Калашников Юрий Яковлевич
Аннотация
Гены не могут напрямую контролировать и взаимосвязывать сложные биохимические процессы живой клетки. Поэтому они вынуждены кодировать и программировать структурное построение и функциональное поведение молекулярных управляющих средств, к которым, в первую очередь, относятся ферменты и другие клеточные белки. Каким же образом биологические функции могут быть запрограммированы в структурной организации белковых макромолекул? Этот вопрос, видимо, наиболее актуален в современной молекулярной биологии. Предлагая идеи “молекулярной биохимической логики и информатики”, автор в своей статье приводит и конкретные обоснования информационной концепции действия белков и ферментов, которые, как он утверждает, являются молекулярными биологическими автоматами или манипуляторами с программной биохимической логикой управления.
Непревзойденная избирательность действия ферментов и других белков клетки является одной из самых жгучих и волнующих загадок современной биохимии и молекулярной биологии. С ней связаны поиск и нахождение новых подходов и путей к секретам управления обменом веществ и поведения биологических молекул в живых системах. Живая форма материи до сих пор остается одной из самых таинственных мировых проблем. Даже сегодня кажется невероятным, что в ничтожном пространстве одной клетки скрыты все основные характеристики живого, – стремление к четкой структурной и функциональной организации, неуемная жажда активности, размножения и распространения. Однако, несмотря на величайшее разнообразие и необычайную сложность живых форм, – все они имеют единую материальную элементную базу и дискретную молекулярную и клеточную организацию. Все живые клетки в своей основе имеют типовую молекулярно-биологическую систему управления и обладают генетической памятью с феноменальными информационными возможностями. А закономерности молекулярной биохимической логики и информатики, какими пользуются живые системы, по всей вероятности, и являются теми инструментами и механизмами, при помощи которых осуществляется не только структурная организация, но и управление биологической формой материи. Данная статья является продолжением весьма дискуссионной в биологии темы – “молекулярной информатики”, и посвящена информационным аспектам построения и функционального поведения белковых молекул, где попутно изложена и новая альтернативная концепция фермент-субстратных информационных взаимодействий.
1. Принципы и механизмы структурной организации белковых молекул. Программирование построения белковых молекул живой клетки, как известно, осуществляется универсальными клеточными аппаратными средствами транскрипции и трансляции, под руководством генетической информации. Логика структурного построения и функционального поведения белковых молекул определяется генами и природными свойствами стандартных био-логических элементов (аминокислот), которые входят в состав полипептидных цепей. А если учесть типовую дискретную организацию различных биологических молекул и структур, то в обобщенном виде можно сказать, – базовой основой организации биологической формы материи является генетическая информация и общий биохимический алфавит живой материи, который состоит более чем из 30 био-логических элементов (химических букв или символов) – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и других мономеров. По меньшей мере, существует два информационных уровня организации белковых (и других) макромолекул. На первом уровне построения – осуществляется последовательное ковалентное соединение соответствующих аминокислот в длинные полипептидные цепи. Так производится позиционное размещение аминокислот в “линейных” цепях, а, следовательно, и декодирование различного рода сигналов, информационных сообщений, инструкций и команд управления, передаваемых генами. Так осуществляется и запись нужного алгоритма структурного преобразования цепи, то есть – программирование трёхмерной организации белковой макромолекулы. При этом, загруженные в “линейную” цепь алгоритмы, – это воплощенные в последовательности аминокислот правила молекулярной биохимической логики, по которым, занесенные в цепь данные воспринимаются как элементарные сигналы, подлежащие исполнению. Здесь под алгоритмом следует понимать последовательность операций, которые выполняются аминокислотами в составе полипептидной цепи, сначала во время конформационного преобразования, а затем, и во время функционального поведения белковой молекулы. Таким образом, программирование структур и функций белковых молекул в клеточной среде осуществляется с помощью унифицированной системы био-логических элементов – аминокислот, которые являются химическими буквами белкового алфавита. А прохождение этих процессов осуществляется соответствующими аппаратными средствами транскрипции и трансляции под руководством генетической информации. Это стало возможным, благодаря