НОУ ИНТУИТ | Инструктивный синтез нанометровых вычислительных структур. От задач к вычислительным моделям и структурам . Лекция 9: Нейроподобные модели как формально-логический базис анализа живых систем

Учитесь и получайте официальные документы БЕСПЛАТНО. Вы можете поддержать наш проект.

Регистрация Вход

Твой путь к знаниям!

Опубликован: 03.04.2013 | Доступ: свободный | Студентов: 354 / 30 | Длительность: 34:17:00

Темы: Искусственный интеллект и робототехника, Программное обеспечение, Нанотехнологии

Специальности: Разработчик аппаратуры

Теги: наноэлектроника, нейрокомпьютеры, нейроны, отказоустойчивость, нейрокибернетика

|

Вам нравится? Нравится 21 студенту

| Поделиться |

Поддержать курс

| Скачать электронную книгу

Абстрагируемся от конкретных молекулярно-биологических и физико-химических механизмов взаимного узнавания кодонов и анти-кодонов, но сохраним в многопороговой модели вариативный характер этих процедур, который не нарушает отношений вырожденности и/или комплементарности биологического кода. В частности, в любой процедуре идентификации "признак конца" должен быть инвариантен множеству идентифицируемых объектов или процессов. Этому требованию в каждом элементарном акте инструктированного синтеза биополимеров удовлетворяет константа комплементарности, которая представляет собой сумму взвешенных идентификационных активностей кодонов l_s^k и антикодонов $l_s^{a}$ и в нашем случае она равна:

$L_{0} = l^{k}_{s} + l^{a}_{s} = const =105.$

( 8.6)

Строгое выполнение критерия (8.6) нарушает вариативный характер процедуры взаимной идентификации фиксированного кодона -РНК и некоторой совокупности (квази)комплементарных антикодонов -РНК, так как, согласно экспериментальным данным (табл. 8.3 [219]), одной и той же аминокислотой можно "нагрузить" от одного до трех типов -РНК.

Таблица 8.2. Многопороговое представление биологического кода
$h_{j}$	кодон				$h_{j}$	кодон
	ЦЦЦ	111	21	ПРО	$h_{11}$	ЦАЦ	131	53	ГИС
	ЦЦУ	112	22		$h_{11}$	ЦАУ	132	54	ГИС
	ЦЦУ	112	22		$h_{12}$	ЦАА	133	55	ГЛН
	ЦЦА	113	23			ЦАГ	134	56
	ЦЦГ	114	24			ЦАГ	134	56
$h_{25}$	УЦЦ	211	25	CEP	$h_{13}$	УАЦ	231	57	ТИР
$h_{25}$	УЦУ	212	26	CEP	$h_{13}$	УАУ	232	58	ТИР
$h_{2}$	УЦА	213	27	CEP	$h_{14}$	УАА	233	59	ochre
$h_{2}$	УЦГ	214	28	CEP	$h_{14}$	УАГ	234	60	amber
$h_{3}$	АЦЦ	311	29	TPE	$h_{15}$	ААЦ	331	61	ACH
	АЦУ	312	30		$h_{15}$	ААУ	332	62	ACH
	АЦА	313	31		$h_{16}$	AAA	333	63	ЛИЗ
	АЦГ	314	32		$h_{16}$	ААГ	334	64	ЛИЗ
$h_{26}$	ГЦЦ	411	33	АЛА	$h_{17}$	ГАЦ	431	65	АСП
$h_{26}$	ГЦУ	412	34	АЛА	$h_{17}$	ГАУ	432	66	АСП
$h_{27}$	ГЦА	413	35	АЛА	$h_{18}$	ГАА	433	67	ГЛУ
$h_{27}$	ГЦА	413	35	АЛА		ГАГ	434	68
$h_{4}$	ГЦГ	414	36	АЛА		ГАГ	434	68
$h_{28}$	ЦУЦ	121	37	ЛЕЙ	$h_{33}$	ЦГЦ	141	69	APT
	ЦУУ	122	38			ЦГУ	142	70
	ЦУА	123	39			ЦГА	143	71
$h_{5}$	ЦУГ	124	40	ЛЕИ	$h_{19}$	ЦГГ	144	72	APT
$h_{6}$	УУЦ	221	41	ФЕН	$h_{20}$	УГЦ	241	73	ЦИС
$h_{6}$	УУУ	222	42	ФЕН	$h_{20}$	УГУ	242	74	ЦИС
$h_{29}$	УУА	223	43	ЛЕИ	$h_{21}$	УГА	243	75	END
$h_{7}$	УУГ	224	44	ЛЕИ	$h_{22}$	УГТ	244	76	ТРИ
$h_{30}$	АУЦ	321	45	ИЛЕ	$h_{23}$	АГЦ	341	77	CEP
$h_{30}$	АУУ	322	46	ИЛЕ	$h_{23}$	АГУ	342	78	CEP
$h_{8}$	АУА	323	47	ИЛЕ	$h_{24}$	ATA	343	79	АРГ
$h_{9}$	АУГ	324	48	МЕТ	$h_{24}$	АГГ	344	80	АРГ
$h_{31}$	ГУЦ	421	49	ВАЛ	$h_{34}$	ГГЦ	441	81	ГЛИ
$h_{31}$	ГУУ	422	50	ВАЛ	$h_{34}$	ГТУ	442	82	ГЛИ
$h_{32}$	ГУА	423	51	ВАЛ	$h_{35}$	ГГА	443	83	ГЛИ
$h_{10}$	ГУГ	424	52	ВАЛ		ГГГ	444	84	ГЛИ

