Информационная феноменология жизни. Часть I: Внутриклеточные информационные отношения
В связи с этим, видимо следует подчеркнуть фактически паритетную значимости фенотипической и генетической информации в жизненных процессах эукариотных клеток. Именно с помощью фенотипической информации и на ее основе происходит синергетическая увязка работы мультипрограммного пула эукариотных клеток. Это феноменологически существенно отличается от взглядов, представляющих возникновение эукариот как просто процесс ассимиляции нуклеопротеиновых комплексов. Да, последние исследования показали, что в основе многих нуклеопротеиновых комплексов эукариот лежат, например, белковые структуры архей. Но археи так и остались археями. Только внутриклеточная мультипрограммность – новое феноменологическое состояние управления жизнедеятельностью клеток, позволила на основе уже имеющихся в прокариотной биосфере ресурсов перейти к новой эре ароморфоза в живой природе.
Интересно отметить: если перестройка программного обеспечения в ходе перехода от прокапиот к эукариотам проходила как бы под императивом формирования его нового качеств – мультипрограммность (именно это являлось «решетом» естественного отбора), то перестройка hardware происходила на основе нового «технологического» уровня супрамолекулярных химических отношений. При этом опосредование в жизненных процессах новых hardware решений происходило обычно лишь после длительного их апробирования в условиях реализации возникающих новых возможностей software. Не эти ли обстоятельств затягивали процесс формирования современной структуры эукариотных клеток?
Представляется, что новизна «технологического» уровня супрамолекулярных химических отношений по сравнению с супрамолекулярными процессами формирования пражизни и прокариотной биосферы в эукариотной биосфере обусловлена качественно новым уровнем компонент и объектов супрамолекулярных отношений. Пожалуй, это эра полинуклеопротеидных комплексов и ансамблей. Рассматривая, например, процессы образования этих объектов с точки зрения фрактальной структуризации с ее феноменологическими плюсами и минусами, можно отметить, что агрегация в основном обусловлена реализацией принципа Э.Фишера «ключ – замок», в основе которого лежит стерическое соответствие и геометрическая комплементарность взаимодействующих компонентов. При этом довольно сложно оценить: что является рецептором и субстратом. Если в традиционной супрамоллекулярной химии акцентируются процессы самосборки и самоорганизации, то в биологии живой клетки большинство супрамолекулярных полинуклеопротеидных комплексов и ансамблей обладают также свойством управляемого разъединения полинуклеиновых и полипротеидных компонент без разрушения их имманентных структур. Подчеркнем, что именно разъединение, а не разрушительный распад супрамолекулярных полинуклеопротеидных комплексов и ансамблей.
Попробуем проинтерпретировать основные архитектурные и структурные различия организации hardware при однопрограммной (прокариоты) и мультипрограммной (эукариоты) жизни клеток.
Рибосома
Рибосомы – основополагающие органеллы клеток, обеспечивающие реализацию программируемых на основе генетической информации процессов формирования фенотипической информации (белков) для воплощения жизнедеятельности живых организмов на принципах конвариантной редупликации. С точки зрения информационных отношений каждая рибосома является самостоятельным операционным устройством (процессором в компьютерной терминологии), обеспечивающим прием необходимой генетической информации для последующего выполнения заданных в этой информации преобразований.
Напомним, как это реализуется в компьютерных технологиях. Процессоры являются главной частью аппаратного обеспечения компьютеров. Работа процессора состоит в выборе из памяти в определенной последовательности команд (инструкций) и их исполнения. На этом базируется выполнение компьютерных программ. Компьютерная программа представляет собой заданный конкретный набор инструкций, указывающих, в какой последовательности, над какими данными и какие операции должен выполнить процессор и в какой форме должен выдать результат. С этих позиций для выполнения очередной инструкции, в общем виде, процессор должен иметь следующие сведения. Во-первых, сведения по идентификации очередной инструкции из общего набора инструкций программы. Для компьютерных программ это обычно связано с идентификацией адреса очередной исполняемой инструкции в оперативной памяти компьютера. Во-вторых, содержание инструкции должно включать в себя:
– наименование исполняемой в этой инструкции операционной процедуры (в компьютерной терминологии – это код операции);
– идентификаторы операндов, участвующих в операционной процедуре (в компьютерной терминологии для загрузочных машинных модулей – это адреса ячеек оперативной памяти или специально выделенных регистров, включая операционное устройство процессора, в которых хранятся операнды);
– идентификатор средства, в которое должен быть выдан результат выполнения инструкции (в компьютерном представлении этот идентификатор по форме обычно аналогичен идентификаторам операндов).
