків, утворюються під час конформационных перетворень «лінійних» полипептидных ланцюгів в тривимірну структуру і форму. Таке динамічний інформаційне взаємодія елементів у складі біологічних молекул, що особливо притаманно білкових молекул, є основою динамічного механізму їх біологічних функцій. Біохімічна логіка інформаційних взаємодій, зокрема, визначає і перебіг хімічних реакцій, оскільки він полягає в явищах стереохимического впізнавання відповідними ферментами різних био-логических елементів чи його функціональних і бічних атомних груп, і їх хімічних зв’язків, тобто різних хімічних літер, символів і знаків біологічних молекул субстрату [1]. Стереохимические коди активних центрів побудовано з урахуванням аминокислотного коду, тому ферменти можуть адресно взаємодіяти з молекулою субстрату і швидко знаходити потрібну їм хімічну зв’язок і яка б пов’язала групу. Кодові компоненти активних центрів ферментів можуть комплементарно взаємодіяти з доступними їм функціональними чи бічними атомними групами і атомами молекули субстрату. Тому всі субстрати на свої ферментів є сигнальними молекулами, несучими осведомляющую стереохимическую інформацію. Цими принципах заснована біохімічна логіка інформаційних взаємодій між ферментами та його субстратами. Субстрати — що це хімічний і інформаційний матеріал, який обробляється керуючої системою клітини. У цьому кожен фермент має необхідний і достатній набір інформаційних, енергетичних, програмних і більше управляючих молекулярних коштів, у тому, щоб працювати у автоматичному режимі. Процедура управління хімічної реакції (перетворення субстрату), з хімічною і інформаційної точок зору, протікає як поліфункціональний каталіз, який детермінується управляючим сигналом, — кодовою комбінацією різних амінокислотних залишків активного центру ферменту. Основою стереохимического управляючого сигналу, зазвичай, служить просторова кодова комбінація різних функціонально неоднорідних амнокислотных залишків активного центру ферменту. Причому, амінокислоти, що утворюють кодові структури сигналу, за довжиною полипептидной ланцюга зазвичай перебувають далеко друг від одного й виявляються сближенными лише за формуванні властивої даному ферменту тривимірній конформації. Стереохимические коди активного центру зазвичай складаються з цих двох зон, мають певний інформаційне і функціональне призначення. Та просторова комбінація атомних угруповань активного центру ферменту, яка проводить пошук, впізнавання і орієнтацію молекули субстрату, контактує з непревращаемыми фрагментами субстрату і зміцнює їх у активному центрі, то є виробляє пошук, прийом і рецепцію його інформації, — є функціональний стереохимический адресний код ферменту. У різних ферментів цей код має різне, але суворо своє певний значеннєве значення. Та просторова комбінація атомних угруповань активного центру ферменту, яка особиста участь у синтезі чи розщепленні зв’язку субстрату і у каталітичну зону, — є кодом каталітичної операції, визначальним, у кожному даному випадку, характер хімічної реакції [1]. Отже, у ферментів формат команди управління може складатися зі двох полів: адресного коду, з допомогою якого здійснюється динамічний пошук і рецепція молекули субстрату і коду каталітичної операції, який визначає характер хімічної реакції. Під час інформаційного фермент-субстратного взаємодії повинні бути знайдені і комплементарно відповідати одна одній адресні і каталітичні кодові компоненти ферменту і молекули субстрату. Тому біохімічна логіка інформаційних взаємодій полягає в матричних взаємодію кодових компонентів різних біомолекул. За принципом взаємодоповнюваності локальні чи поверхневі микроматрицы молекулярних партнерів повинні комплементарно відповідати друг другу. Отже, лише з збігу кодів на живу системі може здійснюватися контроль передачі й прийому молекулярної біологічної інформації. Після інформаційного етапу слід етап управляючих впливів, коли входять у дію электронно-конформационные механізми фермент-субстратного комплексу, й йде керований акт хімічної реакції. Комплементарний стереохимический контакт управляючих і сигнальних фермент-субстратных кодових компонентів є достатньою формою на виконавчі органи ферменту. Цей контакт виконує роль «електронного ключа», який запускає электронно-конформационные механізми апарату хімічного каталізу ферменту. У такий спосіб здійснюється передача керуючої інформації виконавчим органам макромолекул. Цілком імовірно, і є ті, поки відсутні і розшукувані фрагменти інформаційного управління, що вказують на єдність процесів управління та інформації у кожній живій клітині. Важливо також підкреслити, що адресний код і код операції є просторовими комбінаційними кодами, у результаті стереохимического кодування у різних класів ферментів беруть лише свою значеннєве значення. Цим, певне, і пояснюється висока специфічність дії різних ферментів. Проте треба сказати, що як распространённым форматом команди управління не є одноадресные, а двухадресные команди, коли активний центр ферменту містить код операції, і адреси різних молекул субстрату, які підлягають перетворенню. До цього типу належить більшість відомих керованих химиче-ских реакцій і, реакції перенесення атомних хімічних груп. Є також трёхадресные й інші формати команд управління, коли активний центр ферменту містить додаткові адресні кодові групи, наприклад, для зв’язування з коферментом, з АТФ тощо. буд. На принципах різних варіантів адресації формуються та інші інформаційні сигнали, які, зазвичай, розміщені в заглибинах чи поверхневих ділянках білкової молекули. Ці сигнали зазвичай розміщені як окремих локальних чи поверхневих кодових біохімічних матриць, які є для інформаційної комунікації білка з іншими біологічними молекулами клітини.

