RNA
Was ist die RNA und wie sieht ihr Aufbau aus? In diesem Beitrag erfährst du alles zu den Arten und den Funktionen der verschiedenen RNAs.
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Inhaltsübersicht
RNA einfach erklärt
Die RNA oder Ribonukleinsäure besteht aus einer Kette von vielen Nukleotiden. Sie werden auf Grundlage der Informationen auf der DNA erstellt. Die Nukleotide einer RNA bestehen aus einem Phosphatrest, einem Zuckermolekül und einer organischen Base. Die Basen können Cytosin, Guanin, Adenin und Uracil sein.
Es gibt unterschiedliche RNA-Typen. Die meisten davon spielen bei der Proteinbiosynthese eine wichtige Rolle:
- Die mRNA dient als Informationsüberträger und enthält den Bauplan für die Proteine, die während der Proteinbiosythese hergestellt werden.
- Die tRNA transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen.
- Die rRNA macht den Großteil der Ribosomen selbst aus.
Darüber hinaus gibt es aber auch noch viele weitere Arten von RNAs, die alle ihre eigene Funktion haben. Im Gegensatz zur zweisträngigen DNA, welche die gesamten Erbinformationen enthält, besteht die RNA in den meisten Fällen nur aus einem Strang.
Eine Definition der RNA sieht folgendermaßen aus:
RNA (engl. Ribonucleic acid = Ribonukleinsäure RNS) ist ein aus Nukleotiden aufgebauter Einzelstrang in jeder Zelle eines Lebewesens. Ribonukleinsäuren sind wichtige Informations- und Funktionsträger einer Zelle. Wichtige Formen sind die mRNA, die tRNA und die rRNA.
Bestandteile
Ein einzelnes Nukleotid besteht aus einem Phosphatrest, einem Zuckermolekül (Ribose) und einer organischen Base.
RNA Basen
Du kannst bei einer RNA vier verschiedene organische, also kohlenstoffhaltige Basen finden. Diese Basen sind Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil. Sie bestehen aus Kohlenstoffatomen (C), die in Ringen angeordnet sind. In diesen Ringen befinden sich außerdem auch Stickstoffatome (N).
Du kannst die vier Basen zwei verschiedenen Stoffgruppen zuordnen: Den Purinen und den Pyrimidinen. Die Purine bestehen aus zwei solcher Kohlenstoffringe. Diese Struktur haben die Basen Adenin und Guanin. Die Pyrimidine dagegen sind nur aus einem Kohlenstoffring aufgebaut. Zu dieser Stoffgruppe gehören die Basen Cytosin und Uracil.
Bindungen
Damit die Bausteine der RNA aneinander haften, bilden sich zwischen ihnen verschiedene Bindungen aus.
Zwischen einer Base und einem Ribosemolekül besteht eine sogenannte N-glykosidische Bindung . Darunter kannst du eine Bindung zwischen dem 1. Kohlenstoffatom der Ribose (C1) und der Aminogruppe (-NH-) der Base verstehen. Der Komplex aus diesen zwei Bausteinen heißt auch Nukleosid.
Eine weitere Bindung besteht zwischen der Ribose und einem Phosphatrest. Dabei entsteht eine Ester bindung zwischen einem Kohlenstoffatom (C) der Ribose und einem Sauerstoffatom (O) des Phosphatrestes. Ein Nukleosid und ein Phosphatrest bilden gemeinsam ein Nukleotid.
Viele solcher Nukleotide sind aneinandergebunden und bilden einen langen Strang. Eine solche Kette aus Nukleotiden kannst du auch als Nukleinsäure bezeichnen. Da die RNS den Zucker Ribose enthält, nennt man diese Nukleinsäure auch Ribonukleinsäure.
Damit ein solcher Strang entstehen kann, bildet sich zwischen zwei Nukleotiden noch eine Bindung aus. Dabei handelt es sich ebenso um eine Esterbindung, welche zwischen dem Phosphatrest des einen und der Ribose des anderen Nukleotids entsteht.
Innerhalb dieser Ribonukleinsäure gibt es Richtungsangaben, die für die Funktion der RNA unerlässlich sind. Diese Richtungsangaben entstehen durch die Lage des Phosphatrestes am Kohlenstoffatom der Ribose. Der Phosphatrest befindet sich immer am fünften Kohlenstoffatom der Ribose. Daher ist diese Richtung der RNA die 5’Richtung (sprich: 5-Strich) mit dem 5’Ende. Auf der gegenüberliegenden Seite befindet sich die 3’Richtung mit dem 3’Ende, denn am dritten Kohlenstoffatom der Ribose liegt eine Hydroxylgruppe (OH-Gruppe).
