Ribonukleinsäure: Aufbau, Struktur, Arten von RNA| Lecturio

Die Ribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten von RNA

Die Ribonukleinsäure (RNA) ist wie die Desoxyribonukleinsäure Desoxyribonukleinsäure Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ( DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA) ein Polymer aus Nukleotiden, das für die Proteinsynthese essenziell ist. Im Gegensatz zur DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ist die RNA einzelsträngig und enthält den Zuckerbaustein Ribose (anstelle von Desoxyribose) und die Base Uracil (anstelle von Thymin Thymin Nukleinsäuren). Es gibt verschiedene RNA-Arten mit vielfältigen Aufgaben: Sie spielen eine Rolle in der Proteinsynthese, haben aber auch nicht-codierende und regulatorische Funktionen. In der Proteinsynthese sind die messenger RNA (mRNA), transfer RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA) von Bedeutung. Während der Transkription wird die RNA aus der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA synthetisiert. Das Enzym RNA-Polymerase dient dabei als Katalysator. Die gebildete mRNA dient schließlich als Matrize für die Proteinsynthese in der Translation. Während der Translation stellt die tRNA die dem Codon der mRNA entsprechenden Aminosäuren bereit und bildet dabei eine Polypeptidkette. Die aus rRNA bestehenden Ribosomen erleichtern die Polypeptidkettenbildung.

Redaktionelle Verantwortung: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Inhalt

Allgemeine Eigenschaften der RNA

Messenger RNA (mRNA)

Transfer RNA (tRNA)

Ribosomale RNA (rRNA)

Andere RNA-Arten

Quellen

Kostenloser
Download

Lernleitfaden
Medizin ➜

Mit Video-Repetitorien von Lecturio kommst du sicher
durch Physikum, M2 und M3.

Kostenlos testen

Allgemeine Eigenschaften der RNA

RNA-Aufbau

Die Ribonukleinsäure (RNA) ist ein einzelsträngiges Polymer aus Nukleotiden, die durch 3’–5′-Phosphodiesterbindungen verbunden sind.

Nukleotide sind der Grundbaustein einer jeden Nukleinsäure. Die Nukleotide der RNA werden aus folgenden Teilen gebildet:

Ribose (Zucker): Bindung einer Hydroxylgruppe (OH) an C₂
Hinweis: In der Desoxyribonukleinsäure Desoxyribonukleinsäure Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA ( DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA) bedeutet das Wort Desoxyribose, dass kein Sauerstoff (O) an C₂ gebunden ist.
Phosphatgruppe: Bindung an C₅ der Ribose; Bindung an OH-Gruppe an C₃ des nächsten Nukleotids mittels Phosphodiesterbindung
Stickstoffhaltige Base: gebunden an den C₁ der Ribose
- Purinbasen:
  - Adenin Adenin Nukleinsäuren
  - Guanin Guanin Nukleinsäuren
- Pyrimidinbasen:
  - Cytosin Cytosin Nukleinsäuren
  - Uracil (Hinweis: in der DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA Thymin Thymin Nukleinsäuren statt Uracil)

Nukleinsäurekomponenten:

Nucleobase: stickstoffhaltige Base ( Adenin Adenin Nukleinsäuren)
Nukleosid: stickstoffhaltige Base + Zucker (Adenosin)
Nukleotid: Stickstoffbase + Zucker + Phosphat Phosphat Elektrolyte (Adenosinmonophosphat)
Nukleinsäure: Nukleotidpolymer (RNA)

Tabelle: Vergleich zwischen RNA und DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA
	RNA	DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA
Zuckerbaustein	Ribose	Desoxyribose
Stickstoffhaltige Basen	Adenin Adenin Nukleinsäuren Guanin Guanin Nukleinsäuren Cytosin Cytosin Nukleinsäuren Uracil (statt Thymin Thymin Nukleinsäuren)	Adenin Adenin Nukleinsäuren Guanin Guanin Nukleinsäuren Cytosin Cytosin Nukleinsäuren Thymin Thymin Nukleinsäuren
Grundstruktur	Einzelstrang	Doppelstrang

Basic structure of ribonucleotides — Grundstruktur der Ribonukleotide: Bindung einer Hydroxylgruppe (OH) an C₂ in der RNA
Bild von Lecturio.

