Ribonukleinsäure (RNA): Aufbau, Rolle und Typen

Ribonukleinsäure (RNS oder RNA) ist eine Nukleinsäure, bestehend aus einer Kette von Ribonukleotiden.

Sie liegt sowohl in Prokaryoten als auch in Eukaryoten vor und ist das einzige genetische Material bestimmter Viren (Virus-RNA). Die zelluläre RNA ist linear und einzelsträngig, aber im Genom einiger Viren ist sie doppelsträngig.

Rollen der RNA in Zellen

In zellulären Organismen spielt RNA verschiedene Rollen. Das Molekül leitet die Zwischenschritte der Proteinsynthese. Da die DNA nicht allein agieren kann, wird RNA verwendet, um diese wesentlichen Informationen für die Proteinsynthese (Produktion von Proteinen durch die Zelle für ihre Tätigkeiten und benötigte Entwicklung) zu übertragen.

Verschiedene Typen von RNA regulieren die Genexpression, während andere katalytische Aktivität besitzen. Die RNA ist daher wesentlich vielseitiger als die DNA.

Unterschiede zwischen RNA und DNA

RNA unterscheidet sich von der DNA dadurch, dass die konstituierenden Nukleotide eine Pentose namens Ribose statt Desoxyribose enthalten und dass anstelle der vier Basen A, G, C, T die Basen A, G, C, U (d.h. Uracil anstelle von Thymin) vorhanden sind.

RNA-Ketten sind kürzer als DNA, obwohl diese Eigenschaft eher auf biologischen Überlegungen beruht, da es keine chemische Beschränkung für die Länge von RNA-Ketten gibt, solange die Phosphodiesterbindungen chemisch identisch mit denen der DNA sind.

RNA besteht meist aus einem einzigen Strang (sie ist einzelsträngig), obwohl sie in bestimmten Situationen, wie z. B. bei tRNA und rRNA, komplexe gefaltete Strukturen bilden kann.

Während die DNA Informationen enthält, 'drückt' RNA diese Informationen aus, indem sie eine lineare Abfolge von Nukleotiden in eine lineare Abfolge von Aminosäuren in einem Protein übersetzt.

Chemische Struktur der RNA

Wie DNA besteht RNA aus einer Kette sich wiederholender Monomere, genannt Nukleotide. Die Nukleotide sind nacheinander durch negativ geladene Phosphodiesterbindungen verbunden.

Aufbau eines RNA-Nukleotids

Jedes Nukleotid besteht aus einem Monosaccharid mit fünf Kohlenstoffatomen (Pentose) namens Ribose (Desoxyribose in der DNA), einer Phosphatgruppe und einer der vier möglichen stickstoffhaltigen Basen: Adenin, Guanin, Uracil (Thymin in der DNA) und Cytosin.

Phosphodiesterbindungen und Polarität

Die Kohlenstoffatome der Ribose werden von 1' bis 5' im Uhrzeigersinn nummeriert. Die stickstoffhaltige Base ist am Kohlenstoffatom 1' befestigt; die Phosphatgruppe bindet an das C-5' Atom und an das 3' Kohlenstoffatom der Ribose des nächsten Nukleotids.

Das Phosphat hat bei physiologischem pH-Wert eine negative Ladung, was der RNA ihren polyanionischen Charakter verleiht.

Basenpaarung und weitere Interaktionen

Purinbasen (Adenin und Guanin) können Wasserstoffbrücken mit Pyrimidinbasen (Cytosin und Uracil) nach dem Schema C≡G und A=U bilden.

Darüber hinaus sind andere Interaktionen möglich, wie Basenstapelung oder Paarung in Tetraloops mit G=A.

Modifizierte Nukleotide in RNA

Viele RNA-Moleküle enthalten auch unübliche modifizierte Nukleotide, die durch Umwandlung der typischen Nukleotide entstehen. Diese sind charakteristisch für Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA). Auch in eukaryotischer Boten-RNA (mRNA) kommen methylierte Nukleotide vor.

Sekundärstruktur der RNA

Im Gegensatz zur DNA sind RNA-Moleküle einzelsträngig und bilden oft keine ausgedehnten Doppelhelices.

Sie falten sich jedoch infolge der Anwesenheit kurzer Regionen mit intramolekularer Basenpaarung, d.h. Basenpaare, die durch komplementäre Sequenzen innerhalb desselben Strangs gebildet werden.

Die tRNA besitzt rund 60% Basenpaarung und bildet Arme mit Doppelhelix-Struktur.

Die 2'-Hydroxylgruppe der Ribose

Eine wichtige strukturelle Eigenschaft, die RNA von DNA unterscheidet, ist die Anwesenheit einer Hydroxylgruppe an Position 2' der Ribose. Dies beeinflusst die Konformation der RNA-Doppelhelix im Vergleich zur häufigsten Konformation in der DNA.