Таблица 8.3. Таблица неоднозначности кодирования аминокислот
Аминокислота	Кодоны	Аминокислота	Кодоны	Аминокислота	Кодоны
гли-п	ГГ(У,Ц)	АЛА-1	ГЦ (А, Г)	ГЛИ-Ш	ГТТ
ИЛЕ	АУ (У, Щ	АРГ-П	АГ(А,Г)	ЛЕИ-1	ЦУГ
ФЕН	УУ(У,Щ	ГЛИ-1	ГГ(А,Г)	ЛЕИ-Ш	УУГ
CEP-I	УЦ(У,Ц)	СЕР-П	УЦ(А,Г)	МЕТ	АУТ
СЕР-Ш	АГ(У,Ц)	ВАЛ-1	ГУ (А, Г)	ТРИ	УГГ
ВАЛ-П	ГУ(У,Ц)
АЛА	ГЦ(У,Ц,А)Г	АРГ-I	ЦТ (У, Ц, А)	ВАЛ-I	ГУ (У, Ц, А)

Такому неоднозначному соответствию в реальных комплексах "ами-ноацил - -РНК" отвечает формальная схема взаимной идентификации -РНК и -РНК, в которой критерий (8.6) расчленен на две составляющие: дуплетную $\tilde{L}_{n}$ и мономерную $\Delta L_{0}$ , такие, что $L_0 = \tilde{L}_{0} + \Delta L_{0}$ . На первом этапе трансляции взаимное узнавание кодонов и антикодонов осуществляется по суммарной взвешенной идентификационной активности левых и центральных оснований: $\tilde{l}_{s} = w_{L}\cdot x^{s}_{L} + w_{c}\cdot x^{s}_{c}$ . Поэтому дуплетный "признак конца" имеет вид:

$\tilde{L}_{0} = \tilde{l}_{s}^{k} +\tilde{l}_s_a = const = 100,$

( 8.7)

что гарантирует только временное спаривание кодонов и антикодонов. Это условие является необходимым и проверяется структурным методом, то есть прямой подстановкой (замещением) "нагруженных" -РНК (см. рис. 8.2) в комплексе " -РНК - рибосома - аминоацил - -РНК" (см. рис. 8.1). Отделение аминокислоты от -РНК и включение ее в полимер синтезируемого белка требует соблюдения второго, достаточного условия:

$\Delta L_{0} = \Delta l_s^k + \Delta l_s^a =const =5, (\Delta l_{s} =w_{R} -x^s_R).$

( 8.8)

Условие (8.8) проверяется параметрической вариацией взвешенной идентификационной активности только правого основания антикодона $\Delta l^a_s = \varphi(\delta w^{a}_{R})$ и после того, как выполнено условие (8.7), то есть когда ком-плекс " -РНК - рибосома - аминоацил - -РНК" структурно фиксирован. Если допустимая вариация "веса" правого основания антикодона $\delta w^a_R$ не приводит к выполнению условия (8.8), то происходит замеще-ние "нагруженной" -РНК в комплексе и цикл 2-этапной структурно-параметрической идентификации повторяется.