Форма представления всех эти сведений образует систему команд конкретного процессора. В современных компьютерных технологиях представлены процессоры с различными системами команд как по способу идентификации очередной инструкции из общего набора инструкций программы, так и по форме содержания исполняемых инструкций.
По способу идентификации очередной инструкции различаются системы команд с принудительной адресацией очередной исполняемой инструкции и с естественной адресацией, когда команды выполняются одна за другой по нарастающему адресу их расположения в оперативной памяти компьютера. Создание процессоров на принципах принудительной адресации исполняемых команд достаточно редкое явление в компьютерных технологиях. Это обычно удел очень специализированных вычислительных и управляющих установок. Идентификатор при таком подходе указывается в предыдущей по последовательности исполнения инструкции. Эксклюзивность таких решений обусловлена обычно большой избыточностью процессорных ресурсов взаимодействия с памятью по сравнению с естественной переадресацией памяти хранимых команд. При естественной адресации в случаях необходимости ее несоблюдения в системе команд вводятся команды принудительного (безусловного и условного) перехода.
По перечню исполняемых операций процессоры могут существенно отличаться. Это связано обычно с назначением вычислительной установки и функцией, которую исполняет в ней процессор. Однако de facto на практике произошла определенная стандартизация систем команд, основными из которых являются архитектуры CISC (Complex Instruction Set Computer), предложенная фирмой IBM (США), и RISC (Reduced Instruction Set Computer).
Принципы идентификации операндов, участвующих в операционной процедуре, связаны с их поименованным количеством в формате команды. Различают безадресные, одно-, двух– и трехадресные команды. Безадресные команды предусматривают расположение операндов в фиксированных регистрах, одним из которых обычно является аккумулятор – операционное средство процессора. Поступление данных в фиксированный регистр синхронизируется с тактом работы процессора и осуществляется некоторыми внешними по отношению к процессору средствами. При одноадресной архитектуре процессоров один из операндов находится в аккумуляторе, а другой считывается из оперативной памяти или из специально выделенных регистров на основе идентификационного адреса, указанного в исполняемой команде. Дальнейшая адресность связана либо с указанием адреса второго операнда, либо с указанием адреса отсылки результата, либо того и другого вместе (при трехадресности). В безадресной и одноадресной архитектуре процессоров в их системе команд существует специальная операция выдачи результата.
Надо отметить, что процессоры с различными системами команд обычно несовместимы для исполнения загрузочных машинных модулей программ, созданных в различных системах команд. Выход из этого положения для обеспечения совместной работы компьютеров с различными системами команд и обмена программными продуктами достигается на основе компьютерных языков высокого уровня, в которых для каждой системы команд конкретного типа процессора создаются уникальные компиляторы преобразования текста программы с языка высокого уровня в машинный код загрузочного модуля программы. Но даже такой подход не всегда позволяет получить необходимый результат. Вот почему для различных типов процессоров достаточно часто создаются специфические пакеты программ в различных областях применения.
Исполнение предписаний указанных в каждой компьютерной команде осуществляется в процессоре различными аппаратными узлами (блоками). Феноменологически, с точки зрения непосредственно информационных отношений, выделяются два типа процессорных блоков: средства исполнения операции, заданной в команде (например, АЛУ – арифметико-логическое устройство) и средства информационной поддержки исполнения этой операции. Последние (средства информационной поддержки) на основании идентификационной информации, представленной в компьютерной команде, обеспечивают выбор необходимых операндов и загрузку ими, например, АЛУ, а также отсылку или фиксацию результатов выполнения операции в заданное компьютерной командой место (например, линки в структуре транспьютерных процессорных установок).
Фактически, именно с таких позиций представлены принципы функционирования рибосом академиком Российской академии наук директором Института белка Российской академии наук А. С.Спириным: «Биосинтез белка имеет два аспекта: химический и генетический. Генетическая сторона биосинтеза белка определяется тем, что поступление аминоацил- тРНК в рибосому строго детерминировано иРНК, являющейся копией гена, и порядок чередования кодирующих триплетов (кодонов) вдоль цепи иРНК однозначно задает структуру синтезируемого белка. Для этого рибосома сканирует цепь иРНК по триплетам и последовательно выбирает из раствора аминоацил- тРНК с соответствующими аминокислотными остатками, выбрасывая отработанные, децилированные тРНК.
