Ficha Bio Moleculas
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BACHILLERATO BIOQUÍMICA
TEMA 9. INTRODUCCIÓN A LA
BIOQUÍMICA: BIOELEMENTOS Y
BIOMOLÉCULAS
9.1. BIOELEMENTOS
Los bioelementos son los elementos químicos que forman parte de los seres vivos, bien en
forma atómica o bien como integrantes de las biomoléculas. Son más de 60 elementos de la tabla
periódica aunque en todos los seres vivos se encuentran unos 25. Los bioelementos se presentan
en proporciones diferentes y su abundancia, que no su importancia, se emplea como criterio
para clasificarlos.
Clasificación de los bioelementos:
- Bioelementos primarios: son los más abundantes. Encontramos el carbono (C),
hidrógeno (H), oxígeno (O), nitrógeno (N), fósforo (P) y azufre (S). De estos seis
elementos, los cuatro primeros constituyen aproximadamente el 95% de la materia viva
y los seis juntos llegan a formar el 96,2% de la misma. Estos elementos tienen gran
facilidad para constituir moléculas complejas en forma de cadena, las más sencillas de
las cuales se componen sólo de carbono e hidrógeno (hidrocarburos) y a partir de
ellos, por sustitución de algunos hidrógenos por otros átomos o grupos de átomos
(grupos funcionales) se obtienen infinidad de compuestos o biomoléculas. [Repasa
los temas de química orgánica].
- Bioelementos secundarios: son todos los demás. Dentro de ellos los hay más
abundantes y suelen presentarse formando sales y hay otros, minoritarios, que sólo
forman parte de ciertas moléculas (hemoglobina, tiroxina, clorofila...). Se pueden
diferenciar:
- Indispensables: aparecen en todos los organismos. Entre ellos destacan el
calcio (Ca), cloro (Cl), potasio (K), sodio (Na), magnesio (Mg), hierro (Fe),
etc.
- Variables: pueden faltar en algunos organismos. Algunos de ellos son el
bromo (Br), cinc (Zn), aluminio (Al), cobalto (Co), yodo (I), cobre (Cu), etc.
Un bioelemento incluido en una categoría puede, en determinados organismos,
pertenecer a otra. Así, el silicio (Si), es secundario en general, pero en organismos
como las diatomeas (algas unicelulares), pasa a ser primario (constituye el
caparazón).
Se denominan Oligoelementos a aquellos bioelementos secundarios que se
encuentran en cantidades ínfimas en los seres vivos. Por ejemplo el cobalto (Co) o
el litio (Li).
Cualquier bioelemento es indispensable para el ser vivo que lo posea y aunque su
proporción sea minúscula su carencia acarrea la muerte del individuo.
9.2. BIOMOLÉCULAS
Las biomoléculas son los compuestos químicos que forman la materia viva. Resultan de la
unión de los bioelementos por enlaces químicos entre los que destacan los de tipo covalente
(recuerda los tipos de enlace químico). Se distingue entre:
- Biomoléculas inorgánicas: son características de la materia inerte, pero se encuentran
también entre los seres vivos. No poseen átomos de carbono o este, si aparece, no forma
cadenas con otros carbonos y con hidrógenos. Son el agua, las sales minerales y algunos gases
que pueden desprenderse o utilizarse en el transcurso de las reacciones químicas de las células
como el oxígeno (O2) y el dióxido de carbono (CO2).
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Función estructural. El agua puede servir de auténtico esqueleto, dando consistencia a ciertas
células o estructuras. Por ejemplo esto sucede en plantas herbáceas o en animales como las
medusas.
Función termorreguladora. El agua, debido a su elevado calor específico (se necesita mucha
energía para elevar o disminuir su temperatura) es un excelente regulador, evitando los
cambios bruscos que podrían afectar a los seres vivos. Por ejemplo, la sangre calienta la piel
cuando ésta pierde calor, o el sudor la enfría si hay un sobrecalentamiento. Pero todo ello sin
tener que movilizar o perder mucha cantidad de líquido.
La vida se considera tan ligada al agua que solo ahora que se ha demostrado la existencia
de esta en Marte, los científicos se plantean la búsqueda de seres vivos en dicho planeta.