тому, что все типовые аминокислоты обладают удивительными природными характеристиками. Все двадцать стандартных аминокислот оказались наделёнными такими химическими и физическими качествами и свойствами, сочетание которых позволяет им, в составе белковых молекул, одновременно выполнять буквально различные био-логические функции и операции. А именно: 1) служить в качестве строительных блоков, с помощью которых осуществляется физическое построение белковых молекул; 2) выполнять роль натуральных информационных единиц – химических букв, с помощью которых записывается молекулярная информация; 3) служить в качестве элементарных единиц аминокислотного кода, с помощью которого сначала идёт преобразование, а впоследствии, – воплощение и реализация генетической информации; 4) быть программными элементам, с помощью которых строятся алгоритмы структурного преобразования, а затем и программа функционального поведения ферментов и других белковых молекул; 5) обуславливать потенциальную и свободную химическую энергию белков и т. д. Здесь мы отметили лишь некоторые из основных направлений применения белкового алфавита. Однако, и из этих примеров ясно, что аминокислотная система действительно обладает уникальными многофункциональными природными качествами и свойствами, которые имеют фундаментальное значение в организации белковых молекул и их функций в любых живых клетках. Важно отметить, что указанные качества и свойства аминокислот существуют всегда и одновременно, и поэтому они, по своей сути, являются разными характеристиками одной и той же элементной базы. Только такое сочетание характеристик, позволяет аминокислотам обеспечивать в живой клетке и информационное построение белковых молекул, и программное управление их биологическими функциями. И всё это может осуществляться только на основе и за счет загруженной (аминокислотным кодом) в белковые макромолекулы структурной, программной и функциональной информации. Причем, каждая типовая аминокислота характеризуется наличием функциональных атомных групп (аминогруппы и карбоксильной группы), которые определяют её химические свойства и служат входными и выходными цепями, с помощью которых элементы могут ковалентно соединяться друг с другом в длинные полипептидные цепи. Кроме того, важно отметить, что каждая аминокислота имеет еще и свою, индивидуальную боковую атомную R-группу, которая в живой системе, как правило, используется в качестве – элементарного информационного химического сигнала! Поэтому, если в информационных технических системах наиболее широкое применение находят электрические сигналы, с переносчиком информации в виде импульсного тока или напряжения, то в молекулярно-биологических системах, в качестве элементарных сигналов, используются химические сигналы различных био-логических элементов общего алфавита – нуклеотидов, аминокислот, простых сахаров, жирных кислот и др., с переносчиком в виде их боковых атомных групп [1]. Наглядный пример: сообщение в цепи ДНК или РНК кодируется в виде последовательности нуклеотидов, а носителями генетической информации являются азотистые основания – “боковые” атомные группы нуклеотидов. Соответственно, и в полипептидной цепи белка это сообщение записывается в виде последовательности аминокислот, где носителями информации являются их боковые R-группы. “Линейную” “структурную основу любого пептида составляет зигзагообразный остов, образованный атомами углерода и азота. Направленные вовне по отношению к остову боковые R-группы любых соседних аминокислотных остатков ориентированы в противоположные стороны. На одном конце в молекуле пептида находится свободная аминогруппа, а на другом конце – свободная карбоксильная группа” [2]. Таким образом, ориентация соседних боковых атомных группировок в противоположные стороны позволяет полипептидной цепи в составе белка осуществлять сначала внутримолекулярные, а затем, и межмолекулярные информационные взаимодействия. Причем, если генетический код служит для переноса генетической программной информации на “линейную” структуру белка, то аминокислотный код является тем молекулярным кодом, с помощью которого осуществляется сначала преобразование, а затем, и, через деятельность белков, – воплощение и реализация генетической информации. Подробное изучение глобулярных и фибриллярных белков показало, что для каждого индивидуального белка характерна своя пространственная трёхмерная организация, которая зависит от его первичной структуры – то есть от информации, записанной линейным аминокислотным кодом. Заметим, что генетическим кодом кодируется только первичная – “линейная” структура полипептидной цепи. Однако “конкретная конфигурация (вторичная, третичная и четвертичная структуры) любого белка полностью определяется первичной структурой входящих в его состав полипептидных цепей и зависит от химических свойств боковых групп аминокислотных остатков” [2]. Следовательно, вторичная, третичная