Thermodynamic characteristics of a biological organism: Information value of a gene and of a protein as a measure of the efficiency and as an index of selective pressure

Summary

For the treatment of the information exchanged by the biological system and the external world, the concept of information amount is not sufficient because of their remoteness from equilibrium states. Further explanations are, in fact, necessary about the effects of the reception of the message, i.e. its information value that is then necessary to define for each case. We have, therefore, defined the information value of a gene and of a protein and analysed a sample of about hundred genes looking for some significative regularity in the frequency of usage of codons and amino acids allowing us to individualize the salient characteristics of a translated sequence of codons. We have found that the most used amino acids have, on the average, a low information value and, for each amino acid type, the most used codons have a lower information value. Moreover, we can say that the composition in amino acids or in codons of a sequence useful for the biological systems is such that more frequent mutations cause the smaller variation in the phenotype. All that shows that our definitions well describe the system of transmission and reception of the information value in a biological organism and that they can be considered as an index of its efficiency, i.e. of its ability to minimize the effects of the mutation of the genotype on the phenotype.

Riassunto

Per studiare lo scambio d'informazioni tra sistemi biologici e l'ambiente esterno, il concetto di quantità di informazioni non è sufficiente a causa della lontananza dall'equilibrio di tali sistemi. Sono infatti necessarie ulteriori specificazioni per quel che riguarda gli effetti della recezione del messaggio, ovvero il valore dell'informazione che è quindi necessario definire di volta in volta. Noi abbiamo quindi definito il valore d'informazione di un gene e di una proteina e abbiamo analizzato un campione di circa 100 geni cercando regolarità significative nella frequenza di uso dei codoni e degli aminoacidi per individuare caratteristiche salienti di una sequenza di codoni che sia tradotta. Si è trovato che in media gli aminoacidi piú usati sono quelli con valore di informazione piú basso e che, per ciascun aminoacido, i codoni piú, usati sono quelli a piú basso valore d'informazione. Inoltre si può dire che la composizione in aminoacidi ed in codoni di una sequenza nucleotidica che sia effettivamente tradotta da un sistema biologico è tale che le mutazioni piú frequenti causano la piú piccola variazione del fenotipo. Tutto ciò mostra che le nostre definizioni di valore d'informazione per un gene e per una proteina descrivono efficacemente la trasmissione e la recezione di informazione in un organismo biologico. Esse possono essere considerate come indice dell'efficienza di un organismo ovvero delle sue capacità di minimizzare gli effetti di una mutazione del genotipo sul fenotipo.

Резюме

При исследовании обмена информацией между биологическими системами и внешним миром концепция кояичества информации не явлется достаточной из-за удаленности таких систем от состояния равновесия. Необходимы дополнительные объяснения эффектов получения сообщения, т.е. величины информации, которую необходимо опрелятъ для каждого случая. Мы определяем величину информации для гена и белка и анализируем образец из сотни генов в поисках закономерности в частоте употребления кодонов и аминокислот для индивидуализации характеристик транслируемой последователъности кодонов. Мы получаем, что болышинство исполъзуемых аминокислот имеет, в среднем, малую величину информации, а для каждого типа аминокислот наиболее исполъзуемые кодоны имеют менъшую величину информации. Более того, мы можем сказатъ, что композиция аминокислот или кодонов для последователъности нуклеотидов в биологических системах является такой, что наиболее частые мутации вызывают наименжшее изменение в фенотипе. Все это показывает, что наше определение величины информации для гена и белка хорошо описывает передачу и прием информации в биологических организмах. Такое определение величины информации можно рассматриватъ как индекс эффективности организма, т.е. его способностж минимизировать эффекты мутации генотипа на фенотине.