TEMA6-ACIDNUCLEICOS - tras

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TEMA 6: ÁCIDOS NUCLEICOS
1. Composición de los ácidos nucleicos
2. Ácido desoxirribonucleico (ADN)
2.1 Estructura del ADN
. Estructura primaria
. Estructura secundaria
. Estructura terciaria
2.2 El ADN en las células procariotas y eucariotas
2.3 Desnaturalización del ADN
3. Ácido ribonucleico (ARN)
3.1 Tipos de ARN
. ARN mensajero
. ARN ribosómico
. ARN transferente
. ARN nucleolar
4. Nucleótidos no nucleicos.
1. COMPOSICIÓN DE LOS ÁCIDOS NUCLEICOS
Los ácidos nucleicos (ADN y ARN) son macromoléculas formadas por la unión de muchos
monómeros denominados nucleótidos.
Los nucleótidos son moléculas compuestas por la unión de 3 unidades: una molécula de ácido
fosfórico, un monosacárido (una pentosa) y una base nitrogenada.
- Una molécula de ácido fosfórico (H3PO4):
O
‫װ‬
HO - P - OH
OH
- Un azúcar de 5 átomos de C, que puede ser ribosa o desoxirribosa, cicladas en forma de β-Dribofuranosa y β-D-2-desoxirribofuranosa.
- Una base nitrogenada (estructura cíclica que contiene C y N). Existen dos tipos de bases
nitrogenadas:


Púricas. Derivan de la purina (dos anillos). Son dos: adenina (A) y guanina (G).
Pirimidínicas. Derivan de la pirimidina (un anillo). Son citosina (C), timina (T) y
uracilo (U).
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Biología. Ácidos nucleicos
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La unión entre la pentosa y una base nitrogenada da lugar a un nucleósido. El enlace que une
ambas moléculas se llama N-glucosídico y se produce entre el C-1' de la pentosa y un N de la base (el N1 si es pirimidínica o el N-9 si es púrica) con la pérdida de una molécula de agua.
Los nucleósidos se nombran añadiendo al nombre de la base la terminación -osina si es una
base púrica (ej. adenosina), o la terminación -idina si se trata de una base pirimidínica (ej. citidina). Si la
pentosa es la desoxirribosa, se coloca delante el prefijo desoxi- (ej. desoxiadenosina).
Si a un nucleósido se le une una molécula de ácido fosfórico, se forma un nucleótido. La unión se
realiza mediante un enlace tipo éster entre el -OH del C-5' de la pentosa y el ácido fosfórico, perdiéndose
una molécula de agua. Los nucleótidos se nombran como el nucleósido del que proceden eliminando la
"a" final y añadiendo a continuación el lugar de unión a la pentosa (5') y el número de fosfatos unidos. Por
ejemplo, desoxiadenosin-5'-monofosfato (dAMP).
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Biología. Ácidos nucleicos
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Reacciones de formación de nucleósidos y nucleótidos. En estas moléculas los carbonos de las pentosas se
numeran como 1’, 2’, 3’, 4’ y 5’, para diferenciarlos de los carbonos de las bases.
Los grupos -OH unidos a los átomos de P aparecen como -O-. Esto es debido a que a pH
fisiológico esos grupos se encuentran ionizados (en forma de ión fosfato PO3-4).
La unión de 2 nucleótidos forma un dinucleótido. Dicha unión se realiza mediante enlace
fosfodiéster entre el grupo fosfato situado en posición 5' de un nucleótido y el grupo hidroxilo que se
encuentra en el C-3' de otro nucleótido. Se libera una molécula de agua.
El dinucleótido se puede unir a más nucleótidos y formar trinucleótidos, tetranucleótidos, etc. La
unión de cientos o miles de nucleótidos constituye un polinucleótido, también llamado ácido nucleico.
En todos los polinucleótidos existe un extremo (llamado extremo 5'), donde se localiza un grupo
fosfato libre unido al C-5' de una pentosa, y otro extremo (denominado extremo 3') con una pentosa con
el grupo -OH del C-3' libre. Es decir, ambos extremos son distintos.