3. Інформаційна концепція фермент-субстратных взаємодій. Довга полипептидная ланцюг при побудові будь-якого білка опиняється немовби застёгнутой між окремими амінокислотами і фрагментами ланцюга по матричному комплементарному типу. У цьому щодо слабкі багатоточкові інформаційні взаємодії, зумовлені многочисленнными бічними R-группами амінокислот, стають з одного боку, досить міцними стабілізації нативной конформації білка, з другого — досить лабильными для участі в формуванні біологічних функцій. Виявившись на поверхневих ділянках численні бічні R-группы організуються в локальні чи поверхневі біохімічні матриці, які є для інформаційної комунікації білка коїться з іншими молекулами клітини. Білок будується з урахуванням генетичного коду, з допомогою хімічних і стереохимических принципів записи інформації, але це вже є достатньою передумовою здобуття права запропонувати і розглянути цієї статті інформаційну концепцію функціонального поведінки білкової молекули. Зрозуміло, що білки клітини, як носії інформацією вигляді численних елементарних сигналів бічних груп, є не так засобами зберігання цієї інформації, скільки засобами її реалізації і втілення. У різних ситуаціях ланцюгом між керуючої системою та керованим процесом на живу клітині служать рецептори інформації - активні центри (й інші комунікаційні сигнали) і виконавчі органи влади та механізми ферментів чи інших функціональних білків. Робота біологічних рецепторів лише у певної міри нагадує роботу датчиків інформації, які використовуються у технічних системах. Біологічні рецептори, наприклад, ферментів самі здійснюють пошук, прийом і рецепцію субстратной інформації, що, за своєю сутністю, є актом запрограмованого пошуку об'єкта управління (молекули субстрату), з «запитом» його інформації. Нативная макромолекула білка поза інформаційного впливу знаходиться в вихідному равновесном стані. Каталітичний центр ферменту стає активним учасником і готовою до виконання команди управління лише з рецепції молекули справжнього субстрату. Рецепція інформації здійснюється активним центром ферменту з допомогою повній відповідності його адресного і каталітичного кодів хімічним кодовою групам субстрату, і завдяки їхнім комплементарних фізико-хімічним, стерическим і слабким енергетичним взаємодіям — електростатичним, гидрофобным, водневим, вандерваальсовым та інших. А, щоб ці сили могли б виникнути й діяти необхідно, передусім, стерическое, просторове відповідність. Як вважають біологи, субстрат приєднується до активної центру ферменту, який геометрично і хімічно є хіба що негативний відбиток молекули субстрату, тобто — комплементарен їй. А інформаційної погляду — це процес рецепції кодових компонентів і перевірка їх у функціональне відповідність одна одній. Тому рецепція і прийом осведомляющей кодовою інформації субстрату закінчується підключенням молекули його, через контакт «устрою комплементарного поєднання» активного центру, до управляючим органам і механізмам ферменту. У зв’язку з цим, взаємодія суспільства та контакт реагують білків і молекул на живу системи є подією інформаційним, генетично обумовленою, а чи не випадковим як, наприклад, при взаємодії молекул в доти чисто хімічної реакції. Отже, фермент-субстратные взаємодії можна у вигляді інформаційної моделі, заснованої на стереохимических принципи і правила молекулярної біохімічної логіки. Ферменти мають своєї програмою «дотикального» розпізнавання кодових компонентів молекул субстрату, які комплементарны за хімічними і стерическим (геометричних) характеристикам їх активному центру. Адресний код і код операції кожного типового ферменту має власний елементарний склад парламенту й індивідуальне просторове розташування бічних атомних угруповань в активному центрі, тому вивчення стереохимических кодів білкових молекул є одним із багатьох завдань молекулярної біологічної інформатики. Процес рецепції інформації справжнього