DNA und RNA: die Unterschiede

Vertiefung zum ThemaDNA

DNA und RNA klingen fast gleich und sind chemisch eng verwandt – trotzdem haben sie in der Zelle völlig verschiedene Aufgaben. Die DNA ist das dauerhafte Archiv, die RNA das vielseitige Arbeitsmaterial. Hier vergleichst du beide Moleküle Punkt für Punkt, lernst den Unterschied im Baustein kennen und erfährst, was mRNA, tRNA und rRNA leisten.

Einfach erklärt

Diese Seite vertieft das Thema DNA. Sie vergleicht DNA und RNA. Beide sind lange Ketten aus Bausteinen. Die DNA ist wie ein wertvolles Buch in einer Bibliothek. Sie bleibt im Zellkern. Die RNA ist eine Kopie von einem kleinen Abschnitt. Sie arbeitet vor allem außerhalb vom Kern.

• Die RNA hat einen anderen Zucker. Er heißt Ribose.
• Die RNA hat den Buchstaben U statt T. Diese Base heißt Uracil. U paart mit A.
• Die RNA ist meist nur ein einzelner Strang.
• Die RNA hält nur kurz. Die Zelle baut sie schnell wieder ab.

Es gibt verschiedene Arten von RNA. Die mRNA ist die Abschrift von einem Gen. Sie bringt den Bauplan für ein Eiweiß aus dem Kern. Andere RNA-Arten liefern die Bausteine. Wieder andere bauen die Eiweiße mit zusammen.

Merke: Die DNA ist der dauerhafte Speicher, die RNA ist die kurzlebige Arbeitskopie.

Der DNA RNA Unterschied auf einen Blick

DNA steht für Desoxyribonukleinsäure, RNA für Ribonukleinsäure (englisch ribonucleic acid, deshalb auch RNS). Beide gehören zu den Nukleinsäuren: Sie sind lange Ketten aus Nukleotiden, und jedes Nukleotid besteht aus einer Phosphatgruppe, einem Zucker und einer Base. Wie diese Bausteine bei der DNA zu einer Doppelhelix zusammengesetzt sind, erklärt die Hauptseite Wie sieht die DNA aus?. Die RNA folgt demselben Bauprinzip – mit kleinen chemischen Unterschieden, die große Folgen haben.

Merkmal	DNA	RNA
Name	Desoxyribonukleinsäure	Ribonukleinsäure
Zucker	Desoxyribose (am 2′-C nur ein H)	Ribose (am 2′-C eine OH-Gruppe)
Basen	Adenin, Thymin, Guanin, Cytosin	Adenin, Uracil, Guanin, Cytosin
Basenpaarung	A–T und G–C	A–U und G–C
Strangform	meist Doppelstrang (Doppelhelix)	meist Einzelstrang, oft in sich gefaltet
Länge	sehr lang: ein menschliches Chromosom ist ein DNA-Molekül mit vielen Millionen Basenpaaren	deutlich kürzer: eine tRNA hat 76 bis 90 Nukleotide, eine mRNA meist einige Hundert bis Tausende
Ort (Eukaryoten)	Zellkern, außerdem Mitochondrien und Chloroplasten	entsteht im Zellkern, arbeitet vor allem im Zellplasma
Stabilität	sehr stabil, Schäden werden repariert	kurzlebig, wird gezielt abgebaut
Hauptaufgabe	Erbinformation dauerhaft speichern	Information übertragen und umsetzen, Proteinbiosynthese, Regulation

Ein Vergleich hilft beim Merken: Die DNA gleicht einem wertvollen Buch in einer Präsenzbibliothek, das den Lesesaal nie verlässt. Brauchst du eine Seite daraus, kopierst du sie, nimmst die Kopie mit und wirfst sie weg, wenn du sie nicht mehr brauchst. Genau diese Rolle spielt die RNA: Sie ist die handliche Kopie eines einzelnen Abschnitts, nicht das Original.

