Tải bản đầy đủ (.pdf) (100 trang)

Preview Biochemistry, 2nd Edition by Raymond S. Ochs (2021)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (12.62 MB, 100 trang )


Biochemistry



Biochemistry
Second Edition

Raymond S. Ochs


Second edition published 2022
by CRC Press
6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300, Boca Raton, FL 33487-2742
and by CRC Press
2 Park Square, Milton Park, Abingdon, Oxon, OX14 4RN
© 2022 Raymond S. Ochs
First edition published by Jones and Bartlett Publishers, Inc 2012
CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, LLC
Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and publisher cannot assume responsibility for the validity of all
materials or the consequences of their use. The authors and publishers have attempted to trace the copyright holders of all material reproduced in this publication and apologize to copyright holders if permission to publish in this form has not been obtained. If any copyright material has not been acknowledged
please write and let us know so we may rectify in any future reprint.
Except as permitted under U.S. Copyright Law, no part of this book may be reprinted, reproduced, transmitted, or utilized in any form by any electronic,
mechanical, or other means, now known or hereafter invented, including photocopying, microfilming, and recording, or in any information storage or
retrieval system, without written permission from the publishers.
For permission to photocopy or use material electronically from this work, access www​.copyright​.com or contact the Copyright Clearance Center, Inc.
(CCC), 222 Rosewood Drive, Danvers, MA 01923, 978-750-8400. For works that are not available on CCC please contact mpkbookspermissions​@tandf​.co​​.uk
Trademark notice: Product or corporate names may be trademarks or registered trademarks and are used only for identification and explanation without
intent to infringe.
ISBN: 978-0-367-46553-7 (hbk)
ISBN: 978-0-367-46187-4 (pbk)


ISBN: 978-1-003-02964-9 (ebk)
Typeset in Warnock Pro
by Deanta Global Publishing Services, Chennai, India


To my wife, Jessica,
for her continued support.



Contents
Preface to the First Edition������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� xvii
Preface to the Second Edition�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������xix
Acknowledgments�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������xxi
Author�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� xxiii
Glossary�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������xxv
Chapter 1 Foundations������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1
1.1 Origins of Biochemistry��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1
1.2 Some Chemical Ideas������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������1
1.2.1 Reactions and Their Kinetic Description�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������2
1.2.1.1Equilibrium������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������3
1.2.2 The Steady-State����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������5
1.3 Acid–Base Reactions��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������6
1.4Redox�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������7
1.5Energy���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������8
1.6 Cell Theory�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������9
1.7 Species Hierarchy and Evolution����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������11
1.8 Biological Systems�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������12
Key Terms��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 13
Bibliography��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 14

Chapter 2 Water�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������15
2.1 Structure of Water������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������15
2.1.1 Gas Phase Water���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������15
2.1.2 Partial Charges and Electronegativity����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������16
2.1.3 Condensed Phase Water: Hydrogen Bonding�����������������������������������������������������������������������������������������������������������18
2.1.4 Hydrogen Bonding in Condensed Phase Water����������������������������������������������������������������������������������������������������� 20
2.2 The Hydrophobic Effect�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������21
2.3 Molecules Soluble in Water�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 23
2.4 High Heat Retention: The Unusual Specific Heat of Liquid Water�����������������������������������������������������������������������������������24
2.5 Ionization of Water��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 25
2.6 Some Definitions for the Study of Acids and Bases����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 26
2.7 The pH Scale���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 27
2.8 The Henderson–Hasselbalch Equation������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 28
2.9 Titration and Buffering������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 30
Summary��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 31
Review Questions��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 31
Chapter 2 Addendum: The Dielectric�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 32
Key Terms��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 34
Bibliography��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 34
Chapter 3 Lipids������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 35
3.1Significance������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 35
3.2 Fatty Acids��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 35
3.3Triacylglycerols������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 39
3.4Phospholipids���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������41
vii


viii    Contents

3.5Cholesterol�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 42

3.6 Lipid–Water Interactions of Amphipathic Molecules�������������������������������������������������������������������������������������������������������������44
3.7 Phospholipid Monolayers�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������47
3.8 Lipid Composition of Membranes����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 49
3.9 Water Permeability of Membranes and Osmosis���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 49
Summary��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 51
Review Questions��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 51
Chapter 3 Addendum: Inverted Micelles������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 52
Key Terms��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 53
Bibliography��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 54
Chapter 4 Carbohydrates���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 55
4.1Monosaccharides������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 55
4.2 Ring Formation in Sugars��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������59
4.3Disaccharides��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 62
4.4Polysaccharides���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 64
4.4.1 Linear Polysaccharides������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 66
4.4.2 Branched Polysaccharides���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 68
4.5 Carbohydrate Derivatives������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 68
4.5.1 Simple Modifications��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 68
4.5.2 Substituted Carbohydrates�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 70
Summary��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 75
Review Questions��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 76
Chapter 4 Addendum: The Discovery of Stereoisomerism���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 76
Key Terms��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 77
Bibliography��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 78
Chapter 5 Amino Acids and Proteins��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 79
5.1 Common Structure of the Amino Acids����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 79
5.2 Biology of the Amino Acids�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 79
5.3 Amino Acid Individuality: The R Groups����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 80
5.3.1Polarities������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 80
5.3.2 Functional Groups����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������81

