Жизнь является процессом существования белковых молекул. Именно так о ней выражаются многие ученые, которые убеждены, что белок является основой всего живого. Эти суждения абсолютно правильны, потому как у данных веществ в клетке наибольшее число основных функций. Все прочие органические соединения играют роль энергетических субстратов, а энергия снова нужна для синтеза белковых молекул.

Этапная характеристика биосинтеза белка

Структура белка закодирована в нуклеиновой или РНК) в виде кодонов. Это наследственная информация, которая воспроизводится каждый раз, когда клетке требуется новое белковое вещество. Началом биосинтеза является в ядро о необходимости синтезировать новый белок с уже заданными свойствами.

В ответ на это деспирализуется участок нуклеиновой кислоты, где закодирована его структура. Это место дублируется информационной РНК и передается на рибосомы. Они отвечают за построение полипептидной цепи на основании матрицы - информационной РНК. Коротко все этапы биосинтеза представлены следующим образом:

• транскрипция (этап удвоения участка ДНК с закодированной структурой белка);
• процессинг (этап образования информационной РНК);
• трансляция (синтез белков в клетке на основании информационной РНК);
• посттрансляционная модификация ("созревание" полипептида, формирование его объемной структуры).

Транскрипция нуклеиновой кислоты

Весь синтез белков в клетке осуществляют рибосомы, а информация о молекулах содержится в нуклеиновой или ДНК). Она располагается в генах: каждый ген - это определенный белок. В генах заложена информация об аминокислотной последовательности нового белка. В случае с ДНК изъятие генетического кода ведется таким образом:

• начинается освобождение участка нуклеиновой кислоты от гистонов, происходит деспирализация;
• ДНК-полимераза удваивает участок ДНК, в котором хранится ген белка;
• удвоенный участок представляет собой предшественника информационной РНК, который обрабатывается ферментами для удаления некодирующих вставок (на его основании ведется синтез иРНК).

На основании проинформационной РНК происходит синтез иРНК. Она уже является матрицей, после этого синтез белков в клетке происходит на рибосомах (в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме).

Рибосомальный синтез белка

Информационная РНК имеет два конца, которые оформляются как 3`- 5`. Считывание и синтез белков на рибосомах начинается с 5`конца и продолжается до интрона - участка, который не кодирует никакую из аминокислот. Это происходит следующим образом:

• информационная РНК "нанизывается" на рибосому, присоединяет первую аминокислоту;
• рибосома смещается по информационной РНК на один кодон;
• транспортная РНК предоставляет нужную (закодированную данным кодоном иРНК) альфа-аминокислоту;
• аминокислота присоединяется к стартовой аминокислоте с формированием дипептида;
• затем иРНК снова смещается на один кодон, подносится альфа-аминокислота и присоединяется к растущей цепочке пептида.

Как только рибосома достигает интрона (некодирующей вставки), информационная РНК просто продвигается далее. Затем, по мере продвижения информационной РНК, рибосома снова достигает экзона - участка, нуклеотидная последовательность которого соответствует определенной аминокислоте.

С этого места снова начинается присоединение мономеров белка к цепочке. Процесс продолжается до момента появления очередного интрона или до стоп-кодона. Последний прекращает синтез полипептидной цепочки, после чего считается завершенной и начинается этап постсинтетической (посттрансляционной) модификации молекулы.

Посттрансляционная модификация

После трансляции синтез белков происходит в цистернах гладкой Последняя содержит небольшое количество рибосом. В некоторых клетках они могут вообще отсутствовать в РЭС. Такие участки нужны для образования сначала вторичной, затем уже третичной или, если это запрограммировано, четвертичной структуры.

Весь синтез белков в клетке происходит с затратой огромного количества энергии АТФ. Потому все остальные биологические процессы нужны для поддержания белкового биосинтеза. Вдобавок некоторая часть энергии нужна для переноса белков в клетке активным транспортом.

Многие из белков переносятся из одной локации клетки в другую для модификации. В частности, посттрансляционный синтез белков происходит в комплексе Гольджи, где к полипептиду определенной структуры присоединяется углеводный или липидный домен.

