Ферменты и белки живой клетки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением

4. Ферменты и белки – это молекулярные биологические автоматы с программным управлением. В живой клетке имеется множество локально рассредоточенных объектов управления (субстратов). Для эффективного управления ими все выходные управляющие аппараты биокибернетической системы клетки должны быть “механизированы и автоматизированы”. Они должны быть снабжены системой адресной доставки, а также обладать свойствами адаптивного управления, в зависимости от наличия объектов управления, регуляторных сигналов обратной связи или физико-химических воздействий окружающей среды. Всеми этими свойствами в достаточной мере обладают ферменты и другие функциональные белки живой клетки, которые являются материальными носителями не только программных средств, но и самих управляющих органов и механизмов. В связи с этим, в молекулярно-биологической системе клетки, в качестве выходного управляющего звена используются белки и ферменты, представляющие собой молекулярные биологические автоматы или манипуляторы с программным управлением [3]. В результате стереохимического кодирования и программирования каждый белок клетки получает своё, как внешнее, так и внутреннее структурно-функциональное и информационно-программное обеспечение. К внешнему обеспечению белков могут относиться: 1) средства информационной коммуникации, – представляющие собой адресные стереохимические коды активных центров, которые состоят из пространственной комбинации аминокислотных остатков с различными R-группами; при помощи таких кодов ферменты способны к адресному поиску, комплементарному взаимодействию и связыванию молекул субстрата; 2) зона химического катализа, представляющая собой код каталитической операции активного центра фермента, который определяет характер химической реакции и состоит из стереохимической комбинации различных боковых R-групп, обладающих высокой химической реактивностью; 3) к средствам коммуникативного “общения” белка с другими молекулами клетки могут также относиться разного рода и назначения локальные или рельефные поверхностные кодовые микроматрицы. Они образованы координатной мозаикой различных, иногда весьма многочисленных боковых R-групп, находящихся в углублениях или на поверхностных участках белковой молекулы. К внутреннему обеспечению белковых молекул могут относиться: 1) средства программного обеспечения, которые скорее неявно, чем в явной форме “загружены и заложены” в аминокислотной “линейной”, а затем, и трёхмерной организации белковой молекулы; 2) средства структурной организации исполнительных органов и механизмов белка, которые обладают высокой динамической реактивностью; 3) энергетические средства макромолекулы, заключенные в её химических ковалентных и нековалентных (слабых) связях, а при необходимости и в дополнительной энергии в форме АТФ. Стереохимические (пространственные) аминокислотные коды, находящиеся в белковых молекулах (и передаваемые по физическим каналам связи), по функциональному назначению могут разделяться на адресные коды, коды операций, регуляторные, информационные, структурные коды и др. Адресный код (или коды), – служит для комплементарной рецепции функционального адреса молекулы (или молекул) субстрата. При помощи адресных кодов определяется класс биохимических соединений (то есть вид молекулярной информации), тип информационного элемента или атомной группы для связывания его с активным центром. Код операции, – указывает характер химической операции (реакции) во время химических превращений. Регуляторные коды, – служат для принятия информационных сигналов обратных связей во время функционирования фермента. Информационные коды – это те локальные или поверхностные рельефные биохимические матрицы, которые служат для связывания белковой макромолекулы с её функциональными молекулярными партнёрами или партнёрами по агрегатированию. Структурные коды – это та кодовая организация химических букв в макромолекуле, которая определяет структурную организацию исполнительных органов и механизмов белковой молекулы. Такое стереохимическое кодовое разделение сигналов позволяет белку динамически и информационно взаимодействовать с различными молекулярными партнёрами: с транспортными молекулами, с коферментами, с мембранами клетки, с АТФ, с регуляторными молекулами, с партнёрами по агрегатированию и т. д. В связи с этим, процесс описания конкретного функционального алгоритма белковой молекулы на языке “стереохимических кодовых команд” можно было бы назвать – “программированием в стереохимических кодах”. Целью стереохимического кодирования белковых макромолекул является передача адресных информационных сообщений с кодовым разделением различных по своему назначению сигналов. Каждый функционально активный белок клетки, как молекулярный биологический программный объект, всегда состоит из данных, то есть, – функциональных биохимических программных элементов (аминокислот) и физико-химических алгоритмов, определяемых биохимической логикой их взаимодействия. При этом динамическая реактивность макромолекулы белка связана с кооперативным изменением сил притяжения и отталкивания, поэтому свободная энергия взаимодействия аминокислот в составе макромолекулы, при информационном контакте с молекулярными партнёрами, и определяет её функциональное поведение. При недостатке энергии белковые молекулы способны адресно (информационно) взаимодействовать с молекулами АТФ, которые в живой клетке выполняют роль аккумулятора химической энергии. Как мы видим, стереохимический язык живой формы материи является не только средством выражения информационных сообщений, но и средством “естественного общения” биологических молекул друг с другом. Основной целью стереохимического кодирования и программирования белковых молекул является: 1) передача в трёхмерных структурах белков различных сообщений со стереохимическим кодовым разделением