Ферменти та білки живої клітини це молекулярні біологічні автомати з програмним управлінням

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Калашников Юрій Якович

Анотація

Гени не можуть безпосередньо контролювати і взаємопов'язувати складні біохімічні процеси живої клітини. Тому вони змушені кодувати і програмувати структурну побудову і функціональне поведінка молекулярних керуючих засобів, до яких, в першу чергу, відносяться ферменти та інші клітинні білки. Яким же чином біологічні функції можуть бути запрограмовані в структурній організації білкових макромолекул? Це питання, мабуть, найбільш актуальна в сучасній молекулярній біології. Пропонуючи ідеї "молекулярної біохімічної логіки та інформатики", автор у своїй статті наводить і конкретні обгрунтування інформаційної концепції дії білків і ферментів, які, як він стверджує, є молекулярними біологічними автоматами або маніпуляторами з програмною біохімічної логікою управління.

Неперевершена вибірковість дії ферментів та інших білків клітини є однією з найбільш пекучих і хвилюючих загадок сучасної біохімії та молекулярної біології. З нею пов'язані пошук і знаходження нових підходів та шляхів до секретів управління обміном речовин і поведінки біологічних молекул в живих системах. Жива форма матерії до цих пір залишається однією з найбільш таємничих світових проблем. Навіть сьогодні здається неймовірним, що в незначному просторі однієї клітини сховані всі основні характеристики живого, - прагнення до чіткої структурної і функціональної організації, невгамовна жага активності, розмноження та розповсюдження. Однак, незважаючи на найбільше розмаїття і надзвичайну складність живих форм, - всі вони мають єдину матеріальну елементну базу і дискретну молекулярну і клітинну організацію. Всі живі клітини в своїй основі мають типову молекулярно-біологічну систему управління і володіють генетичною пам'яттю з феноменальними інформаційними можливостями. А закономірності молекулярної біохімічної логіки та інформатики, якими користуються живі системи, ймовірно, і є тими інструментами та механізмами, за допомогою яких здійснюється не тільки структурна організація, а й управління біологічної формою матерії. Дана стаття є продовженням вельми дискусійною в біології теми - "молекулярної інформатики", і присвячена інформаційним аспектам побудови та функціонального поведінки білкових молекул, де попутно викладена і нова альтернативна концепція фермент-субстратні інформаційних взаємодій.

1. Принципи і механізми структурної організації білкових молекул. Програмування побудови білкових молекул живої клітини, як відомо, здійснюється універсальними клітинними апаратними засобами транскрипції і трансляції, під керівництвом генетичної інформації. Логіка структурної побудови та функціонального поведінки білкових молекул визначається генами і природними властивостями стандартних біо-логічних елементів (амінокислот), які входять до складу поліпептидних ланцюгів. А якщо врахувати типову дискретну організацію різних біологічних молекул і структур, то в узагальненому вигляді можна сказати, - базовою основою організації біологічної форми матерії є генетична інформація і загальний біохімічний алфавіт живої матерії, що складається більш ніж з 30 біо-логічних елементів (хімічних літер або символів) - нуклеотидів, амінокислот, простих цукрів, жирних кислот та інших мономерів. Щонайменше, існує два інформаційних рівня організації білкових (та інших) макромолекул. На першому рівні побудови - здійснюється послідовне ковалентное з'єднання відповідних амінокислот в довгі поліпептидні ланцюги. Так проводиться позиційне розміщення амінокислот у "лінійних" ланцюгах, а, отже, і декодування різного роду сигналів, інформаційних повідомлень, інструкцій та команд керування, що передаються генами. Так здійснюється і запис потрібного алгоритму структурного перетворення ланцюга, тобто - програмування тривимірної організації білкової макромолекули. При цьому, завантажені в "лінійну" ланцюг алгоритми, - це втілені в послідовності амінокислот правила молекулярної біохімічної логіки, за якими, занесені в ланцюг дані сприймаються як елементарні сигнали, що підлягають виконанню. Тут під алгоритмом слід розуміти послідовність операцій, які виконуються амінокислотами у складі поліпептидного ланцюга, спочатку під час конформаційного перетворення, а відтак, і під час функціонального поведінки білкової молекули. Таким чином, програмування структур і функцій білкових молекул в клітинній середовищі здійснюється за допомогою уніфікованої системи біо-логічних елементів - амінокислот, які є хімічними літерами білкового алфавіту. А проходження цих процесів здійснюється відповідними апаратними засобами транскрипції і трансляції під керівництвом генетичної інформації. Це стало можливим, завдяки тому, що всі типові амінокислоти мають дивні природними характеристиками. Усі двадцять стандартних амінокислот виявилися наділеними такими хімічними та фізичними якостями і властивостями, поєднання яких дозволяє їм, у складі білкових молекул, одночасно виконувати буквально різні біо-логічні функції та операції. А саме: 1) служить в якості будівельних блоків, за допомогою яких здійснюється фізичне побудова білкових молекул, 2) виконувати роль натуральних інформаційних одиниць - хімічних літер, за допомогою яких записується молекулярна інформація; 3) служити в якості елементарних одиниць амінокислотного коду, за допомогою якого спочатку йде перетворення, а згодом, - втілення і реалізація генетичної інформації; 4) бути програмними елементами, за допомогою яких будуються алгоритми структурного перетворення, а потім і програма функціонального поведінки ферментів й інших білкових молекул; 5) обумовлювати потенційну і вільну хімічну енергію білків і т. д. Тут ми відзначили лише деякі з основних напрямів застосування білкового алфавіту. Однак, і з цих прикладів ясно, що амінокислотна система дійсно має унікальні багатофункціональними природними якостями і властивостями, які мають фундаментальне значення в організації білкових молекул та їх функцій у будь-яких живих клітинах. Важливо зазначити, що вказані якості і властивості амінокислот існують завжди й одночасно, і тому вони, за своєю суттю, є різними характеристиками однієї і тієї