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Biología. Ácidos nucleicos
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2. ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO (ADN)
El ADN es un polímero de desoxirribonucleótidos (contienen desoxirribosa). En cuanto a las
bases nitrogenadas pueden aparecer adenina, guanina, citosina y timina, pero nunca uracilo.
2.1 ESTRUCTURA DEL ADN.
En el medio acuoso celular, el ADN adopta (igual que las proteínas) una estructura tridimensional
en la que se pueden describir varios niveles de complejidad creciente, son las estructuras primaria,
secundaria y terciaria.
- Estructura primaria.
Es la secuencia de nucleótidos unidos por enlaces fosfodiéster. Una cadena de ADN presenta
dos extremos libres: el 5', unido al grupo fosfato, y el 3', unido al hidroxilo.
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Como todos los nucleótidos contienen
fosfato y desoxirribosa, la diferencia entre las
moléculas de ADN de los distintos organismos
radica únicamente en el orden de las bases
nitrogenadas que cuelgan de las pentosas.
Cuando se representa una cadena de
ADN normalmente sólo se indica la secuencia de
desoxirribonucleótidos de manera abreviada. Así
un polinucleótido como el representado en la
figura se abreviaría como 5' AGTC 3'.
- Estructura secundaria: el modelo de Watson
y Crick.
La estructura espacial del ADN fue
establecida en 1953 por Watson y Crick,
basándose en dos descubrimientos previos:
. En 1950, Chargaff, tras estudiar gran
cantidad de muestras de ADN,
pertenecientes a diversas especies de
organismos, observó que el número de
adeninas siempre es igual al de timinas,
y el de guaninas, al de citosinas.
%A = %T
%C = %G
. Por otra parte, en esta misma época, Franklin y Wilkins aplicaron el método de difracción de
rayos X al ADN y dedujeron que esta molécula posee una estructura helicoidal y que en ella
existen detalles estructurales repetidos cada 0,34 nm y cada 3,4 nm.
A partir de estos datos, Watson y Crick propusieron un modelo de doble hélice del ADN que aún
sigue vigente. Este modelo presenta las siguientes características:

El ADN está constituido por dos cadenas de polinucleótidos unidas entre sí.

Las dos cadenas son antiparalelas, es decir, que el extremo 3' de una de ellas se enfrenta con el
extremo 5' de la otra.

La unión entre las cadenas se realiza por medio de puentes de H entre las bases nitrogenadas,
concretamente, la adenina forma 2 de estos puentes con la timina y la guanina 3 con la citosina.
Se dice que las dos cadenas son complementarias.
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
Las dos cadenas están enrolladas en espiral formando una doble hélice alrededor de un eje
imaginario.

Las bases nitrogenadas quedan en el interior de la doble
hélice, mientras que los esqueletos pentosa-fosfato se
sitúan en la parte externa. Los planos de las bases
nitrogenadas enfrentadas son paralelos entre sí y
perpendiculares al eje de la hélice.

El enrollamiento de las dos cadenas es dextrógiro (hacia
la derecha) y plectonémico (las cadenas no se pueden
separar sin desenrollarlas).

El diámetro de la doble hélice es de 2 nm, la longitud de
cada vuelta es de 3,4 nm y cada 0,34 nm se encuentra un
par de bases complementarias. Por lo tanto existen 10
pares de nucleótidos por cada vuelta.
La configuración espacial descrita por Watson y Crick se
denomina forma B y durante mucho tiempo fue considerada como
la única. En la actualidad se conocen otros dos tipos de estructura
en doble hélice:
o
La forma A, que también es dextrógira pero con los pares
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Biología. Ácidos nucleicos
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o
de base inclinados respecto al eje de la hélice. Esta forma se obtiene por desecación de la forma
B y nunca se encuentra en condiciones fisiológicas, sólo se ha observado en el laboratorio. Es
más ancha y más corta que la B.
La forma Z es más larga y estrecha que la B, aquí la doble hélice es levógira y presenta
irregularidades en forma de de zig-zag.
