Tema 3. Proteínas Fibrosas y Globulares

7/25/2019 Tema 3. Protenas Fibrosas y Globulares

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Tema 3.

Las protenas fibrosas:queratinas y colgeno.

Las protenas transportadoras de oxgeno:mioglobina y hemoglobina.


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Caractersticas generales de las protenas fibrosas.

Diseo estructural de las !- y "-queratinas.

El colgeno: caractersticas generales, tipos,residuos modificados.

Estructura de la triple hlice del colgeno.

Formacin de fibras.

Biosntesis del colgeno.

Las protenas fibrosas:queratinas y colgeno


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Principales protenas fibrosas

Funcin Estructura Ejemplos

Estructuras de proteccin fuertes e Hlices enrolladas y -queratinasinsolubles, de dureza y flexibilidad entrecruzadas porvariables linkers rgidos: puentes diS

uas, cuernos, pelo, lana

Fibras suaves, flexibles, Lminas en capas unidas -queratinas:no elsticas no covalentemente por Fibronatelas araa, seda, plumas, escamas interacciones de Van der Waals

Fibras con gran fuerza de tensin, Hlices triplesentrecruzadas Colgenosin estiramiento por linkers flexibles (Lys-HyL)tendones, cartlago

Fibras elsticasarterias, pulmones, vejiga, ligamentos Elastina

Las protenas fibrosas tienen un solo tipo de estructura secundaria,y estructuras cuaternarias.

Suelen conferir propiedades como fuerza, flexibilidad o elasticidad.


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Protenas fibrosas: composicin en aminocidos

En general son ricas enresiduos hidrofbicos,e insolubles en agua


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Han evolucionado para soportar esfuerzos mecnicos. Son componentesmayoritarios del pelo, epidermis, uas, cuernos, picos, etc, slo en Vertebrados

Son miembros de lasprotenas de los filamentos intermedios, que tienen

misiones estructurales intracelulares: otras de ellas son del citoesqueleto

Las !-queratinas

Cada cadena polipeptdica tienems de 300 residuos en hlicedextrgira, con extensiones N y Cno helicoidales. Cada dos cadenas seenroscan entre s de forma levgira.

Cada 4 residuos hay uno apolar(Ala, Val, Leu, Ile, Met y Phe): seforma una tira hidrofbica para laasociacin entre las dos hlices !.

Son ricas en Cys(10-18%), queforman puentes diS entre las

cadenas a distintos niveles.

2-3 nm

dmero

dmero protofilamento microfibrilla

Dos monmeros enroscados forman un dmero uovillo. Estos se asocian en niveles sucesivos formandoprotofilamentos, protofibrillas y microfibrillas.

Los niveles superiores de asociacin no estn claros.


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La estructura de las !-queratinasjustifica por qu es posible ondularel cabello de forma permanente

Estructura del pelo

Corte transversal de un pelo

En presencia de calor hmedo, lashlices !se estiran y sus enlaces de Hse rompen. Luego se moldea el pelo yse aplica un agente reductor. Luego seaplica un agente oxidante y se enfra.


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Estn formadas por capas de lminas "antiparalelas, ricas en residuoscon grupos R pequeos, lo que permite un estrecho empaquetamientodelas capas.

Son fuertes, flexibles y poco extensibles. A diferencia de las !-queratinas,suelen ser extracelulares.

Son ricas en Gly (50%) Ala (30%) y Ser. No tienen Cistena.

Suelen tener secuencias repetidas de (Ser-Gly-Ala-Gly)n, aunque tambinhay aminocidos ms voluminosos que interrumpen peridicamente lossegmentos de lmina ", haciendo menos compacto el empaquetamiento.

Las "-queratinas

Vista superior Vista lateral


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Estructura de la protena fibrona

Como en las otras "-queratinas, la estructura est estabilizada por puentes

de H entre las lminas "antiparalelas adyacentes, e interacciones de vander Waalsentre las capas de lminas superpuestas.