ж елементної бази. Тільки таке поєднання характеристик, дозволяє амінокислотам забезпечувати в живій клітині та інформаційне побудова білкових молекул, і програмне керування їх біологічними функціями. І все це може здійснюватися тільки на основі і за рахунок завантаженої (амінокислотним кодом) в білкові макромолекули структурної, програмної та функціональної інформації. Причому, кожна типова амінокислота характеризується наявністю функціональних атомних груп (аміногрупи та карбоксильної групи), які визначають її хімічні властивості і служать вхідними і вихідними колами, з допомогою яких елементи можуть ковалентно з'єднуватися один з одним у довгі поліпептидні ланцюги. Крім того, важливо відзначити, що кожна амінокислота має ще й свою, індивідуальну бічну атомну R-групу, яка в живій системі, як правило, використовується в якості - елементарного інформаційного хімічного сигналу! Тому, якщо в інформаційних технічних системах найбільш широке застосування знаходять електричні сигнали, з переносником інформації у вигляді імпульсного струму або напруги, то в молекулярно-біологічних системах, як елементарних сигналів, використовуються хімічні сигнали різних біо-логічних елементів загального алфавіту - нуклеотидів, амінокислот , простих цукрів, жирних кислот та ін, з переносником у вигляді їх бічних атомних груп [1]. Наочний приклад: повідомлення в ланцюзі ДНК або РНК кодується у вигляді послідовності нуклеотидів, а носіями генетичної інформації є азотисті основи - "бічні" атомні групи нуклеотидів. Відповідно, і в поліпептидного ланцюга білка це повідомлення записується у вигляді послідовності амінокислот, де носіями інформації є їх бічні R-групи. "Лінійну" "структурну основу будь-якого пептиду становить зигзагоподібний остов, утворений атомами вуглецю і азоту. Спрямовані зовні по відношенню до остова бічні R-групи будь-яких сусідніх амінокислотних залишків орієнтовані в протилежні сторони. На одному кінці у молекулі пептиду знаходиться вільна аміногрупа, а на іншому кінці - вільна карбоксильна група "[2]. Таким чином, орієнтація сусідніх бічних атомних угруповань в протилежні сторони дозволяє поліпептидного ланцюга у складі білка здійснювати спочатку внутрішньомолекулярні, а потім, і міжмолекулярні інформаційні взаємодії. Причому, якщо генетичний код служить для переносу генетичної програмної інформації на "лінійну" структуру білка, то амінокислотний код є тим молекулярним кодом, за допомогою якого здійснюється спочатку перетворення, а потім, і, через діяльність білків, - втілення і реалізація генетичної інформації. Докладне вивчення глобулярних і фібрилярних білків показало, що для кожного індивідуального білка характерна своя просторова тривимірна організація, яка залежить від його первинної структури - тобто від інформації, записаної лінійним амінокислотним кодом. Зауважимо, що генетичним кодом кодується тільки первинна - "лінійна" структура поліпептидного ланцюга. Проте "конкретна конфігурація (вторинна, третинна та четвертинна структури) будь-якого білка повністю визначається первинною структурою входять до його складу поліпептидних ланцюгів і залежить від хімічних властивостей бічних груп амінокислотних залишків" [2]. Отже, вторинна, третинна та четвертинна структури білкових макромолекул кодуються і програмуються вже іншим молекулярним кодом - амінокислотним. Це веде до подання, що тільки амінокислотний код забезпечує тривимірну структурну організацію білкової молекули, а потім, і всі її специфічні властивості та функції. Тобто, цей код, в першу чергу, призначений для організації нової форми молекулярної інформації - просторової, стереохимической. Тому перший рівень організації білкових молекул характеризується застосуванням лінійного амінокислотного коду, який служить основою перетворення лінійної форми інформації поліпептидів в стереохімічні форму інформації білкових молекул. Тут слід звернути увагу на те, що різні амінокислоти поліпептидного ланцюга, по всій імовірності, теж організовані у вигляді окремих комбінаційних кодових сигналів, що визначають (в клітинній середовищі) різні за своєю біохімічної характеристиці зони, ділянки і фрагменти, які обумовлюють відповідні шляхи, порядок і послідовність інформаційної збірки білка. У поліпептидних ланцюгах білкових молекул кодується найрізноманітніша інформація. Тому важливо знати, що будь-яка поліпептидний ланцюг завжди є тотожним еквівалентом відповідного кодового послання геному, що вказує майбутні характеристики білкової молекули. Причому, кожне повідомлення, при передачі інформації в поліпептидного ланцюга білка, по всій видимості, передається своїм індивідуальним кодом (кодовими комбінаціями амінокислот). Тому інформація в ланцюзі може містити як свою адресну і "операційну", так і свою структурну і текстову (інформаційну) частини. Значить, різні інформаційні повідомлення у поліпептидних ланцюгах можуть бути представлені різними молекулярними кодами і кодовими комбінаціями амінокислотних залишків. Отже, в кодових посилках структури поліпептидного ланцюга може бути укладено: 1) адресні кодові комбінації амінокислотних залишків, які є основою формування адресних стереохимических кодів активного центру ферменту (для комунікативної взаємодії з молекулами субстрату), 2) "операційна" кодова комбінація амінокислот, - служить для формування стереохімічні коду операції активного центру, що вказує характер реакції; 3) структурна частина кодової комбінації амінокислотних залишків, що кодує побудова та одночасно здійснює програмне забезпечення виконавчих органів і механізмів білкових молекул, 4) текстова (інформаційна) частина - кодує і програмує засоби інформаційної комунікації білка з різними його молекулярними партнерами. Тобто, "інформаційна" частина поліпептидного ланцюга призначена для формування різного роду локальних або поверхневих рельєфних мікроматріц, які зазвичай розташовуються на локальних або поверхневих ділянках білкової макромолекули і складаються з численних бічних R-груп амінокислотних залишків. Ефективність застосування в живих системах молекулярних кодів забезпечується багаторазовим циклічним їх повторенням в структурах типових біомолекул. Нескінченна низка довгих дискретних повідомлень (у вигляді іРНК, поліпептидних ланцюгів і білкових