Ribose und Uracil: der Unterschied im Baustein

Der erste Unterschied liegt im Zucker. Beide Zucker haben fünf Kohlenstoffatome, die man von 1′ bis 5′ nummeriert. In der Ribose trägt das 2′-Kohlenstoffatom eine OH-Gruppe. Der Desoxyribose fehlt an dieser Stelle das Sauerstoffatom, daher der Name: „desoxy“ heißt „ohne Sauerstoff“. Diese kleine OH-Gruppe macht die RNA reaktionsfreudiger. In beweglichen Abschnitten kann sie die benachbarte Bindung im Zucker-Phosphat-Rückgrat angreifen und die Kette spalten. Der DNA fehlt diese Gruppe, ihr Rückgrat ist deshalb chemisch beständiger.

Der zweite Unterschied betrifft eine der vier Basen. Statt Thymin enthält die RNA Uracil. Die beiden sind sich sehr ähnlich: Thymin ist nichts anderes als ein Uracil mit einer zusätzlichen Methylgruppe (CH₃), weshalb es auch 5-Methyluracil heißt. Für die Basenpaarung spielt die Methylgruppe keine Rolle: Uracil paart wie Thymin über zwei Wasserstoffbrücken mit Adenin.

Wenn die Zelle eine RNA nach der Vorlage eines DNA-Strangs bildet, gelten deshalb dieselben Paarungsregeln wie in der DNA, nur mit U statt T: Gegenüber einem A im DNA-Strang wird ein U eingebaut, gegenüber T ein A, gegenüber G ein C und gegenüber C ein G. Übrigens nutzt die Zelle RNA sogar beim Kopieren der DNA selbst: Die Startstücke, an denen die DNA-Polymerase ansetzt, sind kurze RNA-Primer. Wie das abläuft, zeigt die Seite DNA-Replikation.

Einzelstrang mit Form: Warum RNA sich faltet und schnell zerfällt

Die DNA besteht aus zwei komplementären Strängen, deren Basenpaare geschützt im Inneren der Doppelhelix liegen. Die RNA ist dagegen meist ein Einzelstrang – aber kein formloser Faden. Enthält ein RNA-Molekül Abschnitte, deren Basen zueinander passen, paaren sie sich innerhalb desselben Strangs. So entstehen Haarnadelschleifen und gefaltete Strukturen. Neben A–U und G–C kommt in der RNA dabei auch die Paarung von G mit U vor. Durch diese Faltung bekommt eine RNA eine bestimmte räumliche Gestalt, ähnlich wie ein Protein, und diese Gestalt bestimmt ihre Aufgabe. Manche RNA-Moleküle wirken sogar wie Enzyme. Solche RNA-Enzyme heißen Ribozyme.

Gleichzeitig ist RNA kurzlebig. Zur chemischen Empfindlichkeit durch die 2′-OH-Gruppe kommt hinzu, dass es überall RNA-abbauende Enzyme gibt, die Ribonukleasen (RNasen). Sogar die menschliche Haut gibt eine RNase ab, die der Abwehr von Krankheitserregern dient. In RNA-Laboren setzt man deshalb meist Hemmstoffe gegen RNasen ein. In Bakterien lebt eine mRNA im Durchschnitt nur ein bis drei Minuten, in Säugetierzellen je nach Molekül einige Minuten bis Tage.

Was wie ein Nachteil klingt, ist für die Zelle nützlich. Weil mRNA ständig abgebaut wird, kann die Zelle schnell umsteuern: Wird ein Gen abgeschaltet, verschwindet seine mRNA bald, und das zugehörige Protein wird nicht mehr hergestellt. Die DNA dagegen muss ein ganzes Leben lang halten. Sie ist als Doppelstrang besser geschützt, und Reparaturenzyme können beschädigte Stellen mithilfe des Partnerstrangs ausbessern.

mRNA, tRNA, rRNA: die wichtigsten RNA-Typen

Alle RNA-Moleküle entstehen, indem die Zelle einen DNA-Abschnitt abliest. Diesen Vorgang nennt man Transkription. Doch nur ein Teil der RNA enthält die Bauanleitung für ein Protein. Drei Typen sind für die Proteinbiosynthese besonders wichtig:

RNA-Typ	Aufgabe	Bau
mRNA (Boten-RNA, messenger)	Abschrift eines Gens; bringt die Bauanleitung zu den Ribosomen	linearer Einzelstrang; je drei Basen bilden ein Codon
tRNA (Transfer-RNA)	bringt Aminosäuren zum Ribosom; ihr Anticodon paart mit dem Codon der mRNA	76 bis 90 Nukleotide, Kleeblattform, räumlich L-förmig; Aminosäure am 3′-Ende
rRNA (ribosomale RNA)	bildet mit Proteinen die Ribosomen; knüpft die Peptidbindungen	beim Menschen vier Sorten mit rund 120 bis gut 5000 Nukleotiden

Die rRNA ist ein Paradebeispiel für ein Ribozym. Im Ribosom besteht die Stelle, an der die Aminosäuren miteinander verknüpft werden, ausschließlich aus RNA, ohne ein einziges Protein. Daneben gibt es viele kleine RNAs, die nicht übersetzt werden, sondern regulieren, zum Beispiel indem sie bestimmte mRNAs blockieren. Und manche Viren speichern ihre Erbinformation nicht in DNA, sondern in RNA, etwa Grippeviren, Coronaviren oder HIV. Wie man das Botenprinzip der mRNA für Impfungen nutzt, erklärt die Seite mRNA-Impfstoffe.

Vertiefung Oberstufe: Warum hat die DNA Thymin – und was ist die RNA-Welt?

Cytosin ist chemisch nicht ganz stabil: Es kann spontan seine Aminogruppe verlieren. Diese Desaminierung macht aus einem Cytosin ein Uracil. Weil Uracil mit Adenin paart, würde bei der Replikation gegenüber diesem Uracil ein Adenin eingebaut. In den Nachkommen dieser DNA stünde dann an der Stelle des ursprünglichen G–C-Paars ein A–T-Paar – eine Punktmutation. Die Zelle besitzt dagegen ein Reparaturenzym, die Uracil-DNA-Glykosylase, die Uracil aus der DNA herausschneidet. Das funktioniert nur, weil Uracil in der DNA normalerweise nicht vorkommt. Würde die DNA regulär Uracil verwenden, könnten die Reparaturenzyme ein „echtes“ Uracil nicht von einem beschädigten Cytosin unterscheiden. Die Methylgruppe des Thymins wirkt also wie ein Etikett: Sie markiert die richtige Base. Fachleute halten das für einen wichtigen Grund, warum sich im Lauf der Evolution Thymin in der DNA durchgesetzt hat.

Dass die RNA beides kann, Information speichern und Reaktionen beschleunigen, führte zur RNA-Welt-Hypothese: Viele Forschende vermuten, dass frühe Lebensformen RNA sowohl als Erbsubstanz als auch als Katalysator nutzten. Später hätten die stabilere DNA die Speicherung und die vielseitigeren Proteine die meisten Enzymaufgaben übernommen. Ein Hinweis darauf ist das Ribosom, dessen katalytisches Zentrum bis heute aus RNA besteht. Bewiesen ist die Hypothese nicht; sie gilt aber als eine der einflussreichsten Ideen zur Entstehung des Lebens.

Fachbegriffe

Ribose

Zucker der RNA mit fünf C-Atomen und einer OH-Gruppe am 2′-C.

Uracil

Base der RNA, die anstelle von Thymin mit Adenin paart.

mRNA

Boten-RNA: Abschrift eines Gens, die zu den Ribosomen gelangt.

tRNA

Transfer-RNA: bringt Aminosäuren und erkennt Codons über ihr Anticodon.

rRNA

Ribosomale RNA: bildet mit Proteinen die Ribosomen.

Ribozym

RNA-Molekül, das wie ein Enzym eine Reaktion beschleunigt.

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