субстрату, здійснюваний активним центром ферменту, викликає конформаційні зміни у фермент-субстратном комплексі, у яких кодові хімічні групи ферменту і молекули субстрату займають саме оптимальне становище для проходження каталітичної операції. Важливо, що підключення об'єкта управління (молекули субстрату), через кодовий стереохимический контакт комплементарного поєднання, веде до індукції электронно-конформационного порушення фермент-субстратного комплексу. Приєднання справжнього субстрату спочатку веде до перекидання електронів і протонів між ферментом і молекулою субстрату, посиленню електронної перебудови вздовж пов’язаною системи зв’язків, які призводить до порушення фермент-субстратного комплексу, й, як підсумок, завдяки рухомим водневим зв’язкам, веде до динамічним конформационным зрушень і срабатыванию «силового молекулярного приводу» апарату хімічного каталізу ферменту. Ці механізми забезпечують ферменту як хімічну, а й динамічну реактивність відтак, — автоматичний режим його роботи. Виниклі конформаційні зміни у фермент-субстратном комплексі супроводжуються розривом чи освітою хімічних зв’язків субстрату, які з вивільненням чи витратою енергії. У разі потреби ці процеси підтримуються хімічної енергією у вигляді АТФ. Бистрому перебігові ферментативної реакції сприяє висока хімічна промисловість та динамічна реактивність ферменту. Висока хімічна реактивність забезпечується режимом поліфункціонального каталізу, коли на превращаемую хімічну зв’язок субстрату одночасно діє стереохимическая комбінація різних каталитически активних хімічних угруповань активного центру (код операції) ферменту. Цікавим фактом тут і те, що білкові молекули стереохимическим способом вирішує відразу два завдання, — інформаційної комунікації і поліфункціонального каталізу. Динамічна реактивність ферменту, при взаємодії ферменту з субстратом, створює напруга, тобто орієнтує і фіксує взаємодіючі хімічні групи в такий спосіб, що це створює механічну складову, яка знижує енергію активації і сприяє ефективному проходженню реакції. Можна вважати, що, у межах зроблених допущень, інформаційна модель описує процес управління хімічної реакції, що веде до освіті продуктів реакції. Освіта продуктів реакції супроводжується порушенням їх фізико-хімічного відповідності управляючим кодовою компонентами ферменту, але це призводить до поверненню ферменту у початковий стан. Фермент, як взведённая пружина, повертаючись у вихідне стан, сприяє викиду продуктів реакції з активного центру. Етап фермент-субстратного взаємодії є заключним фрагментом биокибернетического управління, що вказував на єдність процесів управління і інформацією живої системі. Зауважимо також, що клітинна система відразу ж потрапляє отримує інформацію про перебіг керованих процесів як стереохимических кодів продуктів реакції, стаючи субстратами й інших ферментів чи виконують роль молекул зворотний зв’язок. Сигнальна (осведомляющая) інформація субстратів служить для інформування керуючої системи про стан керованих об'єктів, про перебіг реакцій, про ефективність що відбуваються процесів і т. буд. Знаковою здатністю білків клітини був частиною їхнього здатність адекватно і аналогічно відповідати досить слабкі інформаційні впливу, досить потужними оборотними конформационными змінами. У цьому вся, певне, і полягає основа і сутність їх біологічну активність. Здатність білка индуцированно збуджуватиметься і адекватно відповідати на сигнальну інформацію зміною своєї конформації є специфічної особливістю. Конформація ферменту змінюється при взаємодії його з субстратом, молекула гемоглобіну — при поєднанні з киснем, конформаційні зміни забезпечують функціонування скорочувальних білків тощо. буд. Здатність ферментів та інших білків клітини автоматично відповідати на слабкі інформаційні впливу, досить потужними оборотними конформационными змінами, використовується клітиною практично всім біологічних функцій.

