Die RNA – ausgeschrieben Ribonukleinsäure – ist dir im Zusammenhang mit der DNA vermutlich schon öfter begegnet. Diese beiden Nukleinsäuren sind sich in ihrem Aufbau sehr ähnlich, die RNA hat allerdings eine Vielzahl an Funktionen von der Proteinbiosynthese bis hin zur Regulation von Genen. Diese Funktionen der RNA sind für Zellen und somit verschiedenste Organismen lebenswichtig.
Die RNA (Ribonukleinsäure) ist eine aus Ribonukleotiden aufgebaute Kette, die in Zellen vor allem als Informationsträger dient.
RNA Aufbau
Ein RNA Strang ist – ähnlich wie die DNA – ein Polynukleotidstrang. Das heißt, dass die RNA aus vielen aneinandergehängten Nukleotiden besteht. Die Nukleotide bestehen aus einer Base, einem Zucker und einem Phosphatrest. Die organische Base einer RNA kann entweder ein Adenin, Guanin, Cytosin oder Uracil sein, während bei einem DNA Strang anstelle des Uracil Thymin verwendet wird.
Um einen näheren Einblick in die verschiedenen Arten von Basen zu erhalten, kannst du gerne in den Artikeln zu Nukleinbasen und der RNA spezifischen Base Uracil vorbeischauen!
Außerdem ist das in einer Ribonukleinsäure verbaute Zuckermolekül eine Ribose. Im Unterschied zum Zucker der DNA – der Desoxyribose – hat die Ribose eine Hydroxygruppe statt einer Wasserstoffgruppe am 2'-Kohlenstoff des Zuckerrings verbaut. Aufgrund der verwendeten Zucker haben diese beiden Nukleinsäuren auch ihre Namen: Desoxyribonukleinsäure (DNA) und Ribonukleinsäure (RNA).
Abbildung 1: Aufbau eines Polynukleotidstrangs
Quelle: Wikipedia
Die einzelnen Nukleotide der RNA sind durch Phosphodiesterbindungen zwischen dem 3'-Kohlenstoff einer Ribose und dem Phosphatrest des nächsten Nukleotids verbunden.
Die RNA Stränge, die in der Zelle vorkommen sind außerdem oft viel kürzer als DNA Stränge.
Der Unterschied in ihrem Aufbau sorgt dafür, dass RNA leichter zu zersetzen ist als DNA und somit weniger stabil ist. Daher ist es energetisch günstiger für eine Zelle, die Form und Struktur einer DNA zu bewahren, als die eines RNA Strangs.
RNA Strukturen
Die RNA kommt mehrheitlich in einer Einzelstrang-Form vor. Das ist nötig, um die vielen dreidimensionalen Strukturen einnehmen zu können, in denen die RNA manchmal auftritt. Diese sogenannten Sekundärstrukturen basieren auf demselben Prinzip, das auch für den Zusammenhalt von doppelsträngiger RNA verantwortlich ist: Basen, die zueinander komplementär sind, können Wasserstoffbrücken ausbilden und werden dadurch zusammengehalten. Guanin kann an Cytosin und Adenin an Uracil binden.
Durch Einzelstrang-Bereiche und die Zusammenlagerung von komplementären Basen in anderen Bereichen der RNA können dann schließlich Strukturen wie Hairpin- oder Interior-Loops entstehen.
Abbildung 2: Loop-Formationen innerhalb eines RNA-Strangs
Quelle: innovativegenomics.org
RNA Polymerase
Um einen RNA Strang aufzubauen, wird ein spezielles Enzym benötigt: die RNA Polymerase. RNA Polymerasen brauchen einen DNA Strang – in speziellen Fällen einen RNA Strang – als Vorlage. Diesen fahren sie von 3' in 5' Richtung entlang, um einen RNA Strang von 5' in 3' Richtung zusammenzusetzen. Die RNA Polymerase ist dazu fähig, die einzelnen Nukleotide zu einem Polynukleotid, der Ribonukleinsäure, zu verknüpfen.
Für mehr Informationen über die genaue Funktionsweise und die verschiedenen Arten der Polymerase kannst du gerne im Artikel zur DNA Polymerase vorbeischauen!
RNA – Funktion
Verschiedene RNA Moleküle können unterschiedliche Formen annehmen und entsprechend andere Funktionen ausüben. Diese Funktionen müssen nicht zwingend darauf basieren, dass durch die Basenabfolge der RNA Informationen kodiert werden.
