Unterschiede zwischen DNA und RNA
In diesem Beitrag möchte ich die Unterschiede zwischen DNA und RNA beleuchten und euch erklären, warum wir in unseren Zellen beide brauchen.
In unseren Zellen wird RNA mit Hilfe eines Prozesses namens Transkription hergestellt, bei dem die DNA als Kopiervorlage verwendet wird. Dabei wird eins zu eins die Information die auf der DNA gespeichert ist in Form der Abfolge (Sequenz) der Basen Adenin (A), Thymin (T), Cytosin (C) und Guanin (G) in Form von RNA kopiert.
Warum stellt man die Kopie nicht einfach in DNA her? Wieso braucht man einen anderen Informationsträger?
Inhalt
Unterschiede
Damit wir das besser verstehen können müssen wir uns jetzt als erstes die Unterschiede zwischen DNA und RNA ansehen.
1) Desoxiribose (DNA) zu Ribose (RNA)
Der erste Hinweis für einen Unterschied steckt im Namen von DNA und RNA. DNA steht für Desoxiribonukleinsäure (das A kommt aus der englischen Bezeichnung für Säure – acid), wohingegen RNA für Ribonukleinsäure steht. Dem aufmerksamen Leser fällt gleich auf, dass der einzige Unterschied im Namen das Desoxi- ist. Das Des- steht für das selbe Des- in Desinteresse. Es bedeutet ohne. Das -oxi- kommt vom englischen Oxigen – Sauerstoff. Daher bedeutet Desoxi- ohne Sauerstoff, oder genauer die DNA besitzt kein Sauerstoff am 2. C-Atoms ihres Zuckers Ribose (daher kommt das -ribo-).
Abb. 1: Unterschiede zwischen DNA und RNA – 1) RNA besitzt die Base U anstelle von T; 2) RNA ist einzelsträngig, die DNA doppelsträngig; 3) In der RNA besitzt die Ribose am 2. C-Atom ein Sauerstoff, in der DNA nicht (Desoxiribose)
Wie man in der Abb. 1 sehen kann besitzt der Zucker (Ribose) in der DNA am 2. C-Atom kein Sauerstoffatom (Desoxiribose), wohingegen in der RNA die Ribose das Sauerstoffatom noch besitzt.
2) Pyrimidinbase Thymin (T) in der DNA zu Uracil (U) in der RNA
Die RNA ist keine identische Kopie der Information, die auf der DNA enthalten ist. Der Grund warum man von Transkription spricht, ist der, dass RNA ein etwas anderes Alphabet hat. Anstelle des Buchstabens T wird in der RNA U verwendet. Daher ist die Transkription ein umschreiben von dem einen Alphabet ins andere. Immer dann wenn auf der DNA ein T steht, wird in die RNA ein U eingebaut. Alle anderen Buchstaben verändern sich nicht.
In der Abb. 1 könnt ihr den kleinen unterschied sehen zwischen den beiden Pyrimidinbasen Uracil (U) und Thymin (T). Sie unterscheiden sich nur in der Methylgruppe (CH3-Gruppe), die zusätzlich im Thymin vor kommt.
3) Doppelstrang (DNA) zu Einzelstrang (RNA)
Ein sehr wesentlicher Unterschied zwischen DNA und RNA ist der, dass DNA zwei Stränge besitzt, die miteinander über Wasserstoffbrücken über die Basen mit einander verbunden sind. Wie man in der Abb. 1 sehen kann verlaufen die beiden Stränge in unterschiedliche Richtung. Der linke Strang hat das 5′-Ende oben und das 3′-Ende unten und der rechte Strang genau umgekehrt. In der Fachsprache nehmt man das auch antiparallel, weil sie zwar parallel nebeneinander liegen, sich aber in ihrer Richtung unterscheiden.
Die RNA liegt dagegen nur als Einzelstrang vor.
Ursache für die Unterschiede
Wir haben jetzt die wesentlichen strukturellen Unterschiede zwischen DNA und RNA geklärt. Was wir aber noch nicht geklärt haben ist wieso die Unterschiede eigentlich da sind. Eine Erklärung dafür findet man in ihrer jeweiligen Funktion. Im englischen sagt man auch „Form follows function“ – die Form, die Struktur folgt der Funktion. Dies bedeutet, dass sich die Struktur/Form durch die Funktion erklären lässt.
Funktion von DNA und RNA
Funktion der DNA
In der Zelle übernehmen DNA und RNA sehr unterschiedliche Aufgaben. Die DNA ist der Informationsspeicher der gesamten Erbinformation eines Lebewesens. Ein Informationsspeicher sollte möglichst stabil sein. Er sollte nicht mit anderen Stoffen reagieren und so die in ihm enthaltene Information ändern. Das ist ein Grund, warum der Sauerstoff in der DNA fehlt. Die Hydroxygruppe (-OH – Gruppe) die in der Ribose durch den Sauerstoff entsteht ist recht reaktiv. Die DNA wäre also mit dem Sauerstoff weniger stabil.