Structures of each ribonucleotide — Grundstruktur der Ribonukleotide: Bindung einer Hydroxylgruppe (OH) an C₂ in der RNA
Bild von Lecturio.

Funktion

Proteinsynthese (Messenger-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA), ribosomale RNA (rRNA))
Regulation der Genexpression (microRNA (miRNA), small regulatory RNA (sRNA), small interfering RNA (siRNA))
Modifikation anderer RNAs (small nuclear RNA (snRNA), small nucleolar RNA (snoRNA))
Katalyse oder Stoffwechselfunktion (Ribozyme)
Genetisches Material einiger Viren
Genomabwehr (siRNA (RNA-Interferenz), piwi-interacting RNA (piRNA) bei Eukaryonten, CRISPR bei Prokaryonten)

Codierende und nicht-codierende RNA

CodierendeRNA (Anteil an der Transkription und Translation), z.B.:
- mRNA
- RNA des viralen Genoms
Nicht-codierendeRNA (andere Funktionen in der Zelle), z.B.:
- tRNA
- rRNA
- miRNA
- snoRNA
- snRNA

Messenger RNA (mRNA)

Struktur

Codierende DNA-Sequenz (Englisches Akronym: CDS):
- Einteilung in Codons bestehend aus 3 Basensequenzen (siehe Eselsbrücke); entsprechen bestimmten Aminosäuren
Untranslatierte Sequenzen (UTS) oder nicht-codierende Sequenzen (Unterschiede s.u.):
- 5′-Cap-Struktur
- 3′-Polyadenylatschwanz (Poly-A-Schwanz)
- Shine-Dalgarno-Sequenz (in Prokaryonten)

Eselsbrücke

Eselsbrücke für die mRNA-Startcodons:

Are U Going (AUG)

Eselsbrücke für die mRNA-Stopcodons:

U Go Away (UGA)
U Are Away (UAA)
U Are Gone (UAG)

Transkriptionsprozess und Synthese von mRNA — Darstellung der Transkription und der Synthese der mRNA
Bild von Lecturio.

Funktion

Die Messenger RNA (mRNA) dient als Matrize für die Proteinsynthese in der Translation.

Eigenschaften der mRNA während der Transkription:
- Komplementär zur DNA-Matrize (Bildung durch das Enzym RNA-Polymerase)
- Kopie des codogenen Strangs (Sense-Strang)
Synthese der mRNA vom 5′-Ende zum 3′-Ende (Anfügen von Nukleotiden durch die RNA-Polymerase nur an das 3′-Ende des mRNA-Strangs möglich).
Bezeichnung der Vorläuferform als heterogeneous nuclear RNA (hnRNA) bzw. Präkursor-mRNA (prä-mRNA) bekannt.
Die prozessierte hnRNA wird nach Hinzufügen der 5′-Cap-Struktur und des 3′-Poly-A-Schwanzes und nach erfolgtem Spleißen zur mRNA.

Vergleich zwischen prokaryontischer und eukaryontischer mRNA

Prokaryontische mRNA

Polycistronisch:
- Eine mRNA = mehrere Polypeptide
- In Bakterien: Transkription von Clustern verwandter Gene bzw. Operons zusammen in einer einzigen mRNA
Nach der Synthese unmittelbare Übersetzung der CDS in Proteine Proteine Proteine und Peptide (keine posttranskriptionellen Modifikationen)
Shine-Dalgarno-Sequenz am 5′-UTS-Ende, die als Ribosomenbindungsstelle (RBS) dient und den Startpunkt der Translation anzeigt