RNA Proteinbiosynthese – RNA Typen
Der wohl wichtigste Nutzen von RNA in Zellen wird im Rahmen der Synthese von Proteinen erfüllt. Bei der Transkription wird DNA zu RNA umgeschrieben. Diese RNA kann bei der anschließenden Translation als Bauplan für ein Protein verwendet werden.
Näheres über diese Prozesse der Transkription und Translation kannst Du auch im StudySmarter-Artikel zur Proteinbiosynthese nachlesen.
Während der Proteinsynthese sind mehrere verschiedene Formen der RNA im Einsatz.
Die mRNA
Das Kürzel mRNA steht für messenger-RNA – also Boten-RNA – und beschreibt den RNA Strang, der bei der Transkription entsteht. mRNA entsteht durch eine RNA Polymerase, die einen Abschnitt der DNA abliest und diesen mit Ribonukleotiden neu aufbaut. Die mRNA enthält die gesamte genetische Information, die auf dem entsprechenden Bereich der DNA zu finden ist.
Da die anschließende Translation außerhalb des Zellkerns stattfindet, wird die RNA gebraucht, um die nötigen Baupläne aus dem Zellkern heraus zu transportieren. Die DNA selbst ist dafür nicht geeignet, da sie außerhalb der Zelle zu vielen Einflüssen ausgesetzt ist, welche die kostbare Erbinformation der DNA schädigen könnten. Die Funktion dieser speziellen Form der RNA – der Informationstransport – ist auch der Grund für den Namen der messenger-RNA.
Die RNA kann allerdings nicht sofort nachdem sie als Kopie der DNA erstellt wurde, verwendet werden. Bevor sie für die Translation zur Verfügung steht, kommt es noch zur RNA Prozessierung.
Die sogenannte prä-mRNA wird bei der RNA Prozessierung bearbeitet, damit sie so kompakt und stabil wie möglich wird. Zum Beispiel werden sinnlose Abschnitte herausgeschnitten, und zusätzliche Abschnitte zur Stabilisierung an die Enden der prä-mRNA hinzugefügt. Die reife mRNA ist dann bereit für die Translation.
Während bei Eukaryoten – z. B. Tiere, Pflanzen und Pilze – auf jedem mRNA-Strang nur ein Gen zu finden ist, können darauf bei Prokaryoten – z. B. Bakterien – mehrere Gene lokalisiert sein.
Die rRNA
rRNA ist die ribosomale RNA und dient als ein Baustein eines Ribosoms. Ribosomen bestehen zu zwei Dritteln aus rRNA, das restliche Drittel besteht aus Proteinen.
Ein Ribosom ist in einer Zelle bei der Translation dafür verantwortlich, die mRNA abzulesen und – entsprechend der Basenabfolge darauf – verschiedene Aminosäuren miteinander zu verknüpfen. Die dabei entstehende Peptidkette kann sich im Anschluss falten und zusammenlegen und bildet somit ein Protein.
Je nachdem, ob Prokaryoten oder Eukaryoten betrachtet werden, haben die rRNA-Untereinheiten, aus denen ein Ribosom besteht, verschiedene Größen.
Da jede lebende Zelle Ribosomen und somit auch rRNA besitzt, wird die ribosomale RNA heutzutage oft zur Aufklärung evolutionärer Zusammenhänge verwendet. Bei der Untersuchung bestimmter Einheiten der ribosomalen RNA kann anhand der Unterschiede bestimmt werden, inwiefern Organismen und Arten miteinander verwandt sind. Anhand dessen können Stammbäume erstellt werden, durch die auf gemeinsame Vorfahren verschiedener Arten geschlossen werden kann.
Die tRNA
Die tRNA – oder auch transfer-RNA – ist dafür verantwortlich, bei der Translation die richtigen Aminosäuren zum Ribosom zu transportieren. Es gibt verschiedene tRNAs, die jeweils eine bestimmte Aminosäure tragen können.
Das Enzym Synthetase sorgt für die „Beladung“ der tRNA mit der passenden Aminosäure. Da es 20 verschiedene Aminosäuren gibt, die für den Bau eines Proteins genutzt werden, und ein Synthetase-Molekül nur eine dieser Aminosäuren erkennen kann, gibt es 20 verschiedene Arten der Synthetase.