молекул), за своєю суттю, і являє собою, ніщо інше, як ті управляючі інформаційні потоки та мережі, які здійснюють циклічну передачу інформації з метою управління, регулювання та контролю хімічних перетворень і реалізації різних молекулярних і інших біо-логічних функцій. Однак у живій клітині функціонують тільки тривимірні біомолекули та структури, тому поліпептидні ланцюги, за допомогою амінокислотного коду, повинні бути перетворені з лінійної форми в просторову - стереохімічні. Тому другий інформаційний рівень організації білкових молекул - просторовий, здійснюється вже за допомогою хімічних зв'язків, значно більш слабких, ніж ковалентні. Це відбувається тому, що бічні R-групи тих амінокислот, які в ланцюга пов'язані ковалентно, здатні до слабких інформаційним взаємодіям з іншими бічними R-групами, як в межах однієї макромолекули, так і з бічними групами і атомами довколишніх молекул. До таких взаємодій відносяться слабкі: водневі та іонні зв'язки, ван-дер-ваальсові сили, гідрофобні взаємодії, які в сукупності, завдяки їх численності і різноманітності, виявляються досить сильними. Через посередництво цих сил і зв'язків йде втілення лінійної молекулярної інформації у просторову структуру і стереохімічні форму інформації білкових молекул. Cвязиваніе, взаємодіючих молекулярних структур, як правило, багатоточкове. Воно здійснюється за рахунок участі численних бічних атомних R-груп програмних елементів, що входять до складу поліпептидного ланцюга, тобто за рахунок інформації. У результаті таких перетворень "одномірна" молекулярна інформація поліпептидних ланцюгів "згортається, пакується і стискається" в тривимірну інформацію білкових молекул, яка в такому вигляді стає придатною для транспортування, передачі по різних каналах і компартментах, а потім, і для безпосереднього використання в різних біологічних процесах. Зауважимо, що ці інформаційні сили та зв'язку визначають не тільки ступінь міцності білкових макромолекул, але зумовлюють і їх функціональні можливості. Наявність у структурах білкових макромолекул як внутрішньомолекулярних, так і зовнішніх інформаційних сил та зв'язків взаємодії (обумовлених R-групами складових їх елементів), які самі по собі слабкі, але потужні своєю численністю й різноманітністю, дозволяє говорити про те, що всередині і навколо макромолекули утворюється специфічне силове "інформаційне поле". Це поле здатне впливати як на структуру самого білка, так і на його мікрооточення. Тому білкова макромолекула як би стабілізується самоузгоджених стискаючим інформаційним полем, обумовленим кооперативними силами притягання між бічними атомними R-групами амінокислот. А лабільність самої поліпептидного ланцюга в просторовій решітці, з її численними бічними R-групами елементів, дозволяє здійснювати не тільки точну комплементарную "підгонку" внутрішньомолекулярних структур, але і "підгонку" локальних або поверхневих структур, що взаємодіють один з одним біомолекул. Трансформація лінійних генетичних повідомлень в тривимірну структуру і форму різних білкових молекул, - це важливий етап переходу біологічної інформації з однієї її молекулярної форми (лінійної) до іншої (стереохимическая). Лінійний та просторовий елементарний склад білків визначається генами, а кожен біо-логічний елемент (амінокислота) у складі білкової молекули тотожне може виконувати різні ролі - як структурної, так і інформаційної одиниці, як функціонального, так і програмного елемента. Тому всі апаратні засоби живої клітини - білки, ферменти та інші клітинні компоненти володіють строго своєю специфічною структурною організацією, мають своє інформаційне та функціональне призначення, а також своє індивідуальне енергетичне і програмне забезпечення. І головне, - в результаті стереохимических перетворень в структурі білкової молекули формуються відповідні молекулярні органи та виконавчі механізми, а на локальних і поверхневих ділянках виникає така просторово-впорядкована організація бічних атомних R-груп елементів, яка в живій системі відіграє роль стереохимических кодових інформаційних сигналів. До таких сигналів можуть належати: стереохімічні команди управління активного центру ферменту (адресний код і код хімічної операції); різні сигнальні та регуляторні кодові компоненти; комунікативні локальні і поверхневі кодові стереохімічні матриці (мікроматріци), службовці для інформаційної взаємодії білкових молекул з їх молекулярними партнерами і т. д. При цьому, сама програма функціонування білкової молекули (завдяки програмуючим властивостями елементів) комутується лабільними фізико-хімічними силами, зв'язками і взаємодіями між бічними R-групами елементів (амінокислот) у складі її тривимірної структури. Тому природа взаємодій бічних атомних груп, які визначають конформаційні особливості та внутрішню динаміку білкової макромолекули, має хімічну основу і носить інформаційний характер. Нативна білкова макромолекула як би стабілізується самоузгоджених стискаючим інформаційним полем, обумовленим силами притягання між амінокислотами (програмними елементами). А в результаті перетворень кожен білок клітини отримує своє індивідуальне структурний, інформаційне, енергетичне, функціональне та програмне забезпечення. Тому, стереохімічні принцип кодування молекулярної біологічної інформації застосовується живою природою для розміщення в одній макромолекулі різних за своїм призначенням сигналів, повідомлень, інструкцій, команд управління, а також органів та механізмів їх реалізації [1]. Така організація білкових молекул не володіє сильною структурної жорсткістю, вона завжди достатньо лабильна в тих межах, які необхідні для виконання ними біологічних функцій. А функціональне поведінка макромолекули, при взаємодії її з молекулярними партнерами, визначається вільною енергією і результатом інформаційної взаємодії як внутрішніх, так і зовнішніх складових її елементів. Тому цей інформаційний рівень характеризується вже взаємодією біологічних молекул один з одним за допомогою їх локальних, рельєфних або поверхневих мікроматріц, в результаті яких і порушуються їхні біологічні функції. Як ми бачимо, в "молекулярної інформатики" відкривається велике поле діяльності для дослідження інформаційних шляхів побудови та програмного поведінки білкових молекул.

