rRNA
Was ist eine rRNA und wie ist sie gebaut? In diesem Beitrag erklären wir dir alles über die Bildung, die Arten und die Funktion der rRNA.
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Inhaltsübersicht
rRNA einfach erklärt
Die rRNA (= ribosomale RNA) ist eine Art der RNA , die gemeinsam mit ribosomalen Proteinen den Grundbaustein der Ribosomen darstellt. rRNAs werden von dem Enzym RNA-Polymerase I während der Transkription gebildet. Der Bauplan dieser RNA befindet sich auf der DNA .
Es gibt verschiedene rRNAs, die sich in ihrer Länge und Masse unterscheiden. Die Ribosomen der Prokaryoten weisen andere rRNAs auf als die Ribosomen der Eukaryoten . Die ribosomale RNA macht bis zu 90% der gesamten RNA einer Zelle aus und ist der Hauptbestandteil der Ribosomen. Somit ist sie am Aufbau und der Funktion der Ribosomen beteiligt. Außerdem können sie die Proteinbiosynthese (Proteinherstellung) beschleunigen (= katalytische Funktion).
rRNA-Moleküle spielen eine sehr wichtige Rolle in der Erforschung der Stammbäume der Lebewesen. Da alle Lebewesen nach der Endosymbiontentheorie von der gleichen Zelle abstammen, weisen alle eine sehr ähnliche rRNA auf. Hinzu kommt, dass sich die rRNA nur sehr langsam im Laufe der Zeit verändert. Daher können der Bau und die Größe der rRNA-Moleküle verschiedener Arten miteinander verglichen und auf Verwandtschaften geschlossen werden.
Eine Definition der rRNA sieht nun folgendermaßen aus:
Die rRNA (engl. ribosomal RNA = ribosomale RNA) ist der häufigste Bestandteil der Ribosomen in Prokaryoten und Eukaryoten und ist daher die Grundlage der Proteinherstellung während der Proteinbiosynthese .
rRNA Aufbau
Alle Arten der RNA haben den gleichen grundlegenden Bau.
Die RNA besteht aus organischen Basen, Phosphatresten und Zuckermolekülen. Eine RNA besitzt vier verschiedene organische Basen. Diese Basen sind Adenin, Cytosin, Guanin und Uracil. Diese sind unterschiedlich aufgebaut. Adenin und Guanin bestehen aus jeweils zwei Kohlenstoffringen, Cytosin und Uracil nur aus jeweils einem.
Der Zucker, der in der RNA enthalten ist, ist der Fünffachzucker Ribose.
Außerdem enthält die RNA Phosphatreste HPO42-. Phosphatreste entstehen, wenn Phosphorsäure (H3PO4) Wasserstoffprotonen abgibt.
Diese drei Bestandteile sind miteinander verbunden und haften aneinander. Dafür sind verschiedene Bindungen verantwortlich. Zwischen einer Base und einem Ribosemolekül entsteht eine N-glykosidische Bindung . Diesen Komplex kannst du auch als Nukleosid bezeichnen.
Außerdem besteht eine Ester bindung zwischen dem Phosphatrest und dem Ribosemolekül. Die Einheit aus einem Phosphatrest, einem Ribosemolekül und einer Base stellt ein Nukleotid dar.
Alle Nukleotide der RNA bilden einen langen Strang. Ein solcher Strang wird auch als Nukleinsäure bezeichnet. Da es sich bei der RNA um eine Nukleinsäure handelt, die den Zucker Ribose enthält, wird sie auch als Ribonukleinsäure bezeichnet.
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.
rRNA als Baustein der Ribosomen
Die Ribosomen bestehen aus verschiedenen rRNAs, die an sogenannte ribosomale Proteine binden. Durch diese Bindungen bilden sich die großen und kleinen Untereinheiten der Ribosomen. Jedoch enthalten Prokaryoten und Eukaryoten nicht die gleichen rRNAs.
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rRNA Prokaryoten
In den Prokaryoten kommen 70S Ribosomen vor. Das S bezeichnet den sogenannten Sedimentationskoeffizienten mit der Einheit Svedberg. Dieser Sedimentationskoeffizient misst, wie schnell ein Teilchen in einer Zentrifuge absinken würde. Dabei kannst du auch indirekt auf die Größe des Teilchens schließen.
