Ist von Besonderheiten der RNA (Ribonukleinsäure) oder ihren Unterschieden zur DNA (Desoxyribonukleinsäure) die Rede, stößt man oft auf den Begriff Ribose. Der Zucker Ribose bildet einen wichtigen und charakteristischen Bestandteil der RNA und hat außerdem noch weitere Aufgaben in Lebewesen, die ihnen bei der Energiegewinnung helfen.
Ribose ist ein Zucker, der durch fünf Kohlenstoff-Atome gebildet wird. Ribose wird vor allem für den Aufbau von RNA genutzt.
Ribose – Aufbau und Strukturformel
Ribose ist eine spezielle Art von Zucker und hat daher eine Summenformel, die – wie alle Zucker – allgemein die Form CnH2nOn. Da sie aus insgesamt fünf Kohlenstoff-Atomen besteht, ergibt sich daraus die Summenformel C5H10O5. Aufgrund ihrer fünf Kohlenstoff-Atome wird die Grundstruktur der Ribose auch als Pentose bezeichnet. Das ergibt sich aus der griechischen Vorsilbe für fünf (penta-).
Die Summenformel eines Moleküls zählt auf, wie viele Atome in welcher Anzahl vorhanden sind. Die Strukturformel hingegen zeigt, auf welche Art und Weise diese Atome miteinander verknüpft sind.
Die Struktur von tatsächlich existierender Ribose sieht nicht zwingend so aus, wie in ihrer Strukturformel abgebildet. Tatsächlich bildet sie oft eine ringförmige Struktur. Die Struktur dieses Rings kann sich leicht unterscheiden und erhält daher spezielle Namen.
Viele Moleküle haben chemisch gesehen verschiedene Formen, die sie annehmen können, je nachdem in welche Richtung ihre Atome abstehen. Eine genaue Begründung lässt sich in der Stereochemie der Moleküle finden.
Falls Du Dich näher dafür interessierst, was Stereochemie ist, und wie es dazu kommen kann, dass sich Strukturen dahin gehend unterscheiden können, schau doch mal in der StudySmarter Erklärung zur Chiralität vorbei!
Dadurch gibt es genau genommen nicht nur lineare und verschiedene ringförmige Strukturen der Ribose: Die lineare Form kann noch einmal in zwei Formen unterteilt werden, D-Ribose und L-Ribose. In der Natur wird meistens D-Ribose genutzt, weshalb im Verlauf der Erklärung D-Ribose gemeint wird, sobald von Ribose gesprochen wird.
Ribose – Wirkung und Funktion
D-Ribose ist in viele Moleküle verbaut, die in Lebewesen überlebensnotwendig sind. Das kommt aufgrund der Fähigkeit eines Ribose-Moleküls, mit seinem 5'-Kohlenstoff-Atom eine Phosphatgruppe zu binden. Diese Bindung wird sowohl in der RNA, als auch in Energie-spendenden Molekülen benötigt, die Du im Folgenden näher kennenlernen wirst.
Bedeutung der Ribose in RNA
RNA ist eine Nukleinsäure und erfüllt eine wichtige Rolle im Rahmen der Proteinbiosynthese.
Die Proteinbiosynthese besteht aus zwei Schritten: Bei der Transkription werden bestimmte Abschnitte der DNA – der genetischen Information von Lebewesen – zu RNA umgeschrieben. Diese spezielle Form der RNA ist eine Kopie der DNA, die im Laufe des zweiten Schritts (Translation) als Bauanleitung verwendet wird, um Proteine zusammenzubauen. Sowohl die Maschinen, die Proteine zusammenbauen, als auch die Helfer, die einzelne Bausteine an den Ort des Geschehens bringen, bestehen dabei aus RNA. Mehr über diesen Prozess kannst Du in den StudySmarter Erklärungen zur RNA, Proteinbiosynthese, Transkription und Translation nachlesen.
Die einzelnen Bausteine, aus denen die RNA aufgebaut sind, werden auch als Nukleotide bezeichnet. Jedes Nukleotid ist aus drei Bestandteilen zusammengesetzt:
- eine Base (Adenin, Uracil, Cytosin oder Guanin)
- eine D-Ribose (ringförmig)
- eine Phosphatgruppe
Die Base ist am 1'-Kohlenstoff-Atom an der Ribose befestigt, während sich die Phosphatgruppe auf der anderen Seite am 5'-Kohlenstoff befindet. Zusammen bilden diese drei Moleküle ein Nukleotid.
Die Nukleotide werden in einer langen Kette aneinandergehängt und bilden somit die RNA. Die Verknüpfung zwischen den Nukleotiden kommt zustande, indem das 3'-Kohlenstoff-Atom einer D-Ribose an die Phosphatgruppe des nachfolgenden Nukleotids gehängt wird.
Bedeutung der Ribose zur Energiespeicherung
Nukleotide mit verbauter Ribose werden allerdings nicht nur zur Synthese von Proteinen benötigt, sondern können auch vielfältige Aufgaben im Rahmen des Stoffwechsels einnehmen, z. B in Form von ATP.
ATP (Adenosintriphosphat) wird auch als universeller Energieträger der Zelle bezeichnet und kann Energie für zelluläre Prozesse bereitstellen, indem es gespalten wird.