Dass die DNA aus zwei Strängen besteht, ist wichtig, damit die DNA einfach verdoppelt werden kann. Immer dann wenn sich eine Zelle teilen möchte, also zwei Zellen entstehen, braucht man auch das Erbmaterial die DNA zwei mal. Daher ist es wichtig, dass bereits durch die Struktur der DNA ein Kopiermechanismus vorgegeben wird.
Ebenso erlaubt der Aufbau in zwei Strängen es die Kopie der DNA nach dem Verdoppeln auf Fehler zu überprüfen. Nach dem Verdoppeln besitzt die Zelle DNA aus zwei Strängen, von denen der eine Strang das Original und der andere Strang die Kopie darstellt. Da die Zelle die beiden Stränge unterscheiden kann, weiß sie wenn ein Fehler auftritt welchen Strang sie ändern muss. Wenn also Basen nicht zusammen passen wie normal A mit T und C mit G und anstelle ein T einem G gegenüberliegt, dann weiß die Zelle das G muss zu einem A geändert werden, weil das T auf dem Orginalstrang liegt und das G auf der Kopie. So sichert die Zelle, das keine Fehler durch das Kopieren entstehen.
Warum verschieden Basen verwendet werden kann ich leider nicht sagen. Wenn jemand mehr weiß, dann schreibt mir doch bitte eine E-mail.
Warum ist die RNA anders?
Funktion der RNA
Das hat natürlich auch mit der Funktion der RNA zu tun. Es gibt zwar die DNA (Wir haben zwar noch DNA in den Mitochondrien – s. Endosymbiontentheorie, aber das ignorieren wir jetzt einfach mal.), aber es gibt nicht die RNA. RNA gibt es in vielen verschiedenen Funktionen und Formen. Die wichtigsten sind die drei, die an der Translation (Übersetzung) der Erbinformation in Proteine beteiligt sind Messenger-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA). Die mRNA oder auch Boten-RNA enthält die Erbinformation der DNA und trägt sie zur Proteinproduktionsmaschiene dem Ribosom. Hier wäre es noch möglich DNA zu verwenden, auch wenn es hier bereits notwendig ist, dass die RNA als Einzelstrang vorliegt. Die tRNA ist der Decoder, hier steckt die Information aus welcher Information auf der DNA welche Aminosäure wird. Die rRNA ist Teil des Ribosoms und hilft, dass das Ribosom zusammenhält und funktioniert. Neben den drei bekanntesten und wichtigsten RNAs gibt es aber noch 13 weitere RNA-Formen (Ende 2018) mit unterschiedlicher Funktionen und Aufgaben in der Zelle. Mit der Zeit werden wir sicher noch weitere entdecken.
Dass die RNA das Sauerstoffatom an der Ribose noch besitzt ist für die mRNA kein Problem, da sie zum Einen nur kurze Zeit existiert und so kaum Zeit hat zu reagieren und Fehler in der Erbinformation entstehen zu lassen und zum Anderen wenn Fehler entstehen einfach eine neue mRNA von der DNA kopiert werden kann. Der Sauerstoff macht die RNA reaktiver. Es gibt auch RNAs, die das aktiv nutzen und zwar so genannte Ribozyme. Das sind RNAs, die sich wie Enzyme verhalten. Enzyme sind Proteine, die helfen eine chemische Reaktion umzusetzen. Ribozyme sind also RNAs, die aktiv chemische Reaktionen machen, also das genaue Gegenteil, was man von der DNA möchte.
Entstehung von DNA und RNA
Für die Zelle und Leben allgemein braucht man zum einen den Informationsspeicher und zum anderen den Macher, der die Information umsetzt. Man kann es sich in etwa wie ein Hausbau vorstellen. Für den Hausbau braucht man einen Bauplan und man braucht den Bauarbeiter, der nach dem Bauplan das Haus zusammen setzt. Der Bauplan ist die DNA und der Bauarbeiter sind die Enzyme/Proteine.
Doch was ist die RNA?
Die RNA kann beides. Sie kann Information speichern (Bsp. mRNA) und kann chemische Reaktionen umsetzen, machen (Bsp. Ribozyme). Daneben gibt es noch viele weitere Aufgaben, die die RNA wahrnimmt und ist somit ein Mädchen für alles.
Da die RNA alles kann und eine zentrale Stelle ein nimmt in der Umsetzung der Information von der DNA zu den Proteinen, hat man die RNA-Welt-Theorie entwickelt.
Die RNA-Welt-Theorie besagt, dass das Leben ursprünglich mit der RNA begonnen hat. Alles Leben beruhte also ursprünglich auf RNA. Erst später ist dann die DNA aus der RNA entstanden, damit sie besser und sicherer die Erbinformation verwahren kann als die RNA dies könnte.
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