2. Адресний код і код операції активного центру ферменту є біо-логічну команду управління. Стереохімічні коди і мікроматріци, що представляють собою керуючі чи комунікативні сигнали білкових (як, втім, і інших) макромолекул, виникли в процесі еволюції живої матерії і в даний час є основою молекулярних інформаційних процесів у кожній живій клітині (організмі). Всі вони утворені відповідної просторової організацією бічних атомних угруповань біо-логічних елементів (хімічних літер або символів), що входять до складу кодових сигналів. Всі стереохімічні коди і біохімічні матриці білків, утворюються під час конформаційних перетворень "лінійних" поліпептидних ланцюгів в тривимірну структуру і форму. Таке динамічне інформаційну взаємодію елементів у складі біологічних молекул, що особливо характерно для білкових молекул, є основою динамічного механізму їх біологічних функцій. Біохімічна логіка інформаційних взаємодій, зокрема, зумовлює і протікання хімічних реакцій, так як вона заснована на явищах стереохімічні впізнавання відповідними ферментами різних біо-логічних елементів або їх функціональних і бічних атомних груп та їх хімічних зв'язків, тобто різних хімічних букв, символів і знаків біологічних молекул субстрату [1]. Стереохімічні коди активних центрів побудовані на основі амінокислотного коду, тому ферменти можуть адресно взаємодіяти з молекулою субстрату і швидко знаходити потрібну їм хімічний зв'язок і зв'язує групу. Кодові компоненти активних центрів ферментів можуть комплементарно взаємодіяти з доступними для них функціональними або бічними атомними групами і атомами молекули субстрату. Тому всі субстрати для своїх ферментів є сигнальними молекулами, що несуть інформують стереохімічні інформацію. На цих принципах заснована біохімічна логіка інформаційних взаємодій між ферментами і їх субстратами. Субстрати - це той хімічний та інформаційний матеріал, який обробляється системою, що управляє клітини. При цьому кожен фермент має необхідний і достатній набір інформаційних, енергетичних, програмних і керуючих молекулярних коштів, для того, щоб працювати в автоматичному режимі. Процедура управління хімічної реакції (перетворення субстрату), з хімічною та інформаційної точок зору, протікає як поліфункціональний каталіз, який детермінується керуючим сигналом, - кодовою комбінацією різних амінокислотних залишків активного центру ферменту. Основою стереохімічні керуючого сигналу, як правило, служить просторова кодова комбінація різних функціонально неоднорідних амнокіслотних залишків активного центру ферменту. Причому, амінокислоти, що утворюють кодові структури сигналу, по довжині поліпептидного ланцюга зазвичай знаходяться далеко один від одного і виявляються зближеними тільки при формуванні властивої даному ферменту тривимірної конформації. Стереохімічні коди активного центру зазвичай складаються з двох зон, які мають певне інформаційне та функціональне призначення. Та просторова комбінація атомних угруповань активного центру ферменту, яка здійснює пошук, впізнавання і орієнтацію молекули субстрату, контактує з непревращаемимі фрагментами субстрату і зміцнює його в активному центрі, тобто здійснює пошук, прийом і рецепцію його інформацією, - являє собою функціональний стереохімічні адресний код ферменту . У різних ферментів цей код має різне, але суворо своє певне смислове значення. Та просторова комбінація атомних угруповань активного центру ферменту, яка бере безпосередню участь в синтезі або розщепленні зв'язку субстрату і входить до каталітичну зону, - є кодом каталітичної операції, визначальним, в кожному конкретному випадку, характер хімічної реакції [1]. Таким чином, у ферментів формат команди управління може складатися з двох полів: адресного коду, за допомогою якого здійснюється динамічний пошук і рецепція молекули субстрату та коду каталітичної операції, який визначає характер хімічної реакції. Під час інформаційного фермент-субстратного взаємодії повинні бути знайдені і комплементарно відповідати один одному адресні та каталітичні кодові компоненти ферменту і молекули субстрату. Тому біохімічна логіка інформаційних взаємодій заснована на матричних взаємодіях кодових компонентів різних біомолекул. За принципом взаємодоповнюваності локальні або поверхневі мікроматріци молекулярних партнерів повинні комплементарно відповідати один одному. Отже, лише за збігом кодів у живій системі може здійснюватися контроль передачі і прийому молекулярної біологічної інформації. Після інформаційного етапу слід етап керуючих впливів, коли вступають в дію електронно-конформаційні механізми фермент-субстратного комплексу і йде керований акт хімічної реакції. Комплементарний стереохімічні контакт керуючих і сигнальних фермент-субстратні кодових компонентів є достатньою формою впливу на виконавчі органи ферменту. Цей контакт виконує роль "електронного ключа", який запускає електронно-конформаційні механізми апарату хімічного каталізу ферменту. Таким чином здійснюється передача інформації, що управляє виконавчим органам макромолекул. По всій імовірності, це і є ті, поки відсутні і розшукувані фрагменти інформаційного управління, що вказують на єдність процесів управління та інформації в кожній живій клітині. Важливо також підкреслити, що адресний код і код операції є просторовими комбінаційними кодами, тому в результаті стереохімічні кодування у різних класів ферментів вони приймають тільки своє смислове значення. Цим, мабуть, і пояснюється висока специфічність дії різних ферментів. Однак слід зазначити, що більш поширеним форматом команди управління є не одноадресних, а двохадресна команди, коли активний центр ферменту містить код операції та адреси двох різних молекул субстрату, що підлягають перетворенню. До цього типу належить більшість відомих керованих химиче-ських реакцій і, перш за все, реакції переносу атомних хімічних груп. Є також трехадресние і інші формати команд управління, коли активний центр ферменту містить додаткові адресні кодові групи, наприклад, для зв'язування з коферментом, з АТФ і т. д. На принципах різних варіантів адресації формуються і інші інформаційні сигнали, які, як правило, розміщені в поглибленнях або на поверхневих ділянках білкової молекули. Ці сигнали звичайно розміщені у вигляді окремих локальних або поверхневих кодових біохімічних матриць, які служать для інформаційної комунікації білка з іншими біологічними молекулами клітини.

