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Captulo 3 Molculas biolgicas Captulo 3 Molculas biolgicas Copyright 2008 Pearson Prentice Hall, Inc. Teresa Audesirk Gerald Audesirk Bruce E. Byers Biologa: la vida en la Tierra Octava Edicin Biologa: la vida en la Tierra Octava Edicin

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En Corea del Sur se le realizan pruebas a la carne para determinar su origen, luego de que se descubriera un caso de la enfermedad de las vacas locas en ganado proveniente de Estados Unidos.

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Contenido del captulo 3 3.1 Por qu el carbono es tan importante en las molculas biolgicas? 3.2 Cmo se sintetizan las molculas orgnicas? 3.3 Qu son los carbohidratos? 3.4 Qu son los lpidos? 3.5 Qu son las protenas? 3.6 Qu son los cidos nucleicos?

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Contenido de la seccin 3.1 3.1 Por qu el carbono es tan importante en las molculas biolgicas? Molculas orgnicas/inorgnicas o grupos funcionales

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Por qu el carbono es tan importante? Orgnico contra Inorgnico en la qumica. Orgnico describe las molculas que tienen una estructura de carbono. Inorgnico se refiere al dixido de carbono y a todas las molculas que no tienen carbono.

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Un tomo de carbono puede volverse estable al enlazarse con hasta otros cuatro tomos y as formar enlaces dobles o triples. Los grupos funcionales determinan las caractersticas y la reactividad qumica de las molculas orgnicas Por qu el carbono es tan importante?

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Contenido de la seccin 3.2 3.2 Cmo se sintetizan las molculas orgnicas? Las molculas biolgicas se unen o se desintegran agregando o eliminando agua.

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Sntesis de molculas orgnicas Las molculas biolgicas son polmeros (cadenas) de subunidades llamadas monmeros.

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Los monmeros se enlazan mediante una reaccin qumica denominada sntesis por deshidratacin. Se elimina un H y un OH, lo que provoca la prdida de una molcula de agua (H 2 O). Sntesis de molculas orgnicas

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FIGURA 3-1 Sntesis por deshidratacin Sntesis por deshidratacin

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Los polmeros se dividen mediante la hidrlisis (romper con agua). El agua de divide en H y OH y se usa para romper el enlace entre los monmeros. Sntesis de molculas orgnicas

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Hidrlisis FIGURA 3-2 Hidrlisis

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Todas las molculas biolgicas pertenecen a slo cuatro categoras generales: Carbohidratos Lpidos Protenas cidos nucleicos Sntesis de molculas orgnicas

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Contenido de la seccin 3.3 3.3 Qu son los carbohidratos? Perspectiva general Hay diversos monosacridos con estructuras ligeramente distintas. Los disacridos consisten en dos azcares simples que se enlazan mediante sntesis por deshidratacin. Los polisacridos son cadenas de azcares simples.

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Qu son los carbohidratos? Composicin de los carbohidratos: Formado por C, H, y O en proporcin aproximada de 1:2:1. Estructura: Si un carbohidrato se compone de una sola molcula de azcar, se llama monosacrido. Si se enlazan dos o ms monosacridos, forman un disacrido. Un polmero de muchos monosacridos es un polisacrido.

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Los carbohidratos son fuentes importantes de energa para muchos organismos. Casi todos los carbohidratos pequeos son solubles en agua debido a los grupos funcionales polares OH. Qu son los carbohidratos?

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Monosacridos Estructura bsica de los monosacridos: Esqueleto de tres a siete tomos de carbono. Muchos grupos funcionales OH y H. Por lo regular, forma un anillo en las clulas.