LAS SALES MINERALES
Las sales minerales están formadas por un catión y un anión. Las sales pueden
presentarse de dos formas diferentes:
- Sales insolubles o no disociadas. Se dicen también sales precipitadas. Presentan una función
esquelética, formando caparazones (carbonato cálcico) o conchas o bien huesos (fosfato cálcico).
En algunos casos, los iones pueden estar unidos a moléculas orgánicas, de modo que no
están disociados pero tampoco forman sales minerales. Sus funciones dependerán de la molécula
de que se trate. Por ejemplo, la hemoglobina lleva el ión hierro, la clorofila contiene magnesio, la
vitamina B12 lleva el ión Cobalto, etc.
- Sales en forma disociada o sales solubles o disueltas. Los iones se encuentran disueltos en
agua y son responsables de algunas funciones muy específicas, pero también intervienen de
manera decisiva en procesos físico-químicos de importancia vital para los organismos.
Dos de los fenómenos fundamentales desde el punto de vista biológico son el equilibrio osmótico
y el pH:
Equilibrio osmótico. Las membranas celulares son semipermeables. Esto quiere decir que dejan
pasar el agua libremente pero no las sales. La dirección que lleve el agua, es decir, si entra o si
sale de las células dependerá de la concentración de sales a cada lado de la membrana: el agua
siempre se mueve desde donde hay menos concentración de sales hacia donde hay más, hasta
que ambas disoluciones alcancen la misma concentración. A este fenómeno se le llama ósmosis,
y en este trasvase el agua ejerce una presión osmótica. (Si fuera de la célula hay mayor
concentración de sales, la disolución es hiperosmótica o hipertónica, el agua sale de la célula y
esta se deshidrata. Si la concentración fuera es menor o hipoosmótica o hipotónica, el agua entra
en la célula y se hincha. El tercer caso es el idóneo: si una célula está rodeada por una disolución
isoosmótica, el agua no entra ni sale.
La presión osmótica es creada básicamente por las sales, pero en general por las moléculas de
todo tipo que se encuentran en disolución acuosa. Es un fenómeno de importancia vital para los
seres vivos. [Esquemas].
Equilibrio ácido-base. El pH es uno de los parámetros que un organismo debe mantener
constantes. (El pH está relacionado con la concentración de hidrogeniones [H +] presentes en el
medio acuoso). En muchas reacciones celulares el pH tiende a aumentar o a disminuir y ciertas
sales se unen a los protones o los liberan evitando cambios en su concentración. Se denominan
sustancias tamponantes. Un ejemplo de sistema tampón en las células lo constituye el ión
hidrógeno carbonato, carbonato ácido o bicarbonato. [Recuerda que para eliminar la acidez de
estómago muchas personas emplean bicarbonato sódico].
Además de lo anteriormente visto, las sales disueltas pueden intervenir en funciones específicas.
Se pueden citar, a modo de ejemplo iones como el Na + y el K+, imprescindibles en la transmisión
del impulso nervioso; el Ca2+ que participa en la contracción muscular y en la coagulación
sanguínea, etc.
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GLÚCIDOS
Los glúcidos también son conocidos con los nombres poco apropiados de HIDRATOS DE
CARBONO, CARBOHIDRATOS o AZÚCARES.
Los glúcidos son biomoléculas formadas por C, H y O exclusivamente, químicamente se
definen como polialcoholes con un grupo aldehído o cetona. Sus funciones biológicas son
fundamentalmente dos: energética y estructural.
Por la proporción entre sus componentes se cometió el error de hacer lo siguiente:
CnH2nOn = Cn (H2O)n, de lo cual surgieron los nombres, erróneos pero hoy día utilizados de
hidratos de carbono o carbohidratos (hidrato significa agua). El término de azúcares sólo debe
emplearse para aquellos glúcidos de sabor dulce (mono y disacáridos).
Los glúcidos pueden ser simples o complejos, los más sencillos son los monosacáridos y
los complejos están formados por dos o más monosacáridos (pueden ser miles de ellos).
Destacaremos los disacáridos y los polisacáridos.