3. Інформаційна концепція фермент-субстратні взаємодій. Довга поліпептидний ланцюг при побудові будь-якого білка виявляється як би застебнутій між окремими амінокислотами і фрагментами ланцюга за матричним комплементарної типу. При цьому відносно слабкі багатоточкові інформаційні взаємодії, обумовлені многочісленннимі бічними R-групами амінокислот, стають з одного боку, досить міцними для стабілізації нативної конформації білка, а з іншого - досить лабільними для участі їх у формуванні біологічних функцій. Що опинилися на поверхневих ділянках численні бічні R-групи організуються в локальні або поверхневі біохімічні матриці, які служать для інформаційної комунікації білка з іншими молекулами клітини. Білок будується на основі генетичного коду, з використанням хімічних і стереохимических принципів запису інформації, а це вже є достатньою умовою для того, щоб запропонувати і розглянути в даній статті інформаційну концепцію функціонального поведінки білкової молекули. Ясно, що білки клітини, як носії інформації у вигляді численних елементарних сигналів бічних груп, є вже не стільки засобами зберігання цієї інформації, скільки засобами її реалізації та втілення. У різних ситуаціях сполучною ланкою між керуючою системою і керованим процесом у живій клітині служать рецептори інформації - активні центри (або інші комунікаційні сигнали) і виконавчі органи та механізми ферментів або інших функціональних білків. Робота біологічних рецепторів тільки в деякій мірі нагадує роботу датчиків інформації, які використовуються в технічних системах. Біологічні рецептори, наприклад, ферментів самі здійснюють пошук, прийом і рецепцію субстратної інформації, що, за своєю суттю, є актом запрограмованого пошуку об'єкта управління (молекули субстрату), з "запитом" його інформації. Нативна макромолекула білка поза інформаційного впливу знаходиться у вихідному рівноважному стані. Каталітичний центр ферменту стає активним і готовим до виконання команди управління лише з моменту рецепції молекули справжнього субстрату. Рецепція інформації здійснюється активним центром ферменту за рахунок повної відповідності його адресного і каталітичного кодів хімічним кодовою групам субстрату, і завдяки їх комплементарним фізико-хімічними, стеричним і слабким енергетичним взаємодіям - електростатичним, гідрофобним, водневим, вандерваальсовим та ін А для того, щоб ці сили могли виникнути і діяти необхідно, перш за все, стеричних, просторове відповідність. Як вважають біологи, субстрат приєднується до активного центру ферменту, який геометрично і хімічно є хіба що негативний відбиток молекули субстрату, тобто - комплементарний їй. А з інформаційної точки зору - це процес рецепції кодових компонентів і перевірка їх на функціональний відповідність один одному. Тому рецепція і прийом інформують кодової інформації субстрату закінчується підключенням його молекули, через контакт "пристрою комплементарного сполучення" активного центру, до керуючим органам і механізмам ферменту. У зв'язку з цим, взаємодія і контакт реагуючих білків і молекул у живій системі є подією інформаційним, генетично обумовленим, а не випадковим як, наприклад, при взаємодії молекул в чисто хімічної реакції. Таким чином, фермент-субстратні взаємодії можна представити у вигляді інформаційної моделі, заснованої на стереохимических принципи і правила молекулярної біохімічної логіки. Ферменти мають своєю програмою "дотикального" розпізнавання кодових компонентів молекул субстрату, які комплементарні за хімічними та стеричним (геометричним) характеристикам їх активного центру. Адресний код і код операції кожного типового ферменту має свій елементарний склад і індивідуальне просторове розташування бічних атомних угруповань в активному центрі, тому вивчення стереохимических кодів білкових молекул є однією з багатьох завдань молекулярної біологічної інформатики. Процес рецепції інформації справжнього субстрату, здійснюваний активним центром ферменту, викликає конформаційні зміни в фермент-субстратного комплексу, при яких кодові хімічні групи ферменту і молекули субстрату займають саме оптимальне положення для проходження каталітичної операції. Важливо відзначити, що підключення об'єкта управління (молекули субстрату), через кодовий стереохімічні контакт комплементарного сполучення, веде до індукції електронно-конформаційного збудження фермент-субстратного комплексу. Приєднання справжнього субстрату спочатку веде до перекидання електронів і протонів між ферментом і молекулою субстрату, посиленню електронної перебудови вздовж сполученої системи зв'язків, що відповідно призводить до порушення фермент-субстратного комплексу і, як підсумок, завдяки рухомим водневим зв'язкам, веде до динамічних конформаційним зрушень і спрацьовування "силового молекулярного приводу" апарату хімічного каталізу ферменту. Ці механізми забезпечують ферменту не тільки хімічну, але і динамічну реактивність і, як результат, - автоматичний режим його роботи. Виниклі конформаційні зміни в фермент-субстратного комплексу супроводжуються розривом або утворенням хімічних зв'язків субстрату, які відбуваються з вивільненням або витратою енергії. У разі необхідності ці процеси підтримуються хімічної енергією у формі АТФ. Швидкому протіканню ферментативної реакції сприяє висока хімічна та динамічна реактивність ферменту. Висока хімічна реактивність забезпечується режимом поліфункціонального каталізу, коли на перетворювану хімічний зв'язок субстрату одночасно діє стереохимическая комбінація різних каталітично активних хімічних угруповань активного центру (код операції) ферменту. Цікавим фактом тут є те, що білкові молекули стереохимических способом вирішує відразу два завдання, - інформаційної комунікації та поліфункціонального каталізу. Динамічна реактивність ферменту, при взаємодії ферменту з субстратом, створює напругу, тобто орієнтує і фіксує взаємодіючі хімічні групи таким чином, що це створює механічну складову, яка знижує енергію активації та сприяє ефективному проходженню реакції. Можна вважати, що, в рамках зроблених допущень, інформаційна модель описує процес управління хімічної реакції, що веде до утворення продуктів реакції. Освіта продуктів реакції супроводжується порушенням їх фізико-хімічного відповідності керуючим кодовою компонентів ферменту, а це призводить до повернення ферменту в початковий стан. Фермент, як зведена пружина, повертаючись у початковий стан, сприяє викиду продуктів реакції з активного центру. Етап фермент-субстратного взаємодії є заключним фрагментом біокібернетичного управління, що вказує на єдність процесів управління та інформації в живій системі. Зауважимо також, що клітинна система відразу ж отримує інформацію про хід керованих процесів у вигляді стереохимических кодів продуктів реакції, які стають субстратами для інших ферментів або виступають в ролі молекул зворотного зв'язку. Сигнальна (довідуються) інформація субстратів служить для інформування керуючої системи про стан керованих об'єктів, про хід реакцій, про ефективність процесів, що протікають і т. д. Відмінною здатністю білків клітини є їх здатність адекватно і подібним чином відповідати на досить слабкі інформаційні дії, достатньо потужними оборотними конформаційними змінами. У цьому, мабуть, і полягає основа і суть їх біологічної активності. Здатність білка індукованої порушуватися і адекватно відповідати на сигнальну інформацію зміною своєї конформації є специфічною особливістю. Конформація ферменту змінюється при його взаємодії з субстратом, молекула гемоглобіну - при з'єднанні з киснем, конформаційні зміни забезпечують функціонування скорочувальних білків і т. д. Здатність ферментів та інших білків клітини автоматично відповідати на слабкі інформаційні дії, досить потужними оборотними конформаційними змінами, використовується клітиною практично для всіх біологічних функцій.