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Ejemplo de monosacridos: Glucosa (C 6 H 12 O 6 ); la ms comn. Monosacridos

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FIGURA 3-4 Estructura de la glucosa. Los qumicos pueden representar la misma molcula de diversas maneras; aqu la glucosa se muestra en forma lineal (recta) y como dos versiones diferentes de anillos. La glucosa forma un anillo cuando se disuelve en agua. Observa que cada articulacin sin rotular en una estructura en forma de anillo es un tomo de carbono. Glucosa

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Continan ejemplos de monosacridos: Fructosa (contenida en la miel de maz y la fruta). Galactosa (parte de la lactosa). Ribosa y desoxirribosa (que se encuentran en el DNA y en el RNA). Monosacridos

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FIGURA 3-5 Monosacridos fructosa galactosa

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FIGURA 3-6 Azcares: ribosa y desoxirribosa ribosa desoxirribosa

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El destino de los monosacridos dentro de la clula: Algunos se descomponen para liberar su energa qumica. Otros se encadenan mediante sntesis por deshidratacin para formar disacridos o polisacridos. Monosacridos

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FIGURA 3-7 Sntesis de un disacrido. El disacrido sacarosa se sintetiza mediante una reaccin de sntesis por deshidratacin donde se eliminan un hidrgeno (H) de la glucosa y un grupo hidroxilo (OH) de la fructosa. En el proceso se forma una molcula de agua (HOH), quedando los dos anillos de monosacrido unidos mediante enlaces individuales con el tomo de oxgeno restante. La hidrlisis de la sacarosa es simplemente lo inverso de su sntesis: se divide una molcula de agua y se agrega a los monosacridos.

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Disacridos Los disacridos consisten en dos azcares simples: Sacarosa (azcar de mesa) = glucosa + fructosa Lactosa (azcar de leche) = glucosa + galactosa Maltosa (azcar de malta)= glucosa + glucosa

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Polisacridos Monosacridos que se enlazan para formar cadenas (polisacridos). Polisacridos, molculas que almacenan energa: Almidn (polmero de glucosa) Se forma en las races y en las semillas como una forma de almacenar glucosa. Glucgeno (polmero de glucosa) Se encuentra en el hgado y los msculos.

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FIGURA 3-8 El almidn es un polisacrido para almacenar energa y est compuesto por subunidades de glucosa a) Grnulos de almidn dentro de clulas de papa. La mayora de las plantas sintetizan almidn, que forma grnulos insolubles en agua integrados por muchas molculas de almidn. b) Pequea porcin de una sola molcula de almidn, que suele presentarse como cadenas ramificadas de hasta medio milln de subunidades de glucosa. c) Estructura precisa de la porcin resaltada en azul de la molcula de almidn del inciso b). Nota el ligamiento entre las subunidades individuales de glucosa y compralo con la celulosa.

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FIGURA 3-8 (parte 1) El almidn es un polisacrido para almacenar energa y est compuesto por subunidades de glucosa Glbulos de almidn

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FIGURA 3-8 (parte 2) El almidn es un polisacrido para almacenar energa y est compuesto por subunidades de glucosa

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Polisacridos estructurales Celulosa (polmero de glucosa). Integra las paredes celulares de las plantas. Casi ningn animal puede digerirla debido a la orientacin de los enlaces entre las subunidades de glucosa. Polisacridos

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FIGURA 3-9 Estructura y funcin de la celulosa La celulosa puede tener gran fuerza estructural. a) La madera de este pino de pias con escamas de 3000 aos de edad se compone principalmente de celulosa. b) La celulosa forma la pared celular que cubre cada clula de la planta. c) Las paredes celulares vegetales a menudo consisten en fibra de celulosa en capas que estn anguladas entre s y resisten el rompimiento en ambas direcciones. d) La celulosa se compone de subunidades de glucosa. Compara esta estructura con la figura 3-8c y observa que en la celulosa cada tercera molcula de glucosa est de cabeza.

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FIGURA 3-9 Estructura y funcin de la celulosa La madera es celulosa en su mayora

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FIGURA 3-9b Estructura y funcin de la celulosa Clula vegetal con pared celular

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FIGURA 3-9c Estructura y funcin de la celulosa Acercamiento de la membrana celular

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FIGURA 3-9d Estructura y funcin de la celulosa Puentes de hidrgeno que ligan, de forma cruzada, molculas de celulosa Molculas individuales de celulosa Haz de molculas de celulosa Fibra de celulosa

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Continuacin de polisacridos estructurales Quitina (polmero de unidades de glucosa modificadas). Se encuentra en las cubiertas externas de insectos, cangrejos y araas. Se encuentra en las paredes celulares de muchos hongos. Polisacridos

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FIGURA 3-10 Quitina: un polisacrido singular. La quitina tiene la misma configuracin de enlaces de glucosa que observamos en la celulosa. Sin embargo, en la quitina las subunidades de glucosa tienen un grupo funcional nitrogenado (amarillo), en vez de un grupo hidroxilo. La quitina, que es resistente y ligeramente flexible, brinda soporte a los cuerpos, por lo dems blandos, de los artrpodos (insectos, araas y sus parientes) y de los hongos.