В процессе биосинтеза белка рибосома: а)принимает кодированную генетическую информацию от ДНК в виде иРНК и расшифровыавет ее, б)катализирует образование пептидных связей в реакции транспептидации и в)передвигает цепь молекулы иРНК и молекулы тРНК. Таким образом, рибосома – сложная белоксинтезирующая частица, обладающая одновременно генетической (декодирующее устройство), энзиматической (рибосома как фермент пептидилтрансфераза) и механической (молекулярная машина) функциями. Очевидно, что эти функции базируются на специфической структуре рибосомы как рибонуклеопротеидной частице».
Рибосома, с точки зрения компьютерной архитектуры, представляет собой одноадресный процессор, система команд которого состоит лишь из одной операции – присоединение очередной аминокислоты к синтезируемой белковой молекуле (реакция транспептидации). При этом в структуре белков отсутствуют какие-либо циклы или ветвления, вследствие чего для реализации программ их синтеза не требуется наличия в теле программы управляющих команд условных и безусловных переходов. Сведения о начале и завершении программы являются идентичными для всех программ синтеза белков (трансляции), что обуславливает реализуемую в Природе возможность фактического вынесения их за непосредственные функции операционной части процессора, оставляя его систему команд монооперационной. Начало исполнения программ синтеза белка (инициализация трансляции) и завершение их работ структурно и функционально несколько отличаются у про– и эукариот, но для каждого надцарства они абсолютно идентичны. В этих условиях одноадресная архитектура процессора обеспечивается достаточностью оформления командных слов программы последовательно упорядоченным перечислением лишь идентификаторов операндов, участвующих в исполнении программы. Феноменологически можно интерпретировать и обратное представление: последовательно упорядоченное перечисление операндов в монооперационной системе команд достаточно для его представления как программы процессора с одноадресной архитектурой. Именно на этой феноменологической основе в Природе обеспечивается формирование и реализация информационных отношений по взаимодействию средств хранения генетической информации на линейно упорядоченных молекулах ДНК (РНК) и операционных средств ее обработки с целью синтеза линейно упорядоченной фенотипической информации «данных» – белковых молекул (результат выполнения генетической программы внутриклеточными процессорами – рибосомами), линейность структуры которых ограничивается именно архитектурой сформировавшегося операционного модуля на основе рРНК, обеспечивающего энзиматическую функцию реакции транспептидации по присоединению очередной аминокислоты к синтезируемой белковой молекуле.
Рибосомы у всех живых существ – от бактерий до человека – устроены очень похоже. На основании результатов его работы в области исследований рибосом и регулярного обдумывания этих результатов на протяжении последних 35 лет академик А. С.Спирин формулирует следующие принципы функционирования рибосомы в соответствии с современными знаниями о структурных особенностях рибосомы и ее функциональных проявлениях.
«Принцип № 1. Разделение декодирующей и энзиматической функций между субчастицами рибосомы. Транскрипция начинается с того, что иРНК, синтезируемая на ДНК в качестве копии одной из двух цепей последней, связывается с рибосомной частицей. При этом рибосомноя частица (у прокариот прямо и непосредственно, а у эукариот после некоторого скольжения вдоль некодирующей части иРНК) специфически взаимодействует с началом кодирующей последовательности иРНК…
Именно малая субчастица рибосомы (30S у прокариот и 40S у эукариот), и только она связывается с иРНК, т.е. служит первичным приемником генетической информации для белковосинтезирующего аппарата. Лишь в последствии, при завершении инициации трансляции, к ней присоединяется большая субчастица (50S прокариот и 60S у эукариот), образуя полную рибосомную частицу (70S у прокариот и 80S у эукариот), которая и будет производить элонгацию (синтез полипептидной цепи белка).
В процессе элонгации рибосома удерживает иРНК и движется относительно нее (или протягивает ее сквозь себя) в направлении от 5-конца к 3-концу. Удержание иРНК на рибосоме есть целиком и полностью функция малой рибосомной субчастицы, в то время как большая субчастица с иРНК никак не взаимодействует. Соответственно последовательное сканирование кодирующей последовательности иРНК (считывание генетической информации) в ходе элонгации осуществляется на малой субчастице транслирующей рибосомы.
Механизм потриплетного сканирования иРНК в ходе элонгации предполагает участие молекул тРНК, которые взаимодействуют прежде всего с малой рибосомной субчастицей… В результате кодон-антикодонного взаимодействия иРНК с тРНК на малой субчастице рибосомы происходит декодирование триплета иРНК: именно тот аминокислотный остаток, который был привешен к тРНК с комплиментарным антикодоном, оказался в рибосоме.[52]
Таким образом, малая рибосомная субчастица в изолированном состоянии воспринимает копию гена в форме тРНК и инициирует процесс ее трансляции, а в ходе трансляции малая субчастица полной рибосомы удерживает иРНК на себе, декодирует ее с помощью тРНК и последовательно перебирает ее кодоны и тРНК, используя механизм транслокации. Так как все эти операции с генетическим материалом, то указанные функции малой рибосомной частицы могут быть определены как генетические…
Большая субчастица транслирующей рибосомы выступает здесь как фермент, ответственный за образование пептидных связей и в целом за синтез (элонгацию) полипептидной цепи. Это главная энзиматическая функция рибосомы.