Stabilität von RNA

Eine zweite Folge der Anwesenheit der Hydroxylgruppe ist, dass die Phosphodiesterbindungen der RNA in Regionen, die keine Doppelhelix bilden, anfälliger für chemische Hydrolyse sind als bei DNA. RNA-Phosphodiesterbindungen werden in alkalischer Lösung rasch hydrolysiert, während DNA-Bindungen stabil sind.

Die Halbwertszeit von RNA-Molekülen ist viel kürzer als die von DNA, nur wenige Minuten bei einigen bakteriellen RNAs oder ein paar Tage bei menschlichen tRNAs.

Tertiärstruktur der RNA

Die Tertiärstruktur der RNA ist das Ergebnis von Basenstapelung und Wasserstoffbrücken zwischen verschiedenen Teilen des Moleküls.

tRNAs sind ein gutes Beispiel. In Lösung falten sie sich zu einer kompakten 'L'-Form, stabilisiert durch konventionelle Watson-Crick-Paarung (A=U, C≡G) und Baseninteraktionen zwischen zwei oder mehr Nukleotiden, einschließlich der Bildung von Basentripletts. Die Basen spenden Wasserstoffatome für die Phosphodiester-Hauptkette, und die OH-Gruppe am 2'-Kohlenstoff der Ribose ist ebenfalls ein wichtiger Wasserbrückendonor und -akzeptor.

Typen von RNA

Es gibt verschiedene Haupttypen von RNA, die unterschiedliche Funktionen in der Zelle erfüllen.

Boten-RNA (mRNA)

Boten-RNA (mRNA) ist die Art von RNA, die Informationen von der DNA zu den Ribosomen transportiert, wo die Proteinsynthese stattfindet. Die Nukleotidsequenz der mRNA bestimmt die Aminosäuresequenz des Proteins. Daher wird mRNA als kodierende RNA bezeichnet.

Es gibt jedoch auch viele RNAs, die nicht für Proteine kodieren und als nicht-kodierende RNA bezeichnet werden. Diese stammen aus eigenen Genen (RNA-Gene) oder sind Introns, die während des Spleißens entfernt werden.

Zu den nicht-kodierenden RNAs gehören Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA), die wichtigsten Elemente der Translation, sowie verschiedene Typen von regulatorischen RNAs.

Einige nicht-kodierende RNAs, genannt Ribozyme, sind in der Lage, chemische Reaktionen zu katalysieren, wie das Schneiden und Verbinden anderer RNA-Moleküle oder die Bildung der Peptidbindung zwischen Aminosäuren am Ribosom während der Proteinbiosynthese.

RNA in der Proteinsynthese

Boten-RNA (mRNA) trägt Informationen über die Aminosäuresequenz des Proteins von der DNA, wo sie gespeichert ist, zu den Ribosomen, wo Proteine von der Zelle synthetisiert werden. Sie ist also ein Vermittlermolekül zwischen DNA und Protein, und der Spitzname 'Messenger' ist sehr treffend.

In Eukaryoten wird mRNA im Kernplasma des Zellkerns synthetisiert und gelangt durch die Poren der Kernhülle ins Zytosol, wo sich die Ribosomen befinden.

Transfer-RNA (tRNA)

Transfer-RNAs (tRNAs) sind kurze Polymere von etwa 80 Nukleotiden, die eine bestimmte Aminosäure zum wachsenden Polypeptid transportieren und während der Translation an bestimmte Stellen auf dem Ribosom binden.

Sie besitzen eine spezifische Bindungsstelle für Aminosäuren (am 3'-Ende) und ein Anticodon, das aus einem Triplett von Nukleotiden besteht und durch komplementäre Wasserstoffbrücken an das mRNA-Codon bindet.

Ribosomale RNA (rRNA)

Ribosomale RNA (rRNA) bildet in Kombination mit Proteinen die Ribosomen, die etwa zwei Drittel ihrer Masse ausmachen.

In Prokaryoten enthält die große ribosomale Untereinheit zwei rRNA-Moleküle und die kleine Untereinheit eines. In Eukaryoten enthält die große Untereinheit drei rRNA-Moleküle und die kleine Untereinheit eines.

In beiden Fällen bildet die rRNA das Gerüst, mit dem spezifische Proteine assoziiert sind.

rRNA ist reichlich vorhanden und macht etwa 80% der im Zytoplasma eukaryotischer Zellen gefundenen RNA aus.

Ribosomale RNA ist der katalytische Bestandteil der Ribosomen, verantwortlich für die Bildung der Peptidbindungen zwischen den Aminosäuren, die das Polypeptid bilden, während der Proteinbiosynthese und wird daher als Ribozym betrachtet.