5.4 Acid–Base Properties and Charge������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 85
5.4.1 Titration and Net Charge������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 85
5.4.2 Interactions between the α-Carboxylate and α-Amine Groups������������������������������������������������������������������� 87
5.4.2.1 Inductive Effect����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 87
5.4.2.2 Electric Field Effect���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 88
5.4.3 Multiple Dissociable Groups����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 90
5.5 The Peptide Bond����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 90
5.6 Peptides and Proteins��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 92
5.7 Levels of Protein Structure����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 93
5.7.1 Primary Structure����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 93
5.7.2 Secondary Structure����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 93
5.7.2.1 α-Helix������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 94
5.7.2.2 β-Sheet����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 94
5.7.3Domains������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 94
5.7.4 Tertiary Structure������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 97
5.7.5 Quaternary Structure��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 98
5.8 Protein Folding����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 99
5.9 Oxygen Binding in Myoglobin and Hemoglobin�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������100
5.10 Other Binding Reactions Involving Proteins�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������103
5.10.1 Extracellular Binding Proteins�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������104
5.10.2 Cell Surface Binding Proteins��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������104
5.10.3 Intracellular Binding Proteins��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������104


Contents    ix

5.11 Protein Purification and Analysis��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������105
5.11.1Purification�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������105
5.11.2Analysis�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������107
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 107

Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 108
Chapter 5 Addendum: Atomic Charged Forms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 108
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 109
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 110
Chapter 6 Enzymes����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������111
6.1 Energetics of Enzyme-Catalyzed Reactions��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������111
6.2 The Enzyme Assay and Initial Velocity��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������113
6.3 A Simple Kinetic Mechanism��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 114
6.3.1Assumptions��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������115
6.3.2 The Michaelis–Menten Equation�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������115
6.4 How the Michaelis–Menten Equation Describes Enzyme Behavior�����������������������������������������������������������������������������117
6.5 The Meaning of Km��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������119
6.6 Reversible Inhibition����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������120
6.6.1 Competitive Inhibition���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 121
6.6.2 Anticompetitive Inhibition (Uncompetitive)�����������������������������������������������������������������������������������������������������������122
6.6.3 Mixed Inhibition (Noncompetitive)������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 124
6.7 Double-Reciprocal or Lineweaver–Burk Plot�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������125
6.8 Allosteric Enzymes�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������126
6.9 Irreversible Inhibition��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������128
6.10 Enzyme Mechanisms��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������129
6.10.1 Nucleophilic Substitution���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������129
6.10.2 Acid–Base Catalysis����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 131
6.11 Enzyme Categories������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 132
6.12 Enzyme-Like Qualities of Membrane Transport Proteins��������������������������������������������������������������������������������������������������� 132
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 133
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 134
Chapter 6 Addendum: The Haldane Relationship�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 135
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 137
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 137
Chapter 7 Coenzymes���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������139

7.1 Coenzymes: Bound and Mobile��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������139
7.2 Coenzymes and Vitamins����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������140
7.3 Redox Coenzymes ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������140
7.3.1Nicotinamides����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������140
7.3.2Ubiquinone ���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������144
7.3.3 Flavin Coenzymes��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������144
7.4 Acyl Transfers ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������146
7.4.1CoA���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������146
7.4.2Carnitine����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������147
7.4.3 Lipoic Acid������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������148
7.5Carboxylation������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������148
7.5.1Biotin������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������149
7.5.2 Vitamin K���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������150
7.6 Exchange Coenzymes����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 151
7.6.1 Thiamine Pyrophosphate���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 151
7.6.2 Pyridoxal Phosphate �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������152
7.7 Metal Ion Cofactors������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������154
7.7.1Mg2+�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 155
7.7.2Iron����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������155


x    Contents

7.7.3Copper��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������155
7.7.4Co2+��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 155
7.7.5Mn2+and Zn2+������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������156
7.7.6Selenium����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������156
7.7.7 Dietary Essentials����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������156
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 156
Chapter 7 Addendum: The Vitamin K Cycle���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 157

Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 158
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 159
Chapter 8 Metabolism and Energy����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 161
8.1 Origins of Thermodynamics����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 161
8.2 First Law of Thermodynamics������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 161
8.2.1 Heat and Work��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 161
8.2.2Enthalpy�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������163
8.3 Entropy and the Second Law of Thermodynamics���������������������������������������������������������������������������������������������������������������164
8.3.1 Entropy as a Ratio of Heat to Temperature���������������������������������������������������������������������������������������������������������������165
8.3.2 Entropy as a Statistical Distribution of States����������������������������������������������������������������������������������������������������������165
8.4 Free Energy�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������165
8.5 Standard Free Energy��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������167
8.6 Nonstandard Free Energy Changes�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������168
8.7 Near-Equilibrium and Metabolically Irreversible Reactions�����������������������������������������������������������������������������������������������169
8.8ATP�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������170
8.9 Energy Coupling with ATP��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 171
8.9.1 Creatine Phosphokinase������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������173
8.9.2 NDP Kinase�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������173
8.9.3 Adenylate Kinase���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 174
8.10 Energy of Redox Reactions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 174
8.10.1 Electricity Fundamentals����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 175
8.10.2 The Electrochemical Cell����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 176
8.10.3 Standard Reduction Potentials����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������177
8.10.4 Reduction Potentials and Free Energy������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������178
8.10.5 Reduction Potentials �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������179
8.11 Mobile Cofactors and the Pathway View ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������180
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 181
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 182
Chapter 8 Addendum: Free Energy Derivation�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 182
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 183

Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 184
Chapter 9 Glycolysis��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������185
9.1 Glucose Transport���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������185
9.2 From Glucose to Pyruvate���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������186
9.2.1Hexokinase�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������186
9.2.2 Glucose Phosphate Isomerase�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������189
9.2.3Phosphofructokinase�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������190
9.2.4Aldolase������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������193
9.2.5 Triose Phosphate Isomerase����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������194
9.2.6 Glyceraldehyde Phosphate Dehydrogenase�����������������������������������������������������������������������������������������������������������194
9.2.7 Phosphoglycerate Kinase����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������195
9.2.8 Phosphoglycerate Mutase��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������195
9.2.9Enolase��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������196
9.2.10 Pyruvate Kinase�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������197


Contents    xi

9.3

Completing the Pathway�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������199
9.3.1 Lactate Formation������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 200
9.3.2 Ethanol Formation������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 200
9.4 Energetics of Glycolysis���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������201
9.4.1 Pathway Thermodynamics������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������201
9.4.2 Red Blood Cell Shunt Pathway�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������203
9.4.3 Arsenate Poisoning�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������203
9.4.4 Fructose Metabolism�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������205
9.4.5 Energy Balance and Glycolytic Connections����������������������������������������������������������������������������������������������������������206
9.5 Metabolic Connections to Glycolysis����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������207

9.5.1 Alternative Entry Points��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������207
9.5.2 Glycolytic Intermediates as Intersection Points�����������������������������������������������������������������������������������������������������207
9.5.3 Alternative Endpoints of Glycolysis�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������208
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 208
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 208
Chapter 9 Addendum: Alternatives to Glycolysis���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 209
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 209
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 210
Chapter 10 The Krebs Cycle������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 211
10.1 A Cyclic Pathway������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 211
10.2 Acetyl-CoA: Substrate of the Krebs Cycle������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 212
10.3 Overview of Carbon Flow����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������216
10.4 Steps of the Pathway�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 217
10.4.1 Citrate Synthase������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 217
10.4.2Aconitase���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������218
10.4.3 Cis-Aconitate as a Krebs Cycle Intermediate������������������������������������������������������������������������������������������������������������220
10.4.4Prochirality������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������220
10.4.5 The R/S System of Nomenclature����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������221
10.4.6 Fluoroacetate Poisoning������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������223
10.4.7 Isocitrate DH��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������223
10.4.8 α-Ketoglutarate DH Complex�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������224
10.4.9 Succinyl-CoA Synthetase�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������224
10.4.10 Succinate DH�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������225
10.4.11Fumarase���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������226
10.4.12 Malate DH�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������226
10.5 Energy Balance���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������227
10.6Regulation�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������228
10.7 Krebs Cycle as a Second Crossroad of Metabolic Pathways���������������������������������������������������������������������������������������������229
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 230
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 230