Здесь:

$\delta w_{R}^a = (5-x_{R}^k)/Z_R^a,$

( 8.9)

где Z_R^a - идентификационная активность правого основания базового антикодона в "неоднозначном" подмножестве, причем соотношение (8.9) в реальных условиях можно реализовать как экспрессией, так и супрессией механизма "взвешивания" идентификационных активностей (анти)кодонов. Работу 2-этапной схемы структурно-параметрической идентификации проиллюстрируем на примере экспрессии механизмов подстановки в молекулу белка аминокислоты АЛА, которая входит в состав двух типов аминоациловых комплексов "АЛА - -РНК" и "АЛАI - -РНК" [219]. Согласно экспериментальным данным, первый из этих комплексов идентифицируется кодонами ЦГГ, ЦГА, ЦГУ и его можно обозначить АЛА - -РНК (ГЦЦ), а второй комплекс идентифицируется кодонами ЦГУ, ЦГЦ и его можно обозначить АЛАI - -РНК (ГЦА). Здесь в скобках указаны базовые антикодоны, основания которых (для простоты) перечислены в том же порядке, что и комплементарные им основания кодонов (см. рис. 8.1). Согласно (8.9), в формальной модели первому аминоациловому комплексу отвечают вариации $\delta w^a_{R}\in \{1; 2; 3\}$ , так как в этом случае $Z^a_R = v_{Ц} = 1$ , а $x_R^k\in \{v_{Г} = 4;v_A= 3;v_У= 2\}$ , а второму - вариации $\delta w^a_R\in\{1; 4/3\}$ , так как в этом случае $Z^{a}_R = v_A = 3$ , а $x_R^k \in \{v_У = 2;v_{Ц} = 1\}$ .

Пусть рибосомой инициализирован кодон ЦГЦ и первым на идентификацию поступил комплекс "АЛА - -РНК (ГЦЦ)", вариационную базу которого образует основание Ц, а вариационное смещение "веса" идентификационной активности составляет 3 шага, которые вычисляются согласно (8.9). В таких условиях сработает критерий (8.7), что приведет к образованию временно устойчивого комплекса "ЦГЦ - рибосома - АЛА - -РНК (ГЦЦ)". Однако допустимая вариация "веса" базового основания антикодона не обеспечивает выполнение условия (8.8): $\Delta L _{0}^1 = v_{Ц} +v_{Ц} = 2 < 5$ ; $\Delta L^{2}_0 = v_{Ц}+2v_{Ц} = 3 < 5$ ; $\Delta L^3_0 = v_{Ц}+3v_{Ц} = 4 < 5$ . В результате по правилам работы формальной модели аминоаци-ловый комплекс должен полностью отделиться от полисомы (ЦГЦ - рибосома). Если после этого к полисоме присоединится комплекс "АЛАI - -РНК (ГЦА)", то сменится вариационная база и вариационное смещение. Это приведет к срабатыванию условия (8.8): $\Delta L_0^1 = v_{Ц}+v_{А} = 4 < 5$ ; $\Delta L^{2}_0 = v_{Ц}+(4/3)v_А = 5 = 5$ . В результате согласно принятым правилам от полисомы должна отделиться только -РНК (ГЦА), а аминокислота АЛАI должна включиться в состав полимера белка.

Из приведенных данных видно:

В формальной модели отделение -РНК от полисомы происходит в любом случае, но при выполнении условия (8.8) аминокислота остается на полисоме для закрепления в структуре синтезируемого "биополимера", а при невыполнении этого условия она отходит от полисомы в составе аминоацилового комплекса.
Классические (много)пороговые модели отличаются от реальных молекулярно-биологических процессов механизмами настройки: в первых - это классическая параметрическая адаптация "весового" вектора, вектора порогов и правила подстановки выходного алфавита, а во вторых - это структурно-параметрическая идентификация.

В реальных условиях вариациям "веса" идентификационной активности базового нуклеотида отвечают конформационные преобразования вторичной и/или третичной структуры аминоацилового комплекса, в котором основания кодонов расположены в пространстве антисимметрично комплементарным им основаниям антикодонов. В нашем примере кодону ЦГЦ соответствует обратный порядок перечисления частично комплементарных оснований базового антикодона, то есть АЦГ. Поэтому в модели полноценная комплементарная пара может образоваться при срабатывании условия (8.7) и только между наиболее "весомыми" центральными основаниями антикодона и базового кодона, то есть пара Г-Ц. В реальных условиях это соответствует установлению водородных связей между менее "весомыми" и антисимметрично расположенными левым основанием кодона и правым основанием антикодона, что может привести к вращению первого. В результате такого скручивания реального комплекса "аминоацил - -РНК" происходит экспрессия "веса" антисимметричной условно комплементарной связи Ц-А до "взвешенного" значения, отвечающего полноценной комплементарной связи Ц-Г, что приводит к отрыву -РНК, но при выполнении условия (8.8) аминоацило-вый комплекс разрывается и аминокислота остается на полисоме.