Следует отметить, что никакого отдельного от рибосомы белка-фермента, катализирующего образование пептидных связей на рибосоме, не существует. Не найдено и никакого специального белка в составе рибосомы, который бы обладал такой энзиматической функцией. Транспептидация катализируется пептидилтрансферазным центром самой рибосомы как интегральной частью большой рибосомной субчастицы, и основной вклад в организацию центра вносит, по-видимому, рибосомная РНК субчастицы…
Таким образом, существует четкое разделение труда между двумя субчастицами рибосомы: малая субчастица выполняет генетические функции, будучи ответственной за прием и декодирование генетической информации, в то время как большая участвует в энзиматических реакциях в процессе трансляции.
Принцип №2. Конформационная подвижность рибосомы. Работа рибосомы в качестве «лентопротяжного механизма» (последовательное считывание цепи иРНК от одного конца к другому) в ходе элонгации и ее способность перебрасывать сравнительно большие молекулярные массы (молекулы тРНК) из одного участка в другой в каждом элементарном элонгационном цикле предполагают ее механическую подвижность. Взаимная подвижность двух рибосомных субчастиц может быть основным видом крупноблочной работы рибосомы в ходе работы, и имеются экспериментальные свидетельства в пользу этого…
Конформационная подвижность рибосомы, и в первую очередь, взаимная подвижность рибосомных субчастиц позволяет решить эти проблемы… Рибосома при прохождении элонгационного цикла осциллирует между двумя конформационными состояниями: закрытым (сомкнутым) и открытым (разомкнутым). В сомкнутом состоянии рибосомные лиганды ( тРНК) зажаты между субчастицами, связаны максимальным количеством контактов с рибосомой и не имеют внутририбосомной подвижности. В разомкнутом состоянии рибосомы лиганды более подвижны, контакты с рибосомой менее полны, и имеется возможность их входа и выхода из рибосомы.[53] Периодическое смыкание-размыкание рибосомы является энергозависимым фактором элонгации. Это определяет следующий принцип функционирования рибосомы.
Принцип №3. ГТФ-зависимый катализ конформационных переходов. Все три шага элонгационного цикла – связывание аминоацил-тРНК, транспептидация и транслокация – это спонтанные процессы, сами по себе идущие с понижением свободной энергии… Свободная энергия гидролиза сложноэфирной связи между аминокислотным остатком и рибозой тРНК оценивается величиной от – 7 до – 8 ккал/моль, а свободная энергия гидролиза пептидной связи около – 0,5 ккал/моль. Следовательно, чистый выигрыш свободной энергии в реакции транпептидации составляет около – 7ккал/моль, т.е. сравним со свободной энергией гидролиза АТФ или ГТФ. Другими словами, транспептидация – экзергоническая реакция, способная «накормить» энергией работающую рибосому и обеспечить спонтанное прохождение элонгационного цикла. Для чего же тогда потребляется ГТФ, да еще и по две молекулы на элонгационный цикл?..
Раскрытие и закрытие субчастиц рибосомы осуществляются факторами элонгации EF1 и EF2, которые взаимодействуют с рибосомой только будучи связанными с ГТФ, а взаимодействие с рибосомой наводит ГТФазную активность, ГТФ гидролизуется. Таким образом на каждое смыкание-размыкание рибосомы расходуется одна молекула ГТФ. Так как при каждом элонгационном цикле рибосома смыкается-размыкается дважды, то две молекулы ГТФ расходуются на каждый цикл. Это есть энергетическая плата за эффективное (быстрое и надежное) функционирование рибосомы как молекулярной машины…
Показано, что гидролиз ГТФ в элонгационном цикле при участии рибосомы и факторов элонгации химически не сопряжен ни с какой другой ковалентной реакцией и не связан с образованием какого бы то ни было фосфорилированного интермедиата… Участие факторов элонгации и катализируемый ими гидролиз ГТФ очень сильно (на несколько порядков) увеличивает скорость элонгации. Это позволяет думать, что главная роль гидролиза ГТФ в элонгационном цикле чисто каталитическая, т.е. кинетическая, а не термодинамическая.» Таким образом в природе осуществляется повышение производительности процессора в условиях имеющейся «элементной базы», что является одной из важнейших задач схемотехники и при создании компьютеров. И это отнюдь не погоня за какими-либо рекордными достижениями. Стремление повысить быстродействие процессоров в первую очередь вызвано необходимостью повысить устойчивость и достоверность решения задач в условиях различных мешающих факторов как имманентного, так и трансцендентного аспектов.