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FIGURA 3-10 (parte 1) Quitina: un polisacrido singular

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FIGURA 3-10 (parte 2) Quitina: un polisacrido singular

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3.4 Qu son los lpidos? Perspectiva general Los aceites, las grasas y las ceras son lpidos que slo contienen carbono, hidrgeno y oxgeno. Los fosfolpidos tienen cabezas solubles en agua y colas insolubles en agua. Los esteroides consisten en cuatro anillos de carbono fusionados. Contenido de la seccin 3.4

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Qu son los lpidos? Todos los lpidos contienen regiones extensas de hidrgeno y carbono no polares. La mayora de los lpidos son hidrofbicos e insolubles en agua.

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Qu son los lpidos? Los lpidos tienen estructuras diversas que sirven para varias funciones: Almacenar energa. Impermeabilizar el exterior. Componente principal de las membranas celulares. Funcionan como hormonas.

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Aceites, grasas y ceras Tienen una o ms subunidades de cido graso. Las grasas y los aceites Se forman mediante sntesis por deshidratacin: 3 cidos grasos + glicerol triglicrido

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FIGURA 3-11 Sntesis de un triglicrido Glicerol cidos grasos Triglicrido3 molculas de agua

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Las grasas y los aceites se usan para almacenar energa a largo plazo. Las grasas y los aceites poseen una gran cantidad de energa qumica almacenada, proporcionan el doble de energa por gramo que los azcares y protenas. Aceites, grasas y ceras

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FIGURA 3-12a Lpidos. Un robusto oso pardo europeo listo para hibernar. Si este oso almacenara la misma cantidad de energa en carbohidratos en vez de en grasas, probablemente no podra ni caminar!

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La solidez de la grasa se debe a enlaces de carbono sencillos o dobles. Las grasas que estn slidas a temperatura ambiente son saturadas (la cadena de carbono tiene muchos tomos de hidrgeno, y casi todos o todos son enlaces C-C); por ejemplo, la grasa animal. Aceites, grasas y ceras

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FIGURA 3-13 La grasa animal es saturada

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Aceites, grasas y ceras La solidez de la grasa se debe a enlaces de carbono sencillos o dobles (continuacin): Las grasas que son lquidas a temperatura ambiente son insaturadas (menos tomos de hidrgeno, muchos enlaces C=C); por ejemplo, el aceite de maz. Las transgrasas insaturadas han sido vinculadas a las enfermedades cardacas.

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FIGURA 3-14 El aceite de linaza es insaturado

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Aceites, grasas y ceras Las ceras estn compuestas por largas cadenas de carbono e hidrgeno y son altamente hidrofbicas. Las ceras estn muy saturadas y son slidas a temperatura ambiente.

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Aceites, grasas y ceras Las ceras forman un recubrimiento impermeable: Hojas y los tallos de las plantas Pelo de los mamferos Exoesqueletos de los insectos Se usan para construir las estructuras de las colmenas.

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FIGURA 3-12b Lpidos. La cera es un lpido altamente saturado que mantiene su firmeza a temperatura ambiente. Su rigidez permite usarla para moldear los hexgonos de este panal, que son muy resistentes pese a lo delgado de sus paredes.