сигналов; 2) программирование работы молекулярных органов и исполнительных механизмов, определяющих функции белковых молекул; 3) повышение помехоустойчивости информационных сообщений, путём применения комплементарных обратных связей, при взаимодействии биологических молекул друг с другом с помощью их биохимических матриц; 4) повышение достоверности передачи сообщений, так как ошибочное замещение одной аминокислоты на другую в любом стереохимическом коде, как правило, ведёт к “потере” биологического сигнала белковой молекулы; 5) возможность регуляторного воздействия на управляющие стереохимические коды макромолекулы фермента путем “разрешения или запрета” на прохождение управляющих команд (при помощи регуляторных молекул обратных связей); 6) экономное использование различных компартментов, каналов связи и т. д. Таким образом, стереохимический принцип кодирования и программирования функций белковых молекул – это, в первую очередь, и есть тот путь, который непосредственно ведёт от молекулярной информации к биологическим характеристикам живой формы материи. Нам до сих пор неясен и непонятен этот древнейший язык живой природы, который, по всей вероятности, является не только средством молекулярного “общения”, но и формой выражения биологической сущности живой материи. Только таким способом программируется весь путь и биологическая судьба любой активной макромолекулы живой клетки. Поэтому каждый фермент или другой белок клетки становится обладателем своей сложной биологической судьбы и начинает функционировать строго в соответствии с теми обстоятельствами, в которых он находится, и в соответствии с той программой, которая химическим и стереохимическим способом загружена в его линейную и трёхмерную структуру. Многие белки программируются таким образом, чтобы они могли реализовать не только свою управляющую информацию, но и специфически могли воспринимать и реагировать на осведомляющую информацию сигнальных и регуляторных молекул. Таким образом, трёхмерные структуры белков могут обладать своими “входными и выходными” средствами обмена информацией с другими молекулами клетки. К примеру, аллостерический фермент, благодаря выходным управляющим кодовым компонентам активного центра, всегда “знает” с каким объектом управления ему следует взаимодействовать, а благодаря набору входных кодовых компонентов, которые служат для обратной связи, он способен адекватно реагировать на информационные воздействия сигнальных или регуляторных молекул. Следовательно, для того, чтобы логический механизм фермента или другого белка клетки заработал и был способен точно и быстро выполнить все указания генов, в их трёхмерную структуру должны быть заложены как исполнительные органы и механизмы, так и их программное, функциональное, энергетическое и информационное обеспечение. Такое условное подразделение на отдельные средства структурного и информационного обеспечения макромолекул необходимо для понимания информационных принципов и механизмов, лежащих в основе функционального поведения как белковых, так и других биологически активных молекул. Теперь мы знаем, что все эти многоплановые цели и задачи могут выполняться белковыми молекулами только благодаря наличию в их структурах многофункциональных био-логических элементов – аминокислот, комбинационный состав которых, в каждом конкретном случае, определяется генами. Известно, что смысл действия информационных сигналов и сообщений, как правило, сводится к включению или выключению “силовых управляющих органов и механизмов”. В молекулярной биологической системе эти функции обычно выполняются ферментами или другими белками, но, заметим, – только на молекулярном уровне. Здесь управление химическими реакциями осуществляются не только за счет высокой химической реактивности ферментов, но и за счет их высокой реактивности динамической. При этом любая молекула субстрата воспринимается соответствующим ферментом как биологический объект управления, подлежащий химическому и динамическому (механическому) воздействию. А сам объект управления (субстрат), воспринимающий эти воздействия, является “нагрузкой”, как для аппарата химического катализа фермента, так и для его “силового молекулярного привода”. Таким образом, фермент действует на молекулу субстрата с помощью химических, динамических (механических) и информационных средств. А благодаря стереохимической форме представления информации ферменты способны в автоматическом режиме решать ряд биологических задач: 1) динамический поиск молекул субстрата (объектов управления) по их сигнальным информативным структурам; 2) приём осведомляющей информации молекул субстрата и подключение их, через матричный контакт устройства комплементарного сопряжения, к управляющим органам и механизмам фермента; 3) рецепцию кодов осведомляющей информации молекулы (или молекул) субстрата и проверку их на комплементарное соответствие управляющим сигналам – адресному коду и коду операции фермента; 4) запуск силовых молекулярных электронно-конформационных механизмов фермента, через контакт устройства “комплементарного сопряжения” фермента с субстратом. Стереохимический контакт управляющих и сигнальных кодовых компонентов фермента и субстрата является достаточной информационной формой воздействия на исполнительные органы и механизмы фермента. Сдвиги зарядов макромолекулы, во время взаимодействия её с молекулой субстрата, определяют динамическую реактивность фермента и ведут к снижению энергии активации и ускорению прохождения химической реакции, то есть к реализации кода каталитической операции. Таким образом, весь смысл прохождения генетической информации заключается в управлении ферментами различного рода химических реакций или в выполнении белками определённых биологических функций. Поэтому все генетически детерминированные функции управления на расстоянии в клеточной системе выполняются управляющими автоматами, то есть ферментами и белками. Динамическая