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Apuntes de biología y geología.

Curso 2015/2016

13/10/2015

Luis Guija Durán

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18/09/15

Características de los seres vivos:

Los seres vivos nos diferenciamos de los seres inertes, en primera instancia, por nuestra complejidad molecular, básicamente en la estructura del ADN. No sólo las moléculas son distintas sino que su forma de asociación es diferente al mismo tiempo, desde los básicos enlaces de hidrógeno hasta las complejas cadenas de carbono.

Ilustración 1: Molécula de ADN. Ilustración 2: Molécula de ADN.

Una segunda diferencia sería el automantenimiento. La relacionamos con la nutrición, función básica de los seres vivos que nos ayuda a mantener nuestras estructuras moleculares. A diferencia del ADN, la mayoría de nuestros compuestos internos tienen una vida y debemos reponerlos, como las proteínas o enzimas. También hemos de reponer la energía, que reponemos mediante el metabolismo de la célula. El metabolismo, así mismo, nos ayuda a asimilar los grandes polímeros como las largas cadenas de proteínas.

Ilustración 3: León cumpliendo la función de nutrición.

Ilustración 4: Reacción química de la fotosíntesis.

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Otra de nuestras funciones vitales es la relación, que se desempeña mediante la cadena de estímulo, procesamiento de éste, elaboración de respuesta y ejecutación de la misma. Obviamente, un lingote de hierro no es capaz de interactuar con su medio. No sólo podemos interactuar con nuestro entorno. También tenemos receptores internos, por ejemplo, podemos distinguir cuando sentimos dolor o hambre.

La última función es la reproducción, grosso modo una cualidad que nos permite crear seres

semejantes a nosotros. Por lo tanto, para distinguir a un ser vivo de un ser inerte basta con saber su nivel de complejidad molecular, y si realiza las tres funciones vitales.

Ilustración 5: ¿Son los virus, los priones y los viroides seres vivos?

Niveles de organización de los seres vivos.

El primer nivel de organización de los seres vivos es el atómico, seguido por el molecular, macromolecular (conjunto de moléculas), órganulos celulares que se asocian para desempeñar una función en la célula, y, al mismo tiempo, para constituirla. Las células, a su vez, agrupadas, se asocian para formar tejidos que pasan a formar órganos. Los órganos componen aparatos o sistemas y, estos, a su vez, conforman el ser vivo completo, esto en el caso de los animales.

Ilustración 6: Niveles de organización de los seres vivos.

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El individuo forma una población junto con el resto de congéneres de su entorno. Las poblaciones, asociadas, pasan a formar la comunidad. Además, la comunidad, asociada con las relaciones entre los seres vivos, el entorno, el clima y las condiciones en suma forman el ecosistema. Por último, todos los ecosistemas forman el gran Ecosistema que es el planeta Tierra, o Ecosfera.

Bioelementos.

Los seres vivos sólo estamos formados por setenta elementos, llamados bioelementos, de los cuales sólo veinticinco son comunes en casi todos los seres vivos. A pesar de que sería de suponer que los bioelementos se encontrarían en los seres vivos en la misma proporción que en el planeta, esta suposición no es correcta. En los seres vivos el Hidrógeno compone el 50 % de estos, mientras que en la Tierra en menos de un 5%.

Los bioelementos primarios, que componen un 90% de los seres vivos serían el Hidrógeno, el Carbono, el Oxígeno, el Nitrógeno, el Fósforo y el Azufre. Estos son mucho más comunes, dado que pueden formar enlaces covalentes que dan lugar a combinaciones muy ricas de biomoléculas, casi ilimitadas. El Carbono, el Hidrógeno y el Oxígeno se encuentran en el esqueleto de todas las biomoléculas. Azufre aminoácidos. Fósforo ácidos nucleicos y fosfolípidos. Nitrógeno proteínas y ácidos nucleicos.

El Carbono es la base de todas las cadenas de las biomoléculas. Esto se debe a que puede tener hasta cuatro enlaces covalentes simples, e incluso pueden formar enlaces triples covalentes. Son enlaces lo bastante fuertes como para ser resistentes, pero lo bastante débiles para poder romperse y tomar parte en reacciones químicas. El silicio, por ejemplo, realiza enlaces covalentes demasiado potentes. Estocausa que no se pueda utilizar como reactivo en las reacciones químicos. Además, el silicio es de oxidación muy rápida. Esta es otra razón por la que estos son los elementos más comunes.

