DNA und das Speicherparadoxon Author Dr. D. Selzer-McKenzie Youtube:; https://youtu.be/w6laogoCYwQ Die DNA und das „Speicher-Paradoxon" Die Schwierigkeit, sich Vorgänge in der Nanowelt konkret vorzustellen, erfordert Modelle. Zeichnungen und Computer-Animationen sind zwar hilfreich, aber didaktisch eingängiger sind konkrete Modelle. MoletomicsTM ist ein Konzept, das sich einfach und kostengünstig nutzen lässt, um selbst die komplizierten Zusammenhänge bei dem Aufbau der DNA-Doppelhelix erfahrbar und verständlich zu machen. Die Heimat der Molekularbiologen ist die Nanowelt. Dort laufen die elementaren Lebensvorgänge ab. Das Leben lässt sich nur begreifen, wenn wir die Strukturen und die Reakti-onsabläufe auf dieser Ebene kennen und verstehen. Da die Nanowelt unseren Sinnen grundsätzlich nicht zugänglich ist, sind wir auf Modelle und das Denken in Modellen ange-wiesen. Durch Übung und Gewöh¬nung muss zunächst ein Gefühl für die Dimensionen entwickelt werden. Aus meiner Erfahrung hat sich ein Vorstellungs-Konzept gut bewährt. Wir vergrößern um dem Faktor 104 (also 10.000). Dann wäre ein menschliches Haar (etwa 0,07 mm) so dick wie eine Armlänge (ca. 70 cm). Eine kleine menschliche Zelle wie das rote Blutkörperchen mit einem Durchmesser von 7 x 10-6m hätte dann die Größe einer Faust. Ein durchschnittliches Bakterium wäre so groß wie das vorderste Dau-menglied (2-3 cm), während ein großes Virusdem Fingernagel des kleinen Fingers entspräche. Das Her¬pes-Virus mit einer Größe von 200 nm passte in einen Stecknadel- kopf. Ein großes Protein, also ein Molekül aus vielen Aminosäuren, hätte auf einer Nadelspitze Platz. Dagegen wäre ein Atom mit einem tausendstel Millimeter immer noch weit unter unserer Sichtbarkeitsgren-ze. Auf diese Weise hilft der Größen¬vergleich, sich in den Dimensionen etwas besser zurechtzufinden. Um sich die DNA vorzustellen, eignet sich eine Vergrößerung mit einem Faktor von 2 x 107. Damit hätte die DNA-Doppelhelix einen Durchmesser von 4 cm. Zwar hätte das Genom dann eine hypothetische Länge von 18.000 km, doch lassen sich an kleinen Modellstücken mit ein bis zwei Wendeln wesentliche Eigenschaften der ungewöhnlichen Struktur gut darstellen. Die Form der Doppelhelix ist inzwischen zum Symbol der Moleku-larbiologie geworden. Aber auch darüber hinaus ist die DNA ein ganz ungewöhnliches Molekül. Auffallend sind neben der Struktur das räum- liehe Verdichten durch ständiges Wickeln von Ebene zu Ebene sowie die Fixierung der Information durch seitliches Anhängen der kodieren¬den Einheiten an einen informa-tionsleeren Strang. Nur die Knoten-schrift der Inkas („Quipu") nutzte dieses Konzept für ihr partielles Schriftsystem. Auch die chemischen Eigenschaften der DNA sind unge-wöhnlich. Die Struktur enthält drei Arten von Bindungen. Die Phos-phorsäure-Zucker-Kette wird durch Ester-Bindungen zusammengehalten. Die Basen hängen mit Aminal-Bin-dungen (funktionelle Gruppen mit zwei an einem Kohlenstoff-Atom gebundenen Aminogruppen) an der Desoxyribose. Und schließlich wer-den die beiden Stränge durch Was-serstoffbrücken zusammengehalten und stabilisieren sich gegenseitig. Auffällige informations-verdichtung Auffallend ist der große Raumbedarf für die Speicherung der Information. Das zeigt der Vergleich der DNA-Doppelhelix