Eukaryontische mRNA

Monocistronisch:
- Eine mRNA = einzelnes Polypeptid
- Ein Start- und Stoppcodon für die Produktion einer Polypeptidkette
Umfangreiche Modifikation vor der Übersetzung in Proteine Proteine Proteine und Peptide:
- Capping am 5′-Ende: Anhängen einer 7-Methylguanosin-Gruppe an das 5′-Ende
  - Unterstützung der Erkennung durch Translationsfaktoren und Spliceosomen (Beteiligung am Spleißen)
  - Schutz vor Abbau durch Exonukleasen
- Modifikation der CDS oder Spleißen von Introns Introns Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung) (nicht-codierende Segmente)
- Anhängen des 3′-Poly-A-Schwanzes: Kette von Adenylatmolekülen (Erhalt der Stabilität der mRNA beim Austritt aus dem Zellkern in das Zytosol Zytosol Die Zelle: Zytosol und Zytoskelett)

Lange wurde vermutet, dass Prokaryonten die 5′-Cap-Struktur fehlt. Kürzlich wurde jedoch festgestellt, dass einige Bakterien eine 5′-Nikotinamid-Adenin-Dinukleotid-(NAD)-Cap-Struktur aufweisen:

Vermutlich Schutz vor Abbau der bakteriellen RNA
In einigen Eukaryonten gefunden, allerdings eher Förderung von Abbau anstelle einer Schutzfunktion
5′-7-Methylguanosin-Cap-Struktur in Eukaryonten: Hinzufügung posttranskriptionell
5′-NAD-Cap-Struktur in Prokaryonten und Eukaryonten: Hinzufügung im Initiationsschritt der Transkription

Übersicht über Segmente der mRNA — Übersicht über mRNA-Bestandteile einschließlich 5′-Cap-Struktur und 3′-Poly-A-Schwanz
Bild von Lecturio.

Transfer RNA (tRNA)

Struktur

Einzelnes Polynukleotid bestehend aus durchschnittlich 75 Nukleotiden
Beinhaltung modifizierter Basen wie Inosin, Dihydrouridin und Pseudouridin
Durch intramolekulare Basenpaarung Entstehung einer Kleeblatt-ähnlichen Struktur
L-förmige Tertiärstruktur der tRNA
Teile der tRNA bestehen aus:
- Akzeptor-Arm:
  - Enthält die 3′-CCA (Cytosin-Cytosin-Adenin)-Sequenz:
    - Bindungsstelle für zum Anticodon passende Aminosäuren
    - Bildung einer kovalenten Bindung mit einer bestimmten Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren mittels der Aminoacyl-tRNA-Synthetase
  - Enthält auch Teile des 5′-Endes der tRNA
- Anticodonschleife:
  - Bestehend aus 3 Basen und komplementär zum mRNA-Codon
  - Antiparallele Paarung mit mRNA
- D-Arm (Dihydrouridin-Arm) und T-Arm bzw. TΨC-Arm (Thymidin-Pseudouridin-Cytidin):
  - D-Arm vermutlich eine Erkennungsstelle für die Aminoacyl-tRNA-Synthetase
  - Hilfe bei der Anheftung von Ribosomen durch den T-Arm
- Variable Schleife:
  - Gegebenenfalls vorhanden; Ermöglichung einer weiteren Klassifizierung der tRNA

Sekundärstruktur der Transfer-RNA (tRNA): Die gesamte Sequenz ist zu sehen, was auf die reduzierte Größe hinweist.
Bild von Lecturio

Funktion

Die tRNA transportiert Aminosäuren zu den Ribosomen für den Zusammenbau zu Proteinen. Dieser Prozess wird durch diese 2 Vorgänge ermöglicht:

Chemische Bindung mit einer bestimmten Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren:
- Spezifität aufgrund des Enzyms Aminoacyl-tRNA-Synthetase:
  - Erkennung nur einer Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren und der entsprechenden tRNA durch das Enzym
  - Mindestens 20 Aminoacyl-tRNA-Synthetasen für 20 Aminosäuren (mindestens 1 pro Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren)
  - Ungeladene tRNA: keine angehängte Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren
  - Geladene tRNA: Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren angehängt
- Verknüpfung der Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren mit dem 3′-Ende des tRNA-Akzeptor-Arms durch die Aminoacyl-tRNA-Synthetase
Bildung von Basenpaaren mit dem Codon in der mRNA:
- Über Anticodon der tRNA
- Bestimmung über die Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren, die zum Ribosom transportiert wird
- Eine tRNA bindet nur eine bestimmte Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren, aber eine tRNA kann mehr als ein Codon lesen.
- Mehrere Codons können für eine Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren codieren (Codon-Degeneration):
  - Beispiel: 1 tRNA = 1 Aminosäure Aminosäure Grundlagen der Aminosäuren (Phe) = verschiedene Codons, aber identische erste 2 Basen: UUU, UUC
- Die ersten 2 Basen des Codons: Hauptsächliche Rolle für Bestimmung der Aminosäuren
- Möglichkeit der Bildung mehrerer Basenpaarungen zwischen der 3. Base des Codons und der komplementären 1. Base des Anticodons der tRNA:
  - “Wobble”-Phänomen (Wackelbasen-Hypothese)
  - Beispiel: Paarung von Inosin (I), einer modifizierten Base der tRNA, sowohl mit Uracil (U) als auch mit Adenin Adenin Nukleinsäuren (A) und Cytosin Cytosin Nukleinsäuren (C) am 3′-Ende des Codons

Translation und die Rolle von tRNA — Translation und die Rolle der tRNA
Bild von Lecturio.

Aminosäuren-Tabelle — Codesonne, die die Degeneration des genetischen Codes verdeutlicht: Viele Aminosäuren werden durch mehr als eine Basenkombination codiert.
Bild : *„Aminoacids table” von Mouagip*. Lizenz: Public Domain

Ribosomale RNA (rRNA)

Struktur

Ribosomen bestehen aus 2 unterschiedlich großen rRNA-Einheiten. Die Größen werden in der Einheit “S” (Svedberg bzw. Sedimentationseinheit) gemessen:

Basierend auf einem Maß für die Sedimentationsgeschwindigkeit in einer Zentrifuge (großer “S”-Wert = schnellere Sedimentation = größere Masse)
Werte der Svedberg-Enheit sind nicht addierbar.
Prokaryontische Ribosomen: 70S bestehend aus 50S (große Untereinheit) und 30S (kleine Untereinheit)
Eukaryontische Ribosomen: 80S bestehend aus 60S (große Untereinheit) und 40S (kleine Untereinheit)
3 funktionell unterschiedliche tRNA-Bindungsstellen :
- A(Aminoacyl)-Stelle (Bindung mit Aminoacyl-tRNA)
- P(Peptidyl)-Stelle (Bindung mit Peptidyl-tRNA, an die die wachsende Peptidkette angehängt ist)
- E(Exit)-Stelle (Die deacylierte tRNA verlässt tRNA das Ribosom.)

**Tabelle: Komponenten der 70S-Ribosomen in Prokaryonten**
Untereinheit	rRNA	Funktion
50S	5S	Übertragung funktioneller Zentren von Ribosomen und Koordination
50S	23S	Peptidyltransferase: Bildung von Peptidbindungen
30S	16S	Beteiligung an Initiationsphase der Translation; Ribosomengerüst

**Tabelle: Komponenten der 80S-Ribosomen in Eukaryonten**
Untereinheit	rRNA	Funktion
60S	5S	Stabilisation des Ribosoms
	5.8S	Translation
	28S	Peptidyltransferase: Bildung von Peptidbindungen
40S	18S	Translation

Ribosomen-Untereinheiten groß — Große Untereinheiten eines Ribosoms
Bild von Lecturio.

Ribosomen-Untereinheiten klein — Kleine Untereinheiten eines Ribosoms
Bild von Lecturio.