4. Ферменти і білки — це молекулярні біологічні автомати з належним програмним управлінням. У живої клітині є чимало локально рассредоточенных об'єктів управління (субстратів). Для управління ними все вихідні управляючі апарати биокибернетической системи клітини повинні прагнути бути «механизированы і автоматизовані». Вони повинні бути обладнані системою адресної доставки, і навіть мати властивостями адаптивного управління, залежно від наявності об'єктів управління, регуляторних сигналів зворотний зв’язок чи фізико-хімічних впливів довкілля. Всіма цією властивістю в достатній мірі мають ферменти та інші функціональні білки живою клітиною, що є матеріальними носіями як програмних засобів, а й самих управляючих органів прокуратури та механізмів. У зв’язку з цим, в молекулярно-биологической системі клітини, як вихідного управляючого ланки використовуються білки, й ферменти, які становлять молекулярні біологічні автомати чи маніпулятори із програмною управлінням [3]. У результаті стереохимического кодування і програмуванням кожен білок клітини отримує своє, як зовнішнє, і внутрішнє структурно-функціональне і информационно-программное забезпечення. До зовнішньому забезпечення білків можуть ставитися: 1) кошти інформаційної комунікації, — які становлять адресні стереохимические коди активних центрів, які з просторової комбінації амінокислотних залишків з різними R-группами; з допомогою таких кодів ферменти здатні до адресне пошуку, комплементарному взаємодії і зв’язування молекул субстрату; 2) зона хімічного каталізу, що є код каталітичної операції активного центру ферменту, що визначає характер хімічної реакції і складається з стереохимической комбінації різних бічних R-групп, які мають високої хімічної реактивністю; 3) до засобів комунікативного «спілкування» білка коїться з іншими молекулами клітини можуть також ставитися різноманітних та призначення локальні чи рельєфні поверхневі кодові микроматрицы. Вони утворені координатної мозаїкою різних, навіть дуже численних бічних R-групп, що у поглибленнях чи поверхневих ділянках білкової молекули. До внутрішньому забезпечення білкових молекул можуть ставитися: 1) кошти програмного забезпечення, які скоріш неявно, ніж у явною формі «завантажені і закладено» в амінокислотною «лінійної», та був, і тривимірній організації білкової молекули; 2) кошти структурної організації виконавчих органів прокуратури та механізмів білка, які мають високої динамічної реактивністю; 3) енергетичні кошти макромолекули, укладені її хімічних ковалентних і нековалентных (слабких) зв’язках, а потреби і у додатковій енергії у вигляді АТФ. Стереохимические (просторові) амінокислотні коди, перебувають у білкових молекулах (і передані по фізичним каналів зв’язку), по функціональному призначенню можуть розділятися на адресні коди, коди операцій, регуляторні, інформаційні, структурні коди та інших. Адресний код (чи коди), — служить для комплементарної рецепції функціонального адреси молекули (чи молекул) субстрату. З допомогою адресних кодів визначається клас біохімічних сполук (тобто вид молекулярної інформації), тип інформаційного елемента чи атомною групи для зв’язування його з активним центром. Код операції, — вказує характер хімічної операції (реакції) під час хімічних перетворень. Регуляторні коди, — служать до ухвалення інформаційних сигналів зворотного зв’язку під час функціонування ферменту. Інформаційні коди — це ті локальні чи поверхневі рельєфні біохімічні матриці, які є для зв’язування білкової макромолекули з її функціональними молекулярними партнерами чи партнерами по агрегатированию. Структурні коди — це те кодова організація хімічних літер у макромолекуле, що визначає структурну організацію виконавчих органів прокуратури та механізмів білкової молекули. Таке стереохимическое кодове поділ сигналів дозволяє білку динамічно і інформаційно взаємодіяти з різними молекулярними партнерами: з транспортними молекулами, з коферментами, з мембранами клітини, з АТФ, з регуляторними молекулами, з партнерами по агрегатированию тощо. буд. У зв’язку з цим, процес описи конкретного функціонального алгоритму білкової молекули мовою «стереохимических кодових команд» можна було б назвати — «програмуванням в стереохимических кодах». Метою стереохимического