Aunque in vivo predomina el B-ADN, se ha podido observar la presencia de algunas regiones Z
en el genoma de células eucariotas. Su función, aún por confirmar, parece estar relacionada con los
mecanismos de regulación de la expresión de los genes.
- Estructura terciaria.
El ADN no se encuentra en las células en la forma extendida correspondiente a su estructura
secundaria, sino plegado sobre si mismo, es decir, superenrollado, dando lugar a un tercer nivel
estructural.
El superenrollamiento (enrollar algo que ya está enrollado) del ADN es necesario, entre otras
razones, porque las largas cadenas de ADN deben alojarse en el interior de la célula (procariotas) o del
núcleo (eucariotas), de dimensiones muy inferiores a la longitud del ADN. Por ejemplo:
2.2 EL ADN EN LAS CÉLULAS PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS.
. Recuerda que los organismos procariotas son células (bacterias) de tamaño pequeño (0,2 a 5
μm de diámetro), con membrana plasmática y generalmente con una pared celular rígida, pero carecen
de membrana nuclear, de orgánulos y de cualquier otro tipo de compartimentación interna.
En procariotas existe una molécula de ADN circular, es decir, con sus extremos cerrados, que
recibe el nombre de cromosoma bacteriano, localizado en el citoplasma, en la llamada zona nuclear o
nucleoide, sin membrana que la delimite. Es frecuente encontrar, además, otras moléculas circulares más
pequeñas llamadas plásmidos.
. Las células eucariotas son más variadas y complejas. Son de mayor tamaño (10- 50 μm),
poseen membrana plasmática, pueden tener pared celular (plantas), tienen citoesqueleto interno, y
muestran una gran compartimentación citoplasmática, con diferentes tipos de orgánulos (mitocondrias,
cloroplastos, lisosomas, ...) y otras estructuras membranosas (retículo endoplasmático, complejo de
Golgi, ...).
El núcleo tiene como característica esencial la presencia de una doble membrana nuclear. En el
interior del núcleo, el ADN se presenta como largas moléculas lineales de doble hebra, estrechamente
asociadas a proteínas básicas (histonas). Cada molécula de ADN, con sus proteínas asociadas, forma
una fibra visible al microscopio electrónico. El conjunto de todas estas fibras constituye la cromatina
(interfase). Cuando la célula se va a dividir, cada fibra de cromatina se compacta y forma los
cromosomas.
Aunque la mayor parte del ADN (más del 90%) de las células eucariotas está en el núcleo, en las
mitocondrias y cloroplastos también hay ADN, que codifica algunas de las proteínas de estos orgánulos.
Este ADN está organizado en cromosomas circulares, al igual que el de procariotas, aunque de menor
longitud.
. En los virus, el ADN puede adoptar múltiples formas. Los virus contienen una sola molécula de
ADN que puede ser monocatenaria o bicatenaria, según esté compuesta de una sola hebra de ADN o de
dos. Además ambos tipos pueden presentarse de forma lineal o circular.
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2.3 DESNATURALIZACIÓN DEL ADN.
Cuando el ADN se somete a temperaturas elevadas o a cambios de pH, las dos cadenas de
polinucleótidos se separan al romperse los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Este
proceso, denominado desnaturalización, es reversible siempre que el tratamiento aplicado no haya sido
muy drástico. El proceso por el que se recupera la doble hélice, se denomina renaturalización.
3. ACIDO RIBONUCLEICO (ARN)
El ARN está formado por la unión de ribonucleótidos (contienen ribosa) de adenina, guanina,
citosina y uracilo (no hay timina), mediante enlaces fosfodiéster en sentido 5'→ 3'.
En algunos tipos de ARN, como el ARN transferente, además de las 4 bases (A,C,G,U) pueden
aparecer otras derivadas de éstas (dihidrouracilo, metilguanina, etc), aunque son siempre minoritarias (un
10%).
La cadena de ARN es más corta que las de ADN y puede localizarse tanto en el núcleo como en
el citoplasma celular.