организация белков включает в себя весь необходимый и достаточный набор информационных, управляющих, программных и энергетических средств, наличие которых указывает на несомненную принадлежность ферментов и других функциональных белков клетки к категории молекулярных биологических автоматов или манипуляторов с гибким программным управлением. Причем ключевые ферменты вполне можно отнести к категории полных автоматов с авторегулированием, так как после окончания рабочего цикла они не только начинают его вновь самостоятельно, но и могут регулировать прохождение химических реакций с помощью сигнальных или регуляторных молекул обратной связи. Известно также, что некоторые ферменты и белки, программно объединяются между собой или с молекулами РНК в агрегатированные автоматы и становятся способными к выполнению сложнейших биологических функций. К молекулярным агрегатам такого рода можно отнести ДНК и РНК-полимеразы, рибосомы, АТФ-синтетазу и т. д. Причем, каждый из этих, иногда довольно сложных аппаратных устройств, приспособлен выполнять определённую последовательность команд и био-логических операций, то есть, способен реализовать какие-то алгоритмы биологической деятельности. Поэтому и в данном случае имеются все основания говорить о программировании молекулярных биологических функций. Таким образом, живая клетка сама “проектирует”, создаёт и применяет для дистанционного управления высокоэффективные автоматические молекулярные средства с программным управлением. Только благодаря молекулярным биологическим автоматам, манипуляторам и агрегатам управление всеми клеточными процессами полностью “механизировано и автоматизировано”, информационно скоординировано и осуществляется в полном соответствии с теми генетическими программами, которые перенесены и загружены в их молекулярную структуру. Теперь уже не вызывает сомнений, что причиной упорядоченной организации живой материи является системная организация и высокая информационная насыщенность взаимодействующих биологических молекул, несущих как управляющую информацию – адресные и функциональные коды белков и ферментов, так и сигнальную осведомляющую – химические коды субстратов. Информационная молекулярно-биологическая система самоуправления клетки – это комплекс различных молекулярных управляющих устройств и средств, который, с одной стороны, осуществляет управление различными химическими процессами и биологическими функциями, а с другой – занимается реорганизацией и реконструкцией своих же биологических структур и компонентов. Поэтому ферменты и другие функциональные белки используются клеткой в качестве выходного управляющего звена её биокибернетической системы. И, действительно, только в клеточных условиях ферменты способны повышать “скорости катализируемых ими реакций в 108 – 1020 раз. А число оборотов наиболее активных ферментов достигает 36 000 000 в 1мин. Такое число молекул субстрата, претерпевает превращение за 1 минуту в расчете на одну молекулу фермента” [4]. Заметим, что такую непревзойденную производительность и избирательность, на наш взгляд, могут развивать и вырабатывать только лишь молекулярные биологические автоматы с программным управлением. Ясно, что подобные процессы не могут обеспечиваться химическими катализаторами, какими бы уникальными и замечательными свойствами они не обладали. Работу ферментов, как организаторов всех химических процессов живой клетки, нельзя определять только одним, хотя и существенным их свойством. Поэтому называть ферменты биокатализаторами химических процессов, с точки зрения сегодняшнего дня, более чем несовременно. Феномен био-логического управления по силам лишь молекулярным биологическим автоматам и манипуляторам. А полифункциональный катализ, используемый молекулярными биологическими автоматами (ферментами), применяется лишь как способ управления химическими превращениями. Однако избирательная химическая и динамическая реактивность фермента может осуществляться только информационным путём. В связи с этим, все белковые молекулы представляют собой не только потоки биоорганического вещества, но они же образуют и информационные потоки и сети, контролирующие различные биохимические и молекулярные функции живой клетки (организма). Программирование этих потоков и сетей обеспечивается экспрессией десятков и сотен различных генов, объединённых между собой скоординированными управляющими и регуляторными воздействиями. А если учесть, что различные ферментативные системы, состоящие порой из десятков и сотен ферментов, участвуют в организации множества различных последовательностей идущих друг за другом химических реакций, которые в совокупности составляют клеточный метаболизм, то можно констатировать, что управление химическими процессами и биологическими функциями клетки осуществляется молекулярными информационными потоками и сетями “автоматизированного” управления. Разные классы биомолекул выполняют различные специфические функции, которые основаны на применении своих биохимических элементов и своей структурно-функциональной информации. Так или иначе, генетическая информация, проникая в биологическую структуру через её элементарный состав, переносит туда и весь необходимый набор программных, энергетических и функциональных средств, на основе которых живая клетка достигает упорядоченности структур и процессов. В связи с этим все клеточные процессы управляются и взаимно координируются той программной информацией, которая в данное время перенесена и загружена в молекулярную структуру функциональных биологических молекул клетки. Радикально функции клеток могут меняться только при загрузке в её аппаратную часть новой молекулярной информации, то есть уже за счет других синтезированных биологических молекул, и в первую очередь, – белковых макромолекул, включаемых в состав различных молекулярных средств, структур и компонентов, например, в процессах деления или дифференцировки клеток.

