De basisstructuur van RNA bestaat uit een suiker met vijf koolstofatomen en een van de vier stikstofbasen. Hoewel het meeste RNA enkelstrengs is, kan het complexe secundaire en tertiaire structuren vormen. Dergelijke structuren spelen een essentiële rol bij de regulering van transcriptie en translatie.
Er zijn drie hoofdtypen ribonucleïnezuur (RNA): messenger-RNA (mRNA), transfer-RNA (tRNA) en ribosomaal-RNA (rRNA). Alle drie de RNA-typen bestaan uit een enkelstrengige keten van nucleotiden. Elke nucleotide is samengesteld uit de suikerribose met vijf koolstofatomen. De koolstofmoleculen van ribose zijn genummerd van één tot en met vijf. Koolstof nummer vijf draagt een fosfaatgroep en koolstof nummer één een stikstofhoudende basis.
Er zijn vier stikstofhoudende basen in RNA: adenine (A), guanine (G), cytosine (C) en uracil (U). Uracil is de enige base in RNA die niet in DNA aanwezig is en in plaats thymine (T) wordt gebruikt. Tijdens de transcriptie, wordt RNA gesynthetiseerd uit een DNA-template op basis van complementaire binding van de nieuwe RNA-basen aan de DNA-basen; A bindt aan T, G bindt aan C, C bindt aan G en U bindt aan A.
Net als DNA zijn aangrenzende nucleotiden in RNA met elkaar verbonden door middel van fosfodiësterbindingen. Deze bindingen worden gevormd tussen de fosfaatgroep van één nucleotide en een hydroxylgroep (-OH) op de ribose van het aangrenzende nucleotide.
Deze structuur verleent RNA zijn directionaliteit – dat wil zeggen dat de twee uiteinden van de keten van nucleotiden verschillend zijn. Koolstof nummer vijf van ribose draagt een ongebonden fosfaatgroep die aanleiding geeft tot de naam 5'-uiteinde (lees vijf apostrof). De laatste ribose aan het andere uiteinde van de nucleotideketen heeft een vrije hydroxylgroep (–OH) op koolstofgetal 3; daarom wordt dit uiteinde van het RNA-molecuul het 3'-uiteinde genoemd. Omdat nucleotiden tijdens transcriptie aan de keten worden toegevoegd, reageert de 5'-fosfaatgroep van het nieuwe nucleotide met de 3'-hydroxylgroep van de groeiende keten. Daarom wordt RNA altijd opgebouwd in de richting van 5 'naar 3'.
Secundaire structuren worden gevormd door complementaire basenparing tussen verre nucleotiden op hetzelfde enkelstrengige RNA. Haarspeldlussen worden gevormd door complementair paren van basen binnen 5-10 nucleotiden van elkaar. Stamlussen worden gevormd door het bindingen tussen van basen die door 50 tot honderden nucleotiden zijn gescheiden. Deze secundaire structuren functioneren als transcriptionele regulatoren in prokaryoten. Een haarspeldlus kan bijvoorbeeld dienen als een terminatiesignaal. Wanneer transcriptie-enzymen deze structuur tegenkomen, komen ze los van het mRNA waardoor de transcriptie stopt. Stamlussen of haarspeldlussen aan de 3'- of 5'-uiteinden reguleren ook de stabiliteit van het mRNA in eukaryoten door de binding van ribonucleasen, enzymen die RNA afbreken, te voorkomen.
Secundaire structuren kunnen complexere tertiaire structuren vormen die pseudoknopen worden genoemd. Pseudoknopen worden gevormd wanneer basen in de lusgebieden van secundaire structuren interageren met complementaire basen buiten de lus. Deze tertiaire structuren spelen een essentiële rol bij de structuur en functie van RNA.
tRNA's dienen als adaptermoleculen tijdens de translatie van mRNA in eiwitten. tRNA's hebben een aminozuur aan het ene uiteinde en kunnen zich aan het andere uiteinde binden aan een mRNA-codon – een sequentie van drie nucleotiden die codeert voor een specifiek aminozuur. tRNA-moleculen zijn meestal 70-80 nucleotiden lang en vouwen zich op in een stamlusstructuur dat lijkt op een klaverblad. Drie van de vier stelen hebben lussen met 7-8 basen. De vierde stam is niet-lusvormig en bevat de vrije 5'- en 3'-uiteinden van de RNA-streng. Het 3'-uiteinde fungeert als de aminozuuracceptorplaats.
De driedimensionale structuur van tRNA is L-vormig, met de bindplaats van aminozuren aan het ene uiteinde en een anticodon aan het andere uiteinde. Anticodons zijn sequenties van drie nucleotiden die complementair zijn aan het mRNA-codon. Door deze eigenaardige vorm van het tRNA kan het zich binden aan ribosomen, waar eiwitsynthese plaatsvindt.