mit der Hell'( der Prote-ine (Abbildung 1). Bei der DNA be-steht eine Wendel aus zehn Basen-paaren, die für 3,3 Aminosäuren kodieren. Eine Wendel der Protein-Helix besteht aus 3,6 Aminosäuren. Es besteht also eine fast direkte Kor-relation. Bei der Translation von der DNA zu den Proteinen bleibt die Information erhalten. Allerdings ist sie in eine andere Substanzklasse transformiert, nämlich in eine Poly-amid-Kette mit den seitlich ange-hängten unterschiedlichen Resten der 20 Aminosäuren. Der Raumbe¬darf beträgt auf der Polyamid-Ebenen nur etwa 3-5 Prozent der der DNA, ist also um den Faktor 20-30 kom-primiert. Die Varianz ergibt sich aus der Verschiedenartigkeit der Amino-säuren. Mit der Translation geht also neben der Übertragung in eine ande¬re Substanzklasse auch eine erheb¬liche Verdichtung der Information einher. Dieses Phänomen zeigt sich noch eindrucksvoller, wenn der Speicherbedarf für eine einzelne Aminosäure dargestellt wird. Modelle verbessern das Vorstellungsvermögen Zur Visualisierung bietet sich das System MoletomicsTM besonders gut an (Abbildung 2, siehe auch Filme auf www.youtube.de). Ausgewählt wird Glycin als kleinste Aminosäure mit dem entsprechenden Codon GGA. Der Bindungsabstand zwischen zwei Kohlenstoffen beträgt 0,15 nm. Der Abstand zwischen zwei Knoten-punkten des Gitterdrahtes des Mo-dells beträgt 1,9 cm. Der Vergröße-rungsfaktor errechnet sich zu 1,3 x 108. Da die DNA einen Durch-messer von 2 nm hat, ergibt sich für das Modell in dieser Vergrößerung ein Durchmesser von 26 cm. Die Höhe einer Wendel mit zehn Ebenen beträgt dann 44 cm. Die drei Basen-paare GGA nehmen im Modell eine Höhe von 3 x 4,4 = 13,2 cm ein.Dar-aus ergibt sich der Raumbedarf für das Codon als Zylinder mit einem Volumen von 7005 cm3. Für das Mo-lekül Glycin lässt sich der Raumbe¬darf nur schwer berechnen, doch mithilfe von Moletomics lässt sich über den gleichen Vergrößerungsfak¬tor ein maßstabsgetreues Modell erstellen. Der Raumbedarf wird unter Zuhilfenahme eines Zylinders berech-net, der empirisch an die Größe des Modells angepasst wird. Aus dessen Durchmesser von 5,5 cm und Höhe von 9 cm ergibt sich der Raumbedarf von 130 cm3. Das Verhältnis des Raumbedarfs für das Zielmolekül und für das Co-don ist an diesem Beispiel 1 zu 54. Dabei ist zu bedenken, dass dies das extremste Beispiel ist, da Glycin die kleinste Aminosäure ist. Dennoch beträgt das Verhältnis auch bei der volumenmäßig größten Aminosäure Arginin noch immer 1 zu 17. Warum leistet sich die Natur diese geradezu paradoxen Größen-verhältnisse? Die Vorteile der DNA-Struktur für das Duplizieren, das Prozessieren und das Reparieren sind offensichtlich so groß, dass der Raumbedarf gerechtfertigt ist. Dabei ist wesentlich, wofür codiert wird. Es geht nämlich nicht um einfache Aminosäuren, sondern um ihre Posi-tion im Kontext ganzer Proteine. Und diese erfüllen in der Zelle je¬weils ganz bestimmte Funktionen als Enzyme oder Regulatoren wie Ionenkanäle. Ein Enzym kann viele tausend Reaktionsschritte ermögli-chen oder beschleunigen so wie ein Regulator molekulare Vorgänge beliebig oft steuert (theoretisch wirken beide unendlich lange). Diese große Hebelwirkung kompen¬siert offensichtlich das paradoxe Verhältnis beim Raumbedarf für die Informationsspeicherung bei weitem.