Перейти на страницу: 1 2 3 4 

Дополнительные материалы

Принцип работы и методика измерения.
Прибор имеет два входа, на которые подаются сигналы от датчиков. На один вход поступает сигнал датчика количества оборотов коленчатого вала, который представляет собой импульс с амплитудой равной 5В. Этот импульс вырабатывается в тот момент, когда ...

Введение в физику скачков
Тема качественных изменений остается едва ли не самой острой в начале XXI века. Посреди плавного и спокойного течения жизни мы оказываемся вдруг невольными свидетелями, участниками, а иногда - и жертвами внезапных и резких изменений в окру ...

Атомная энергия и человек
Современную цивилизацию отличают от всех предшествующих эпох два основных качества: обилие потребляемой энергии и совершенная система коммуникаций. Именно они составляют основу всех достижений технологии и техники нашего времени. Их символ ...

Разделы

Электромагнитный импульс как оружие

История вопроса и современное состояние знаний в области эми.

Лабораторные стенды в учебном процессе

Обзор и сравнительный анализ существующих стендов.

Аспекты технического знания

Технический объект и предмет технических наук.

Сварка металлов плавлением

Классификация электрической дуговой сварки.

Распределение примесей в кремнии

Описание процесса зонной плавки и ее математическая модель.



Наука сегодня и вчера - www.anytechnic.ru