Эффективное кодирование решает задачу более компактной записи сообщений, вырабатываемых источником за счет их перекодировки. И применяется практически во всех архиваторах типа Rar, Zip и др. Особенностью этих архиваторов является то, что они позволяют сжать информацию в относительно небольшое число раз (в 2-3, max в 4 раза), но при этом происходит полное восстановление сжатой информации «бит в бит». Если же не требуется восстановление информации «бит в бит», то применяются другие методы перекодировки, позволяющие достичь сжатия в десятки раз. Они основываются на изучении закономерностей создания сообщений источником, изучении свойств самого источника и понимания того, насколько необходимо сохранять начальную информацию для потребителя. Например, при передаче речи можно не передавать ее «бит в бит», а допускать искажения, которые получатель голосового сообщения просто не заметит из-за нечувствительности слухового аппарата человека к этим изменениям. При этом сохранится и разборчивость речи, и узнаваемость голоса, и ее эмоциональная окраска. Частичная потеря этих качеств увеличивает ее сжатие. Еще раз подчеркнем, что эффективное кодирование это сжатие и восстановление информации «бит в бит».

Общее определение кодирования и кода. Задачи кодирования

Кодирование – в широком смысле слова – это представление сообщений в форме, удобной для передачи по данному каналу.

Операция, обратная кодированию, называется декодирование.

Снова вернемся к рассмотрению общей схемы системы передачи информации.

Рис. 3.1. Общая схема системы передачи информации

Сообщению X на выходе источника информации (ИИ) необходимо поставить в соответствие определенный сигнал. Поскольку количество сообщений при неограниченном увеличении времени стремится к бесконечности, то ясно, что создать свой сигнал для каждого сообщения практически невозможно.

Поскольку дискретные сообщения складываются из букв, а непрерывные сообщения можно представить последовательностью цифр в каждый момент отсчета, то имеется принципиальная возможность обойтись конечным числом образцовых сигналов, соответствующих отдельным буквам алфавита источника.

При большом объеме алфавита прибегают к представлению букв в другом алфавите с меньшим числом букв, которые будем называть символами.

Для обозначения этой операции используется тот же термин – кодирование, понимаемый теперь в узком смысле.

Поскольку алфавит символов меньше алфавита букв, то каждой букве соответствует некоторая последовательность символов, называемая кодовой комбинацией. Число символов в кодовой комбинации называется ее значностью.

В процессе преобразования букв в символы может преследоваться несколько целей:

1. Первая из них заключается в том, чтобы преобразовать информацию в такую систему символов (код), чтобы он обеспечивал простоту и надежность аппаратурной реализации информационных устройств, т.е.:

• простоту аппаратуры различения отдельных символов;
• минимальное время передачи;
• минимальный объем запоминающего устройства при хранении;
• простоту выполнения в принятой системе арифметических и логических действий.

Статистические свойства источника сообщений и помех в канале связи при этом не принимаются во внимание.

Техническая реализация процесса кодирования в таком простейшем виде при непрерывном входном сигнале осуществляется аналого-кодовыми (цифровыми) преобразователями.

2. Второй целью кодирования является на основании теорем Шеннона – согласование свойств источника сообщений со свойствами канала связи.

Так называемый кодер источника (КИ) имеет целью обеспечить такое кодирование, при котором путем устранения избыточности существенно уменьшается среднее число символов, требующееся на 1 букву сообщения.

При отсутствии помех это непосредственно дает выигрыш во времени передачи или в объеме запоминающего устройства, т.е. повышает эффективность системы. http://peredacha-informacii.ru/ Такое кодирование получило название эффективное кодирование.

При наличии помех в канале эффективное кодирование позволяет преобразовать входную информацию в последовательность символов, наилучшим образом подготовленную для дальнейшего преобразования (максимально сжатую).

Так называемый кодер канала (КК) имеет целью обеспечить заданную достоверность при передаче или хранении информации путем дополнительного внесения избыточности, но уже по простым алгоритмам и с учетом статистических закономерностей помехи в канале связи. Такое кодирование получило название помехоустойчивого.

Целесообразность устранения избыточности сообщения методами эффективного кодирования с последующим перекодированием помехоустойчивым кодом обусловлено тем, что избыточность источника сообщения в большинстве случаев не согласована со статистическими закономерностями помехи в канале связи и потому не может быть полностью использована для повышения достоверности принимаемого сообщения, тогда как можно подобрать подходящий для данной помехи помехоустойчивый код.

Кроме того, избыточность сообщения часто является следствием весьма сложных вероятностных зависимостей и позволяет обнаружить и исправить ошибки только после декодирования всего сообщения, пользуясь сложнейшими алгоритмами и интуицией.