Chapter 10 Addendum: Cyclic Pathways Connected to the Krebs Cycle������������������������������������������������������������������������������ 230
1.
Glyoxylate Cycle������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������231
2.
Itaconate Pathway�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������231
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 232
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 233
Chapter 11 Oxidative Phosphorylation�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������235
11.1 The Phenomenon���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������235
11.2 Mitochondrial Inner Membrane��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������236
11.3 Carriers of Electrons, Protons, or Both��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������237
11.3.1 Carriers of Electrons����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������237
11.3.2 Carriers of Protons��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������237
11.3.3 Carriers of Both Electrons and Protons�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������238


xii    Contents

11.4 Membrane-Bound Complexes�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������238
11.5 The Electrochemical Cell and the Mitochondria���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������239
11.6 Electron Pathways��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������240
11.6.1 Sequence of Electron Flow������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������240
11.6.2 Energetics of Electron Flow����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 241
11.7 Mechanisms of the Mitochondrial Membrane Protein Complexes�����������������������������������������������������������������������������243
11.7.1 Complex I: Proton Pump������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������244
11.7.2 Complex II: Succinate Dehydrogenase�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������245
11.7.3 Complex III: Loop Mechanism������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������245
11.7.4 Complex IV: Pump and Annihilation����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������247
11.7.5 Complex V: ATP Synthesis���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������247
11.7.5.1 The Stator���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������250

11.7.5.2 The Rotor����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������250
11.8 Proton-Motive Force���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������250
11.8.1 Electric Circuit Analogy to the Proton Gradient����������������������������������������������������������������������������������������������������250
11.8.2 Utilization of Δp beyond ATP Synthesis���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������251
11.9 Mitochondrial Membrane Transport�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������252
11.9.1 Adenine Nucleotide Translocase������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������252
11.9.2 Phosphate Exchange�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������252
11.9.3 Other Transport Proteins�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������252
11.9.4 Coupling of Oxidation and Phosphorylation����������������������������������������������������������������������������������������������������������253
11.10Uncoupling���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 254
11.10.1 Physiological Uncoupling: Brown Fat��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������256
11.11 Superoxide Formation by Mitochondria��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������256
11.12 Control of Mitochondria�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������257
11.13 How Mitochondria Can Utilize Cytosolic NADH�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������258
11.13.1 Glycerol Phosphate Shuttle�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������258
11.13.2 Malate/Aspartate Shuttle�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������258
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 260
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 261
Chapter 11 Addendum: Supercomplexes������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 261
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 262
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 263
Chapter 12 Photosynthesis�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������265
12.1 Light and Carbon Reactions�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������265
12.2Chloroplasts����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������266
12.2.1 Orientations: N and P Sides of the Membrane�������������������������������������������������������������������������������������������������������266
12.2.2 Light Reactions of Photosynthesis as a Reversed Oxidative Phosphorylation�����������������������������������267
12.2.3 Carbon Reactions of Photosynthesis: CO2 Fixation����������������������������������������������������������������������������������������������268
12.3 Harnessing Light Energy�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������269
12.3.1 Light Absorption and the Antennae����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������270
12.3.2 Electron Transfer at Reaction Centers��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������270

12.4 Proton and Electron Flow for the Light Reactions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������272
12.5 Cyclic Electron Transfer and Other Variations����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������274
12.6 The Calvin Cycle�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������274
12.6.1 Ribulose Bisphosphate Carboxylase�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������275
12.6.2 Reaction Steps Following Carbon Fixation to Glyceraldehyde-P: Energy
Consuming Portion�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������277
12.6.3 From GAP to the RuBP: Overview����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������277
12.6.4 From GAP to the RuBisCo Step: Reactions����������������������������������������������������������������������������������������������������������������278
12.7 Variations in CO2 Handling: C3, C4, and CAM Plants��������������������������������������������������������������������������������������������������������������282
12.8 Pathway Endpoints: Sucrose and Starch�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 284
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 285
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 285


Contents    xiii

Chapter 12 Addendum: Dark vs Carbon Reactions����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 286
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 286
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 287
Chapter 13 Carbohydrate Pathways Related to Glycolysis������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������289
13.1 Glycogen Metabolism������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������289
13.1.1 Glycogen Synthesis�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������289
13.1.2Glycogenolysis���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������291
13.1.3 Physiological Context of Glycogen Metabolism���������������������������������������������������������������������������������������������������296
13.1.4 Regulation of Glycogen Metabolism by Glucagon���������������������������������������������������������������������������������������������296
13.1.5 Regulation of Glycogen Metabolism by Epinephrine���������������������������������������������������������������������������������������299
13.1.6 Regulation of Glycogen Metabolism by Insulin��������������������������������������������������������������������������������������������������� 300
13.1.7 Regulation of Glycogen Metabolism by AMP Kinase����������������������������������������������������������������������������������������303
13.2Gluconeogenesis��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 304
13.2.1 Lactate Dehydrogenase as a Gluconeogenic Enzyme������������������������������������������������������������������������������������ 304