Excepto en los reovirus, el ARN está constituido por una única cadena, aunque en el ARN
transferente hay tramos bicatenarios por apareamiento de bases.
La función del ARN es extraer la información del ADN y dirigir la síntesis de proteínas a partir de
esta información.
3.1 TIPOS DE ARN.
- ARN mensajero (ARNm).
Constituye entre el 3 y el 5% del total de ARN celular. Es una larga cadena de ribonucleótidos con
una estructura lineal.
Su función es copiar la información genética del ADN (transcripción) y transportarla desde el
núcleo hasta los ribosomas, para que se sinteticen las proteínas.
El ARNm tiene una vida muy corta, de algunos minutos, ya que rápidamente es destruido por la
acción de unas enzimas llamadas ribonucleasas, pues de lo contrario el proceso de síntesis proteica
continuaría indefinidamente.
- ARN ribosómico (ARNr).
Es el tipo más abundante, ya que constituye entre el 80 y el 85% del ARN celular total.
Las moléculas de ARNr son largas y monocatenarias, aunque en algunas regiones puede
presentar una estructura de doble cadena por apareamiento entre bases nitrogenadas complementarias.
Varias moléculas de este ARN, asociadas a un conjunto de proteínas básicas, forman las dos
subunidades de los ribosomas (orgánulos en los que se sintetizan las proteínas).
- ARN transferente (ARNt).
El ARNt constituye, aproximadamente, un 10% del ARN celular total.
El ARNt está formado por pocos nucleótidos (entre 70 y 90).
Su función es transportar los aminoácidos presentes en el citoplasma celular hasta los
ribosomas, para que allí se unan y formen las proteínas. Hay un ARNt específico para cada aminoácido.
Las diferencias entre los distintos ARNt se deben fundamentalmente, a una secuencia de 3 bases
nitrogenadas denominada anticodón.
Las moléculas de ARNt tienen una estructura secundaria muy característica, en la que existen
tramos de doble hélice (denominados brazos). En los extremos de tres de los brazos hay zonas sin
emparejar que forman los denominados bucles.
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En el extremo 5' siempre hay guanina y un ácido fosfórico libre.
El extremo 3'está formado por la secuencia de bases CCA. Al nucleótido terminal de adenina se
une el aminoácido que va a ser transportado.
La estructura extendida del ARNt tiene forma de hoja de trébol, aunque en la realidad los brazos
se disponen plegados, formando una L invertida, que recibe el nombre de "estructura en boomerang".
- ARN nucleolar (ARNn).
Se encuentra asociado a diferentes proteinas formando el nucleolo de las células eucariotas.
Tiene un elevado Pm y su función es romperse para dar lugar a los diferentes tipos de ARNr.
4. NUCLEÓTIDOS NO NUCLEICOS
Además de los nucleótidos que constituyen los ácidos nucleicos existen otros que se encuentran
libres en las células, se denominan nucleótidos no nucleicos, y llevan a cabo funciones básicas para los
seres vivos. Podemos destacar: los nucleótidos de adenina y los nucleótidos que actúan como
coenzimas.
4.1 NUCLEÓTIDOS DE ADENINA.
. ADP y ATP.
El ADP (adenosín difosfato) y el ATP (adenosín trifosfato) son las moléculas transportadoras de
energía más importantes.
En las células hay muchas reacciones que producen enegía (exotérmicas). Si esta energía se
desprendiera libremente apenas tendría utilidad para el organismo. Resulta más eficaz disponer de un
sistema capaz de acumular la energía liberada, de manera que pueda ser utilizada posteriormente.
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Cuando se libera energía en una
reacción, se utiliza para formar ATP a partir de
ADP y ácido fosfórico. El enlace así
constituido es altamente energético, es decir,
que para su formación se requiere una
cantidad considerable de energía (7 kcal/mol).
Lógicamente la rotura de este enlace liberará
la misma cantidad de energía. Por eso en
aquellas reacciones que de la hidrólisis del
ATP en ADP y ácido fosfórico.