Ilustración 7: Celulosa. Ilustración 8: Triacilglicérido.

El siguiente grupo son los bioelementos secundarios, como el Sodio, Calcio, Cloro, Potasio y Magnesio. Juntos formarían un 0,1% de los seres vivos aproximadamente.

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Por ejemplo el Magnesio es imprescindible para la fotosíntesis y se hallan en los cloroplastos. El calcio, como es comúnmente sabido, compone los huesos. Además el Sodio el Potasio y el Cloro desempeñan funciones en las reacciones musculares.

Los oligoelementos forman del 0,1%. Por ejemplo el Yodo, que compone la hormona tiroidea, el Manganeso o el Hierro. A pesar de su escasez también son imprescindibles para la vida.

22/09/15

Biomoléculas inorgánicas.

Las biomoléculas inorgánicas forman parte también de la materia inerte, no sólo de la materia viva, a diferencia de las biomoléculas orgánicas, que sólo podemos hallar en los seres vivos. El agua es un ejemplo de biomolécula inorgánica, así como las sales minerales y otros compuestos. Los humanos tenemos de promedio un 75 % de agua, pero otros seres vivos como las medusas pueden tener más del 90% de su composición acuosa. El agua se encuentra por todo nuestro cuerpo, desde el citoplasma de la célula hasta la matriz de nuestros tejidos.

Ilustración 9: Composición acuosa de los seres vivos.

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El agua tiene algunas características que la hacen imprescindible para la vida. En primer lugar los enlaces de hidrógeno crean algunas condiciones en las moléculas de agua que hacen que el agua sea una sustancia única. A pesar de tener enlaces covalentes, el oxígeno es más electronegativo que el hidrógeno, de modo que atrae más a los electrones y se crean dos polos en la célula. El oxígeno tiene una ligera carga positiva y el hidrógeno, negativa. Esto hace que las grandes masas de agua, gracias a la cohesión de sus moléculas, tenga una cierta estructura reticular. A consecuencia de ello, el hielo flota, cualidad del agua que es indispensable para la vida.

Entre las propiedades del agua podemos destacar su alta capacidad de disolución, lo que la hace muy útil en el transporte de nutrientes, por ejemplo, disueltos en la savia o en la sangre. Además, presenta un calor específico muy alto. Esto es, es necesario transferirle mucho calor para que el agua ascienda un grado de temperatura, a diferencia de otros materiales. Esta propiedad hace que el agua sea termorreguladora, es decir, que nos ayuda a regular nuestra temperatura corporal y resistir mejor los cambios excesivos de temperatura. Por último, del mismo modo que es necesario transferirle mucho calor para aumentar su temperatura, es necesario imprimirle una gran cantidad de energía. Esto también nos ayuda, por ejemplo, a refrigerarnos con el sudor y mantener nuestra temperatura corporal.

Como hemos dicho, otra de las biomoléculas inorgánicas que podemos encontrar en nuestro organismo son las sales minerales. Se hallan en los seres vivos en entre un 1 y un 5 %. Las podemos encontrar en los huesos y los exoesqueletos, en forma de carbonato de calcio, que nos proporcionan una estructura sólida y resistente. Asimismo la podemos hallar en disolución en agua. Nos ayudan a regular el pH de las células y a mantener el equilibrio osmótico, es decir, a igualar los iones dentro y fuera de la membrana celular.

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23/09/15 Biomoléculas orgánicas.

Son aquellas que únicamente podemos encontrar en los seres vivos. La mayor parte de ellas son polímeros, es decir, compuestos por cientos o incluso miles de unidades (monómeros). Según las necesidades de la célula los monómeros polimerizan (se juntan para formar polímeros) o los polímeros despolimerizan (se separan en monómeros). Además, todas ellas poseen esqueletos hidrocarbonados (conformadas por hidrógeno y carbono). Por último, presentan uno o varios grupos funcionales que determinan sus propiedades biológicas. Pueden ser:

-Grupo hidroxilo (alcohol, O-H, COH), grupo carbonilo (C=O, CO), grupo carboxilo (O=C-OH, COOH), grupo amino (NH2).