кодування білкових макромолекул є передача адресних інформаційних повідомлень під кодовою поділом різних за своєму призначенню сигналів. Кожен функціонально активний білок клітини, як молекулярний біологічний програмний об'єкт, завжди складається з даних, тобто, — функціональних біохімічних програмних елементів (амінокислот) і фізико-хімічних алгоритмів, визначених біохімічної логікою їх взаємодії. У цьому динамічна реактивність макромолекули білка пов’язані з кооперативним зміною сил притягування й відштовхування, тому вільна енергія взаємодії амінокислот у складі макромолекули, при інформаційному контакту з молекулярними партнерами, яких і визначає її функціональне поведінка. Коли енергії білкові молекули здатні адресно (інформаційно) взаємодіяти з молекулами АТФ, які у живої клітині виконують роль акумулятора хімічної енергії. Як бачимо, стереохимический мову живої форми матерії не тільки засіб висловлювання з повідомлень, а й засобом «природного спілкування» біологічних молекул друг з одним. Основною метою стереохимического кодування і програмуванням білкових молекул є: 1) передача в тривимірних структурах білків різних сполучень з стереохимическим кодовою поділом сигналів; 2) програмування роботи молекулярних органів прокуратури та виконавчих механізмів, визначальних функції білкових молекул; 3) підвищення помехоустойчивости з повідомлень, шляхом застосування комплементарных зворотного зв’язку, при взаємодії біологічних молекул друг з одним з допомогою їх біохімічних матриць; 4) підвищення достовірності передачі повідомлень, оскільки помилкове заміщення однієї амінокислоти в іншу у кожному стереохимическом коді, зазвичай, веде до «втрати» біологічного сигналу білкової молекули; 5) можливість регуляторного на управляючі стереохимические коди макромолекули ферменту шляхом «дозволу або заборони» на проходження управляючих команд (з допомогою регуляторних молекул зворотних зв’язків); 6) ощадливе використання різних компартментов, каналів зв’язку й т. буд. Отже, стереохимический принцип кодування та програмування функцій білкових молекул — це, насамперед, є той шлях, який безпосередньо веде від молекулярної інформації до біологічним характеристикам живої форми матерії. Нам досі неясний і незрозумілий цей найдавніший мову живої природи, який, цілком імовірно, не лише засобом молекулярного «спілкування», а й формою висловлювання біологічної сутності живої матерії. Тільки у такий спосіб програмується весь шлях збереження та біологічна доля будь-який активної макромолекули живою клітиною. Відтак, кожен фермент чи інший білок клітини стає власником своєї складної біологічної долі й починає функціонувати суворо у відповідність до тими обставинами, в що їх перебуває, і згідно з тим програмою, яка хімічним і стереохимическим способом завантажена у його лінійну і тривимірну структуру. Багато білки програмуються в такий спосіб, що вони могли реалізувати не тільки своє управляючу інформацію, а й специфічно могли сприймати і реагувати на осведомляющую інформацію сигнальних і регуляторних молекул. Отже, тривимірні структури білків може бути своїми «вхідними і вихідними» засобами обміну коїться з іншими молекулами клітини. До прикладу, аллостерический фермент, завдяки вихідним управляючим кодовою компонентами активного центру, завжди «знає» з якою об'єктом управління йому слід взаємодіяти, а завдяки набору вхідних кодових компонентів, які є для зворотний зв’язок, він може адекватно реагувати на інформаційні впливу сигнальних чи регуляторних молекул. Отже, у тому, щоб логічний механізм ферменту чи іншого білка клітини заробив і він здатний саме і швидко виконати все вказівки генів, у тому тривимірну структуру мають бути закладені як виконавчі органи влади та механізми, продовжує їх програмне, функціональне, енергетичне та інформаційний забезпечення. Таке умовне підрозділ деякі кошти структурного і інформаційного забезпечення макромолекул необхідне розуміння інформаційних принципів, і механізмів, що у основі функціонального поведінки як білкових, і інших біологічно активних молекул. Тепер ми знаємо, всі ці багатопланові цілі й завдання можуть виконуватися білковими молекулами лише наявністю у тому структурах багатофункціональних био-логических елементів — амінокислот, комбінаційний