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
Diapositiva 104
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.
Diapositiva 106
Otros nucletidos Los nucletidos como mensajeros intracelulares.
Los nucletidos cclicos (por ejemplo, el AMP cclico) llevan seales
qumicas dentro de la clula.
Diapositiva 107
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
Diapositiva 109
Trifosfato de adenosina (ATP) FIGURA 3-27 La molcula ATP
portadora de energa