Es habitual representar los enlaces ricos en energía, que
existen entre los grupos fosfatos con el símbolo ( ~ ), en lugar de la
notación usual ( − ) de los enlaces.
Además del ATP y el ADP, también intervienen en algunas reacciones metabólicas los
nucleótidos de guanina GTP y GDP.
. AMP cíclico (AMPc).
El adenosín monofosfato cíclico es un nucleótido de adenina, ribosa y un fosfato que se une a los
carbonos 3' y 5' de la ribosa, formando una estructura cíclica.
El AMPc se forma en las células a partir del ATP
intracelular, mediante una reacción catalizada por la adenilato
ciclasa que se localiza en la membrana celular. Esta enzima se
activa cuando determinadas hormonas se unen a la membrana
plasmática a receptores específicos.
adenilato ciclasa
ATP -------------------------> AMPc + P-P
El AMPc activa enzimas que actúan en numerosas
reacciones metabólicas. Por esto, se le denomina "segundo
mensajero", ya que transmite en el interior de la célula las señales que le llegan a través de la sangre
mediante las hormonas, que son los "primeros mensajeros".
7.2 NUCLEÓTIDOS CON FUNCIÓN COENZIMÁTICA.
Los coenzimas son moléculas orgánicas no proteicas que intervienen en las reacciones
catalizadas enzimáticamente actuando, generalmente, como transportadores de electrones. Muchos de
ellos son nucleótidos.
. Piridín-nucleótidos.
Son dinucleótidos formados por la unión mediante enlace fosfodiéster del nucleótido de
nicotinamida y el de adenina.
La nicotinamida, también llamada vitamina B3 o niacina, es una base nitrogenada derivada de la
piridina.
Existen dos nucleótidos de piridina:
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Biología. Ácidos nucleicos
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- NAD: nicotinamín adenín dinucleótido.
- NADP: nicotinamín adenín dinucleótido fosfato. Su fórmula es igual a la del
NAD, pero lleva un grupo fosfato en el
nucleótido de adenina.
Son coenzimas de las deshidrogenasas,
enzimas que catalizan las reacciones de
oxidación-reducción. En estas deshidrogenaciones toman H+ y electrones de algunas
moléculas, quedando en estado reducido, como
NADH o NADPH.
. Flavín-nucleótidos.
Están formados por una base
nitrogenada, la flavina, y como pentosa, un
derivado de la ribosa, el ribitol. Al unirse ambos
para formar el nucleósido, constituyen un
compuesto denominado riboflavina o vitamina
B2.
Los nucleótidos de flavina son dos:
- FMN: flavín-mononucleótido. La
riboflavina está unida a un grupo
fosfato.
- FAD: flavín-adenín-dinucleótido,
formado por una molécula de FMN
unida mediante enlace fosfodiéster a
otro de AMP (adenosín mono-fosfato).
Ambos
son
también
coenzimas
de
deshidrogenasas. Se pueden encontrar tanto en forma
oxidada (FMN y FAD) como en forma reducida (FMNH2
y FADH2). Para pasar de una forma a otra captan o
ceden hidrógenos, oxidando o reduciendo el sustrato.
. Coenzima A.
El coenzima A está formado por ADP, ácido pantoténico o vitamina B5, y una cadena corta de
etilamina unida a un grupo tiol (-SH). Se designa abreviadamente con el término CoA, o bien con el de
CoA-SH. Gracias a este grupo(-SH) puede unirse a los grupos acilo (R-CO-), radicales de ácidos
orgánicos, y transportarlos por la célula.
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Biología. Ácidos nucleicos
ACTIVIDADES
1.- ¿Cuáles son las macromoléculas biológicas y sus monómeros respectivos? Nombra los enlaces que se
establecen entre los monómeros para originar los polímeros correspondientes.
2.- Formula el adenosín-5'-difosfato (ADP).
3.- ¿Cómo nombrarías el siguiente compuesto?
4.- Escribe un nucleótido que forme parte exclusivamente del ADN y
otro del ARN. ¿Qué diferencia hay entre ellos?