13.2.2 Pyruvate to PEP��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������305
13.2.3 Indirect Transport of Oxaloacetate from Mitochondria to Cytosol���������������������������������������������������������� 306
13.2.4Fructose-1,6-P2 to Fructose-6-P���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������309
13.2.5 Glucose-6-P to Glucose�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 310
13.2.6 Pathway Integration: Glycolysis, Glycogen Metabolism, and Gluconeogenesis������������������������������� 311
13.2.6.1 The Feeding–Fasting Transition���������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 311
13.2.6.2 The Resting–Exercise Transition��������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 312
13.3 The Pentose Phosphate Shunt������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 313
13.3.1 Oxidative Stage������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 314
13.3.2 Nonoxidative Stage���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 314
13.3.2.1 Reactions of the Nonoxidative Stage���������������������������������������������������������������������������������������������������� 315
13.3.2.2 A Pseudo Three-Dimensional View and Comparison to the Calvin Cycle���������������������� 316
13.3.3 Distribution Between NADPH Production and Ribose-5-P���������������������������������������������������������������������������� 318
13.4 Galactose Utilization���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 318
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 320
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 321
Chapter 13 Addendum: Phosphorylation of Glycogen��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 321
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 322
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 323
Chapter 14 Lipid Metabolism��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������325
14.1 Absorption of Dietary Lipids����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������325
14.2 Fatty Acid Oxidation����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������326
14.2.1Activation��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������327
14.2.2Transport���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������328
14.2.3 β-Oxidation����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������330
14.2.3.1 Unsaturated Fatty Acids���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������331
14.2.3.2 Odd Carbon-Numbered Fatty Acids�����������������������������������������������������������������������������������������������������331
14.2.3.3 Shorter and Longer Fatty Acids����������������������������������������������������������������������������������������������������������������334
14.3 Ketone Body Metabolism�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������334
14.4 Fatty Acid Biosynthesis����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������335

14.4.1 Export of Acetyl-CoA to the Cytosol����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������336
14.4.2 Carboxylation of Acetyl-CoA to Malonyl-CoA��������������������������������������������������������������������������������������������������������339
14.4.3 Sequential Addition of Two-Carbon Fragments to Form Palmitate�������������������������������������������������������� 340
14.4.3.1Loading��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������341
14.4.3.2Condensation�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������341
14.4.3.3Reduction���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������342
14.4.3.4Dehydration����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������343
14.4.3.5 Second Reduction��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������343


xiv    Contents

14.5
14.6
14.7
14.8

Triacylglycerol Formation�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������343
Phospholipid Metabolism����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������343
Cholesterol Metabolism������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 346
Other Lipids����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������351
14.8.1Eicosanoids����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������351
14.8.2Sphingolipids������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������353
14.8.3 Unusual Bacterial Fatty Acids��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������353
14.9 Overview of Lipid Metabolism in the Fed and Fasted States�������������������������������������������������������������������������������������������353
14.10 Integration of Lipid and Carbohydrate Metabolism��������������������������������������������������������������������������������������������������������������355
14.10.1 Lipid and Carbohydrate Intersections in the Feeding–Fasting Transition��������������������������������������������357
14.10.2 Lipid and Carbohydrate Intersections in the Resting–Exercise Transition��������������������������������������������357
14.10.3 Lipid and Carbohydrate Intersections in Diabetes Mellitus���������������������������������������������������������������������������357
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 358

Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 359
Chapter 14 Addendum: The Isoprenes�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 359
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 360
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 361
Chapter 15 Nitrogen Metabolism�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������363
15.1 The Nitrogen Cycle�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������363
15.2 Reaction Types in NH3 Assimilation������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 364
15.2.1Redox-Neutral��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 364
15.2.2Redox-Active������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 364
15.2.3Redox-Balanced������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������365
15.3 Metabolically Irreversible Nitrogen Exchange Reactions���������������������������������������������������������������������������������������������������365
15.4 Near-Equilibrium Nitrogen Exchange Reactions�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 366
15.4.1 Glutamate DH���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 366
15.4.2Transaminases��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 366
15.5 The Urea Cycle��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 368
15.5.1[NH3] Exceeds [Aspartate]�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 368
15.5.2 [Aspartate] Exceeds [NH3]���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������369
15.5.3 Steps from NH3 to Citrulline�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������369
15.5.4 Cytosolic Steps of the Urea Cycle�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������369
15.5.5 Overall Urea Cycle��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������371
15.6 Amino Acid Metabolism: Catabolism���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������372
15.6.1 Branched-Chain Amino Acid Breakdown�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������372
15.6.2Threonine��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������372
15.6.3Lysine�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������372
15.6.4Tryptophan����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������374
15.6.5 Phenylalanine and Tyrosine Degradation�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������374
15.6.6 Amino Acids Directly Connected to Major Metabolic Pathways����������������������������������������������������������������376
15.6.7 Arginine, Proline, and Histidine Are All Converted to Glutamate���������������������������������������������������������������377
15.6.8 One-Carbon (1C) Metabolism and Serine, Glycine, and Methionine Breakdown����������������������������378
15.7 Amino Acids: Anabolism�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������380