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Monosacáridos. Son los glúcidos más sencillos que hay, a partir de ellos se constituyen todos
los demás glúcidos. Son de color blanco, solubles en agua, de sabor dulce y pueden
cristalizar. Su fórmula general es CnH2nOn, variando n entre 3 y 8. Así, distinguimos entre
triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, etc.
Puesto que los enlaces entre átomos de carbono son más o menos rígidos y las moléculas
no son planas sino que tiene una disposición tridimensional, podemos encontrar moléculas
idénticas en su composición pero con organización espacial diferente. Por el hecho de que tienen
propiedades diferentes es preciso darles nombres distintos o al menos ha habido que distinguir
unas formas de otras mediante símbolos. A estas moléculas semejantes pero no idénticas se las
llama isómeros.
Entre las pentosas (monosacáridos con 5 átomos de carbono) destacan la RIBOSA y
la DESOXIRRIBOSA, que forman parte respectivamente de los ácidos nucleicos ARN
y ADN. Sus funciones son, por lo tanto, estructurales.
Entre las hexosas (6 carbonos) se encuentra la GLUCOSA, que es el monosacárido
más abundante en los seres vivos y cuya función es la energética, sirviendo de
auténtico combustible celular. Se encuentra como tal en frutos y por ejemplo en la
sangre (en una proporción de 1 g/l) [Cuando se dice que alguien “tiene azúcar en la
sangre”, se refieren en realidad a que tiene más cantidad de glucosa de la normal]. Es
también un monosacárido básico en la composición de disacáridos y polisacáridos.
Otras hexosas comunes son la GALACTOSA, que forma parte del azúcar de la leche y
la FRUCTOSA, que es propia del azúcar de las frutas.
Los monosacáridos se representan mediante fórmulas. Una representación muy usual es
la de Fischer. Se trata de una fórmula lineal y plana. Pero los monosacáridos en disolución
acuosa reaccionan frente al agua y sufren una ciclación, convirtiéndose en moléculas en forma de
anillo (anulares o cicladas) que pueden ser de dos tipos, alfa o beta según la disposición de un
grupo –OH. En 2º curso de Bachillerato se tratará más a fondo esta cuestión. Pero para este nivel
de 1º es deseable conocer las fórmulas cíclicas mediante la representación de Haworth de
algunos monosacáridos, con el fin de poder comprender los enlaces de unión entre ellos que
producen disacáridos y polisacáridos.
Disacáridos. Son moléculas formadas por la unión de dos monosacáridos, mediante el
llamado enlace glucosídico. Este enlace se efectúa entre un grupo alcohol de cada
monosacárido con el desprendimiento de una molécula de agua. Esta reacción se da entre el
–OH del carbono 1 de un monosacárido y, generalmente, el –OH del carbono 4 del otro
monosacárido. Hay diferencia si el enlace se efectúa entre monosacáridos de la forma alfa o
de la forma beta (ambas formas de la glucosa son isómeras). Los disacáridos también son
sólidos cristalizables, solubles en agua y de sabor dulce, por eso también son denominados
azúcares. La función de los disacáridos es también energética, aunque para ser utilizados por
las células, primeramente deberán ser descompuestos en sus monosacáridos integrantes.
Los principales son:
MALTOSA o azúcar de malta, que está formada por dos unidades de glucosa (la malta
el grano de la cebada germinada; este producto es la base de la fabricación de la
cerveza).
LACTOSA o azúcar de la leche, está formada por la unión de una molécula de glucosa
y una de galactosa. (Hay personas con intolerancia a la lactosa. Comentario)
SACAROSA o azúcar de la fruta. Es muy abundante en la remolacha y en la caña de
azúcar, de donde se extrae y constituye el azúcar que consumimos habitualmente. Se
compone de un monosacárido de glucosa unido a otro de fructosa. Es realmente de
sabor más dulce que la glucosa pero menos que la fructosa (comentario: edulcorante).
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LÍPIDOS
Los lípidos son biomoléculas orgánicas formadas siempre por C, H y O aunque
muchos poseen fósforo y nitrógeno, y en menor proporción azufre. Constituyen un grupo muy
heterogéneo en cuanto a su composición química y suelen incluirse en este grupo aquellas
sustancias que presentan unas características físicas determinadas, que son: ser insolubles en
agua (disolvente polar) y solubles en disolventes orgánicos (apolares) como el benceno, el éter, el
alcohol, la acetona, la gasolina, etc., suelen ser untuosos al tacto y menos densos que el agua.