Glúcidos, azucares o hidratos de carbono.

Siempre responden a la fórmula CnH2nOn . Sirven como fuente de energía (glucosa) y también tienen función estructural (celulosa en la pared celular de las células o quitina en el exoesqueleto de los invertebrados). Son polímeros formados por monosacáridos. Estos monosacáridos están formados por cadenas carbonadas cuyos carbonos están siempre unidos a grupos hidroxilos menos uno. Se pueden clasificar:

Según el número de hidratos de carbono:

-Triosas, tetrosas, pentosas, hexosas, pentosas, octosas (más comunes entre 4-6).

-Aldosas (grupos aldehído con un grupo carbonilo al final) o cetosas (grupos cetona con un grupo carbonilo en mitad de la cadena).

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La glucosa es la principal fuente de energía, por ello es uno de los monosacáridos más importante. Otro de estos monómeros es la fructosa, el azúcar de la fruta. Este compuesto produce obesidad, ya que tiene el sabor dulce de la glucosa pero no lo descomponemos de la misma manera. La ribosa también es un monosacárido, forma parte del ARN, al igual que el ADN, que forma el ADN.

Ilustración 10: Glucosa. Ilustración 11: Fructosa.

Disacáridos:

Son glúcidos formados por dos monosacáridos. Éstos se unen mediante enlaces O-glucosídicos. EN estos enlaces se libera una molécula de agua. Algunos de ellos son, por ejemplo, la maltosa. Está formada por dos monosacáridos de alfa-glucosa. Es común en las bebidas alcóholicas como la cerveza o el whiskey. También es común la lactosa, en la leche y los derivados. Está formada por glucosa y galactosa. Otro ejemplo es la sacarosa, que es el azúcar de mesa, formada por glucosa y fructosa.

Ilustración 12: Maltosa.

Ilustración 13: Lactosa.

Ilustración 14: Sacarosa.

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Polisacáridos:

Pueden tener entre cientos y miles de monosacáridos, unidos de la misma manera por enlaces O-glucosídicos. El almidón es un ejemplo. Este polisacárido está formado, en realidad, por dos polisacáridos, la amilosa (lineal) y la amilopectina (ramificado). Cumple funciones de almacenamiento de energía en los vegetales. El glucógeno es un polisacárido ramificado, parecido a la amilopectina pero con más ramificaciones. Es una reserva de glucosa animal. Otro ejemplo es la celulosa, un polisacárido que forma las paredes celulares de las plantas, y ayuda a que las plantas se mantengan erguidas.

Ilustración 15: Estructura almidón.

25/09/15

Lípidos.

Están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno, y, en algunos casos (fosfolípidos), también por fósforo. Es un grupo muy heterogéneo. Una característica común a todos ellos es que no son solubles en agua ni en ningún disolvente polar, únicamente en disolventes apolares. Tienen un tacto untuoso.

Clasificación de los lípidos:

-Lípidos saponificables (se pueden transformar en jabón). Grasas o acilglicéridos, fosfolípidos, esfingolípidos, glucolípidos y las ceras. Todos ellos contienen en sus moléculas ácidos grasos.

-Lípidos insaponificables (no contienen ácidos grasos en sus moléculas). Esteroides y terpenos.

Ilustración 16: Jabón.

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Ácidos grasos: Largas cadenas hidrocarbonadas con grupos carboxilos en sus extremos. Todos ellos tienen un número par entre 12y 24 de átomos de carbono.

-Saturados: Únicamente tienen enlaces covalentes simples entre los carbonos.

-Insaturados: Presentan dobles enlaces entre algunos de sus carbonos. Algunos de ellos son esenciales para los seres humanos.

Grasas o acilglicéridos: Uno, dos o tres ácidos grasos unidos a una molécula de glicerol (ahora glicerina). Se forman por reacciones de esterificación.