Adenosintriphosphat hat dieselbe Struktur wie ein Nukleotid, das Adenosin als Base hat, besitzt allerdings – wie der Name schon verrät – drei Phosphatgruppen anstatt einer. Wird eine der Phosphatgruppen abgespalten, entsteht Adenosindiphosphat (mit zwei Phosphatgruppen) und eine lose Phosphatgruppe (Monophosphat). Bei der Spaltung wird allerdings auch Energie frei, die von der Zelle für viele Prozesse genutzt werden kann.
Falls Du Dich näher für ATP oder seine Herstellung und seine vielfältigen Aufgaben interessierst, können Dir StudySmarter-Artikel zu Adenosintriphosphat oder der aeroben Zellatmung weiterhelfen!
Anstelle der Abspaltung eines Monophosphats kann zur Energiegewinnung allerdings auch ein Pyrophosphat abgespalten werden (zwei Phosphatgruppen). Es entsteht ein Adenosinmonophosphat – also ein Nukleotid mit nur einer Phosphatgruppe – und ebenfalls Energie, die für den Stoffwechsel der Zelle genutzt wird.
Außer ATP wird zur Energiegewinnung auch GTP, also Guanosintriphosphat, verwendet. Es unterscheidet sich von ATP nur dadurch, dass die Base Guanin anstelle von Adenosin verbaut ist. Seine Aufgaben sind außerdem nicht ganz so spezifisch wie die des universellen Energieträgers ATP: GTP liefert Energie für viele Prozesse der Proteinbiosynthese und der Glykolyse. Zusätzlich ist es wichtig für die Erhaltung des Zellskeletts, indem es ausschlaggebend für den Aufbau von Mikrotubuli ist.
Bedeutung der Ribose in der Signalweiterleitung der Zelle
Damit sich die Zelle so schnell wie möglich auf Veränderungen in der Zelle einstellen kann, muss sie dazu fähig sein, mit anderen Zellen im Körper zu kommunizieren. Allerdings geht das nicht so leicht wie zwischen zwei Menschen, die einfach miteinander reden können. Stattdessen müssen Zellen auf andere Mittel zurückgreifen.
Kommunikation zwischen Zellen findet meistens durch spezielle Signalmoleküle statt:Eine Zelle lässt bestimmte Moleküle frei, die an Rezeptoren der nächsten Zelle binden könne. Diese Rezeptoren kannst Du Dir vorstellen, wie Rauchmelder, die überall an der Oberfläche der Zelle befestigt sind. Sobald die passenden Moleküle an diese Rezeptoren binden, wird ein Signal weitergeleitet. Dafür werden immer wieder neue Moleküle aktiviert, die an weitere Rezeptoren binden und das Signal wie umfallende Dominosteine in der Zelle bis zum Ziel weitergeben.
Ein wichtiges Signalmolekül in Zellen ist cAMP (cyclisches Adenosinmonophosphat). Was für ein Molekül AMP ist, hast Du im vorherigen Artikel schon kennengelernt, bei cAMP ist die Phosphatgruppe allerdings an zwei Stellen mit der Ribose verknüpft und bildet daher einen weiteren Ring.
Eine wichtige Aufgabe von cAMP findet im Zusammenhang mit G-Proteinen und ihren Rezeptoren statt. Die genauen Abläufe dieser Signalweiterleitung und die Rolle, die dabei von cAMP eingenommen wird, erfährst Du im StudySmarter-Artikel zu G-Protein gekoppelten Rezeptoren.
Vorkommen von Ribose in der Natur
Im Jahr 2019 wurde eine bahnbrechende Entdeckung gemacht: auf einem Meteoriten konnte erstmals Ribose nachgewiesen werden. Damit konnte ein weiteres Indiz dafür gesammelt werden, dass die Bausteine, die für das Entstehen von Leben auf der Erde notwendig waren, aus dem All stammen.
DNA und RNA bilden den wichtigsten Grundstein für die Entstehung von Leben. Durch sie entstehen schließlich nicht nur Form und Struktur eines Organismus, sie bestimmen auch jegliche Funktionen und Abläufe innerhalb eines Lebewesens und seiner Zellen. Geht man davon aus, dass Lebewesen an einem Punkt in der Geschichte neu entstanden sind, dann müssen die verschiedenen Bausteine von DNA und RNA vor diesem Punkt schon auf der Erde vorhanden gewesen sein. Die ursprüngliche Quelle des RNA-Bausteins Ribose muss daher etwas nicht-biologisches sein. Doch bisher wurden keine natürlichen Ribose-Vorkommen auf der Erde gefunden, die nicht biologisch – also aus Lebewesen stammend – sind. Die einzig verbleibende Möglichkeit ist also, dass Ribose aus dem All gekommen sein muss.
Ribose – Das Wichtigste
- Ribose ist ein Zucker aus fünf Kohlenstoff-Atomen. Es kann linear oder auch als Ring vorliegen.
- Sie bildet einen wichtigen Baustein in Nukleotiden, wo sie eine Base mit einer Phosphatgruppe verbindet.
- Der Zucker Ribose ist in RNA zu finden und stellt einen wichtigen Unterschied zu DNA dar.
- Im ATP befindet sich die Ribose, dem universellen Energieträger der Zelle, zu finden.
- Ribose wird im Molekül cAMP benötigt, das zur Signalweiterleitung in der Zelle verwendet wird.
Nachweise
- Furukawa, Y. et al. (2019). Extraterrestrial ribose and other sugars in primitive meteorites. Proceedings of the National Academy of Sciences.
- Jeanloz, R. W., & Fletcher Jr, H. G. (1951). The chemistry of ribose. In Advances in carbohydrate chemistry. Academic Press.
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