DNA und das Speicherparadoxon
Author Dr. D. Selzer-McKenzie
Youtube:;
https://youtu.be/w6laogoCYwQ
Die DNA und das „Speicher-Paradoxon"
Die Schwierigkeit, sich Vorgänge in der Nanowelt konkret vorzustellen, erfordert Modelle. Zeichnungen und Computer-Animationen sind zwar hilfreich, aber didaktisch eingängiger sind konkrete Modelle. MoletomicsTM ist ein Konzept, das sich einfach und kostengünstig nutzen lässt, um selbst die komplizierten Zusammenhänge bei dem Aufbau der DNA-Doppelhelix erfahrbar und verständlich zu machen.
Die Heimat der Molekularbiologen ist die Nanowelt. Dort laufen die elementaren Lebensvorgänge ab. Das Leben lässt sich nur begreifen, wenn wir die Strukturen und die Reakti-onsabläufe auf dieser Ebene kennen und verstehen. Da die Nanowelt unseren Sinnen grundsätzlich nicht zugänglich ist, sind wir auf Modelle und das Denken in Modellen ange-wiesen. Durch Übung und Gewöh¬nung muss zunächst ein Gefühl für die Dimensionen entwickelt werden. Aus meiner Erfahrung hat sich ein Vorstellungs-Konzept gut bewährt.

Wir vergrößern um dem Faktor 104 (also 10.000). Dann wäre ein menschliches Haar (etwa 0,07 mm) so dick wie eine Armlänge (ca. 70 cm). Eine kleine menschliche Zelle wie das rote Blutkörperchen mit einem Durchmesser von 7 x 10-6m hätte dann die Größe einer Faust. Ein durchschnittliches Bakterium wäre so groß wie das vorderste Dau-menglied (2-3 cm), während ein großes Virusdem Fingernagel des kleinen Fingers entspräche. Das Her¬pes-Virus mit einer Größe von 200 nm passte in einen Stecknadel-

kopf. Ein großes Protein, also ein Molekül aus vielen Aminosäuren, hätte auf einer Nadelspitze Platz. Dagegen wäre ein Atom mit einem tausendstel Millimeter immer noch weit unter unserer Sichtbarkeitsgren-ze. Auf diese Weise hilft der Größen¬vergleich, sich in den Dimensionen etwas besser zurechtzufinden.
Um sich die DNA vorzustellen, eignet sich eine Vergrößerung mit einem Faktor von 2 x 107. Damit hätte die DNA-Doppelhelix einen Durchmesser von 4 cm. Zwar hätte das Genom dann eine hypothetische Länge von 18.000 km, doch lassen sich an kleinen Modellstücken mit ein bis zwei Wendeln wesentliche Eigenschaften der ungewöhnlichen Struktur gut darstellen.
Die Form der Doppelhelix ist inzwischen zum Symbol der Moleku-larbiologie geworden. Aber auch darüber hinaus ist die DNA ein ganz ungewöhnliches Molekül. Auffallend sind neben der Struktur das räum-

liehe Verdichten durch ständiges Wickeln von Ebene zu Ebene sowie die Fixierung der Information durch seitliches Anhängen der kodieren¬den Einheiten an einen informa-tionsleeren Strang. Nur die Knoten-schrift der Inkas („Quipu") nutzte dieses Konzept für ihr partielles Schriftsystem. Auch die chemischen Eigenschaften der DNA sind unge-wöhnlich. Die Struktur enthält drei Arten von Bindungen. Die Phos-phorsäure-Zucker-Kette wird durch Ester-Bindungen zusammengehalten. Die Basen hängen mit Aminal-Bin-dungen (funktionelle Gruppen mit zwei an einem Kohlenstoff-Atom gebundenen Aminogruppen) an der Desoxyribose. Und schließlich wer-den die beiden Stränge durch Was-serstoffbrücken zusammengehalten und stabilisieren sich gegenseitig.