Außerdem können tRNAs durch ein Anticodon immer an ein spezifisches Basentriplett (Codon) der mRNA binden. Das Ribosom hat Bindestellen durch welche eine tRNA an die mRNA geleitet wird, wenn sie ein passendes (komplementäres) Anticodon hat. Dadurch werden Aminosäuren in der richtigen Reihenfolge, wie sie in der mRNA codiert ist, aneinandergehängt.
Abbildung 3: Tertiär- und Sekundärstrukturen einer tRNA
Quelle: wikipedia.de
Die Sekundärstruktur einer tRNA lässt sich aufgrund der vielen Loops auch als Kleeblatt-ähnlich beschreiben.
RNA-Interferenz
Als RNA-Interferenz werden Mechanismen von eukaryotischen Zellen beschrieben, bei denen Gene auf der DNA gezielt stillgelegt werden. Dieser Mechanismus wird zum Beispiel dann benötigt, wenn eine Zelle durch Viren infiziert wird.
Bei der Infektion einer Zelle injiziert ein Virus sein Erbgut – meistens eine RNA – in die Zelle, wo es translatiert wird. Aus den Produkten der Translation werden neue Viren hergestellt, bis die Zelle platzt und die entstandenen Viren für weitere Infektionen freigesetzt werden.
Im Rahmen einer Infektion wird siRNA (small interfering RNA) hergestellt. Das sind kurze, doppelsträngige RNA Abschnitte. siRNA kann von Zellen genutzt werden, um mithilfe anderer Proteine an die virale RNA oder DNA zu binden, sie zu zerstören und somit den Infektionskreislauf zu unterbrechen.
Eine andere Funktion der RNA-Interferenz ist die Regulation der Genexpression. Um zu kontrollieren, welche Gene der DNAwie stark exprimiert – also transkribiert und translatiert – werden, benötigt eine Zelle ebenfalls einen Mechanismus. Zusammen mit miRNAs (micro-RNAs) können siRNAs diese Aufgabe erfüllen. Sie bilden Komplexe mit Proteinen und binden wie bei viralen Infektionen an Genabschnitte, die heruntergefahren werden sollen. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass jedes Gen nur so stark exprimiert wird, wie es die Zelle oder der Organismus benötigen.
RNA-Viren
Einige Viren haben ein Genom, das nicht auf DNA, sondern auf RNA kodiert ist. Diese werden auch als RNA-Viren bezeichnet. Viele der heutzutage medizinisch relevanten Viren sind RNA-Viren. Dazu zählen einige Hepatitis-Viren, das Ebolavirus, das HI-Virus, Influenzaviren oder auch das SARS-CoV-2 Virus.
Durch die höhere Fehlerrate von RNA Polymerasen im Vergleich zu DNA Polymerasen, kommt es bei RNA-Viren häufig zu Mutationen in ihrem Erbgut.
DNA Polymerasen stellen im Vergleich zu RNA Polymerasen anstelle der RNA eine neue DNA her. Sie werden vor allem im Rahmen der DNA Replikation benötigt.
Daher können sich RNA-Viren besser an neue oder angepasste Wirte adaptieren, um einer Immunantwort auszuweichen. Impfstoffe gegen solche Viren müssen deshalb vielfach angepasst werden, um weiterhin hohe Wirksamkeit garantieren zu können.
RNA-Impfung
Neuartige Impfstoffe basierend auf RNA sind in den vergangenen Jahren zu einem Hoffnungsträger der modernen Medizin geworden. Erstmals zugelassen und öffentlich angewendet wurde ein RNA-Impfstoff ab 2020 gegen das SARS-CoV-2 Virus.
Mehr Informationen über das Virus SARS-CoV-2 kannst Du im StudySmarter-Artikel zu Covid-19 nachlesen.
Die Funktionsweise eines solchen Impfstoffes beruht auf der Translation von RNA-Molekülen, die sich im Impfstoff befinden. Gehüllt in eine Hülle aus Lipid-Partikeln, die sich im Körper leicht abbauen und ausscheiden lassen, kann die RNA in Zellen transportiert werden. Dort wird die RNA durch die körpereigenen Mechanismen translatiert und es entstehen Proteine, die einem ungefährlichen Bestandteil des Virus entsprechen. Der Körper erkennt diese sogenannten Antigene als Fremdkörper an und löst eine Immunantwort gegen sie aus.
Für mehr Einzelheiten über den Ablauf der Immunantwort kannst Du dich in den Artikeln zum Immunsystem informieren!