4. Ферменти і білки - це молекулярні біологічні автомати з програмним управлінням. У живій клітині є безліч локально розосереджених об'єктів управління (субстратів). Для ефективного управління ними всі вихідні управляючі апарати біокібернетичними системи клітини повинні бути "механізовані і автоматизовані". Вони повинні бути забезпечені системою адресної доставки, а також мати властивості адаптивного управління, в залежності від наявності об'єктів управління, регуляторних сигналів зворотного зв'язку або фізико-хімічних впливів навколишнього середовища. Всіма цими властивостями в достатній мірі володіють ферменти та інші функціональні білки живої клітини, які є матеріальними носіями не тільки програмних засобів, а й самих керуючих органів і механізмів. У зв'язку з цим, в молекулярно-біологічної системі клітини, в якості вихідного керуючого ланки використовуються білки і ферменти, що представляють собою молекулярні біологічні автомати або маніпулятори з програмним управлінням [3]. У результаті стереохімічні кодування та програмування кожен білок клітини отримує своє, як зовнішнє, так і внутрішнє структурно-функціональний та інформаційно-програмне забезпечення. До зовнішнього забезпечення білків можуть належати: 1) засоби інформаційної комунікації, - представляють собою адресні стереохімічні коди активних центрів, які складаються з просторової комбінації амінокислотних залишків з різними R-групами; за допомогою таких кодів ферменти здатні до адресного пошуку, комплементарної взаємодії і зв'язування молекул субстрату, 2) зона хімічного каталізу, що представляє собою код каталітичної операції активного центру ферменту, який визначає характер хімічної реакції і складається з стереохимической комбінації різних бічних R-груп, що володіють високою хімічною реактивністю, 3) до засобів комунікативного "спілкування" білка з іншими молекулами клітини можуть також відноситися різного роду і призначення локальні або рельєфні поверхневі кодові мікроматріци. Вони утворені координатної мозаїкою різних, іноді дуже численних бічних R-груп, що знаходяться в поглибленнях або на поверхневих ділянках білкової молекули. До внутрішнього забезпечення білкових молекул можуть належати: 1) засоби програмного забезпечення, які швидше неявно, ніж в явній формі "завантажені і закладені" в амінокислотній "лінійної", а потім, і тривимірної організації білкової молекули, 2) засоби структурної організації виконавчих органів та механізмів білка, які володіють високою динамічною реактивністю, 3) енергетичні кошти макромолекули, укладені в її хімічних ковалентних і нековалентних (слабких) зв'язках, а при необхідності і в додатковій енергії у формі АТФ. Стереохімічні (просторові) амінокислотні коди, що знаходяться в білкових молекулах (і передаються по фізичних каналах зв'язку), за функціональним призначенням можуть розділятися на адресні коди, коди операцій, регуляторні, інформаційні, структурні коди та ін Адресний код (або коди), - служить для комплементарної рецепції функціонального адреси молекули (або молекул) субстрату. За допомогою адресних кодів визначається клас біохімічних з'єднань (тобто вид молекулярної інформації), тип інформаційного елемента або атомної групи для зв'язування його з активним центром. Код операції, - вказує характер хімічного операції (реакції) під час хімічних перетворень. Регуляторні коди, - служать для прийняття інформаційних сигналів зворотних зв'язків під час функціонування ферменту. Інформаційні коди - це ті локальні або поверхневі рельєфні біохімічні матриці, які служать для зв'язування білкової макромолекули з її функціональними молекулярними партнерами або партнерами по агрегатування. Структурні коди - це та кодова організація хімічних літер у макромолекулі, яка визначає структурну організацію виконавчих органів і механізмів білкової молекули. Таке стереохімічні кодове розділення сигналів дозволяє білку динамічно та інформаційно взаємодіяти з різними молекулярними партнерами: з транспортними молекулами, з коферментами, з мембранами клітини, з АТФ, з регуляторними молекулами, з партнерами по агрегатування і т. д. У зв'язку з цим, процес опису конкретного функціонального алгоритму білкової молекули на мові "стереохимических кодових команд" можна було б назвати - "програмуванням в стереохимических кодах". Метою стереохімічні кодування білкових макромолекул є передача адресних інформаційних повідомлень з кодовим поділом різних за своїм призначенням сигналів. Кожен функціонально активний білок клітини, як молекулярний біологічний програмний об'єкт, завжди складається з даних, тобто, - функціональних біохімічних програмних елементів (амінокислот) та фізико-хімічних алгоритмів, визначених біохімічної логікою їх взаємодії. При цьому динамічна реактивність макромолекули білка пов'язана з кооперативним зміною сил тяжіння і відштовхування, тому вільна енергія взаємодії амінокислот у складі макромолекули, при інформаційному контакті з молекулярними партнерами, і визначає її функціональне поведінку. При нестачі енергії білкові молекули здатні адресно (інформаційно) взаємодіяти з молекулами АТФ, які в живій клітині виконують роль акумулятора хімічної енергії. Як ми бачимо, стереохімічні мова живої форми матерії є не тільки засобом вираження інформаційних повідомлень, а й засобом "природного спілкування" біологічних молекул один з одним. Основною метою стереохімічні кодування та програмування білкових молекул є: 1) передача в тривимірних структурах білків різних повідомлень з стереохимических кодовим поділом сигналів, 2) програмування роботи молекулярних органів і виконавчих механізмів, що визначають функції білкових молекул, 3) підвищення завадостійкості інформаційних повідомлень, шляхом застосування комплементарних зворотних зв'язків, при взаємодії біологічних молекул один з одним за допомогою їх біохімічних матриць; 4) підвищення достовірності передачі повідомлень, так як помилкове заміщення однієї амінокислоти