Sus funciones son también variadas, destacando entre ellas la energética, la
estructural, la hormonal y vitamínica.
Clasificación:
1. Lípidos saponificables
Son aquellos lípidos que pueden descomponerse en ácidos grasos y en alcohol. Se llaman
así porque puede hacerse jabón con ellos (reacción de saponificación). En realidad el jabón se
hace a partir de los ácidos grasos.
Los ácidos grasos son cadenas hidrocarbonadas, que pueden ser saturadas o
insaturadas. Los ácidos grasos saturados son los que no poseen ningún doble enlace entre
carbonos y los insaturados son los que tienen uno o más dobles enlaces. Loa ácidos grasos
poseen un número variable de carbonos y en uno de sus extremos portan un grupo ácido
carboxílico. Su característica más llamativa es que son muy insolubles en agua, por lo que se
dice que son hidrófobos. (hidro= agua; Fobos, fobia = odio)
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Los alcoholes también son variados y se trata de moléculas carbonadas que poseen uno
o más grupos hidroxilo (-OH).
Los principales grupos de lípidos saponificables son:
Triglicéridos o grasas. Se componen de una molécula con tres carbonos y tres
grupos –OH, el propanotriol o glicerina. Esta molécula lleva unidas mediante enlaces
éster a tres moléculas de ácido graso. El enlace éster se establece por reacción entre
un grupo alcohol de la glicerina y el grupo hidroxilo del ácido graso, con liberación de
una molécula de agua. Esta reacción recibe el nombre de ESTERIFICACIÓN. La
reacción opuesta es la HIDRÓLISIS, que requiere una molécula de agua y por eso se
llama así. Si la hidrólisis se realiza en presencia de una base fuerte como la sosa
cáustica (NaOH), se obtiene glicerina y una sal de ácido graso, ésta es la reacción de
SAPONIFICACIÓN y el resultado un jabón. (Ver los esquemas y entender por qué el
jabón sirve para eliminar la grasa. Distinguir del modo de acción de los detergentes).
Las grasas tienen una función esencialmente energética. Un gramo de grasa contiene
el doble de energía que un gramo de glúcido o de lípido (unas 9 Kilocalorías por gramo
frente a unas 4,2 Kcal/g de las otras biomoléculas), por eso supone un ahorro de peso
y de volumen y para seres como los animales resulta ventajoso guardar la energía bajo
esta forma en vez de en glucógeno. Los vegetales no tienen el problema del sobrepeso
pero sí sus semillas o sus frutos, por lo que muchas de ellas almacenan también grasa
(los llamados frutos secos: nueces, avellanas, pipas, almendras, etc.).
Otras funciones de los triglicéridos son las de protección mecánica y aislante
térmico (Una foca sin su capa de grasa subcutánea moriría de frío en el agua polar en
cinco minutos, tal y como nos pasa a los humanos).
Las grasas con cadenas insaturadas son líquidas a temperatura ambiente, son las
más frecuentes en los vegetales, denominándose aceites y al ser metabolizadas en
nuestro organismo, no se transforman en colesterol. Pero también hay grasas
vegetales saturadas como las de coco y palma, que son las que se utilizan en la
elaboración de alimentos preparados por ser más baratas. En general las grasas
animales son saturadas y por esto, su estado es sólido o semisólido a temperatura
ambiente (manteca, sebo, tocino). Las grasas saturadas pueden ser transformadas en
colesterol dentro de nuestro organismo y vulgarmente las conocemos como mantecas,
sebos o tocino; también son grasas la mantequilla y la nata así como gran parte de la
composición del queso. Sin embargo, la grasa del pescado contiene una gran
proporción de grasas insaturadas y por lo tanto es de la mejor calidad sanitariamente
hablando. Parte de estas grasas son las que contienen los famosos ácidos grasos
omega 3 de los que tanto se habla últimamente.