Unterschied DNA RNA
Die RNA ähnelt in ihrem Bau sehr stark der DNA. Dennoch musst du dir ein paar bauliche Unterschiede merken. Die DNA besitzt den Zucker Desoxyribose, die RNA jedoch die Ribose. Beide Nukleinsäuren besitzen die Basen Adenin, Cytosin und Guanin. Die DNA besitzt als vierte Base das Thymin und die RNA die Base Uracil. Außerdem handelt es sich bei der DNA um einen Doppelstrang und die RNA stellt einen Einzelstrang dar.
Wenn du noch mehr zu den Gemeinsamkeiten und den Unterschieden von RNA und DNA wissen möchtest, dann schau dir gerne unseren Beitrag dazu an.
RNA Arten
Es existieren in einer Zelle viele verschiedene Arten der Ribonukleinsäuren. Im Folgenden stellen wir dir ein paar wichtige Arten vor.
Du kannst die RNAs in coding (cRNA) und non-coding RNAs (ncRNA) einteilen. Die mRNA stellt eine coding, also eine codierende RNA dar, da sie den Bauplan für die Proteine enthält. Bei allen anderen RNAs handelt es sich um non-coding (nicht-codierende) RNAs. Diese codieren nicht für Proteine.
mRNA
Die mRNA (engl. messenger RNA = Boten RNA) ist ein langer Einzelstrang und enthält die Informationen für den Bauplan eines Proteins. Sie codiert also für ein Protein.
Da die Proteinherstellung nicht direkt an der DNA stattfinden kann (sie kann zum Beispiel beschädigt werden), wird der benötigte Abschnitt der DNA in eine mRNA übersetzt. Mit diesen Informationen werden nun bei der Proteinbiosynthese die Proteine hergestellt.
Du möchtest mehr über die mRNA wissen? Dann schau dir unseren Beitrag dazu an!
Wird die mRNA nicht mehr benötigt, wird ihre Funktion gestoppt. Dafür binden sich verschiedene andere Ribonukleinsäuren wie die siRNA an den Einzelstrang. Dieser Vorgang wird auch RNA-Interferenz genannt. Dabei wird die mRNA gezielt abgeschaltet oder abgebaut.
Der Abbau der mRNA kann auch künstlich hervorgerufen. Dafür wird ein komplementärer, also entgegengesetzter, Strang gebildet, der in die Zelle geschleust wird und sich an die mRNA legt. Dieser komplementäre Strang wird auch als antisense-RNA (kurz: aRNA) bezeichnet. Diese nun doppelsträngige mRNA kann nicht mehr abgelesen werden und somit auch nicht mehr der Proteinherstellung dienen.
tRNA
Eine tRNA (Transport RNA) hat ebenso eine sehr wichtige Funktion bei der Proteinherstellung. Diese Ribonukleinsäure hat die besondere Form eines Kleeblattes und trägt eine Aminosäure mit sich. Bei der Proteinbiosynthese werden die tRNAs jeweils einem Basen-Triplett der mRNA zugeordnet. Die zugeordneten tRNAs geben ihre Aminosäuren ab, welche sich zu einer langen Aminosäurenkette zusammenlegen. Aus dieser Kette bildet sich schließlich ein Protein.
Mehr zur tRNA lernst du in dem Beitrag dazu.
rRNA
Bei der rRNA (ribosomale RNA) handelt es sich um verschieden lange Nukleotidstränge, welche den Grundbaustein der Ribosomen darstellen. Die Länge einer rRNA wird in Svedberg (S) angegeben. Solche RNAs sind zum Beispiel die 5S-, die 28S- und die 16S rRNA. Diese sind an RNA-bindende Proteine (engl. rna binding proteins) gebunden und bilden Komplexe, welche die Untereinheiten eines Ribosoms darstellen.
In unserem Beitrag zur rRNA erklären wir dir diese RNA nochmal genauer.
smallRNA
Es gibt noch viele weitere Arten der RNA, die jedoch weniger bekannt sind. Eine wichtige Gruppe sind die small-RNA (kleine RNA), beziehungsweise sRNA. Sie sind, wie der Name schon sagt, in der Regel deutlich kürzer als die oben genannten RNAs.
Die snRNA (engl. small nuclear RNA = kleine Kern-RNS) besteht aus bis zu 300 Nukleotiden. Sie ist am Splicing der mRNA beteiligt. Während des Vorgangs werden unwichtige Basensequenzen aus der mRNA entfernt.
