Química Orgánica III (Q) 1
Clase 12: Carbohidratos, Glucósidos y Nucleótidos
Mario Manuel Rodas MoránUniversidad de San Carlos de GuatemalaFacultad de Ciencias Químicas y Farmacia
Departamento de Química Orgánica.
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Sobre los carbohidratos.• El término carbohídrato, hidrato de carbono,
azúcar, sacárido son sinónimos (el termino sacárido es usado ya que significa azúcar en muchos idiomas: sarkara en Sánscrito, sakcharon en Griego, y saccharum en Latin.
• Hay dos clases los sacáridos simples y los complejos.
• Se dividen entre aldosas y cetosas.
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Estereoquímica en Carbohidratos• Los carbohidratos tienen una estructura de
Cn(H2O)n.
• Es la primer biomolécula que se estudiará en Q.O. (una biomolécula es una molécula orgánica que es fundamental en sistemas biológicos).
• Para química orgánica estos son polihidroxicetonas o polihidroxialdehidos y su nombre IUPAC sería complicado.
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Asignando D y L
CHO
H OH
CH2OH
D-(+)-glyceraldehyde
COOH
H2N H
CH2CH2COOH
L-(+)-glutamic acid
*
CHO
H OH
HO H
H OH
H OH
CH2OHD-(+)-glucose
*
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Configuración de Aldosas• Ya en las pentosas y hexosas, existen una especie de
diasterómeros que se conocen como epímeros, los cuales solamente difieren en un carbono, por ejemplo la D-arbinosa y la D-Ribosa.
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Estereoquímica
• Recordemos las aldohexosas con un juego de Asociación “All Altruist Gladly make gum in gallon Tanks” (Lois Fieser y Mary Fieser, Universidad de Harvard) :
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Desoxiazúcares:• Cuando a un ázucar le falta un oxígeno,
decimos que se tiene un desoxiazúcares.
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Tópico Interesante• Los carbohidratos son importantes en el
reconocimiento celular:
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Formación de hemiacetales cíclicos
• Desde tiempos de Fisher, se sabía que la Glucosa cambia de acuerdo al medio, y en medio ácido puede existir en 3 formas: Cadena Abierta, y dos cíclicas.
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Ciclación de Monosacáridos
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Proyección de Haworth
• La proyección de Fisher no es la mejor forma de representar una fórmula cíclica, para esto existe una mejor forma, la de Haworth.
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Es lo mismo con la Glucosa
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Es decir se está formando un nuevo carbono quiral.
(diastereomeros)
Proyección de Haworth
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Mutorrotación• Estos se interconvierten constantemente:
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Y la Fructosa ???• La Fructosa una cetohexosa:
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Formación de Acetales de la Glucosa
• La Fructosa es un sacárido importante:
Qué Anómero es?
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La mutorrotación inside en la actividad óptica
• Incluso es una prueba para pureza de azúcar:
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Epimerización• Este fenómeno se da en medio ácido, pues
hay hidrógenos alfa a carbonilos.
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Enoles• Estos enolatos no sólo forman epímeros, sino
pueden cambiar la identidad de los azúcares.
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Epimerización Enzimática• Las enzimas pueden ayudarnos a isomerisar
principalmente en alimentos. La gran mayoría del jarabe de maíz producido, se realiza por este método:
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Formación de Glicósidos (Acetales)
• En la naturaleza muchos compuestos están en forma de glicósidos:
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Glicósidos (concepto)
• Un glicósido es un acetal o cetal mixto de un azucar. La porción carbohidrato de un glicósido se denomina glicona y la porción no-carbohidrato es una aglicona:
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Cuál es la Aglicona• Encuentre en los siguientes glicósidos la Aglicona:
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Mecanismo
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Efecto Anomérico• No olvide el Efecto anomérico, extraño pero que fue
descubierto gracias a los glicósidos. Es bastante interesante, y tiene aplicaciones en síntesis diasteroespecífica
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Mecanismo utilizando grupos vecinos
• Recuerde que es una SN1 por lo que los grupos vecinos (recuerde el gas mostaza) pueden estabilizar el carbocatión intermediario:
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N-Glicósidos• Esto se logran al hacer reaccionar una amina:
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S-Glicósidos• También los de Azufre son importantes dentro de la química
de carbohidratos, especialmente en la química de la vida. Pero también útiles en síntesis.
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X-Glicósidos• No son naturales pero son muy útiles en síntesis,
buenos grupos salientes, la síntesis es específica.
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Formación de Acetales:• Como grupos protectores, con tantos OH no será
difícil encontrar donde se añade un acetal
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Solo un ejemplo antes de QOIV
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Formación de ozasonas• Los sacáridos pueden formar ozasonas estables.