-Sebos y aceites. Los sebos son las grasas animales y contienen ácidos grasos saturados. Son sólidas a temperatura ambiente. Los aceites contienen ácidos grasos insaturados y son líquidos a temperatura ambiente. Los encontramos en frutos y semillas normalmente.

Ilustración 17: Triacilglicérido.

Funciones de los lípidos.

Sirven de almacén de energía, conteniendo más del doble de calorías que los glúcidos. Son buenos aislantes térmicos, por lo que protegen del frío, y también del dolor.

Fosfolípidos.

Tienen una molécula de glicerol unida en un extremo a dos ácidos grasos, y, en el extremo opuesto, a un grupo fosfato y a un grupo alcohol. Es polar (o hidrofílico) en el extremo del grupo alcohol e hidrofóbico o apolar en el otro extremo. A este tipo de moléculas se les llama moléculas anfipáticas. Gracias a esta propiedad pueden formar micelas, que son pequeños globos en los que la cabeza polar se orienta hacia afuera y la apolar, hacia dentro. Asimismo se forman bicapas de fosfolípidos que componen membranas. Esto es muy útil en el caso de los liposomas, que sirven como vehículo, protegidos por una capa de fosfolípidos.

Ilustración 18: Membrana de fosfolípidos.

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Esfingolípidos.

Son moléculas anfipáticas también, de modo que forman membranas biológicas. Tienen una estructura similar a la de los fosfolípidos con una molécula de esfingosina y ceramida. Por ejemplo, la esfingomielina, compone las neuronas, y permite la rápida transmisión de información entre ellas.

Glucolípidos.

Son anfipáticas, con una molécula de ceramida y con un glúcido que forma la cabeza polar.

Ceras.

Son completamente apolares, y sirven para impermeabilizar estructuras de los seres vivos, por ejemplo en la piel, pelaje y plumas de algunos animales, o en las hojas de las plantas.

Ilustración 19: Los panales de abejas están compuestos por ceras.

Lípidos insaponificables.

Son derivados de una molécula de esterano (hidrocarburo policíclico).

Esteroides.

Por ejemplo, el colesterol y derivados. El colesterol, a pesar de su mala fama, es necesario para la formación de membranas biológicas. Es un precursor de la Vitamina D. Si un organismo carece de colesterol puede padecer raquitismo, dado que no obtiene suficiente Vitamina D. Por último, también forma parte de las hormonas esteroideas. No obstante, el colesterol en exceso es perjudicial. En nuestros tests se mide el HDL (high density lipoprotein), que se considera el buen colesterol, y el LDL (low density lipoprotein), que es perjudicial. Altos niveles de LDL pueden producir aterosclerosis. Esto provoca que se desgarre la vena, que se acumule el colesterol y se tapona.

Ilustración 20: HDL y LDL.

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30/09/15

Terpenos.

Son bastante escasos. Principalmente pigmentos vegetales y sustancias que producen olor. Por ejemplo el caroteno de las zanahorias o el geraniol que produce el olor característico de los geranios.

Proteínas.

Son macromoléculas poliméricas formadas por aminoácidos. Componen el 50% de la masa seca de la célula. Por consiguiente, son la biomolécula orgánica más abundante en los seres vivos. Por ejemplo, la tubulina es una proteína que se ocupa de mantener la estructura de la célula, formando parte del citoesqueleto. Otro caso puede ser la insulina, una hormona, la lactasa, que es una enzima encargada de la digestión de la lactosa o la hemoglobina.

Están formadas sobre todo por Carbono, Hidrógeno, Oxígeno y Nitrógeno, y, en menor medida, por Azufre y Fósforo. Hay entre cincuenta y cien mil proteínas con diferentes funciones en el cuerpo humano, y millones de ellas se pueden encontrar en el resto de seres vivos. Sólo veinte aminoácidos componen las proteínas, como la glicina, la valina o la alanina. No obstante, podemos encontrar alrededor de cien compuestos aminoácidos más que no conforman proteínas. Estos monómeros se unen mediante unos enlaces llamados enlaces peptídicos. Los aminoácidos se diferencian por el radical y todos tienen un carbono central.

Ilustración 21: Los 20 aminoácidos que forman las proteínas.

