Die Grundstruktur der RNA besteht aus einem Fünf-Kohlenstoff-Zucker und einer von vier stickstoffhaltigen Basen. Obwohl die meisten RNAs einzelsträngig sind, können sie komplexe Sekundär -und Tertiärstrukturen bilden. Solche Strukturen spielen eine wesentliche Rolle in der Regulation der Transkription und Translation.
Es gibt drei Haupttypen von Ribonukleinsäuren (RNA): Messenger-RNA (mRNA), Transfer-RNA (tRNA) und ribosomale RNA (rRNA). Alle drei RNA-Typen bestehen aus einer einzelsträngigen Kette an Nukleotiden. Jedes Nukleotid besitzt einen Fünf-Kohlenstoff-Zucker, die Ribose, und die Kohlenstoffmoleküle der Ribose sind von eins bis fünf durchnummeriert. Kohlenstoff-Nummer fünf trägt eine Phosphatgruppe und der erste Kohlenstoff eine stickstoffhaltige Base.
Es gibt vier stickstoffhaltige Basen in RNA: Adenin (A), Guanin (G), Cytosin (C) und Uracil (U). Uracil ist die einzige Base in der RNA, die nicht in der DNA vorhanden ist. Dort wird stattdessen Thymin (T) verwendet. Während der Transkription wird RNA von der DNA kopiert, anhand der komplementären Bindung der neuen RNA-Basen an die DNA-Basen. Dabei bindet A an T, G an C, C an G und U an A.
Wie in der DNA sind auch in der RNA benachbarte Nukleotide durch Phosphodiesterbindungen miteinander verknüpft. Diese Bindungen bilden sich zwischen der Phosphatgruppe des Nukleotids und der Hydroxylgruppe (–OH) der Ribose des benachbarten Nukleotids.
Diese Struktur verleiht der RNA ihre Richtungsabhängigkeit, da die beiden Enden der Nukleotidkette unterschiedlich sind. Der Kohlenstoff-Nummer fünf der Ribose trägt eine ungebundene Phosphatgruppe, die den Namen 5′-Ende (Liest man als: Fünf-Strich-Ende) hat. Die letzte Ribose am anderen Ende der Nukleotidkette hat eine freie Hydroxylgruppe (–OH) am Kohlenstoff-Nr. 3; daher wird dieses Ende des RNA-Moleküls 3′-Ende genannt. Während der Transkription werden Nukleotide an die Kette angehängt, durch die Reaktion der 5′-Phosphatgruppe des neuen Nukleotids mit der 3′-Hydroxylgruppe der wachsenden Kette. Daher wird die RNA immer in der 5′- zu 3′-Richtung zusammengesetzt.
Sekundärstrukturen werden durch komplementäre Basenpaarung zwischen entfernten Nukleotiden derselben einzelsträngigen RNA gebildet. Hairpin-Strukturen werden durch komplementäre Basenpaarung innerhalb von 5-10 Nucleotiden zueinander gebildet. Stemloop-Strukturen werden durch Basenpaarung zwischen Nukleotiden, die 50 bis 100 Nukleotiden voneinander entfernt sind, gebildet. Bei Prokaryoten fungieren diese Sekundärstrukturen als Transkriptionsregulatoren. Eine Hairpin-Struktur kann zum Beispiel als Terminationssignal dienen, so dass sich Transkriptionsenzyme, wenn sie auf diese Struktur treffen, von der mRNA lösen und die Transkription somit beenden. Stemloop- oder Hairpin-Strukturen an den 3′ oder 5′ Enden regulieren auch die mRNA-Stabilität in Eukaryoten, indem sie die Bindung von Ribonukleasen, RNA-abbauenden Enzymen, verhindern.
Sekundärstrukturen können aber auch kompliziertere tertiäre Strukturen bilden, die Pseudoknoten genannt werden. Pseudoknoten werden gebildet, wenn Basen in den Bereichen der Sekundärstrukturen mit komplementären Basen außerhalb der Schleife interagieren. Diese Tertiärstrukturen spielen eine wesentliche Rolle in der Struktur und Funktion der RNA.
Die tRNAs dienen als Adaptormoleküle bei der Übersetzung der mRNA in Proteine. An einem Ende tragen tRNAs eine Aminosäure. Am anderen Ende binden sie an ein mRNA-Codon, eine Sequenz von drei Nucleotiden, die für eine bestimmte Aminosäure kodiert. tRNA-Moleküle sind in der Regel 70-80 Nukleotide lang und falten sich zu einer Stamm-Schleifenstruktur, die einem Kleeblatt ähnelt. Die drei Arme des Akzeptorstamms haben Schleifen mit je 7-8 Basen. Der Akzeptorstamm bildet keine Schleifen und umfasst die freien 5′- und 3′-Enden des RNA-Stranges. Dabei fungiert das 3′-Ende als die Bindestelle für die Aminosäure.
Die dreidimensionale Struktur der tRNA ist L-förmig, mit der Aminosäure-Bindungsstelle an einem Ende und einem Anticodon am anderen Ende. Anticodons sind Sequenzen von drei Nucleotiden, die komplementär zum mRNA-Codon sind. Diese eigenartige Form der tRNA ermöglicht die Bindung an Ribosomen, wo die Proteinsynthese durchgeführt wird.