Auffällige informations-verdichtung
Auffallend ist der große Raumbedarf für die Speicherung der Information. Das zeigt der Vergleich der DNA-Doppelhelix mit der Hell'( der Prote-ine (Abbildung 1). Bei der DNA be-steht eine Wendel aus zehn Basen-paaren, die für 3,3 Aminosäuren kodieren. Eine Wendel der Protein-Helix besteht aus 3,6 Aminosäuren. Es besteht also eine fast direkte Kor-relation. Bei der Translation von der DNA zu den Proteinen bleibt die Information erhalten. Allerdings ist sie in eine andere Substanzklasse transformiert, nämlich in eine Poly-amid-Kette mit den seitlich ange-hängten unterschiedlichen Resten der 20 Aminosäuren. Der Raumbe¬darf beträgt auf der Polyamid-Ebenen nur etwa 3-5 Prozent der der DNA, ist also um den Faktor 20-30 kom-primiert. Die Varianz ergibt sich aus der Verschiedenartigkeit der Amino-säuren. Mit der Translation geht also neben der Übertragung in eine ande¬re Substanzklasse auch eine erheb¬liche Verdichtung der Information einher. Dieses Phänomen zeigt sich noch eindrucksvoller, wenn der Speicherbedarf für eine einzelne Aminosäure dargestellt wird.

Modelle verbessern das Vorstellungsvermögen
Zur Visualisierung bietet sich das System MoletomicsTM besonders gut an (Abbildung 2, siehe auch Filme auf www.youtube.de). Ausgewählt wird Glycin als kleinste Aminosäure mit dem entsprechenden Codon GGA. Der Bindungsabstand zwischen zwei Kohlenstoffen beträgt 0,15 nm. Der Abstand zwischen zwei Knoten-punkten des Gitterdrahtes des Mo-dells beträgt 1,9 cm. Der Vergröße-rungsfaktor errechnet sich zu
1,3 x 108. Da die DNA einen Durch-messer von 2 nm hat, ergibt sich für das Modell in dieser Vergrößerung ein Durchmesser von 26 cm. Die Höhe einer Wendel mit zehn Ebenen beträgt dann 44 cm. Die drei Basen-paare GGA nehmen im Modell eine Höhe von 3 x 4,4 = 13,2 cm ein.Dar-aus ergibt sich der Raumbedarf für das Codon als Zylinder mit einem Volumen von 7005 cm3. Für das Mo-lekül Glycin lässt sich der Raumbe¬darf nur schwer berechnen, doch mithilfe von Moletomics lässt sich über den gleichen Vergrößerungsfak¬tor ein maßstabsgetreues Modell erstellen. Der Raumbedarf wird unter Zuhilfenahme eines Zylinders berech-net, der empirisch an die Größe des Modells angepasst wird. Aus dessen Durchmesser von 5,5 cm und Höhe von 9 cm ergibt sich der Raumbedarf von 130 cm3.

Das Verhältnis des Raumbedarfs für das Zielmolekül und für das Co-don ist an diesem Beispiel 1 zu 54. Dabei ist zu bedenken, dass dies das extremste Beispiel ist, da Glycin die kleinste Aminosäure ist. Dennoch beträgt das Verhältnis auch bei der volumenmäßig größten Aminosäure Arginin noch immer 1 zu 17.
Warum leistet sich die Natur diese geradezu paradoxen Größen-verhältnisse? Die Vorteile der DNA-Struktur für das Duplizieren, das Prozessieren und das Reparieren sind offensichtlich so groß, dass der Raumbedarf gerechtfertigt ist. Dabei ist wesentlich, wofür codiert wird. Es geht nämlich nicht um einfache Aminosäuren, sondern um ihre Posi-tion im Kontext ganzer Proteine. Und diese erfüllen in der Zelle je¬weils ganz bestimmte Funktionen als Enzyme oder Regulatoren wie Ionenkanäle. Ein Enzym kann viele tausend Reaktionsschritte ermögli-chen oder beschleunigen so wie ein Regulator molekulare Vorgänge beliebig oft steuert (theoretisch wirken beide unendlich lange). Diese große Hebelwirkung kompen¬siert offensichtlich das paradoxe Verhältnis beim Raumbedarf für die Informationsspeicherung bei weitem.