Es la protena principal de las fibras de las polillas de seda y de las telas dearaa. Es muy flexible porque la estructura est mantenida por interaccionesdbiles, pero no se estira porque las lminas "ya estn muy expandidas.

Puentes de H

van der Waals

Lminas

antiparalelas


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Seda de araa

Se usa para las telas, sacos de huevos y envoltura de las presas.

Es un material extremadamente flexible y fuerte (ms que el acero), de

forma que puede aguantar mucha tensin sin romperse.Est compuesto por partes cristalinas ricas en fibrona, y partes estirablestipo caucho.

Orificios de las glndulasde la seda de una araa


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Es la protena ms abundante en los Vertebrados (25-30% del total),pero tambin aparece en Invertebrados.

Es el principal componente del tejido conjuntivo: huesos, tendones,cartlago, crnea.

Est formado por unidades de tres cadenas polipeptdicas entrelazadasentre s formando una triple hlice.

La Glyconstituye el 35%, mientras que en otras protenas suele ser el 5%.Tambin hay un 11% de Ala. La Proes ms abundante que en otras

protenas (21% con Hyp).Posee residuos aminoacdicos modificados: 4-hidroxiprolina (Hyp) y 5-

hidroxilisina (Hyl).

Caractersticas peculiares de la secuencia del colgeno

El colgeno proporciona resistencia a la tensin

GlyProMet GlyProSer GlyProArg

GlyLeu HypGlyProHypGlyAla Hyp

GlyProGln GlyPhe Gln GlyProHyp

GlyGlu HypGlyGlu HypGlyAla Ser

Gly- X - Y

Hyp

Pro

Secuencia consenso


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Estructura del colgeno

Es un polmero de unidades llamadas TROPOCOLGENO

El tropocolgeno es una protena de 285 kDaformada por tres cadenas polipeptdicas delmismo tamao, unos 1000 residuos.

Cada una de esas tres cadenas forma unahlice levgira (a,b), con ngulos de giro $=-51, %= +153.

La hlice levgira del colgeno es unaestructura secundaria nica, claramentedistinta de la hlice !. Las secuencias tpicasdel colgeno no se adaptan a estructuras enhlice !o lmina ".

Las tres cadenas polipeptdicas de unos 1000residuos se asocian entre s formando una(super)hlice triple dextrgira (c).


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Tres cadenas o hlices levgiras (con 3,3residuos por vuelta) se enrollan entre s,formando una triple (super)hlicedextrgira.

La triple hlice forma una especie de cablergido, y est estabilizada por puentes de H.

La triple hlice tiene ms fuerza de tensin

que un cable de acero de la misma seccin.Muchas hlices triples se ensamblan para

dar una fibrilla de colgeno.

3 hlices levgiras

Superhlicedextrgira

1,5 nm

300 nm

La triple hlice del colgeno

Fibrilla de colgeno


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Cada tercer resto de una cadena pasa a travs

del centro de la triple hlice. La falta de espacioexplica la presencia de laGly en esos lugares.

El ensamblaje de las cadenas requiere que estndesplazadas un residuo entre s a lo largo deleje, de forma que en cada nivel de la triple hlicese hallen los restos Gly, X e Y correspondientes a

las tres cadenas adyacentes:GlyProMet GlyProSer GlyProArg

HypGlyProHypGlyAla HypGlyLeu

ProGln GlyPhe Gln GlyProHypGly

El -NH de cada Glyestablece un puente de H

con el -CO del resto X(generalmente Pro) situadoen otra cadena adyacente.

Los residuos situados a cada lado de la Gly (engeneral Pro, Hyp, Hyl) se sitan hacia el exteriorde la hlice.