15.7.1 Nonessential Amino Acids��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������382
15.7.2 Essential Amino Acids������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������382
15.7.3 Aromatic Amino Acid Biosynthesis�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������382
15.8 Nucleotide Metabolism���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������383
15.8.1 Pyrimidine Synthesis������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 384
15.8.2 Pyrimidine Degradation�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������386
15.8.3 Purine Synthesis������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������386
15.8.4 Purine Degradation����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������391
15.8.5 Salvage Reactions��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������393
15.8.6 Purine Nucleotide Regulation������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������393


Contents    xv

15.8.7 Purine Nucleotide Cycle�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������394
15.8.8 Deoxynucleotide Formation���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������394
15.8.9 A Unique Methylation to Form dTMP�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������395
15.9 Other Nitrogen Pathways����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������398
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 399
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 400
Chapter 15 Addendum: Nitrogen Disposal���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 400
The Tilapia of Lake Magadi������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 401
The Alligator and the Crocodile�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 401
Low Creatinine and Liver Failure������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 401
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 402
References���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 403
Chapter 16 Nucleic Acids���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 405
16.1 Strand Structures of the Nucleic Acids����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 405
16.2 Structure of the Double Helix�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������407
16.3Supercoiling���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 410

16.4Histones�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������411
16.5Replication������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 412
16.5.1Initiation����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 412
16.5.2 Replication Fork and the Replisome���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 413
16.5.3 Primer Formation��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 414
16.5.4 Creating the Double Helix�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 414
16.5.5 Distinctive Features of Eukaryotic Replication������������������������������������������������������������������������������������������������������� 415
16.6 DNA Repair������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 415
16.6.1 Mismatch Repair����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 415
16.6.2 Excision Repair��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 416
16.6.3PARP������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 416
16.7Transcription��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 416
16.7.1 RNA Polymerase Binding to DNA����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 418
16.7.2 Transcription Events in E. coli��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 419
16.7.3 Eukaryotic Transcription������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 419
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 423
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 424
Chapter 16 Addendum: Restriction Enzymes and PCR �������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 425
Restriction Enzymes��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 425
PCR���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 425
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 426
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 427
Chapter 17 Protein Synthesis and Degradation�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������429
17.1 Three Forms of RNA Employed in Protein Synthesis�������������������������������������������������������������������������������������������������������������429
17.1.1tRNA�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������429
17.1.2 rRNA and the Ribosomes����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������431
17.2 The Genetic Code���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������432
17.3 Steps in Protein Synthesis�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������433
17.3.1Initiation�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������433
17.3.2Elongation������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������433

17.3.3Termination����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������436
17.3.4 Distinctive Features of Eukaryotic Translation��������������������������������������������������������������������������������������������������������437
17.3.5 Regulation of Eukaryotic Translation����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������437
17.4 Co-Translational and Post-Translational Modifications of Proteins��������������������������������������������������������������������������������437
17.4.1 Co-Translational Modifications�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������437
17.4.2 Post-Translational Modifications������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 440


xvi    Contents

17.5 Protein Degradation��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 440
17.5.1 Extracellular Proteases���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 440
17.5.2 Intracellular Proteases������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������442
17.6 The mTOR Pathway in the Control of Protein Synthesis������������������������������������������������������������������������������������������������������443
Summary������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 445
Review Questions������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 445
Chapter 17 Addendum: Skeletal Muscle and Exercise����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 446
Key Terms������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 446
Bibliography������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 447
Appendix���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 449
Index����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������461


Preface to the First Edition

CONSIDERING METABOLISM

ORGANIZATION

Metabolic diseases, such as diabetes and others associated with the current obesity crisis, have thrust metabolism into the forefront of popular thinking. In many

ways, metabolism is the central science of biochemistry.
This is the view I have adopted as the core concept of this
textbook.
Having a research background in metabolism, a
long-standing interest in the fundamental topics of
biochemistry – including kinetics and thermodynamics –
and having taught a one-semester biochemistry course
for over 25 years, I have long wanted to write a book that
reflects the whole of the subject with the unifying theme
of metabolism.