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Fosfolpidos Fosfolpidos: Forman parte de la membrana plasmtica que cubre cada clula. Estructura 2 cidos grasos + glicerol + grupo fosfato + un un grupo funcional polar

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FIGURA 3-15 Fosfolpidos. Los fosfolpidos tienen dos colas de cido graso unidas al esqueleto o columna vertebral de glicerol. La tercera posicin del glicerol est ocupada por una cabeza polar integrada por un grupo fosfato, al cual est unido un segundo grupo funcional (que por lo regular contiene nitrgeno). El grupo fosfato tiene una ligera carga negativa, y el grupo nitrogenado, una ligera carga positiva, lo cual hace que las cabezas sean hidroflicas. Cabeza polar (hidroflica) Columna vertebral de glicerol Colas de cido graso (hidrofbica)

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Fosfolpidos Los fosfolpidos tienen porciones hidrofbicas e hidroflicas. Los grupos funcionales polares son solubles en agua. Las colas de cido graso no polar no son solubles en el agua.

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Esteroides Los esteroides consisten en cuatro anillos de carbono fusionados. Ejemplos de esteroides: Colesterol Se encuentra en las membranas de las clulas animales. Hormonas masculinas y femeninas

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FIGURA 3-16 Esteroides. Los esteroides se sintetizan a partir del colesterol. Todos los esteroides tienen una estructura molecular no polar similar (comprala con los anillos del carbono). Las diferencias en la funcin de los esteroides dan como resultado diferencias en los grupos funcionales unidos a los anillos. Nota la similitud entre la hormona sexual masculina testosterona y la hormona sexual femenina estradiol (un estrgeno). Colesterol Estrgeno Testosterona

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Contenido de la seccin 3.5 3.5 Qu son las protenas? Funciones de las protenas Las protenas se forman a partir de cadenas de aminocidos. Los aminocidos se unen para formar cadenas mediante sntesis por deshidratacin. Una protena puede tener hasta cuatro niveles de estructura. Las funciones de las protenas estn ligadas a sus estructuras tridimensionales.

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Qu son las protenas? Las protenas desempean muchas funciones: Las enzimas catalizan (aceleran) las reacciones. Las protenas estructurales (por ejemplo, la elastina) proporcionan apoyo.

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FIGURA 3-17a Protenas estructurales. Entre las protenas estructurales comunes est la queratina, la cual es la protena en a) el pelo, b) los cuernos y c) la seda de una telaraa. a) Pelo

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FIGURA 3-17b Protenas estructurales b) Cuernos

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FIGURA 3-17c Protenas estructurales c) Seda

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Qu son las protenas? Las protenas desempean muchas funciones.

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Aminocidos Las protenas son molculas compuestas por cadenas de aminocidos (monmeros).

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Todos los aminocidos tienen una estructura similar: Todos contienen los grupos amino y carboxilo. Todos tienen un grupo R que vara entre los diferentes aminocidos. Algunos grupos R son hidrofbicos. Algunos son hidroflicos. Los grupos R de cistena puede formar enlaces covalentes con el azufre. Aminocidos

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FIGURA 3-18 Estructura de los aminocidos. Grupo amino Hidrgeno Grupo variable Grupo carboxilo

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FIGURA 3-19 Diversidad de los aminocidos La diversidad de los aminocidos es consecuencia de las diferencias en el grupo R variable (en azul), los cuales pueden ser hidroflicos o hidrofbicos. El grupo R de la cistena es singular porque tiene un tomo de azufre, que puede formar enlaces covalentes con el azufre en otras cistenas; esto crea un puente disulfuro que dobla una protena o enlaza las cadenas de polipptidos cercanas.

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FIGURA 3-19a Diversidad de los aminocidos

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FIGURA 3-19b Diversidad de los aminocidos

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FIGURA 3-19c Diversidad de los aminocidos

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La secuencia de aminocidos determina las propiedades y la funcin de cada protena. Aminocidos

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Sntesis por deshidratacin Los aminocidos se unen para formar cadenas mediante sntesis por deshidratacin. Un grupo amino reacciona con un grupo carboxilo, y el agua se pierde.

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FIGURA 3-20 Sntesis de protenas En la sntesis de protenas, una reaccin de deshidratacin une el carbono del grupo carboxilo de un aminocido al nitrgeno del grupo amino de un segundo aminocido, liberando agua en el proceso. El enlace covalente resultante entre aminocidos se denomina un enlace peptdico.

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Sntesis por deshidratacin El enlace covalente resultante se llama enlace peptdico. Las cadenas largas de aminocidos se conocen como polipptidos o simplemente protenas.