Eine weitere RNA ist die siRNA (small interfering RNA). Sie ist sehr kurz und besteht nur aus 20 bis 30 Nukleotiden. Die siRNA ist, wie der Name schon verrät, an der RNA-Interferenz beteiligt.
Bei der miRNA (micro RNA) handelt es sich ebenso um eine sehr kurze RNA aus höchstens 30 Nukleotiden. Die miRNA befindet sich in den Introns der mRNA, ist also nur eine Basensequenz innerhalb der mRNA. Die miRNA kann die Transkription einzelner Gene unterdrücken.
In der folgenden Tabelle geben wir dir einen kurzen Überblick über ein paar Arten der sRNAs.
| Art der RNA | Bau | Funktion |
|---|---|---|
| snRNA (small nuclear RNA) | aus bis zu 300 Nukleotiden | ist am Splicing der mRNA beteiligt |
| siRNA (small interfering RNA) | aus bis zu 30 Nukleotiden | ist an RNA-Interferenz beteiligt |
| miRNA (mikro RNA) | aus bis zu 30 Nukleotiden, sind in den Introns der mRNA enthalten |
unterdrückt die Transkription einzelner Gene |
RNA Synthese
Eine Ribonkleinsäure wird aus der DNA gebildet. Für jede RNA gibt es einen bestimmten Abschnitt auf der DNA, welcher den Bauplan enthält. Um beispielsweise eine rRNA zu erstellen, wird die Erbinformation auf der DNA kopiert und leicht verändert. Diese Herstellung wird auch als Synthese bezeichnet.
Zunächst setzt sich das Enzym RNA-Polymerase an die DNA und fährt und liest diese ab. Dabei sucht sie nach dem richtigen Abschnitt auf der DNA, der die Informationen für die zu bildende RNA enthält. An diesem Abschnitt angekommen, spaltet die Polymerase die DNA auf in zwei Einzelstränge. Einer der beiden, der codogene Strang, enthält den relevanten Bauplan für die Ribonukleinsäure. Die Polymerase liest diesen codogenen Strang weiter ab und ordnet jeder Base das komplementäre Nukleotid zu.
Dabei binden sich alle zugeordneten Nukleotide aneinander und bilden einen langen Strang. Nach Beendigung der Synthese löst sich die Polymerase von der DNA und auch die entstandene RNA entfernt sich. Die DNA nimmt wieder ihre Form der spiralisierten Doppelhelix ein.
Bei dem gebildeten Nukleotidenstrang handelt es sich jedoch bei den meisten RNS-Arten noch um eine prä-RNA. Das heißt, dass sie noch unreif ist und noch bearbeitet werden muss. Dieser Vorgang, bei dem aus der prä-RNA eine reife RNA hergestellt wird, nennt sich RNA-Prozessierung.
Es gibt jedoch verschiedene Arten der RNA-Polymerase. Du kannst die RNA-Polymerase I bis IV unterscheiden. Jede ist für die Synthese einer anderen RNA zuständig. Mehr zu den Aufgaben erfährst du in unserem Beitrag zur RNA-Polymerase.
RNA Prozessierung
Während der RNA-Prozessierung wird eine prä-RNA nochmals bearbeitet und sie wird zu einer reifen RNA. Dieser Prozessierung unterziehen sich zum Beispiel die rRNA und die mRNA.
Die prä-rRNA ist eine lange 45S-prä-rRNA. Aus dieser werden bestimmte Abschnitte herausgeschnitten und es entstehen mehrere, kleinere rRNAs.
Die Prozessierung der prä-mRNA findet in mehreren Abschnitten statt. Zunächst erhält die mRNA Moleküle, zum Beispiel einen Poly-A-Schwanz an beiden Enden, die vor einem Abbau schützen. Während der zweiten Phase wird die Reihenfolge mancher Basen verändert, um eine größere Proteinvielfalt zu erzeugen. Im letzten Step werden unwichtige Zwischenstücke (=Introns) entfernt.
Wenn du mehr zur RNA-Prozessierung wissen willst, schau dir gerne unseren Beitrag zur Transkription an.
RNA Abbau
Wird eine Ribonukleinsäure nicht mehr benötigt, wird sie abgebaut. Dieser Abbau ist nur möglich, da die RNAs sehr instabil sind und leicht zerlegt werden können. Das ist nötig, da zu jedem Zeitpunkt eine andere Ribonukleinsäure gebildet werden muss, denn es wird ständig eine andere Form der RNS benötigt. (Beispiel mRNA: wenn das Protein, für das die mRNA steht, nun häufig gebildet wurde, braucht der Körper davon erstmal keinen Nachschub).