Итак, выбор кодирующих и декодирующих устройств зависит от статистических свойств источника сообщений, а так же уровня и характера помех в канале связи.

Если избыточность источника сообщений и помехи в канале связи практически отсутствуют, то введение как кодера источника, так и кодера канала нецелесообразно.

Когда избыточность источника сообщений высока, а помехи малы, целесообразно введение только кодера источника.

Когда избыточность источника мала, а помехи велики, целесообразно введение кодера канала.

При большой избыточности и высоком уровне помех целесообразно введение обоих дополнительных кодирующих и декодирующих устройств.

После кодера канала КК кодированный сигнал поступает в устройство кодирования символов сигналами – модулятор М. Получаемый на выходе модулятора сигнал Y подготовлен к передаче по конкретной линии связи ЛС.

В устройство декодирования сигналов в символы (демодулятор ДМ) из линии связи приходит сигнал, искаженный шумом, который обозначен на схеме – Z .

Устройство декодирования помехоустойчивого кода (декодер канала ДК) и устройство декодирования сообщений (декодер источника ДИ) выдает декодированное сообщение W получателю П (человеку или машине).

Эффективное кодирование информации при передаче по каналам связи

1.7. Передача информации по каналу без помех

Если через канал связи без помех передается последовательность дискретных сообщений длительностью то предел отношения

где количество информации, содержащейся в последовательности сообщений (скорость передачи информации по каналу связи). Предельное значение скорости передачи информации называется пропускной способностью канала связи:

Как известно, количество информации в сообщениях максимально при равной вероятности состояний. Тогда

Скорость передачи информации в общем случае зависит от статистических свойств сообщения и параметров

канала связи. Пропускная способность - это характеристика канала связи, которая не зависит от скорости передачи информации. Количественно пропускная способность канала связи выражается максимальным количеством двоичных единиц информации, которое данный канал связи может передать за одну секунду.

Для наиболее эффективного использования канала связи необходимо, чтобы скорость передачи информации была как можно ближе к пропускной способности канала связи.

Если скорость поступления информации на вход канала связи превышает пропускную способность канала, то по каналу будет передана не вся информация, т. е. должно выполняться условие

Это основное условие согласования источника информации и канала связи. Согласование осуществляется путем соответствующего кодирования сообщений. Доказано, что, если скорость информации, вырабатываемой источником сообщений, достаточно близка к пропускной способности канала , т. е. где сколь угодно малая величина, всегда можно найти такой способ кодирования, который обеспечит передачу сообщений, вырабатываемых источником, причем скорость передачи информации будет весьма близка к пропускной способности канала.

Обратное утверждение заключается в том, что невозможно обеспечить длительную передачу всех сообщений, если поток информации, вырабатываемый источником, превышает пропускную способность канала.

Если ко входу канала подключен источник сообщений с энтропией на символ, равной пропускной способности канала связи, считается, что источник согласован с каналом. Если энтропия источника меньше пропускной способности канала, что может быть в случае неравновероятности состояний источника, то источник не согла

сован с каналом связи, т. е. канал используется не полностью.

Согласование в статистическом смысле достигается с помощью так называемого статистического кодирования. Для уяснения принципа статистического кодирования рассмотрим две последовательности сообщений, представляющие, например, записанные через равные промежутки времени сигналью состоянии двухпозиционного контролируемого объекта (включен или выключен):

Символу 1 соответствует сигнал «объект включен», символу 0 «объект выключен». Будем считать, что символы появляются независимо один от другого.

Для первой последовательности символы 1 и 0 равновероятны, для второй - вероятность первого символа второго символа

Энтропия первой последовательности Энтропия второй последовательности Следовательно, количество информации на символ во второй последовательности в два раза меньше, чем в первой.

При передаче последовательностей через бинарный канал связи с первая последовательность будет согласована с каналом в то время как при передаче второй последовательности пропускная способность двоичного канала на символ в два раза больше энтропии источника, т. е. канал недогружен и в статистическом смысле не согласован с источником

Статистическое кодирование позволяет повысить энтропию передаваемых сообщений в пределе до величины, которая получается, если символы новой последовательности равновероятны. При этом число символов в последовательности будет сокращено. В результате

источник информации согласуется с каналом связи. Техника такого кодирования изложена в § 2.9.

Глава 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