склад яких, у кожному даному випадку, визначається генами. Відомо, що є сенс дії інформаційних сигналів і повідомлень, зазвичай, зводиться до включення чи вимиканню «силових управляючих органів прокуратури та механізмів». У молекулярній біологічної системі ці функції зазвичай виконуються ферментами чи іншими білками, але, зауважимо, — лише з молекулярному рівні. Тут управління хімічними реакціями здійснюються як з допомогою високої хімічної реактивності ферментів, але і завдяки їхньою високою реактивності динамічної. У цьому будь-яка молекула субстрату сприймається відповідним ферментом як біологічний об'єкт управління, підлягає хімічному і динамічному (механічному) впливу. А сам об'єкт управління (субстрат), сприймає ці впливу, є «навантаженням», як апарату хімічного каталізу ферменту, так його «силового молекулярного приводу». Отже, фермент діє молекулу субстрату з допомогою хімічних, динамічних (механічних) та інформаційних коштів. А завдяки стереохимической формі подання ферменти здатні автоматичному режимі вирішувати ряд біологічних завдань: 1) динамічний пошук молекул субстрату (об'єктів управління) з їхньої сигнальним інформативним структурам; 2) прийом осведомляющей інформації молекул субстрату і підключення їх, через матричний контакт устрою комплементарного поєднання, до управляючим органам і механізмам ферменту; 3) рецепцію кодів осведомляющей інформації молекули (чи молекул) субстрату і перевірку їх у комплементарное відповідність управляючим сигналам — адресне коду і коду операції ферменту; 4) запуск силових молекулярних электронно-конформационных механізмів ферменту, через контакт устрою «комплементарного поєднання» ферменту з субстратом. Стереохимический контакт управляючих і сигнальних кодових компонентів ферменту і субстрату є достатньою інформаційної формою на виконавчі органи влади та механізми ферменту. Зрушення зарядів макромолекули, у час взаємодії її з молекулою субстрату, визначають динамічну реактивність ферменту призводять до зниження енергії активації і прискоренню проходження хімічної реакції, тобто до реалізації коду каталітичної операції. Отже, весь сенс проходження генетичної інформації залежить від управлінні ферментами різноманітних хімічних реакцій чи виконанні білками певних біологічних функцій. Тому всі генетично детермінований функцій управління за клітинної системі виконуються управляючими автоматами, тобто ферментами і білками. Динамічна організація білків включає у собі весь необхідний і достатній набір інформаційних, управляючих, програмних і енергетичних коштів, наявність яких свідчить про безсумнівну приналежність ферментів та інших функціональних білків клітини до категорії молекулярних біологічних автоматів чи маніпуляторів з гнучким програмним управлінням. Причому ключові ферменти цілком можливо зараховувати до категорії повних автоматів з авторегулированием, оскільки по закінченні робочого циклу вони лише починають його знову самостійно, а й можуть регулювати проходження хімічних реакцій з допомогою сигнальних чи регуляторних молекул зворотний зв’язок. Відомо також, що деякі ферменти і білки, програмно об'єднуються між собою, чи з молекулами РНК в агрегатированные автомати і стають здатними до виконання найскладніших біологічних функцій. До молекулярным агрегатам що така можна віднести ДНК і РНК-полімерази, рибосоми, АТФ-синтетазу тощо. буд. Причому, кожен із, іноді досить складних апаратних пристроїв, пристосований виконувати певну послідовність команд і био-логических операцій, тобто, здатний реалізувати якісь алгоритми біологічної діяльності. Тому й тому випадку є всі підстави вважати про програмуванні молекулярних біологічних функцій. Отже, жива клітина сама «проектує», створює і застосовує для дистанційного управління високоефективні автоматичні молекулярні кошти зі програмним управлінням. Тільки завдяки молекулярным біологічним автоматам, маніпуляторам і агрегатам керівництво всіма клітинними процесами повністю «механізовано і автоматизовано», інформаційно скоординовано і ввозяться повній відповідності до тими генетичними програмами, які перенесені і завантажені у тому молекулярну структуру. Нині вже бракує сумнівів, причиною упорядкованим організації живої матерії є системна організація та