Вот так, с биохимическими подробностями «аппаратной» реализации, представляется структурно-функциональное описание рибосомы как процессора. Подчеркивается структурное разделение операционных и коммуникационных процессорных узлов и высокий уровень консерватизма именно операционной части, реализующей энзиматическую функцию трансляции генетической информации в структуру «данных» фенотипической информации (синтез белков).
Консерватизм операционной части рибосом связан и обусловлен необходимостью реализации возможностей обработки любых вариаций поступающих на него программ в сложившихся в Природе формах представления генетической информации по синтезу белков. В противном случае возможность эволюции живого мира была бы не осуществима либо существенно затруднена. И все же, не смотря на эти жесткие условия обеспечения жизни и развития живой природы, происходит постепенное изменение структуры субчастиц рибосом. Особенно это заметно при возникновении новых протоколов информационных отношений, связанных с развитием мультипрограммной структуры генетической информации и возникновением надцарства эукариотов.
Можно отметить, что при переходе от прокариот к эукариотам степень изменчивости и усложнения (судя по коэффициенту седиментации) малой субчастицы рибосом более чем на 10% выше, чем изменения произошедшие в большой субчастице рибосом. Это, очевидно, вызвано тем, что генетический код программы синтеза белков остался неизменным, в то время как коммуникационные интерфейсы поступления генетической информации в процессор (рибосому) претерпели определенные изменения. Например, вместо комплиментарного РНК РНК узнавания, в которое вовлечена прединициирующая последовательность Шайна-Дальгарно прокариотных иРНК, эукариотные иРНК узнаются эукариоточескими рибосомами по кэпированному 5-концу с обязательным участием белка. Это связано с тем, что в отличие от прокариот эукариотная иРНК образует комплексы с белками для обеспечения ее метаболической стабильности при нахождении в свободном состоянии в цитоплазме. Имеются также другие вариации коммуникационных интерфейсов эукариотных рибосом относительно протоколов и интерфейсов работы прокариотных рибосом.
В этом ракурсе интересны результаты сотрудников Монреальского университета (Universite de Montrèal) в Канаде профессора биохимии С.Штейнберга и его студента К.Бокова по исследованию трехмерной структуры рибосомной РНК современных бактерий. Они пришли к выводу, что рибосомы могли сформироваться в результате постепенной эволюции из очень простой маленькой молекулы РНК – «проторибосомы», способной катализировать реакцию соединения двух аминокислот. Все остальные структурные блоки рибосомы последовательно добавлялись к проторибосоме, не нарушая ее структуру и постепенно повышая эффективность ее работы.
Реакция транспептидации (присоединение аминокислот к синтезируемой белковой последовательности) осуществляется молекулой 23S-рРНК. Поэтому исследователи логично предположили, что все началось именно с этой молекулы. Молекула 23S-рРНК достаточно велика и сложна, чтобы появиться в готовом виде в результате случайной комбинации нуклеотидов. Исследователи приняли гипотезу, что молекула 23S-рРНК произошла от более простой молекулы – предшественницы в результате постепенной эволюции путем последовательного добавления новых фрагментов.
Молекула 23S-рРНК состоит из шести основных структурных блоков, или доменов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из более мелких структурных единиц. Целостность трехмерной структуры молекулы поддерживается в основном водородными связями и на основе принципа комлиментарности, образуя двойные спирали, которые, взаимодействуя с последовательностями из нескольких идущих подряд аденозинов (А), формируют так называемые «А-минорные связи», играющие важную роль в структуризации молекулы.
Исследователи обратили внимание, что двойные спирали и образующиеся с ними А-минорные связи со стеками аденозинов распределены по шести доменам достаточно хаотично, но в пятом домене наблюдается необычное скопление двойных спиралей без аденозиновых стеков. Это можно трактовать, как однонаправленность А-минорных связей пятого домена молекулы 23S-рРНК. Было обнаружено. Что именно пятый домен молекулы 23S-рРНК обеспечивает сближение новой аминокислоты с предыдущей аминокислотой, уже присоединенной к белку, и катализирует присоединение новой аминокислоты к белку.