и четвертичная структуры белковых макромолекул кодируются и программируются уже другим молекулярным кодом – аминокислотным. Это ведёт к представлению, что только аминокислотный код обеспечивает трёхмерную структурную организацию белковой молекулы, а затем, и все её специфические свойства и функции. То есть, этот код, в первую очередь, предназначен для организации новой формы молекулярной информации – пространственной, стереохимической. Поэтому первый уровень организации белковых молекул характеризуется применением линейного аминокислотного кода, который служит основой преобразования линейной формы информации полипептидов в стереохимическую форму информации белковых молекул. Здесь следует обратить внимание на то, что различные аминокислоты полипептидной цепи, по всей вероятности, тоже организованны в виде отдельных комбинационных кодовых сигналов, определяющих (в клеточной среде) различные по своей биохимической характеристике зоны, участки и фрагменты, которые обуславливают соответствующие пути, порядок и последовательность информационной сборки белка. В полипептидных цепях белковых молекул кодируется разнообразнейшая информация. Поэтому важно знать, что любая полипептидная цепь всегда является тождественным эквивалентом соответствующего кодового послания генома, указывающего будущие характеристики белковой молекулы. Причем, каждое сообщение, при передаче информации в полипептидной цепи белка, по всей видимости, передаётся своим индивидуальным кодом (кодовыми комбинациями аминокислот). Поэтому информация в цепи может содержать как свою адресную и “операционную”, так и свою структурную и текстовую (информационную) части. Значит, различные информационные сообщения в полипептидных цепях могут быть представлены различными молекулярными кодами и кодовыми комбинациями аминокислотных остатков. Следовательно, в кодовых посылках структуры полипептидной цепи могут быть заключены: 1) адресные кодовые комбинации аминокислотных остатков, которые являются основой формирования адресных стереохимических кодов активного центра фермента (для коммуникативного взаимодействия с молекулами субстрата); 2) “операционная” кодовая комбинация аминокислот, – служит для формирования стереохимического кода операции активного центра, указывающего характер реакции; 3) структурная часть кодовой комбинации аминокислотных остатков, которая кодирует построение и одновременно осуществляет программное обеспечение исполнительных органов и механизмов белковых молекул; 4) текстовая (информационная) часть – кодирует и программирует средства информационной коммуникации белка с различными его молекулярными партнёрами. То есть, “информационная” часть полипептидной цепи предназначена для формирования различного рода локальных или поверхностных рельефных микроматриц, которые обычно располагаются на локальных или поверхностных участках белковой макромолекулы и состоят из многочисленных боковых R-групп аминокислотных остатков. Эффективность применения в живых системах молекулярных кодов обеспечивается многократным циклическим их повторением в структурах типовых биомолекул. Бесконечная череда длинных дискретных сообщений (в виде иРНК, полипептидных цепей и белковых молекул), по своей сути, и представляет собой, ничто иное, как те управляющие информационные потоки и сети, которые осуществляют циклическую передачу информации с целью управления, регулирования и контроля химических превращений и реализации различных молекулярных и других био-логических функций. Однако в живой клетке функционируют только трёхмерные биомолекулы и структуры, поэтому полипептидные цепи, с помощью аминокислотного кода, должны быть преобразованы из линейной формы в пространственную – стереохимическую. Поэтому второй информационный уровень организации белковых молекул – пространственный, осуществляется уже при помощи химических связей, значительно более слабых, чем ковалентные. Это происходит потому, что боковые R-группы тех аминокислот, которые в цепи связаны ковалентно, способны к слабым информационным взаимодействиям с другими боковыми R-группами, как в пределах одной макромолекулы, так и с боковыми группами и атомами близлежащих молекул. К таким взаимодействиям относятся слабые: водородные и ионные связи, ван-дер-ваальсовы силы, гидрофобные взаимодействия, которые в совокупности, благодаря их многочисленности и разнообразию, оказываются весьма сильными. Через посредство этих сил и связей идёт воплощение линейной молекулярной информации в пространственную структуру и стереохимическую форму информации белковых молекул. Cвязывание, взаимодействующих молекулярных структур, как правило, многоточечное. Оно осуществляется за счет участия многочисленных боковых атомных R-групп программных элементов, входящих в состав полипептидной цепи, то есть за счет информации. В результате таких преобразований “одномерная” молекулярная информация