на іншу в будь-якому стереохимической коді, як правило, веде до "втрати" біологічного сигналу білкової молекули, 5 ) можливість регуляторного впливу на керуючі стереохімічні коди макромолекули ферменту шляхом "дозволу або заборони" на проходження керуючих команд (за допомогою регуляторних молекул зворотних зв'язків); 6) економне використання різних компартментов, каналів зв'язку і т. д. Таким чином, стереохімічні принцип кодування і програмування функцій білкових молекул - це, в першу чергу, і є той шлях, який безпосередньо веде від молекулярної інформації до біологічних характеристик живої форми матерії. Нам досі незрозумілий і незрозумілий цей найдавніший мова живої природи, який, ймовірно, є не тільки засобом молекулярного "спілкування", а й формою вираження біологічної сутності живої матерії. Тільки таким способом програмується весь шлях і біологічна доля будь-якої активної макромолекули живої клітини. Тому кожен фермент або інший білок клітини стає володарем своєї складної біологічної долі і починає функціонувати строго у відповідності з тими обставинами, в яких він знаходиться, і відповідно з тією програмою, яка хімічним і стереохімічні способом завантажена в його лінійну і тривимірну структуру. Багато білків програмуються таким чином, щоб вони могли реалізувати не тільки свою управляючу інформацію, а й специфічно могли сприймати і реагувати на інформують інформацію сигнальних і регуляторних молекул. Таким чином, тривимірні структури білків можуть володіти своїми "вхідними і вихідними" засобами обміну інформацією з іншими молекулами клітини. Приміром, аллостеріческій фермент, завдяки вихідним керуючим кодовою компонентів активного центру, завжди "знає" з яким об'єктом управління йому слід взаємодіяти, а завдяки набору вхідних кодових компонентів, які служать для зворотного зв'язку, він здатний адекватно реагувати на інформаційні дії сигнальних або регуляторних молекул . Отже, для того, щоб логічний механізм ферменту чи іншого білка клітини заробив і був здатний точно і швидко виконати всі вказівки генів, в їх тривимірну структуру повинні бути закладені як виконавчі органи і механізми, так і їх програмне, функціональне, енергетичне та інформаційне забезпечення. Таке умовне підрозділ на окремі засоби структурного та інформаційного забезпечення макромолекул необхідно для розуміння інформаційних принципів і механізмів, що лежать в основі функціонального поведінки як білкових, так і інших біологічно активних молекул. Тепер ми знаємо, що всі ці багатопланові цілі і завдання можуть виконуватися білковими молекулами тільки завдяки наявності в їх структурах багатофункціональних біо-логічних елементів - амінокислот, комбінаційний складу яких, в кожному конкретному випадку, визначається генами. Відомо, що сенс дії інформаційних сигналів та повідомлень, як правило, зводиться до включення або виключення "силових органів, що управляють і механізмів". У молекулярній біологічній системі ці функції зазвичай виконуються ферментами або іншими білками, але, зауважимо, - тільки на молекулярному рівні. Тут управління хімічними реакціями здійснюються не тільки за рахунок високої хімічної реактивності ферментів, але і за рахунок їх високої реактивності динамічною. При цьому будь-яка молекула субстрата сприймається відповідним ферментом як біологічний об'єкт управління, що підлягає хімічному і динамічному (механічному) впливу. А сам об'єкт управління (субстрат), що сприймає ці дії, є "навантаженням", як для апарату хімічного каталізу ферменту, так і для його "силового молекулярного приводу". Таким чином, фермент діє на молекулу субстрату за допомогою хімічних, динамічних (механічних) та інформаційних засобів. А завдяки стереохимической формою представлення інформації ферменти здатні в автоматичному режимі вирішувати ряд біологічних завдань: 1) динамічний пошук молекул субстрату (об'єктів управління) за їх сигнальним інформативним структурам; 2) прийом інформують інформації молекул субстрату і підключення їх, через матричний контакт пристрою комплементарного сполучення, до керуючим органам і механізмам ферменту; 3) рецепцію кодів інформують інформації молекули (або молекул) субстрату і перевірку їх на комплементарное відповідність керуючим сигналами - адресного коду і коду операції ферменту; 4) запуск силових молекулярних електронно-конформаційних механізмів ферменту, через контакт пристрої " комплементарного сполучення "ферменту із субстратом. Стереохімічні контакт керуючих і сигнальних кодових компонентів ферменту і субстрату є достатньою інформаційної формою впливу на виконавчі органи і механізми ферменту. Зрушення зарядів макромолекули, під час взаємодії її з молекулою субстрату, визначають динамічну реактивність ферменту і ведуть до зниження енергії активації і прискоренню проходження хімічної реакції, тобто до реалізації коду каталітичної операції. Таким чином, весь сенс проходження генетичної інформації полягає в управлінні ферментами різного роду хімічних реакцій або у виконанні білками певних біологічних функцій. Тому всі генетично детерміновані функції управління на відстані в клітинній системі виконуються керуючими автоматами, тобто ферментами і білками. Динамічна організація білків включає в себе весь необхідний і достатній набір інформаційних, управляючих, програмних і енергетичних засобів, наявність яких вказує на безсумнівну приналежність ферментів і інших функціональних білків клітини до категорії молекулярних біологічних автоматів або маніпуляторів з гнучким програмним управлінням. Причому ключові ферменти цілком можна віднести до категорії повних автоматів з авторегулюванні, так як після закінчення робочого циклу вони не тільки починають його знову самостійно, але і можуть регулювати проходження хімічних реакцій за допомогою сигнальних або регуляторних молекул зворотного зв'язку. Відомо також, що деякі ферменти та білки, програмно об'єднуються між собою або з молекулами РНК в агрегатовані