Die 70S Ribosomen bestehen aus drei verschiedenen rRNAs. Das sind die 23S-, die 5S- und die 16S-rRNA. Die große Untereinheit (50S) der Ribosomen besteht aus 23S- und 5S-rRNAs und 31 Proteinen. Die kleine Untereinheit (30S) dagegen ist aus 16S-rRNAs und 21 Proteinen gebaut. Dabei macht die 16S-rRNA etwa 66% der gesamten Untereinheit aus.
| Ribosom | Untereinheit | rRNA |
|---|---|---|
| 70S | 50S | 23S |
| 5S | ||
| 30S | 16S |
rRNA Eukaryoten
Die Ribosomen der Eukaryoten werden im Nucleolus der Zelle gebildet und haben einen Sedimentationskoeffizienten von 80S. Die große Untereinheit (60S) besteht aus 5S-, 5,8S- und 28S-rRNAs und 49 ribosomalen Proteinen. Die kleine Untereinheit (40S) enthält die 18S-rRNA und 33 Proteine.
| Ribosom | Untereinheit | rRNA |
|---|---|---|
| 80S | 60S | 28S |
| 5,8S | ||
| 5S | ||
| 40S | 18S |
Transkription der rRNA aus der rDNA
Ein rRNA-Molekül wird von dem Enzym RNA-Polymerase I gebildet. Der Bauplan für die ribosomale RNA liegt auf der DNA. Dieser Abschnitt der DNA, der den Bauplan enthält, wird daher auch als rDNA bezeichnet.
Die Erstellung der rRNA aus der rDNA wird als Transkription bezeichnet und kann in die Phasen Initiation, Elongation und Termination unterteilt werden. Diese Phasen ähneln der Transkription der mRNA, jedoch wird bei der rRNA ein anderes Enzym benötigt und es wird ein anderer Abschnitt der DNA abgelesen.
Zunächst setzt sich die RNA-Polymerase I an die DNA an und liest diese ab. Dabei sucht sie den Abschnitt der rDNA, der den Promotor, also das Start-Codon, enthält. Hat die Polymerase den Promotor erreicht, kann die Transkription beginnen.
Nun wird die rDNA von der RNA-Polymerase I aufgespalten und es bilden sich zwei Stränge. Die Polymerase fährt nur noch einen der beiden rDNA-Stränge ab, da nur einer den Bauplan für die rRNA enthält. Nun ordnet das Enzym jeder Base der rDNA das komplementäre, also entgegengesetzte Nukleotid zu. Alle zugeordneten Nukleotide binden aneinander und bilden einen langen Strang.
Dieses Ablesen der rDNA endet mit dem Terminator. Auch hierbei handelt es sich um eine Basensequenz, die nun aber das Ende der Transkription angibt. Nun löst sich die RNA-Polymerase I von der rDNA und die DNA bildet wieder ihr gewundene Form der Doppelhelix. Auch der entstandene Nukleotidenstrang löst sich von der Polymerase und stellt jetzt eine rRNA dar. Diese ist jedoch eine Vorform der fertigen rRNAs und wird deshalb als prä-rRNA bezeichnet.
prä-rRNA
Bei der prä-rRNA der Eukaryoten handelt es sich nach der Transkription um die 45S-prä-rRNA, die im Kernkörperchen (Nucleolus ) heranreift. Dabei werden manche Teile (ITS-Sequenzen) der 45S-prä-rRNAs herausgeschnitten und es entstehen mehrere, kleinere rRNAs.
Auch bei den Prokaryoten werden aus der prä-rRNA andere rRNAs gebildet. Dieser Vorgang findet jedoch im Cytoplasma statt.
rRNA Verwendung
Die rRNA ist ein sehr wichtiger Bestandteil der Ribosomen. Daher haben die rRNA-Moleküle nicht nur eine wichtige strukturelle Aufgabe, sondern sind auch an der Funktion der Ribosomen während der Proteinbiosynthese beteiligt.
Außerdem stellen die rRNAs ein wichtiges Forschungsobjekt zur Bestimmung von Verwandtschaftsgraden dar. Alle Lebewesen sind ursprünglich aus den gleichen Mikroorganismen entstanden (Endosymbiontentheorie ). Aus diesen ursprünglichen Organismen entwickelte sich das ganze Leben auf unserer Erde. Alle Lebewesen haben also die gleiche Zelle als Vorfahre und besitzen daher auch die gleiche rRNA.
Die ribosomale RNA hat sich im Laufe der Evolution nur wenig verändert und ähnelt sich somit immer noch stark in allen Lebewesen. Doch die wenigen Basensequenzen, die sich verändert haben, haben Wissenschaftler bei allen Organismenarten verglichen. So konnten sie feststellen, welche Arten eine annährend gleiche ribosomale RNA aufweisen, und bei welchen Arten sich die rRNA durch wenige Basensequenzen unterscheidet. Daraus wurde der sogenannte phylogenetische Stammbaum entwickelt.
Jedoch nutzt man in der Forschung nur die 16S– (Prokaryoten) oder 18S– (Eukaryoten) rRNAs. Die kürzeren besitzen nämlich zu wenige vergleichbare Basensequenzen und die größeren rRNAs sind wiederum zu kompliziert.