Interesante estás son sólidas y muchos monosacáridos son mieles:
FenilhidrazinaFenilhidrazina
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Formación de Ozasonas• Un mismo azucar puede dar la misma ozasona, por
ello hay que tener cuidado al dar una respuesta o al identificar azúcares por este método.
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Y las cetosas queeee….• Las cetosas también dan ozasonas entre carbono 1
y carbono 2 por lo que pueden también dar la misma ozasona que algunas aldosas:
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Fisher-Kiliani• La síntesis clásica es la
siguiente, ahora hay otras pero siguen teniendo el nombre clásico, ya que gracias a esta síntesis se logró la elucidación de todos los monosacáridos:
Cianohidrina
Hidrólisis
Lactona
Reducción
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Fisher Kiliani• Ahora con un poco más de química desarrollada
hemos tenido 112 años para desarrollar otras rutas:
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Y las síntesis contrarias?• También podemos degradar el monosacárido de un carbono
en un carbono… interesante pero reacción muy poco útil, aunque quizá más adelante encontremos más aplicaciones. La siguiente es la degradación de Wohl, totalmente inversa a Fischer-Kiliani
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Degradación de Ruff• Un poco diferente, pero más elegante:
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Otras Degradaciones elegantes• Algunos ejemplos usando química:
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Hablando de Dioles• Solo recordando con ácido periódico se pueden romper:
HCO2H
HCO2HHCO2H
HCO2HHCO2H
H2COCH2OH
CHO
HOOHOH
OH
D-glucoseCH2OH
HOOHOH
CH2OH
HO
D-mannitol
H2CO
HCO2HHCO2HHCO2HHCO2H
H2CO
H2CO
HCO2HHCO2HHCO2H
H2CO
CO2
HOOHOH
CH2OH
O
OH
D-fructose
Química Orgánica III (Q) 46
A manera de Resumen:OHOHOH
CH2OH
CHO
OHOHOH
HO
CN
CH2OH
CN
OHOHOHOH
CH2OH
HCN
Fischer-Kiliani Synthesis
HCN
Fischer-Kiliani Synthesis
Pd/BaSO4
pH 4.5, H2
Pd/BaSO4
pH 4.5, H2
CHO
OHOHOHOH
CH2OH
HO
CHO
OHOHOH
CH2OH
Fe+++
H2O2
Ruff Degradation
CO2Ca1/2
OHOHOHOH
CH2OH
HOOHOHOH
CH2OH
CO2Ca1/2
Br2/H2O Br2/H2O
Aldonic acid as Ca salt
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Reducciones • Qué grupos funcionales tienen los carbohídratos?• Debido a que los sacaridos contienen alcoholes y
carbonilos, las reacciones son una extención de lo ya aprendido.
• Reducción
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Reducciones• Las reducciones llevan a alditoles (polialcoholes)• Estos pueden ser productos de varios azúcares. Las
cetosas pueden dar dos alditoles distintos.
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Más de reducciones
• El reductor por excelencia es la hidrogenación catalítica, que también produce alditoles:
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Tópico interesante
• Los Alditoles son usados en edulcorantes para chicles libres de azúcar.
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Oxidación con ácido NítricoLa oxidación con ácido nítrico logra oxidar el alcohol y el Aldehído
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Síntesis de Ácidos Urónicos• Los ácidos urónicos son aldosas en las que el grupo
–CH2OH terminal es oxidado a ácido carboxílico, a continuación una síntesis que aparece en el libro de Pine:
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
acetona
medioácido
HC
OH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
OH
OC(CH3)2
O3
Pt-C
HC
OH
HHO
OHH
OHH
COOH
OH
OC(CH3)2
H3O+
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
COOHácido Glucurónico
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Oxidación con Bromuro• Cuando se usa bromo y agua se logra oxidar al
aldehído, no a los alcoholes:
Química Orgánica III (Q) 54
Más de Oxidación con Bromo• Este pierde el color rojo del bromo:• Importante las cetosas no se oxidan con Br2/H2O,
pues no poseen la función aldehído
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Tollens• Otra forma de oxidar es con el reacctivo de Tollens:
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Otras formas de Oxidar• Pruebas carácterísticas son Bennedict y
Felhing:
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Pruebas Analíticas• Con Felhing o con Benedict, se puede determinar si
se tiene un azucar reductor:
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Método Enzimático
El método enzimático es la forma en el que el organismo puede tener energía o empezar el metabolismo de la glucosa.
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Azúcares reductores
• Los que tienen “comprometido” el carbono anomérico (acetal):
NEGATIVOPOSITIVO
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Disacaridos:
• Son los que tienen dos unidades de azucar:• Existen 3 enlaces naturales:• 1-4’: El carbono anómerico está enlazado al
oxígeno en carbono 4.• 1-6’: El carbono anómerico está enlazado al
oxígeno 6.• 1-1’: El Carbono anomérico está enlazado al
oxígeno 1.