Funktion

Häufigste RNA-Art in lebenden Zellen (80 % der gesamten RNA in einer Zelle)
Gerüst der ribosomalen Untereinheiten
Verbindung mit Proteinen, um Ribosomen zu bilden (Ort der Proteinsynthese).
Katalyse spezifischer chemischer Reaktionen (Ribozyme)
23S- (Prokaryonten) und 28S-rRNA (Eukaryonten) in der großen Untereinheit des Ribosoms:
- Wichtigstes Ribozym
- Peptidyltransferase (Katalyse der Bildung von Peptidbindungen zwischen Aminosäuren für die Bildung von Proteinen)
Zur Differenzierung:
- Ribosomale RNA: rRNA
- Ribosom: rRNA + Proteine Proteine Proteine und Peptide
- Ribozym: rRNA mit enzymähnlicher Aktivität, die die Proteinsynthese in Ribosomen katalysiert

Andere RNA-Arten

RNA-Verarbeitung

Small nuclear RNA (snRNA):

Nicht-codierende RNA (Eukaryonten)
Bindung mit Proteinen, um small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs) zu bilden:
- Small nuclear ribonucleoproteins (snRNPs) + Protein = Spleißosom
- Herausschneiden von Introns Introns Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung) aus einer transkribierten prä-mRNA durch Spleißosomen (Spleißen)
- rRNA- und mRNA-Modifikation und Genregulation

Small nucleolar RNA (snoRNA):

Nicht-codierende RNA (Eukaryonten)
RNA-Modifikation

Genregulation

MicroRNA (miRNA):

Nicht-codierende RNA (Eukaryonten)
Regulation der Translation durch Bindung der mRNA und darauffolgenden Abbau → “gene silencing”
Beitrag zur Malignomentwicklung bei abnormer Expression von miRNA (Funktion als Onkogen oder Tumorsuppressor)

Small regulatory RNA (sRNA):

Nicht-codierende RNA (Prokaryonten)
Genregulation

6sRNA:

Regulation der Transkription Regulation der Transkription Regulation der Transkription

Schutz des Genoms

Small interfering RNA (siRNA):

Nicht-codierende RNA (Eukaryonten)
Genregulation durch Bindung komplementärer mRNA und darauffolgenden Abbau → “gene silencing”
Teilhabe an der RNA-Interferenz gemeinsam mit der miRNA
Abwehr fremder RNA

Piwi-interacting RNA (piRNA):

Nicht-codierende RNA (Eukaryonten)
Regulation der Genexpression und Bekämpfung von Virusinfektionen

CRISPR (crRNA):

Nicht-codierende RNA (Prokaryonten)
Abwehr fremder DNA DNA Die Desoxyribonukleinsäure – Aufbau, Struktur und verschiedene Arten der DNA und RNA

Weitere Ribozyme

Ribonuklease P (RNAse P):

Spaltung von prä-tRNA zur Erzeugung des freien 5′-Endes der reifen tRNA

Selbstspleißende Introns Introns Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung):

Introns Introns Post-transkriptionale Modifikationen (RNA-Prozessierung) mit Nukleaseaktivität für eigenständiges Spleißen

Viroid:

Nicht-codierende RNA
Infektion von Pflanzen
Eigenständige Teilung während der Replikation des Viroids

Quellen

Weil, P. A. (2018). Nucleic acid structure & function. V. W. Rodwell, D. A. Bender, K. M. Botham, P. J. Kennelly & P. A. Weil (Eds.), Harper’s illustrated biochemistry, 31e. New York, NY: McGraw-Hill Education. accessmedicine.mhmedical.com/content.aspx?aid=1160190679
McKee, T., & McKee, J. R. (2009). Biochemistry: The molecular basis of life. New York: Oxford University Press.
Clark, D. P., Pazdernik, N., & McGehee, M. (2019). Molecular biology.
Uniklinikum Heidelberg. Hans-Georg Kräusslich (2007). RNA-Prozessierung. https://www.klinikum.uni-heidelberg.de/fileadmin/inst_hygiene/molekulare_virologie/PDF/SS07/ss07_05_rna-prozessierung.pdf (Zugriff am 26.04.2022)
Spektrum.de (2001). transfer-RNA. https://www.spektrum.de/lexikon/biologie-kompakt/transfer-rna/11975 (Zugriff am 26.04.2022)
Arnemann, J. (2019). Sense-Strang. In: Gressner, A.M., Arndt, T. (eds) Lexikon der Medizinischen Laboratoriumsdiagnostik. Springer Reference Medizin. Springer, Berlin, Heidelberg. https://doi.org/10.1007/978-3-662-48986-4_3578 (Zugriff am 26.04.2022)