Für diesen Abbau der Ribonukleinsäuren ist das Enzym RNAse (Ribonuklease) zuständig. Die Länge des Poly-A-Schwanzes gibt an, ob die Ribonukleinsäure abgebaut werden muss. Denn auch dieser Poly-A-Schwanz ist nicht sehr langlebig und wird mit der Zeit abgebaut. Je länger die RNS also in der Zelle ist, desto kürzer wird ihr Poly-Schwanz.
Die Ribonuklease erkennen die Länge des Poly-A-Schwanzes. Sinkt sie unter einen bestimmten Wert, beginnt die RNAse mit dem Abbau der RNA. Bei diesem Abbau handelt es sich um eine Hydrolyse . Die Ribonukleinsäure reagiert also mit Wasser und dadurch wird sie unter stark sauren Bedingungen (niedriger pH-Wert ) zerlegt.
Dieser Abbau der Ribonukleinsäuren findet in den sogenannten Processing-Bodies (kurz: P-Bodies) statt. In diesen P-Bodies kommen sehr viele Proteine vor, die am Abbau der RNAs beteiligt sind, wie die RNAsen.
RNA Verwendung
In der Wissenschaft und Medizin werden die RNAs schon häufig eingesetzt.
RNA Impfstoff
Als Impfstoff wird meist eine mRNA verwendet. Wie du schon gelernt hast, wird während der Translation der Proteinbiosynthese auf Grundlage einer mRNA ein Protein hergestellt. Es wird also außerhalb des Körpers eine mRNA erzeugt, die den Bauplan für ein bestimmtes Protein besitzt. Diese Proteine stellen im Körper Antigene dar. Die künstlich erzeugten mRNAs werden als Impfung injiziert.
Diese mRNAs werden dann durch Endozytose in die Zelle aufgenommen und lagern sich in das Cytoplasma an. Nun erfolgt die Translation der messenger-RNA und es wird das Protein gebildet.
Dieses Verfahren wird vor allem für die Vorbeugung bakterieller oder viraler Infektionskrankheiten eingesetzt.
RNA Sequenzierung
Unter RNA-Sequencing (dt.: RNA-Sequenzierung) verstehst du einen Prozess, bei dem die Nukleotidabfolge der RNA bestimmt wird.
RNA Isolation
Zunächst muss die zu untersuchende RNA aus der Zelle entfernt, also isoliert werden. Danach kann sie während der Sequenzierung bearbeitet werden.
RNA Sequencing (RNA Seq)
Dafür wird zunächst mit Hilfe des Enzyms DNA-Polymerase ein zur Ribonukleinsäure komplementärer Strang erstellt. Dieser besteht nun aus DNA-Nukleotiden. Das bedeutet, dass statt Ribose der Zucker Desoxyribose genutzt und Thymin an Stelle des Uracils eingebaut wird. Dieser neu gebildete Einzelstrang wird auch als cDNA (engl. complementary DNA = komplementäre DNS) bezeichnet.
Nun baut eine RNAse den RNA-Strang ab und die cDNA bleibt zurück. Für diesen Einzelstrang wird schließlich, wieder durch die DNA-Polymerase, ein komplementärer Strang erstellt, welcher die cDNA zu einer Doppelhelix ergänzt.
Da nun eine Doppelhelix mit den gleichen Grundbausteinen wie die DNA gebildet wurde, kann diese cDNA durch DNA-Sequenzierung abgelesen werden. Dadurch erhältst du die Nukleotidabfolge deiner ursprünglichen RNA.
RNA-Welt-Hypothese
Unsere Erde entstand vor etwa 4,5 Milliarden Jahren. Damals gab es kein Leben, sondern nur chemische Verbindungen wie Nukleotide. Diese sind, wie du weißt, die Grundlage für eine RNA. Mit der Zeit haben sich die Nukleotide also verbunden und eine RNA gebildet. Eine RNA hat die Fähigkeit, Informationen zu tragen. Außerdem kann sie chemische Reaktion katalysieren, also antreiben. Mit diesen Fähigkeiten hat eine RNA alles, was man zum Leben braucht: sie kann sich vermehren.
Die RNA-Welt-Hypothese geht davon aus, dass diese RNA die Grundlage für das Leben auf der Erde. Damit waren jedoch nur sehr primitive Prozesse möglich. Deshalb entwickelten sich später noch die DNA und Proteine, mit welchen komplexe Abläufe stattfinden können.