The presentation of biochemistry topics is mostly a classical one, with a slight divergence: the introduction to lipids
directly follows the chemistry of water. This is in keeping
with presenting molecular classes in the order of increasing chemical complexity: water, lipids, carbohydrates,
nitrogen compounds. It also has the virtue of contrasting water solubility with water insolubility in the case of
lipids.
When using this book for medically oriented courses,
the chapter on photosynthesis may be omitted. In that
case, however, the photosynthetic “dark reactions” should
at least be referenced, as they are similar to those in the
pentose cycle; this analogy is made explicit in the chapter
on carbohydrate pathways.

BREVITY
A key consideration when writing this text was to keep
the book short enough and approachable enough that
a student can read it in one semester. The alternative
approach – having a book far too long for continuous
reading and having the instructor suggest which portions
to omit – is already well represented. In my experience, for

students who are not biochemistry majors, the fragmentation resulting from parsing longer texts leads to less reading and, therefore, less understanding. The areas of special
interest to the instructor can be readily augmented with
primary sources, while the textbook provides continuity
and context.
I have emphasized recurring ideas such as commonalities in chemical reaction mechanisms and pathway construction as much as possible. The decision of whether
the book is for teaching or reference is decidedly in favor
of teaching; for example, only a few protein domains
are presented. The wealth of information available on
the Web (notably ncbi​.nlm​.nih​​.gov) can substitute for
a more extensive collection. The present text will provide students with an introduction to the foundations of
biochemistry.

KEY FEATURES
◾◾ Dual diagrams of enzymatic reactions. A unique
method of presenting electron flow for reaction mechanisms was devised for this book.
For each mechanism, the substrate, intermediates, and product are presented on the top line.
Below a separator (dotted line), the molecules
are redrawn with their electron flows, using the
traditional curved arrows. This separation allows
the student to visualize the result of the electron flow, which is commonly obscured by the
need to show the electron arrows for the next
transformation.
◾◾ Word Origins feature box. Included in most
chapters is a box that provides a short history of
certain words that are rich in meaning, without
which it is often more difficult to understand the
underlying concept. Providing an explanation
of their origins helps students become familiar
with these important terms and achieve a better
understanding of what is being described.

◾◾ Thermodynamics treatment. The development of
thermodynamics for metabolic purposes leads to

xvii


xviii    Preface to the First Edition

the distinction between two classes of enzymes:
near-equilibrium and metabolically irreversible.
This allows a simplification, as near-equilibrium
reactions are not sites of cellular regulation. The
roles of standard, actual, and near-equilibrium
states for free energy are distinct and consistently
presented to aid student understanding.
◾◾ Chemical mechanisms. A study of biochemistry
should impart a viewpoint enriched by understanding the underlying chemistry of events in
living systems. This extended view of biology is
best achieved by understanding how enzymatic
reactions function. All of the background chemistry needed for this text should be covered by
prerequisite courses of chemistry. Some further information is presented in the appendix;
a review of organic chemistry reaction mechanisms (most critically, nucleophilic reactions)
may be necessary for those who are less comfortable with the material.
◾◾ Enzyme kinetics treatment. The text emphasizes
direct plots of substrate concentration against
initial velocity, introducing double-reciprocals
only after a complete development of the subject.
While in widespread use, the double-reciprocal
form is difficult to visualize and leads to the
false impression that memorizing patterns of

lines for enzyme inhibition provides insight into
how inhibitors work. Instead, direct plots, with
an emphasis on the behavior of reaction velocity
at different substrate concentrations, deliver the
message clearly. Coupled with everyday descriptions of the different types of inhibition, these
critical ideas are easily grasped. A further distinct notion is the use of the kinetic term Vmax
/K M rather than K M in developing kinetics. Too

often, "K M " becomes a focal point and is treated
as an equilibrium constant rather than a steadystate constant. This common misuse of K M versus
Vmax/K M is part of the reason that many students
have difficulty understanding enzyme kinetics,
and it is a problem this text carefully avoids.
◾◾ Minimalist molecular biology treatment. The
essence of molecular biology is included in the
final two chapters. The emphasis is on providing an overview with a chemical perspective. For
example, stacking interactions in DNA, the basis
for forming the double helix, are explained in
simple, chemical terms.
◾◾ The pathway view. The distinction between
a reaction view and a pathway view is clearly
emphasized to facilitate student comprehension.
For example, the distinction between a bound
cofactor like FADH2 from a free cofactor like
NADH becomes obvious: only NADH can transfer electrons between metabolic reactions.
◾◾ Appendix. The appendix of this text contains
both entries for students needing a little extra
help and more advanced material that, while
perhaps not appropriate for the level of this
particular text, is nonetheless important to the

field of biochemistry as a whole. For remediation, basic ideas of mathematics and chemistry
with which students traditionally have difficulty
can be found in the appendix, as can certain
extended pathways like amino acid and cholesterol routes. The advanced material includes the
mechanism of aconitase and the role of fluoroacetate, which represent milestone achievements
in biochemistry. These may be of interest to the
more inquisitive student wishing to go beyond
the fundamentals.