Действие классического супрессора [230] в конечном счете сводится к тому, что он восстанавливает способность к синтезу белка в условиях, когда произошла "бессмысленная" мутация, прерывающая синтез полимера белка. Классический супрессор изменяет активность оснований кодонов, а не механизм "взвешенного" суммирования. Это не противоречит условиям (8.7) и (8.8) правильной работы молекулярно-биологической многопороговой модели, так как в них входят компоненты сопряженных векторов: "весового" $W_{3}$ и входного $X_{3}^{s}$ .

Сказанное проиллюстрируем примером восстановления в формальной модели структурных "мутаций" биологического кода, которые в реальных условиях привели к образованию amber-кодона УАГ, прерывающего синтез полимера белка. Согласно [230], супрессор Su -1 способен восстановить такую мутацию синтезом белка СЕР (кодон УЦГ); супрессор Su -2 - синтезом белка ГЛУ (кодон ГАГ); супрессор Su -3 - синтезом белка ТИР (кодон УАЦ). Отсюда, amber-кодон УАГ может быть идентифицирован антикодонами: АГЦ, ЦУЦ и АУГ. Воспроизвести механизм супрессии антикодона в формальной паре УАГ-АГЦ можно, понизив идентификационную активность центрального нуклеотида с $v_{Г} = 4$ до $v_{У} = 2$ ; в формаль-

ной паре УАГ-ЦУЦ - повысив идентификационную активность левого нуклеотида с v_У = 2 до $v_{Г} = 4$ ; в формальной паре УАГ-АУГ - понизив идентификационную активность правого нуклеотида с $v_{Г} = 4$ до $v_{Ц} = 1$ .

В реальных условиях аналогично работают супрессоры и для осмысленных кодонов, что приводит к "смысловому изменению" одного из оснований и, как следствие, к замещению аминокислоты в полимере белка. Такую мутацию называют условной, так как она проявляется только при наличии супрессора, а при его отсутствии синтезируется белок-предшественник.

Экспрессиям и супрессиям идентификационной активности оснований реальных (анти)кодонов отвечают конформационные преобразования, которые действуют только на одном цикле синтеза белка. В итоге можно предложить следующую схему отбора "мутаций" формального биологического кода, в которой минимизируются риски получения фатальных "мутаций". В этой схеме на 1-й фазе используются случайные или целенаправленные вариации идентификационной активности оснований (анти)кодонов, которые отвечают конформационным преобразованиям реальных молекулярно-биологических комплексов. Их последействие ограничено одним циклом синтеза биополимера, что позволяет считать такие преобразования обратимыми. На 2-й фазе наработанные позитивные и негативные изменения в инструктированном синтезе формальных "белков" закрепляются или блокируются с помощью механизмов структурно-параметрической экспрессии или супрессии, которые обеспечивают альтернативные пути синтеза и использования "биополимеров". На 3-й фа зе случайные или целенаправленные структурные "мутации" закрепляются в формальном "биологическом коде", что делается с минимально возможным риском за счет накопленного опыта в процедурах временного и условного замещения аминокислот и изменения функций полимеров формального "белка".

Транскрипция биологического кода предшествует рассмотренным выше процедурам трансляции, и с формальных позиций она представляет собой взаимно однозначное отображение множества триплетов ДНК в множество триплетов РНК $Ф_{\beta}( Y ^{s}_3): Y_3^s\leftrightarrow X ^{s}_3$ с безусловным замещением (подстановкой) основания тимина (Т) на урацил (У). Отсюда:

В процессе эволюционного отбора отображения $Ф_{\beta}(Y_{3}^s)$ необходимо было оценить всего 15 вариантов замещения: одного, двух, трех и четырех оснований ДНК.
(Много)пороговая модель этапа транскрипции представляет собой максимально пороговую реализацию $Ф_{\beta}(Y _{3} ^{s})$ с $\chi = 63$ .

Проведенные исследования многопороговой модели биологического кода показали:

Для формализации практически всех процедур и этапов инструктированного синтеза нативных белков достаточно одного определения идентификационной активности субклеточных структур, которая лежит в основе структурно-параметрической идентификации.
Многообразие таблиц вырожденности биологического кода носит гиперкомбинаторный характер, и оно на 63 порядка превосходит количество вариантов синтеза ДНК, которое можно было осуществить методами и средствами самоорганизации диссипативных структур за время существования Вселенной. Мощность пространства эволюционного отбора таблиц вырожденности молекулярно-биологического кода для всей экосистемы Земли всего на три порядка превосходит аналогичную мощность для генетического кода человека.
Многопороговая модель биологического кода применима практически ко всем этапам и процедурам инструктированного синтеза макромолекул белка.

Дальше >>

Авторизоваться

Инструктивный синтез нанометровых вычислительных структур. От задач к вычислительным моделям и структурам

Нейроподобные модели как формально-логический базис анализа живых систем

Вопросы и ответы