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Cuatro niveles de estructura Las protenas muestran hasta cuatro niveles de estructura: La estructura primaria es la secuencia de aminocidos que constituyen la protena. Las estructuras secundarias son hlices y cadenas que se pliegan. La estructura terciaria se refiere a la compleja estructura de una sola cadena peptdica que mantiene su forma con puentes disulfuro entre cistenas, interacciones hidrofbicas/hidroflicas y otros enlaces. La estructura cuaternaria se encuentra donde varias cadenas proteicas se enlazan.

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FIGURA 3-21 Los cuatro niveles de estructura de las protenas. Los niveles de estructura de las protenas se ejemplifican aqu con la hemoglobina, que es la protena de los glbulos rojos que transporta oxgeno (los discos rojos representan el grupo hemo que contiene hierro y que enlaza tomos de oxgeno). En general, los niveles de estructura de las protenas estn determinados por la secuencia de aminocidos, las interacciones entre los grupos R de los aminocidos y las interacciones entre los grupos R y su ambiente.

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FIGURA 3-22 La lmina plegada es un ejemplo de estructura secundaria proteica Puente de hidrgeno Lmina plegada

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FIGURA 3-23 Estructura de la queratina queratina

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Estructuras tridimensionales El tipo, posicin, y nmero de aminocidos determina la estructura y funcin de una protena. La posicin precisa de los grupos R de aminocidos produce enlaces que determinan su estructura secundaria y terciaria. La disrupcin de estos enlaces produce la desnaturalizacin de las protenas, y la prdida de sus funciones biolgicas.

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Contenido de la seccin 3.6 Qu son los cidos nucleicos? Estructura de los cidos nucleicos El DNA y el RNA (las molculas de la herencia) son cidos nucleicos. Los cidos nucleicos estn formados por nucletidos. Otros nucletidos actan como mensajeros intracelulares y portadores de energa.

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Qu son los cidos nucleicos? Los nucletidos son los monmeros de las cadenas de cidos nucleicos.

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Todos los nucletidos tienen una estructura de tres partes: Un grupo fosfato Un azcar de cinco carbonos Una base nitrogenada Qu son los cidos nucleicos?

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FIGURA 3-24 Nucletido de desoxirribosa

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Molculas de la herencia Dos tipos de nucletidos: Nucletidos de ribosa (A, G, C, y U) se encuentran en el RNA. Nucletidos de desoxirribosa (A, G, C, y T) se encuentran en el DNA.

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Dos tipos de polmeros de cidos nucleicos: DNA (cido desoxirribonucleico ) se encuentra en los cromosomas. Deletrea la informacin gentica necesaria para construir las protenas. RNA (cido ribonucleico) Copias de DNA usadas directamente en la sntesis de las protenas. Molculas de la herencia

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FIGURA 3-25 Cadena de nucletidos base azcar fosfato

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Las molculas de DNA consisten en dos cadenas de nucletidos que forman una hlice doble. Molculas de la herencia

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Puentes de hidrgeno FIGURA 3-26 DNA Al igual que una escalera torcida, la doble hlice de DNA se forma mediante sucesiones helicoidales de nucletidos que hacen una espiral entre s. Las dos secuencias se mantienen unidas mediante puentes de hidrgeno que unen las bases de nucletidos de distintas sucesiones, las cuales forman los peldaos de la escalera.

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Otros nucletidos Los nucletidos como mensajeros intracelulares. Los nucletidos cclicos (por ejemplo, el AMP cclico) llevan seales qumicas dentro de la clula.

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Los nucletidos como portadores de energa. El trifosfato de adenosina (ATP), lleva energa almacenada mediante enlaces entre los grupos fosfato. Otros nucletidos (NAD + y FAD) se conocen como portadores de electrones. Otros nucletidos

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Los nucletidos como ayudantes de las enzimas. Algunos nucletidos (NAD + y FAD) actan como coenzimas, ayudan a las enzimas a estimular y dirigir las reacciones qumicas. Otros nucletidos

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Trifosfato de adenosina (ATP) FIGURA 3-27 La molcula ATP portadora de energa