Base estructural de latriple hlice del colgeno

Gly


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Organizacin de las hlices en fibrillas de colgeno

tropocolgeno fibrillas


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La Lys y la Pro se hidroxilan tras incorporarse a la protena

El escorbuto (deficiencia en vit C) provoca uncolgeno defectuoso: lesiones cutneas y enencas, fragilidad capilar y cada de dientes

Estos procesos tienen lugar justo trasla incorporacin de los aminocidos, conlas cadenas polipeptdicas todavaunidas a los ribosomas.

La formacin de 4-hidroxiprolinafuerza al anillo de la Pro a adquirir unpliegue estructuralmente favorable.

Tanto la Hyl como la Hyp permitendesarrollar ms puentes de H dentro dela triple hlice del colgeno.

La Hyl sirve para la adicin posteriorde glucosas y galactosas

La vitamina C (cido ascrbico) senecesita para mantener el estado de

oxidacin del Fe2+

que estos enzimasusan como cofactorcrtico para suactividad.

Lys Hyl

Pro Hyp

Prolil hidroxilasa

Lisil hidroxilasa

vitamina C

vitamina C

Vitamina C


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tipo composicin localizacin

Tipo I [!1(I)]2!2(I) Mayoritario: huesos, piel, tendones

Tipo II [!1(II)]3 Cartlago, vtreo, discos intervertebrales

Tipo III [!1(III)]3 Vasos sanguneos, cicatrices, piel fetal

Tipo IV [!1(IV)]3 Membrana basal, cristalino

[!2(IV)]3

Tipo V [!1(V)]2!2(V) Superficies celulares, placenta

[!1(V)]3

[!1(V)][!2(V)][!3(V)]

Tipo VI ntima de la aorta

En Vertebrados hay muchos tipos de colgeno

La gelatina es un derivado del colgeno, pero tiene pocovalor alimenticio por tener muy poca variedad de aminocidos

Los tipos de colgeno se diferencian por la naturaleza de suscadenas (I, II, III, IV, V) y las asociaciones entre ellas (!1, !2, !3,)


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Tropocolgeno300 nm

Formacin de fibrillas

y entrecruzamiento

Fibrilla de colgeno

Enlaces cruzadoscovalentes

Agregacin

Fibra de colgeno

Formacin de fibras de colgeno


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Enlace cruzado aldlico

Residuos de Lys

Formacin de enlaces cruzados

Una vez ensambladas las fibras de colgeno, se desarrolla la formacin deenlaces cruzados covalentes intramoleculares entre residuos de Lys o Hyl decadenas distintas de una molcula de tropocolgeno, e intermoleculares entredistintas molculas de tropocolgeno.


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Sntesis del colgenoen fibroblastos

preprocolgeno

procolgeno

procolgeno

tropocolgeno

fibrillas de colgeno

secrecin


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Introduccin a las protenas transportadoras de oxgeno.

Estructura del grupo prosttico hemo.

Estructura de la mioglobina (Mb) y la hemoglobina (Hb).Caractersticas de la unin de oxgeno a la Mb y la Hb.

Alosterismo y cooperatividad en la Hb.

El efecto Bohr. Papel del 2,3 bisfosfoglicerato.

Protenas transportadoras de oxgeno:mioglobina y hemoglobina


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La evolucin de vida anaerobia a aerobia supuso una mejora enla obtencin de energa

Anaerobiosis Glucosa 2 ATPAerobiosis Glucosa 30-32 ATP

El O2es muy poco soluble en agua, por lo que los animales multicelulareshan desarrollado sistemas circulatorios para proveer a las clulas de O2para elmetabolismo aerobio

Ninguna cadena R de !!puede unir O2, pero el Fey el Cus pueden. Sin

embargo, el Fe en solucin provoca especies reactivasque pueden daar lasbiomolculas, por lo que se han desarrollado protenas transportadoras de O2

Ambas necesitan un componente no peptdico: el grupo prosttico hemo,capaz de unir reversiblemente el O2

La Mb y la Hb son las protenas ms estudiadas y mejor conocidas

Protenas transportadoras de oxgeno

Mioglobina (Mb)

Transporta oxgeno enel tejido muscular

Hemoglobina (Hb)

Transporta oxgenopor la sangre


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Estructura del grupo hemo: Protoporfirina IX + Fe2+

Anillo tetrapirrlico

El tomo de hierro tiene seis enlaces de coordinacin, cuatro en el plano yunidos a la molcula de porfirina, y dos perpendiculares.