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Abreviaciones a tener en cuenta
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Un disacárido no es más que:
• La unión de dos monosacáridos:
Química Orgánica III (Q) 64
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Celobiosa• Dos unidades de glucosa unido 1,4.
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Maltosa• Enlace 1,4 dos unidades de glucosa.
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Lactosa• Enlace 1,4 galactosa y glucosa.
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Tópico Interesante• La intolerancia a la lactosa se da por la pérdida de la
enzima lactasa
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Gentiobiosa• Enlace 1,6. Dos unidades de glucosa.
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Sacarosa
• Es enlace 1,1.
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Polisacáridos• Estás son unidades interminables de sacáridos:
Química Orgánica III (Q) 72
Otra Clasificación
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Celulosa
• Son enlaces Beta 1,4 algunos mamíferos tienen la β-glucosidasa.
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Celulosa
• Esta se encuentra en las plantas.• Forma Fibras
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Amilosa (almidon)• Son enlaces α-1,4 de glucosa, los mamíferos
que tienen la α-glucosidasa pueden comerlos.
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Prueba con yodo• La amilosa forma como espirales, las cuales
pueden acomplejar al yodo.
Química Orgánica III (Q) 77
Química Orgánica III (Q) 78
Química Orgánica III (Q) 79
Tópico Interesante• Si leen con atención las etiquetas de muchos
productos edulcorados, verán “Jarabe de Maíz de alta fructosa”
Química Orgánica III (Q) 80
Amilopectina• Es la de las jaleas.
Química Orgánica III (Q) 81
Amilopectina
• Esto hace que sea una amilosa con “brazos”.
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Quitina• Es un aminoazúcar, es la que recubre el
exoesqueleto de muchos organismos:
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Agarosa• Es un polisacárido con uniones alfa-galactosídicas.
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Reacciones
• Formación de éteres:
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Más de Metilaciones:
O
H
HO
H
HO
H
H
OHH
OH
HO
CH3OH
dry HCl
O
H
HO
H
HO
H
H
OHH
OCH3
HO
Methyl D glucoside
(CH3O)2SO2,NaOH
O
H
H3CO
H
H3CO
H
H
OCH3H
OCH3
H3CO
Se puede usar sulfato de metilo en medio Básico para lograr acetilar todas las posiciones de un monosacárido.
Química Orgánica III (Q) 86
Formación de ésteres• En está reacción se utiliza anhídrido acético y
piridina:
Química Orgánica III (Q) 87
Xantatos
• Los Xantatos se utilizan mucho en la industria textil sobre telas de algodón:
Química Orgánica III (Q) 88
Listos para un…• Problema: Un compuesto A es un Trisacárido el cual se encuentra
principalmente en la semilla de algodón. Éste no reacciona con Benedict ni con Fehling. La hidrólisis catalizada por ácido da lugar a tres diferentes D-hexosas. B, C y D. El compuesto B y C dan lugar a la misma osazona (ver abajo) cuando reaccionan con un exceso ácido con fenilhidrazina. El compuesto D, reacciona con ácido nítrico para dar un compuesto E que es opticamente inactivo. Sin embargo se demostró que D, no es la D-Alosa. Cuando B es tratada con ácido nitríco produce un compuesto ópticamente activo. Y se sabe que B puede reaccionar con Br2/H2O, a diferencia de C, que no reacciona con este reactivo. B es epímero de D. La metilación de A y posterior hidrólisis da lugar una: 2,3,4-tri-O-metil-D-hexosa (derivado de B) a 1,2,3,4,6-tetra-O-metil-D-hexosa (derivado de C) y 2,3,4,6-tetra-O-metil-D-hexosa (derivado de D)
Química Orgánica III (Q) 89
Encontrando tamaño del anillo
CH3OO
OH
CH3OCH3O
OCH3
CH3O
CH3O
O
CH3O
OCH3
CO2H
OCH3
OCH3
CO2H
CO2H
CH3O
OCH3
CO2H
CO2H
CH3O
HNO3
HNO3
HNO3
Química Orgánica III (Q) 90
Más sobre el Tamaño del anillo
HOHO
HO
OHO
OCH3
OHO
OCH3
OHC
OHCHCO2H
HIO4
H3O+
OH
OH
CHO
+ OHCCHO + CH3OH
D-glyceraldehyde
glyoxal
Química Orgánica III (Q) 91
Hetero-polisacáridos Glicosaminoglicanos(Unidades repetitivas de disacáridos)
Sulfato de 6-crondroitina:-D-ácido glucorónico-( 13)-N-acetil-D-galactosamina-6-sulfato-( 14)-
Sulfato de Keratina:-D-galactosa-( 14)--acetil-D-glucosamina-6-sulfato-( 13)-
Química Orgánica III (Q) 92
Ésteres de Fósfato:• Se da por la reacción entre el ácido fosfórico y
un azúcar:
OH
H
H
H OH
HO H
O
H
HOHO H3PO4
OPO3H2
H
H
H OPO3H2
H2O3PO H
O
H
H2O3POH2O3PO
Química Orgánica III (Q) 9393
sugar base
sugar base
phosphate
sugar base
phosphate
sugar base
phosphate
sugar base
phosphate
nucleoside nucleotides
nucleic acids
Nucleosidos, nucleotidos y ácidos nucleicos
Note la química de estos tres grupos
Química Orgánica III (Q) 94
N
N N
NN
H
H
R
Adenina
N
N
NH2
OR
Citosina
N
N N
N
N
O
H
H
HR
G uanina
N
N
O
O
CH3
R
H
T imina
N
N
O
O
CH3
R
H
N
N N
NN
H
H
R
AdeninaT imina
N
N
N
OR
H
H
N
N N
N
N
O
H
H
HR
G uaninaC itosina
Química Orgánica III (Q) 95
Ácido Nucléico
• Es un poliazucar de ribosa, solo que con algunas muy peculiares características.