Abbildung 4: Immunisierung durch einen RNA-Impfstoff
Quelle: nzz.ch
Im Rahmen dieser Immunantwort bildet sich auch ein Gedächtnis aus. Dieses ermöglicht es den Immunzellen, im Falle einer echten Infektion schneller und stärker auf die Gefahr zu reagieren, als es ohne das Immungedächtnis der Fall wäre.
Im Gegensatz zu konventionellen Impfstoffen, wie den Totimpfstoffen, stellt der Körper bei RNA-Impfstoffen das Antigen selbst her. Der Bestandteil des Krankheitsauslösers muss nicht im Labor hergestellt oder isoliert werden. Dies ist einer der Gründe, wieso RNA so gut als Impfstoff geeignet ist. Die Kosten und die Zeit, welche für Forschung und Produktion nötig sind, werden auf einen Bruchteil reduziert, während die Wirkung oft nicht geringer ist als bei konventionellen Impfstoffen.
Ein weiteres wichtiges Feld der Forschung an RNA-Impfstoffen stellt die Krebsforschung dar. In einigen Studien konnte die Wirksamkeit von RNA-Impfstoffen gegen verschiedene Arten von Tumoren nachgewiesen werden.
Konventionelle Krebs-Medikamente sind oft dadurch limitiert, dass sie nicht spezifisch Krebszellen angreifen, sondern jede Zelle und dabei den Körper des Patienten sehr schwächen. Es ist schwer diese Medikamente für jeden Patienten auf den auftretenden Tumor anzupassen, da Tumore in den unterschiedlichsten Formen und Typen auftreten können. Impfstoffe basierend auf RNA hingegen sind aufgrund ihres einfachen Aufbaus optimal und schnell an verschiedene Ziele anpassbar, weshalb an ihrem Einsatz gegen Krebs mit Hochdruck geforscht wird.
RNA-Welt-Hypothese
Im bisherigen Artikel wurden dir einige Funktionen von RNA gezeigt, die gut veranschaulichen, wie vielfältig und allgegenwärtig diese Nukleinsäure ist. Die Entwicklung der ribosomalen RNA und ihr Vorhandensein in jeder lebenden Zelle sind einer der Gründe dafür, dass Forschende die sogenannte RNA-Welt-Hypothese aufgestellt haben.
Laut dieser Hypothese basiert alles heutige Leben auf der Erde auf RNA, die als Baustein zur Speicherung von Informationen diente. Nukleotide wurden im Laufe der Zeit zu RNA Strängen zusammengesetzt, die Kopien von sich selbst herstellen und schließlich sogar Proteine nach ihrem eigenen Bauplan zusammensetzen konnten.
Da die Nutzung von DNA als Speichermedium um einiges weniger an Energie verbraucht, wurde RNA im Laufe der Zeit von DNA abgelöst.
Ein Hinweis darauf, dass RNA durch DNA abgelöst wurde, sind die Zuckermoleküle, die in den beiden Nukleinsäuren jeweils verbaut sind. Um Desoxyribonukleotide herstellen zu können, benötigt ein Organismus in jedem Fall zunächst ein Ribonukleotid. Die in das Ribonukleotid eingebaute Ribose wird dann zu einer Desoxyribose reduziert, die in eine DNA eingebaut werden kann. Daher kann keine DNA bestehen, ohne dass es zuvor eine RNA – oder zumindest Bausteine einer RNA – gab.
Außerdem wurde die Informationsspeicherung eines Organismus durch Proteine ergänzt, da sie durch ihre vielfältigen Strukturen mehr unterschiedliche Funktionen ausüben können als eine DNA oder die RNA.
RNA – Das Wichtigste
- RNA ist der DNA sehr ähnlich aufgebaut, enthält jedoch den Zucker Ribose anstatt Desoxyribose und die Base Uracil anstatt Thymin. Sie ist zudem wesentlich kürzer als die DNA und tritt meist als Einzelstrang auf.
- Die RNA (Ribonukleinsäre) ist ein bedeutender Bestandteil von Transkription und Translation, wo sie wichtige, aber auch sehr unterschiedliche Funktionen einnimmt.
- Bei der Proteinbiosynthese kommt RNA in Form von messenger-RNA (mRNA), transfer-RNA (tRNA) und ribosomaler RNA (rRNA) vor.
RNA-Impfstoffe bewegen Zellen dazu, ungefährliche Bestandteile von Krankheitserregern zu produzieren, die sich das Immunsystem merkt, um bei einer Infektion schneller reagieren zu können.