Ceras. Son ésteres de alcohol monovalente de larga cadena y una molécula de ácido
graso. Son sólidas a temperatura ambiente y su principal característica es que son
extremadamente hidrófobas. Las hay de origen animal como la cera que fabrican las
abejas para confeccionar sus colmenas o el cerumen que segregan células del
conducto auditivo para impermeabilizarlo y para retener partículas. Las aves acuáticas
recubren de ceras su plumaje de modo que éste puede sumergirse sin mojarse. Las
ceras de origen vegetal recubren estructuras como hojas, tallos y sobre todo frutos. En
estos casos su función es tanto impermeabilizante como antideshidratante.
Fosfolípidos. Son un tipo de lípidos complejos, ya que además de estar constituidos
por glicerina y dos moléculas de ácido graso poseen un grupo ácido fosfórico
esterificado al tercer grupo alcohol de la glicerina y unido al fosfórico hay otra molécula
orgánica con un grupo alcohol, diferente según los casos. Lo más llamativo de estas
moléculas es su comportamiento ante el agua, diciéndose que son anfipáticas, lo que
significa que un extremo (el del á. fosfórico) es polar y se mezcla bien con el agua (es
hidrófilo – filo = amante) y el otro extremo (el de los ácidos grasos) es apolar y rehuye
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carboxilo y un hidrógeno. Esto es común para todos los aminoácidos y la cuarta valencia está
saturada por diferentes átomos o moléculas dependiendo del a.a. del que se trate; lo
denominaremos normalmente como –R o cadena radical. Este radical puede ser el hidrógeno en
el caso de la glicocola o una cadena carbonada con un grupo alcohol en el caso de la treonina, un
grupo sulfhidrilo en la metionina, una molécula orgánica cíclica como la fenilalanina, etc. Existen
sólo 20 a.a. diferentes formadores de proteínas.
El enlace peptídico se establece entre el grupo hidroxilo del ácido graso de un aminoácido
y el nitrógeno del grupo amino de otro aminoácido. En este caso también se desprende agua.
Las proteínas resultan de la unión mediante enlace peptídico de decenas a cientos de a.a.
A pesar de que sólo existen 20 a.a. diferentes, se pueden formar casi infinitas proteínas distintas:
Dos proteínas pueden diferir en el nº total de a.a., también en el tipo de a.a. que contengan
(de 1 a 20 distintos), de las proporciones de los diferentes a.a. que presenten y por último de la
secuencia u orden que mantengan a lo largo de la cadena.
Los radicales de los distintos a.a. de una proteína pueden formar enlaces débiles entre
ellos, lo que da una forma determinada a la molécula. Esa estructura tridimensional es
fundamental para que la proteína cumpla con su función y por ello, un cambio en el orden de
algunos a.a. puede significar la inactivación de la misma. (Los cambios en su estructura
tridimensional se denominan desnaturalizaciones y pueden ser reversibles o irreversibles:
cuando se pone un huevo a cocer, sus proteínas se desnaturalizan y pasan de líquidas a sólidas).
Se distinguen hasta cuatro niveles distintos de organización de las proteínas. Se
comentarán en clase de modo sencillo con el fin de entender la enorme importancia de la
organización espacial de cada molécula (una ligera mutación en el material genético que conlleve
a un cambio en un solo aminoácido de una proteína puede significar que ésta no pueda ejercer su
función, con los problemas que ello puede acarrear) [rechazos, alergias, enfermedades
metabólicas y defectos genéticos están relacionados con las proteínas].
Las funciones de las proteínas son muy variadas, destacamos las siguientes:
Función estructural: las membranas celulares son estructuras que contienen una alta
proporción de proteínas. El colágeno, la elastina y la queratina son proteínas que
aparecen formando parte de los huesos (colágeno), están bajo la piel (colágeno y
elastina), o forman la epidermis de la piel, las uñas, los cuernos, los pelos o las plumas
(queratina).
Función transportadora: hay proteínas sanguíneas que transportan lípidos (por
ejemplo el colesterol), la hemoglobina transporta oxígeno también en la sangre, la
mioglobina lo hace en los músculos y los citocromos transportan electrones en las
mitocondrias, permitiendo el proceso de la respiración celular.
Función inmunológica: los Anticuerpos que sintetizan los linfocitos son siempre
proteínas (los Ac. son fabricados específicamente contra los antígenos o elementos
extraños que penetran en el organismo).