Preface to the Second Edition
Metabolism remains the focal point of the textbook, as
does the goal of maintaining a one-semester book. The
organization is the same, although a new chapter on coenzymes follows enzymes. This chapter can either be read in
sequence to expand the chemistry of enzymes or skimmed
to consult when specific coenzymes are encountered later.
Some expansion of chemistry is provided, such as a
more detailed treatment of acid–base and redox reactions
and a fuller explanation of prochirality, as my own understanding of that concept has evolved. Each chapter has a
new addendum, providing an optional reading topic, usually of a more advanced nature than the book narrative.
The organizing principles of near-equilibrium and
metabolically irreversible enzymes are carried over from
the first edition. In this edition, I have added two more.
The first is an idea taken from the advertising industry,
applied to perplexing pathway routes that are not quite

linear or cyclic: repetition-variation. This description
fits several pathways and provides a new way of thinking
about them. The second, introduced in the final chapter, is pathway-reversible versus pathway-irreversible as
a means to discriminate between regulation that can be

reverted by opposing reactions (reversible) or incorporated into proteins for their entire existence (irreversible).
I have tried to make more explicit in this edition the
underpinnings of chemistry in biological sciences. In the
present climate, there is a tendency for students to believe
that they can look up whatever they need rather than
examine the roots of the subject. This view is unfortunate;
it means that every new fact or idea is searched anew and
committed to memory in isolation. A few principles of
biochemistry can be instead the foundation of a deeper
understanding.

xix



Acknowledgments
The invaluable feedback from reviewers is gratefully
acknowledged:
Sergio Abreu, Fordham University
Lois Bartsch, Graceland University
Sajid Bashir, Texas A&M University - Kingsville
Mrinal Bhartacharjee, Long Island University
Debra Boyd-Kimball, University of Mount Union
Barbara Bowman, University of California - Berkeley
Jeanne Buccigross, College of Mount St. Joseph
Mickael Cariveau, Mount Olive College
John Brian Chapman, Federation University
Australia
James Cheetham, Carleton University
Zhe-Sheng Chen, St. John’s University

David Eldridge, Baylor University
Susan Evans, Ohio University
John Fain, University of Tennessee Health Science
Center
Sue Ford, St. John’s University
Matthew Gage, Northern Arizona University
Eric Gauthier, Laurentian University
Neil Haave, University of Alberta - Augustana
Campus

David Hilmey, St. Bonaventure University
Blaine Legaree, Keyano College
Lisa Lindert, California State University - Sacramento
Meagan Mann, Austin Peay State University
Nick Menhart, Illinois Institute of Technology
Abdel Omri, Laurentian University
Gordon Rule, Carnegie Mellon University
Mary Railing, Wheeling Jesuit University
Gerald Reeck, Kansas State University
Abbey Rosen, Marian College of Fond du Lac
Frank Schmidt, University of Missouri
Michael Sehorn, Clemson University
Kavita Shah, Purdue University
Andrew Shiemke, West Virginia University
Amrurhesh Shivachar, Texas Southern University
Todd Silverstein, Willamette University
Madhavan Soundararajan, University of
Nebraska - Lincoln
Salvarore Sparace, Clemson University
Vicky Valancius-Mangel, Governors State University

David Watt, University of Kentucky
Wu Xu, University of Louisiana - Lafayette
Mali Yin, Sarah Lawrence College

xxi



Author
Raymond S. Ochs is a biochemist with a career-long
specialty in metabolism spanning 30 years. Previously,
he has written the textbook Biochemistry, the monograph Metabolic Structure and Regulation, contributed
the metabolism chapters to another text, Principles of
Biochemistry, and co-edited a collection of articles published as Metabolic Regulation. His research interests

concern major pathways of liver and muscle, including glycolysis, gluconeogenesis, ureogenesis, fatty
acid metabolism, glycogen metabolism, and control
by cAMP, Ca 2+, diacylglycerol, and AMPK. He is currently professor of pharmacy at St. John’s University
in New  York, teaching biochemistry, physiology, and
medicinal chemistry.

xxiii



×