El grupo hemo tambin es tpico de citocromos, tanto transportadores deelectrones en la cadena respiratoria como citocromos P450, que catalizanmltiples reacciones redox.

Estas y otras enzimas que portan grupos hemo catalizan una gran variedad deoxidaciones bioqumicas gracias a la activacin del O2por hierro.

Las protenas que tienen un grupo hemo se llaman hemoprotenas.


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La Mioglobina (Mb)

Su estructura tridimensionalfue determinada porPerutz y Kendrew

Es de la familia de las globinas.

Es un monmero de 153residuos, conPmol 16.700.

Est formada por ocho hlices (A-H),lo que supone un 78% de la secuencia, ypocas zonas no helicoidales, con giros(p.e., CD) y los extremos N y C.

Tiene una estructura compacta, con el

interior apolar, salvo dos residuos His(His F8 proximal e His E7 distal).

El grupo hemo est insertado en unaoquedad cerca de la superficie.

En el hemo, el Fe est ligeramente fueradel plano de la porfirina, hacia la His F8

(proximal) a la que est enlazado.Aparte de esta unin a la His, el hemo no

est unido covalentemente a la parteproteica de la Mb.

Extremo N

Extremo C


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Estructura terciariade la Mioglobina(PDB ID 1MBO)

Residuos hidrofbicos

El Fe2+est unido mediantecuatro enlaces de coordinacinal anillo de protoporfirina, quea su vez est encajado en unaoquedad de la protena


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His E7

His F8

His F8

Vista lateral

Plano del anillo deprotoporfirina IX

El Fe2+ del hemo est enlazado a laHis F8 de la Mb a travs de su quintaposicin de coordinacin

El O2se une reversiblemente a lasexta posicin de coordinacin delFe2+, e interacciona con la His E7

Disposicin del Fe2+y unin del O2en el grupo hemode la Mioglobina


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Unin del O2al grupo hemo de la Mioglobinao de la Hemoglobina

DesoxiMb / DesoxiHb

N Fe2+ VACIO

La unin del O2a la sexta

posicin de coordinacin delFe2+ causasun desplazamientode 0,04 nm de ste hasta elplano del hemo

His F8proximal

N Fe3+H2O

metaMb/ metaHb

ferriMb / ferriHb

His F8proximal

OxiMb / OxiHb

N Fe OOHis F8

proximal

His E7

El Fe3+no une O2


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La unin del O2a la Mioglobina presenta cintica hiperblica

Fraccin

de

satura

cin

(Y)

Presin parcial de oxgeno (pO2), kPa

Fraccin de saturacin YO2=[MbO2]

[Mb]+[MbO2]

Cuando [MbO2] = [Mb], laYO2= 0,5. La Mb est al 50%de saturacin

P50es la presin de O2 a laque se alcanza el 50% desaturacin

Si tenemos Mb saturada deO2y la bajamos de 10 a 0,25kPa, perder la mitad del O2

P50es el parmetro quereflejar la AFINIDADde laprotena por el O2. A menorvalor de P50, mayor afinidad


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La Hemoglobina (Hb)

Es una protena con estructura cuaternaria,

de forma seudoesfrica, y con un dimetro de5,5 nm.

Est formada por cuatro cadenas: dos(141 residuos) y dos (146 residuos), y tieneun Pmol 64.500

Tiene cuatro grupos hemo, uno por

cadena

Las estructuras terciarias de las cadenas !y "son muy similares, aunque menos de lamitad de los residuos son idnticos

Las cuatro cadenas estn en posicin

tetradrica. Cada una de las cadenas esten contacto con las dos cadenas . Sinembargo, hay pocas interacciones !-!o "-".