Función hormonal: muchas hormonas son proteínas, como la del crecimiento, la
insulina o la adrenalina.
Función contráctil: la actina y la miosina responsables de la contracción muscular son
proteínas.
Otras funciones: el fibrinógeno es la proteína responsable del coágulo sanguíneo así
como muchos factores involucrados en la coagulación sanguínea son también
proteínas.
Función enzimática o biocatalizadora: esta función es fundamental. Las enzimas son
proteínas que favorecen y permiten que tengan lugar todas las reacciones químicas de
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las células (el metabolismo). Hay miles de ellas diferentes, que catalizan otras tantas
reacciones. Son muy específicas y en su ausencia no tienen lugar las transformaciones
químicas. (Los humanos no digerimos la celulosa porque nos falta la enzima
correspondiente, capaz de descomponerla en sus unidades de glucosa, sin embargo,
el almidón, semejante en composición puede ser digerido y aprovechado como
nutriente porque sí tenemos la enzima necesaria. Existen miles de enfermedades
metabólicas congénitas debidas a la carencia de enzimas o a un defecto en las mismas
→ mucopolisacaridosis; fenilcetonuria).
ÁCIDOS NUCLEICOS
Son compuestos formados siempre por C, H, O, N y P. Los ácidos nucleicos son polímeros
de monómeros llamados nucleótidos.
Nucleótidos:
Un nucleótido es una molécula formada por tres moléculas menores: una base
nitrogenada, un monosacárido y una molécula de ácido fosfórico.
Una base nitrogenada es una molécula cíclica que posee nitrógeno además de carbonos
en el anillo. La base nitrogenada puede ser de dos tipos, bien púrica o bien pirimidínica, según su
estructura sea derivada de la purina o de la pirimidina respectivamente.
Dentro de las bases púricas hay dos posibilidades: ADENINA o GUANINA.
Dentro de las bases pirimidínicas: CITOSINA, TIMINA o URACILO.
El monosacárido siempre es una pentosa (5 carbonos), existiendo dos diferentes: RIBOSA
y DESOXIRRIBOSA. Ésta última se diferencia de la anterior en que posee un oxígeno menos (El
carbono 2´ posee un hidrógeno en lugar de un –OH).
La molécula de ácido fosfórico, H3PO4 es, en general, única pero algunos nucleótidos
pueden tener hasta tres.
La estructura del nucleótido es la siguiente: a la pentosa se encuentra unida por el carbono
1´ la base nitrogenada y al carbono 5´ la molécula de á. fosfórico. Los carbonos de la pentosa se
nombran con el número correspondiente seguido de una comilla para diferenciarlos de los
carbonos y nitrógenos de la base nitrogenada que no la llevan evitando así confusiones.
Existen dos tipos de ácidos nucleicos: ADN (DNA) y ARN (RNA)
ADN
El ADN es un polinucleótido (cadena de nucleótidos) cuyos nucleótidos están formados por
una de las cuatro bases siguientes: A, T, C, G, no apareciendo en ningún caso uracilo; además
presenta como monosacárido la desoxirribosa y una molécula de ácido fosfórico. Por lo tanto
existen 4 nucleótidos diferentes. La molécula de ADN suele ser muy larga, con un gran peso
molecular y está formada por una doble cadena de nucleótidos (recuérdalo de 4º ESO).
Los nucleótidos que forman la cadena, se unen entre sí a través del ácido fosfórico y de la
desoxirribosa, quedando las bases nitrogenadas dispuestas lateralmente (ver esquemas).
Las dos cadenas son antiparalelas, lo cual quiere decir que están enfrentadas en orden
opuesto (ver esquemas) y las bases se emparejan de modo que siempre a la A le corresponde
una T; a C le corresponde una G y viceversa (T-A; G-C).
Esta doble cadena está replegada en el espacio formando una estructura que llamamos
doble hélice.
Al igual que las proteínas, El ADN es una molécula tridimensional en la que se pueden
distinguir varios niveles de organización: estructura primaria, dada por la secuencia de bases;
estructura secundaria, que representa el modo en que se pliega la estructura primaria dando lugar
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