автомати і стають здатними до виконання найскладніших біологічних функцій. До молекулярним агрегатів такого роду можна віднести ДНК і РНК-полімерази, рибосоми, АТФ-синтетазу і т. д. Причому, кожен з цих, іноді досить складних апаратних пристроїв, пристосований виконувати певну послідовність команд і біо-логічних операцій, тобто, здатний реалізувати якісь алгоритми біологічної діяльності. Тому і в даному випадку є всі підстави говорити про програмування молекулярних біологічних функцій. Таким чином, жива клітина сама "проектує", створює і застосовує для дистанційного управління високоефективні автоматичні молекулярні кошти з програмним управлінням. Тільки завдяки молекулярним біологічним автоматів, маніпуляторам і агрегатів управління всіма клітинними процесами повністю "механізовано й автоматизовано", інформаційно скоординовано та здійснюється у повній відповідності з тими генетичними програмами, які перенесено і завантажені в їх молекулярну структуру. Тепер вже не викликає сумнівів, що причиною впорядкованої організації живої матерії є системна організація та висока інформаційна насиченість взаємодіючих біологічних молекул, що несуть як керуючу інформацію - адресні та функціональні коди білків і ферментів, так і сигнальну інформують - хімічні коди субстратів. Інформаційна молекулярно-біологічна система самоврядування клітини - це комплекс різних молекулярних керуючих пристроїв і засобів, який, з одного боку, здійснює управління різними хімічними процесами та біологічними функціями, а з іншого - займається реорганізацією та реконструкцією своїх же біологічних структур і компонентів. Тому ферменти та інші функціональні білки використовуються клітиною в якості вихідного керуючого ланки її біокібернетичними системи. І, дійсно, тільки в клітинних умовах ферменти здатні підвищувати "швидкості каталізуються ними реакцій в 108 - 1020 разів. А число оборотів найбільш активних ферментів досягає 36 000 000 в 1хв. Таке число молекул субстрату, зазнає перетворення за 1 хвилину в розрахунку на одну молекулу ферменту "[4]. Зауважимо, що таку неперевершену продуктивність і вибірковість, на наш погляд, можуть розвивати і виробляти тільки лише молекулярні біологічні автомати з програмним управлінням. Ясно, що подібні процеси не можуть забезпечуватися хімічними каталізаторами, якими б унікальними і чудовими властивостями вони не володіли. Роботу ферментів, як організаторів усіх хімічних процесів живої клітини, не можна визначати тільки одним, хоча й істотним їх властивістю. Тому називати ферменти біокаталізаторами хімічних процесів, з точки зору сьогоднішнього дня, більше ніж несучасно. Феномен біо-логічного управління під силу лише молекулярним біологічним автоматів і маніпуляторам. А поліфункціональний каталіз, використовуваний молекулярними біологічними автоматами (ферментами), застосовується лише як спосіб управління хімічними перетвореннями. Однак виборча хімічна і динамічна реактивність ферменту може здійснюватися лише інформаційним шляхом. У зв'язку з цим, всі білкові молекули являють собою не тільки потоки биоорганического речовини, але вони ж утворюють і інформаційні потоки та мережі, контролюючі різні біохімічні і молекулярні функції живої клітини (організму). Програмування цих потоків і мереж забезпечується експресією десятків і сотень різних генів, об'єднаних між собою скоординованими керівниками й регуляторними впливами. А якщо врахувати, що різні ферментативні системи, що складаються часом з десятків і сотень ферментів, беруть участь в організації безлічі різних послідовностей що йдуть один за одним хімічних реакцій, які в сукупності складають клітинний метаболізм, то можна констатувати, що управління хімічними процесами та біологічними функціями клітини здійснюється молекулярними інформаційними потоками та мережами "автоматизованого" управління. Різні класи біомолекул виконують різні специфічні функції, які засновані на застосуванні своїх біохімічних елементів і своєї структурно-функціональної інформації. Так чи інакше, генетична інформація, проникаючи в біологічну структуру через її елементарний склад, переносить туди і весь необхідний набір програмних, енергетичних і функціональних засобів, на основі яких жива клітина досягає впорядкованості структур і процесів. У зв'язку з цим всі клітинні процеси управляються і взаємно координуються тому програмному інформацією, яка в даний час перенесена і завантажена в молекулярну структуру функціональних біологічних молекул клітини. Радикально функції клітин можуть змінюватися тільки при завантаженні в її апаратну частину нової молекулярної інформації, тобто вже за рахунок інших синтезованих біологічних молекул, і в першу чергу, - білкових макромолекул, що включаються до складу різних молекулярних засобів, структур і компонентів, наприклад, у процесах поділу або диференціювання клітин.

Список літератури

1. Ю. Я. Калашников. Основи молекулярної біологічної інформатики. - М., 2004. - 66с. - Депонується. у ВІНІТІ РАН 13.04.04, № 622 - В2004, УДК ​​577.217: 681.51

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

3. Ю. Я. Калашников. Ферменти і білки - це молекулярні біологічні автомати з програмним управлінням. - М., 2002. - 25с. - Депонується. у ВІНІТІ РАН 21.05.02, № 899 - В2002, УДК ​​577.217: 681.51

4. А. Ленінджер. Основи біохімії. Пер. з англ. в 3-х томах - М: Світ, 1985.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Реферат
100.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Верстати з числовим програмним управлінням ЧПУ
Проектування токарного верстата з числовим програмним управлінням підвищеної точності
Білки і ферменти
Будова і склад живої клітини
Молекулярні механізми секреції інсуліну і його дії на клітини
Ендокринологія молекулярні механізми секреції інсуліну і його дії на клітини
Деякі уявлення про біохімію живої клітини
Біологічні ритми як спосіб існування живої матерії
Цифрові автомати
© Усі права захищені
написати до нас