Existen otros tipos de cadenas similares alas !(&) y "(', (, ))

12

12


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grupohemo

Mioglobina153 residuos

Cadena "deHemoglobina146 residuos

Las cadenas de la Hemoglobina son muy similaresestructuralmente a la Mioglobina

MioglobinaHemoglobina

La similaridad en estructuraterciaria se da a pesar de su pobrehomologa de secuencia (< 20%).

Hay nueveposiciones de lasecuencia que estn muyconservadas (Gly B6, Pro C2, HisF8, His E7, etc), tanto en lascadenas !y "de la Hb como en lacadena de la Mb, y en todas lasglobinas conocidas


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- Hemoglobina adulta Hb A1 !2 "2

- Hemoglobina adulta Hb A2 !2 )2

- Hemoglobina fetal Hb F !2 (2

- Hemoglobina embrionaria !2 '2&2 '2

Existen distintas formas de la Hemoglobina, con distintas propiedadesde afinidad por el O2en funcin del ambiente fisiolgico en el que estn.

As, p.e., la Hb fetal tiene ms afinidad por el O2que la materna, por lo

que sta puede cedrselo y suministrar O2al feto

La Hb A2aparece en torno a un 3% en adultos


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La Hemoglobina es un transportador de O2ms verstil quela Mioglobina gracias a que presenta cintica sigmoidal,debida a la unin cooperativa del O2

La unin cooperativa hace que a lasmolculas de Hb les cueste unir lasprimeras de las 4 molculas de O2,pero una el resto ms eficazmente

Esto provoca que la unin del O2a laHb presente una cintica sigmoidal, y

que tenga mayor P50y menor afinidadpor l que la Mb

Debido a ello, la Hb es capaz deceder la mayor parte del O2quecarga en los pulmones a la Mb de lostejidos metablicamente activos: a esa

pO2la Mb est todava al 85% desaturacin

La Mb lo almacena y lo va cediendosegn las necesidades tisulares

(1 kPa = 7,5 torr)P50MbP50Hb


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La cooperatividad en la Hemoglobina

La evolucin de una protena monomrica (Mioglobina) a una tetramrica(Hemoglobina) se traduce en la adquisicin de nuevas propiedades:

1.- La Hb tiene menor afinidad por el O2que la Mb, de forma que lo cede apO2en las que la Mb lo capta.

As, la Hb se satura de O2en los pulmones (pO2alta), lo libera fcilmente enlos tejidos (pO2baja), y lo libera an ms cuando los tejidos estn activos (pO2muy baja).

2.-La unin del O2a Hb es cooperativa: la unin inicial de O2 favorece la

unin subsiguiente de ms O2a la misma molcula. De la misma manera, laliberacin de O2favorece la liberacin de ms O2de la misma molcula.

La cooperatividad en la Hb aumenta la eficiencia en el transporte de O2desde los pulmones a los tejidos. Debido a la cintica sigmoidal de unin delO2, el grado de saturacin de la Hb cambia mucho ms dramticamente alvariar la pO2.

3.-Adems, la afinidad de la Hb por el O2est regulada por el pH y del CO2(Efecto Bohr), y por organofosfatos a travs del 2,3-BPG.

Los parmetros de unin y liberacin de O2por Hb son regulados mediantecontrol alostrico por molculas que delatan el estado metablico


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Unin (y disociacin) cooperativa de un ligandoy cambios conformacionales alostricos

La hemoglobina y las demsprotenas alostricas son capaces deresponder a molculas especficas desu entorno mediante cambiosconformacionales transmisibles entrepartes de la molcula, que alteran suestructura cuaternaria y sufuncionalidad.

Alosterismo: allos (otro) stereos(forma). Fenmeno por el cual la unin

de una molcula especfica a una

protena provoca un cambioconformacional que modifica las

condiciones de unin de otra molcula,en otra ubicacin distante, lo que

afecta a su actividad biolgica.