5.- Dibuja el trinucleótido dAMP-dTMP-dCMP y señala todos los
enlaces de tipo éster que hay. Para facilitar el dibujo simboliza las
bases nitrogenadas con las letras A, T y C.
Dibuja de la misma forma la hebra complementaria. Recuerda que son
antiparalelas. Señala en el dibujo si hay dos o tres enlaces entre las
bases nitrogenadas y de qué tipo son.
6.- ¿Cuál es la secuencia de ADN complementaria de 5'-TACCTCACT- 3'?
7.- Si una molécula de ADN posee un 30% de guanina, averigua en que proporción se encuentran las restantes
bases.
8.- En algunos organismos el ADN es monocatenario, en otros puede ser bicatenario circular. ¿De qué organismos
se trata?
9.- ¿Qué agente físico puede producir la separación de las dos hebras de la doble hélice de ADN? ¿Cómo se
denomina este fenómeno? ¿Qué tipos de enlaces se ven afectados en dicho proceso? ¿Es reversible dicho
fenómeno?
10.- ¿Qué diferencias hay entre el ADN y el ARN? En cuanto a estructura, función y localización celular.
11.- Si se compara la síntesis de proteínas con la construcción de un edificio, ¿qué tipo de ARN representaría el
papel de arquitecto? ¿Y el de albañil que coloca los ladrillos para levantar una pared? ¿Qué molécula
correspondería a los ladrillos?. Razona tus respuestas.
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Biología. Ácidos nucleicos
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12.- La secuencia de bases de una molécula de ARNm es: AAUUUGCCA...
a) Escribe la doble cadena de nucleótidos del ADN de la que se copió.
b) Indica cuál de las dos sirvió de molde.
c) Esribe los anticodones correspondientes.
13.- En forma lineal, la longitud total del ADN de una célula humana somática sería de unos 2 metros. ¿Cuánto
mide el ADN de un gameto?
14.- Tras el análisis cuantitativo y cualitativo del genoma de tres tipos de virus, se ha obtenido el resultado que
se adjunta en la tabla:
VIRUS
A (%)
T (%)
G (%)
C (%)
U (%)
A
20
20
30
30
0
B
20
0
30
25
25
C
20
28
29
23
0
A la vista de estos resultados, indica como son sus genomas: ADN, ARN, de cadena doble, ...
15.- La temperatura a la cual se separan las dos hebras de ADN varía según el ADN. ¿Se necesitará alcanzar la
misma temperatura para desnaturalizar un ADN en el que predomina la base nitrogenada guanina que otro ADN
donde hay abundancia de adenina? Razona tu respuesta.
16.- ¿Sabrías explicar por qué suele denominarse al ATP "moneda energética"?
17.- ¿Qué semejanzas y diferencias existen entre el ADP y el NADP?
18.- Escribe la fórmula de la molécula de ATP (utiliza la abreviatura A para simbolizar la base nitrogenada). La
energía liberada por la hidrólisis de ciertos enlaces de esta molécula está acoplada con reacciones
energéticamente desfavorables. Indica qué enlaces son éstos.
ACTIVIDADES P.A.U.
19.- Describa de forma detallada la composición y estructura general de los nucleótidos y enumere tres de sus
funciones biológicas. (Junio 2003- Opción A)
20.- El análisis del ácido nucleico de un virus ha dado los siguientes resultados: A 24%, G 31%, T 33% y C 12%.
¿Qué conclusiones se pueden obtener acerca del tipo de ácido nucleico del virus? Razone la respuesta.
21.- Describa la fórmula general de los nucleótidos que forman los ácidos nucleicos y cite las diferencias básicas
de composición química entre los
nucleótidos del ARN y del ADN.
(Septiembre 2004- Opción A)
22.- Usando los símbolos adjuntos,
dibuje una cadena de ADN que tenga
la secuencia 5’-ATCG-3’ [0,5]. Dibuje
también una molécula de ARN con la
secuencia. Complementaria a la
molécula de ADN anterior [0,5].
(Septiembre 2005- Opción A)
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