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Si la cadena peptídica tiene más de 50 aminoácidos se denomina polipéptido y, si tiene menos, oligopéptido. Una proteína puede estar formada por una o más cadenas peptídicas unidas entre sí. Para analizar su estructura debemos hacerlo a varios niveles.

- Estructura primaria: Si hablamos de su estructura primaria debemos tratar la secuencia de aminoácidos que la conforman, es decir, qué aminoácidos la componen y en qué orden. Es muy común en la desnaturalización que, al abrirse la cadena peptídica, se vean expuestas moléculas hidrofóbicas y se sientan repelidas. Esto suele producir una precipitación.

- Estructura secundaria: La estructura secundaria de una proteína es la disposición de la secuencia de aminoácidos en el espacio. Se clasifican en: Helicoidal o alfa hélice y lámina plegada.

- Estructura terciaria: La estructura terciaria se diferencia en globular o fibrosa en función de como se enrolle la cadena polipeptídica.

- Estructura cuaternaria: Sólo algunas proteínas, las que tienen más de una cadena peptídica, tienen estructura cuaternaria. La estructura cuaternaria varía dependiendo de la relación de las cadenas peptídicas entre sí.

Ilustración 22: Estructura terciaria globular.

Funciones de las proteínas.

La mayor parte de ellas tienen función estructural (colágeno en los tendones). También hay otras que tienen función transportadora (hemoglobina en los glóbulos rojos, lipoproteínas del colesterol, como el HDL o el LDL). Asimismo algunas de ellas tienen función de reserva (Albúmina en los huevos que reserva aminoácidos). Además las hay con función contráctil en los músculos (Actina y Miosina). Los hay con función de defensa (Inmunoglobulinas A, B, etc que forman los anticuerpos).

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Y por último y la más importante de ellas, la función enzimática (lactasa, maltasa, amilasa, etc…). Son catalizadores del metabolismo celular, es decir, son catalizadores de las reacciones que tienen lugar en nuestro cuerpo. Todas las enzimas son globulares y tienen un centro activo. Éste se une directamente al sustrato de la reacción química. Cuando esto sucede se forma el complejo enzima sustrato, facilitando el cambio de los sustratos en productos. Una vez que la enzima se separa de los productos.

Ilustración 23: Centro activo de la enzima.

Ácidos nucleicos.

Su monómero es el nucleótido. Los nucleótidos también pueden encontrarse libres e individuales, tomando parte activa en reacciones químicas

Nucleótidos.

Están formados por una pentosa (ribosa o desoxirribosa) unida a una base nitrogenada y a un grupo fosfato al mismo tiempo. La ribosa y la desoxirribosa sólo se diferencian en que en el carbono 2’, la primera tiene un grupo hidroxilo, mientras que su derivado, la desoxirribosa, ha perdido el oxígeno. Las bases nitrogenadas pueden ser púricas, como la adenina (A) y la guanina (G). Las pirimidínicas son la citosina (C), timina (T) y uracilo (U). Por último, el grupo fosfato está unido al carbono 5’ de la pentosa.

-Uno de los ejemplos de nucleótidos individuales es el ATP (Adenosina TriFosfato). Está formada por adenina, ribosa y tres fosfatos unidos. Captan energía en las reacciones exergónicas (reacciones que liberan energía) y después las liberan en reacciones endergónicas (reacciones que precisan de energía). Los enlaces de los fosfatos se denominan de alta energía. Al romperse estos se libera una gran cantidad de energía, transformándose gradualmente en ADP (Adenosina DiFosfato) y AMP (Adenosina MonoFosfato). Tras ello se transporta a otra reacción energónica para captar energía de nuevo.

Ilustración 24: Adenosina trifosfato, difosfato y monofosfato.

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-Enlace fosfodiéster: Se produce entre el grupo hidroxilo del Carbono 3’ de un nucleótido y el hidroxilo del fosfato de otro, liberándose una molécula de agua.

Ilustración 25: Enlace fosfodiéster.

Al carbono 3’ del último nucleótido de la cadena se le denomina carbono 3’ terminal, porque no está unido a ningún fosfato. Lo mismo sucede en el extremo opuesto con el carbono 5’.