Estas molculas se denominanefectores o moduladores alostricos

y pueden serpositivos o negativos


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Base estructural del comportamiento alostrico de la Hb

La Hb es un tetrmero formado pordos dmeros !1"1y !2"2.

Tras la unin del O2al Fe de un grupohemo, ste se desplaza 0,039 nm haciael interior del anillo, arrastrando a laHis F8 y a la hlice F.

Ello se traduce en cambiosestructurales en la interfase entre lascadenas de la Hb y otras regiones de lamolcula, lo que constituye el origenmolecular de la cooperatividad.

Hay cambios conformacionalesdebidos a la unin del O2:

- los dmeros !1"1y !2"2giran unos15entre s

- se rompen 8 puentes salinos entrelas subunidades

- las interfases 21y 12sufrencambios y actan como conmutadoresdel cambio conformacional de T a R

hlice F0,039 nm


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O2O2

desoxiHb (forma T)

O2

O2

O2

oxiHb (forma R)

O2

O2

Tras la unin del O2, hay una transicin alostrica de carcter cooperativoen la estructura de la Hb, que pasa desde el estado o conformacin T debaja afinidad al estado R de alta afinidad.

Cambios en la estructura de la Hb tras la unin del O2

O2

H2O

desoxiHb (forma T) oxiHb (forma R)

Este equilibrio est afectado por diversos

efectores alostricos (H+, CO2y 2,3-BPG)

Ruptura de 8 puentes salinos y

mayor interaccin con el agua


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Los H+se unen a la Hb y favorecen laadopcin de la forma Tde baja afinidad.

El CO2es un producto del metabolismocelular que debe ser transportado a lospulmones para su liberacin.

La mayor parte es convertido en HCO3-ytransportado por la sangre. Otra parte puedeunirse a los extremos amino de la Hb

formando carbamatos, lo que tambinfavorece la conformacin T.

As, el CO2tisular reduce la afinidad del O2por la Hb al aumentar la [H+] de dos formas:

CO2 + H2O ! HCO3- + H+

R-NH2+ HCO3- ! R-NH-COO-+ H+

Estas y otras reacciones contribuyen a unabajada del pH tisular, lo que reduce laafinidad de la Hb por el O2y promueve laliberacin de O2en los tejidos.

Los H+y el CO2disminuyen la afinidad de la hemoglobina por el O2

Sitios de unin de H+en la Hb

" His 146 (C-terminal) de cadenas

(40% efecto Bohr)

" N-terminal de cadenas

(20-30% efecto Bohr)

El efecto Bohr

Son efectores alostricos negativos con un efecto positivo sobre la funcionalidad


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Transporte de O2y CO2entrelos tejidos y los pulmones

La Hb transporta cerca del 40% del totalde H+y el 15-20% del CO2formado en lostejidos hacia los pulmones.

En ellos libera los CO2y H+unidos yvuelve a enlazar O2.


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Se forma a partir del intermediarioglucoltico 1,3-BPG, pero no es unmetabolito de la ruta

Se introduce en el hueco central de ladesoxiHb, e interacciona con residuospositivos de His y Lys de las cadenas"

Disminuye la afinidad por el O2alestabilizar la configuracin T desoxiHbmediante estas interacciones

En la oxigenacin es expulsado dela cavidad central al hacerse sta mspequea

En su ausencia, la unin de O2a laHb tiene cintica casi hiperblica

El 2,3-bisfosfoglicerato(2,3-BPG) es unefector alostriconegativo de lahemoglobina


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El comportamiento de lahemoglobina en la sangre

es el resultado de la accinde varios efectoresalostricos negativos y dela unin cooperativa de O2

Transporte de O2porla hemoglobina enpresencia y ausenciade CO2y 2,3-BPG

Tema 3. Proteínas Fibrosas y Globulares

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