полипептидных цепей “сворачивается, пакуется и сжимается” в трёхмерную информацию белковых молекул, которая в таком виде становится пригодной для транспортировки, передачи по различным каналам и компартментам, а затем, и для непосредственного использования в различных биологических процессах. Заметим, что эти информационные силы и связи определяют не только степень прочности белковых макромолекул, но обуславливают и их функциональные возможности. Наличие в структурах белковых макромолекул как внутримолекулярных, так и внешних информационных сил и связей взаимодействия (обусловленных R-группами составляющих их элементов), которые сами по себе слабы, но мощны своей многочисленностью и разнообразием, позволяет говорить о том, что внутри и вокруг макромолекулы образуется специфическое силовое “информационное поле”. Это поле способно влиять как на структуру самого белка, так и на его микроокружение. Поэтому белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным кооперативными силами притяжения между боковыми атомными R-группами аминокислот. А лабильность самой полипептидной цепи в пространственной решетке, с её многочисленными боковыми R-группами элементов, позволяет осуществлять не только точную комплементарную “подгонку” внутримолекулярных структур, но и “подгонку” локальных или поверхностных структур, взаимодействующих друг с другом биомолекул. Трансформация линейных генетических сообщений в трёхмерную структуру и форму различных белковых молекул, – это важный этап перехода биологической информации из одной её молекулярной формы (линейной) в другую (стереохимическую). Линейный и пространственный элементарный состав белков определяется генами, а каждый био-логический элемент (аминокислота) в составе белковой молекулы тождественно может выполнять различные роли – как структурной, так и информационной единицы, как функционального, так и программного элемента. Поэтому все аппаратные средства живой клетки – белки, ферменты и другие клеточные компоненты обладают строго своей специфической структурной организацией, имеют своё информационное и функциональное назначение, а также своё индивидуальное энергетическое и программное обеспечение. И главное, – в результате стереохимических преобразований в структуре белковой молекулы формируются соответствующие молекулярные органы и исполнительные механизмы, а на локальных и поверхностных участках возникает такая пространственно-упорядоченная организация боковых атомных R-групп элементов, которая в живой системе играет роль стереохимических кодовых информационных сигналов. К таким сигналам могут относиться: стереохимические команды управления активного центра фермента (адресный код и код химической операции); различные сигнальные и регуляторные кодовые компоненты; коммуникативные локальные и поверхностные кодовые стереохимические матрицы (микроматрицы), служащие для информационного взаимодействия белковых молекул с их молекулярными партнёрами и т. д. При этом, сама программа функционирования белковой молекулы (благодаря программирующим свойствам элементов) коммутируется лабильными физико-химическими силами, связями и взаимодействиями между боковыми R-группами элементов (аминокислот) в составе её трёхмерной структуры. Поэтому природа взаимодействий боковых атомных групп, определяющих конформационные особенности и внутреннюю динамику белковой макромолекулы, имеет химическую основу и носит информационный характер. Нативная белковая макромолекула как бы стабилизируется самосогласованным сжимающим информационным полем, обусловленным силами притяжения между аминокислотами (программными элементами). А в результате преобразований каждый белок клетки получает своё индивидуальное структурное, информационное, энергетическое, функциональное и программное обеспечение. Поэтому, стереохимический принцип кодирования молекулярной биологической информации применяется живой природой для размещения в одной макромолекуле различных по своему назначению сигналов, сообщений, инструкций, команд управления, а также органов и механизмов их реализации [1]. Такая организация белковых молекул не обладает сильной структурной жесткостью, она всегда достаточно лабильна в тех пределах, которые необходимы для выполнения ими биологических функций. А функциональное поведение макромолекулы, при взаимодействии её с молекулярными партнёрами, определяется свободной энергией и результатом информационного взаимодействия как внутренних, так и внешних составляющих её элементов. Поэтому этот информационный уровень характеризуется уже взаимодействием биологических молекул друг с другом с помощью их локальных, рельефных или поверхностных микроматриц, в результате которых и возбуждаются их биологические функции. Как мы видим, в “молекулярной информатике” открывается большое поле деятельности для исследования информационных путей построения и программного поведения белковых молекул.