Química Orgánica III (Q) 96
Nucleósidos:
• Estos pueden ser sintetizados:
Química Orgánica III (Q) 97
Al colocarle un fosfato tenemos
• Un Nucleótido
Química Orgánica III (Q) 98
Algunas cosas interesantes de los nucleótidos
+ HPO4 2-O N
N
NN
NH2
HO OH
OPO
O
O
P
O
O
O
PO
O
O
ATP
H2O O N
N
NN
NH2
HO OH
OPO
O
O
P
O
O
O
ADP
+ ~31 KJ/mol (7.4 Kcal/mol)
Química Orgánica III (Q) 99
Estructura del ARN
Química Orgánica III (Q) 100
1. Nucleación
2. Propagación
Estructura helicoidal? Apilamiento π-π
Fármacos anti-cancer o pigmentos para ácidos nucleícos?
Especies aromáticas nitrogenadas, capaces de intercalarse firmemente
Química Orgánica III (Q) 101
Otros Tautómeros, errados!!!
N
N
NN
N
H
dR
N
N
NN
N
H
dR
HN
N
dR
OH
O
N
N
dR
OH
O
purine - purine pyrimidine - pyrimidine
N
N
dR
NH
O
N
N
dR
NH
O
H
N
N
NN
O
N
H
dR
N
N
NN
O
H
dR
HH
H
NH
H
H
O
OR
RON
N
N
O
H
H
O
OR
RO
N
N N
NO
N
H
H
HHydrogen Bond
Donor
Hydrogen BondDonor
Hydrogen BondAcceptor
Hydrogen BondAcceptor
3'
5'
Hydrogen BondAcceptor
Hydrogen BondDonor
5'
O2
N4 O6
3'
Antiparallel C-G Pair
N3 N1
N 2
O
OR
RON
N
O
O
O
OR
RO
N
N N
NN
H
H
H
5'
3'
3'
5'
Hydrogen BondDonorN6
Hydrogen BondAcceptor
Hydrogen BondAcceptor O4
Hydrogen BondDonor
Antiparallel T-A Pair
N1N3
Química Orgánica III (Q) 102
ADN como plantilla para catalizar reacciones orgánicas
AABB
Química Orgánica III (Q) 103
Pero así es el temprando en el organismo?
aminoacyl t-RNA
TC loop
D loop
variable loop
Pues si, pero un poco diferente, un tanto más elegante…
Química Orgánica III (Q) 104
P site
U G U AA U C U CG U U
3'5'
A site
A CU
OO
HN
SCH3
OHC
U G U AA U C U CG U U
3'5'
A CU
OO
HN
SCH3
OHC
U AA
OO
H2N
OH
U G U AA U C U CG U U
3'5'
U AA
OO
HN
OHONH
CH3S
A CU
OH
OHC
U G U AA U C U CG U U
3'5'
U AA
OO
HN
OHONH
CH3S
A CU
OH
OHC
U G U AA U C U CG U U
3'5'
U AA
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HN
OHONH
CH3S
A CU
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OHC
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3'5'
U AA
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OHC
G AC
O O
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U G U AA U C U CG U U
3'5'
O
HN
OH
O
HN
G AC
O O
CH3HN
SCH3
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OH
OJHC
U G U AA U C U CG U U
3'5'
O
HN
OH
O
HN
G AC
O O
CH3HN
SCH3
U AA
OH
OHC
U G U AA U C U CG U U
3'5'
O
HN
OH
O
HN
G AC
O O
CH3HN
SCH3
U AA
OH
OHC