висока інформаційна насиченість взаємодіючих біологічних молекул, несучих як управляючу інформацію — адресні і функціональні коди білків і ферментів, і сигнальну осведомляющую — хімічні коди субстратів. Інформаційна молекулярно-биологическая система самоврядування клітини — це комплекс різних молекулярних управляючих пристроїв і коштів, який, з одного боку, здійснює управління різними хімічними процесами і біологічними функціями, з другого — займається реорганізацією і реконструкцією своїх біологічних структур і компонентів. Тому ферменти та інші функціональні білки використовуються клітиною як вихідного керівної ланки її биокибернетической системи. І, справді, лише у клітинних умовах ферменти здатні підвищувати «швидкості катализируемых ними реакцій в 108 — 1020 раз. Кількість оборотів найактивніших ферментів сягає 36 000 000 в 1мин. Таке число молекул субстрату, зазнає перетворення за 1 хвилину для одну молекулу ферменту» [4]. Зауважимо, таку неперевершену продуктивність і вибірковість, з погляду, можуть розвивати і виробляти лише молекулярні біологічні автомати з належним програмним управлінням. Зрозуміло, що подібні процеси що неспроможні забезпечуватися хімічними каталізаторами, хоч би унікальними чудовими властивостями де вони мали. Роботу ферментів, як організаторів всіх хімічних процесів живою клітиною, не можна визначати лише одним, хоч і істотним їх властивістю. Тому називати ферменти биокатализаторами хімічних процесів, з погляду сьогодні, більш ніж несучасно. Феномен био-логического управління з силам лише молекулярным біологічним автоматам і маніпуляторам. А поліфункціональний каталіз, використовуваний молекулярними біологічними автоматами (ферментами), застосовується лише як спосіб керування хімічними перетвореннями. Проте виборча хімічна промисловість та динамічна реактивність ферменту може здійснювати аж інформаційним шляхом. У зв’язку з цим, все білкові молекули є як потоки биоорганического речовини, але вони ж утворюють і інформаційні потоки і мережі, контролюючі різні біохімічні і молекулярні функції живою клітиною (організму). Програмування цими потоками та мереж забезпечується експресією десятків і сотень різних генів, об'єднаних між собою скоординованими керівниками й регуляторними впливами. Тим паче, що різні ферментативные системи, котрі перебувають часом з десятків і сотень ферментів, беруть участь у організації безлічі різних послідовностей які йдуть друг за іншому хімічних реакцій, що у сукупності становлять клітинний метаболізм, можна констатувати, що управління хімічними процесами і біологічними функціями клітини здійснюється молекулярними інформаційними потоками і мережами «автоматизованого» управління. Різні класи біомолекул виконують різні специфічні функції, що базуються на застосуванні своїх біохімічних елементів і своєю структурно-функциональной інформації. Так чи інакше, генетична інформація, проникаючи в біологічну структуру через її елементарний склад, переносить туди, й весь необхідний набір програмних, енергетичних і функціональних коштів, основі яких жива клітина сягає упорядкованості структур і процесів. У зв’язку з цим все клітинні процеси управляються і взаємно координуються тієї програмної інформацією, що у тепер перенесена і завантажена в молекулярну структуру функціональних біологічних молекул клітини. Радикально функції клітин можуть змінюватися лише за завантаженні у її апаратну частина нової молекулярної інформації, тобто за рахунок інших синтезованих біологічних молекул, і насамперед, — білкових макромолекул, які включаємо до складу різних молекулярних коштів, структур і компонентів, наприклад, у процесах розподілу чи диференціювання клеток.

Список литературы

1. Ю. Я. Калашніков. Основи молекулярної біологічної інформатики. — М., 2004. — 66с. — Депонир. в ВІНІТІ РАН 13.04.04, № 622 — В2004, УДК 577.217: 681.51.

2. Ф. Айала, Дж. Кайгер. Сучасна генетика. Пер. з анг. в 3-х томах — М: Світ, 1988.

3. Ю. Я. Калашніков. Ферменти і білки — це молекулярні біологічні автомати з програмним управлінням. — М., 2002. — 25с. — Депонир. в ВІНІТІ РАН 21.05.02, № 899 — В2002, УДК 577.217: 681.51.

4. А. Ленинджер. Основи біохімії. Пер. з анг. в 3-х томах — М: Світ, 1985.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.