ADN (ácido desoxirribonucleico).

Sus nucleótidos están formados por desoxirribosa. Sus bases nitrógenadas son siempre A, T, G y C. Asimismo posee dos hebras antiparalelas (es decir, en el extremo en que una de las hebras presenta el carbono 3’ se encuentra el carbono 5’ de la otra hebra) en espiral, formando una estructura helicoidal doble. Las dos hebras se unen con puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. La adenina se une con la timina, y la guanina, con la citosina. Siempre se une una púrica con una pirimidínicas. Entre A y T se producen dos puentes, y, entre G y C, tres puentes. Ambas hebras son complementarias. Esto permite que el ADN se pueda reproducir.

Ilustración 26: Doble hélice antiparalela de ADN.

ARN (ácido ribonucleico).

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Sus nucleótidos están formados por ribosa. Sus bases nitrogenadas son A, U, G y C. Es una hebra única, por lo tanto, aunque en ocasiones se pueda plegar y formar puentes de hidrógeno, es una estructura helicoidal simple. Puede haber de distintos tipos, véase ARNm (ARN mensajero), ARNt (transferente) y ARNr (ARN ribosómico).

Ilustración 27: Hélice simple de ARN.

Flujo de la información genética.

En primer lugar el ADN cumple la función de replicación, por la que se duplica la información genética. En segundo lugar, el ARN mensajero copia una porción del ADN para trasportar esa información a los ribosomas. Más tarde, en los ribosomas, tiene lugar la función de traducción, en la que el ARN transferente convierte la información en proteínas. Cada tres bases nitrogenadas indican un aminoácido distinto. En este proceso influye el ARN ribosómico.

Replicación del ADN.

En un principio se crearon tres modelos de replicación, el semiconservativo (en el que se crean dos dobles hélices cada una con una hebra original), el dispersivo (a base de trozos) y el conservativo (dos dobles hélices una completamente original y otra completamente nueva). Se ha aceptado la primera. El ADN polimerasa es una enzima que realiza este proceso. Gracias a las bases nitrogenadas complementarias se sabe, con una sola hebra, como sería la cadena completa.

Transcripción de ADN a ARN.

Consiste en la síntesis de moléculas de ARN complementarias a las hebras de ADN. Únicamente una de las hebras actúa como molde, a diferencia de la replicación. Este proceso es catalizado por la enzima ARN polimerasa. La enzima lee el ADN e inserta nucleótidos complementarios. La única diferencia es que, en lugar de Timina se coloca Uracilo.

Traducción de ARN a proteína.

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Es la conversión de la información que lleva el ARN mensajero en proteínas. Este proceso tiene lugar en los ribosomas. Los ribosomas son orgánulos celulares que se hallan flotantes en el citoplasma celular. Se encarga de sintetizar moléculas gracias a la información que le trae el ARN mensajero y los aminoácidos que aporta el ARN transferente. La información del ARN mensajero se encuentra codificada en secuencia de bases. Cada tres bases forman un codón o triplete, que indican la posición de un aminoácidos. El ARN transferente es el que carga con los aminoácidos. El ARN transferente tiene un anticodón, que lleva tres bases nitrogenadas que indican qué aminoácido debe unirse al extremo opuesto a su brazo aceptor, en el extremo opuesto.

-En primer lugar el ARN mensajero se aproxima al ribosoma y ambos se unen.

-El ribosoma se acopla al codón interesado (digamos AUG, que siempre comienza una proteína, el aminoácido metionina). Un ARN transferente cuyo anticodón es complementario al codón AUG llega y se une.

-Otro ARN transferente con el anticodón complementario al segundo codón se acerca, y el segundo aminoácido acoplado se une al primero mediante un enlace peptídico.

-Esto hace que el primer ARN transferente pierda su enlace con el aminoácido y salga del ribosoma para llenarse otra vez. Entonces el ribosoma se desplaza un codón a la derecha y sucede lo mismo con el codón siguiente.

-Cuando toda la cadena se termina se llega a un codón STOP, llega una proteína, detiene el proceso y todo se desensambla dando lugar a una proteína nueva.

Ilustración 28: Traducción de ARN mensajero a proteína.