Biochemistry I

CHAPTER 1: THE SCOPE OF BIOCHEMISTRY . . . . . . . . .1 Biochemistry is a Contemporary Science . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Extrapolating Biochemical Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 Common Themes in Biochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Biochemical reactions involve small molecular structures . . . . 4 Polymers in Living Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Cell membranes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Types of Biochemical Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Regulating biochemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Large molecules provide cell information. . . . . . . . . . . . . . 10 Weak interactions and structural stability . . . . . . . . . . . . . . 10 Biochemical reactions occur in a downhill fashion. . . . . . . 10 All Organisms are Related . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 The Common Origin of Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 CHAPTER 2: THE IMPORTANCE OF WEAK INTERACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 The United Strength of biochemical structures . . . . . . . . . . . . 15 Properties of Water and Biomolecular Structure . . . . . . . . . . . 16 The properties of water and hydrogen bonds . . . . . . . . . . . 16 Hydrogen bonds and biomolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 The Hydrophobic Effect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Nonpolar molecules and water-solubility . . . . . . . . . . . . . . 18 Membrane associations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 Electrostatic and van der Waals Interactions . . . . . . . . . . . . . . 21 Acid-Base Reactions in Living Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 pK values and protonation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Solution pH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Buffer capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Biological acid-base equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 CHAPTER 3: INTRODUCTION TO BIOLOGICAL ENERGY FLOW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 Types of metabolic reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 Enzyme Catalysts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Space and Time Links in Metabolic Reactions . . . . . . . . . . . . 30 Energy Flow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 Free Energy Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 The Cell’s Energy Currency. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 Free-Energy-Driven Transport across Membranes . . . . . . . . . 36 CHAPTER 4: OVERVIEW OF BIOLOGICAL INFORMATION FLOW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 Complexity in Biochemical Genetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 The Central Dogma of Molecular Biology: DNA Makes RNA Makes Protein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 DNA, RNA, and nucleotide structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 DNA’s duplex nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 The DNA double helix and genetic replication . . . . . . . . . . 47 RNA Carries Genetic Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Messenger RNA specifies the order of amino acids in proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Transfer RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 Ribosomes and translation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 Base-Pairing and the Central Dogma. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Genetic information expression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 CHAPTER 5: PROTEIN STRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . .55 Levels of Protein Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Amino acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Amino acid side chains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Hydroxyl and sulfer-containing side chains . . . . . . . . . . . . 60 The cyclic amino acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Primary struture. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Secondary structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Fibrous and globular proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Tertiary structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 Protein-assisted folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 Quaternary structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 CHAPTER 6: THE PHYSIOLOGICAL CHEMISTRY OF OXYGEN BINDING BY MYOGLOBIN AND HEMOGLOBIN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75 The Chemistry of Molecular Oxygen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 Hemoglobin and myoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 iv CLIFFSQUICKREVIEW CONTENTS CONTENTS Myoglobin binds oxygen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Binding oxygen to hemoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Physiological conditions and hemoglobin . . . . . . . . . . . . . 81 Acidic conditions and hemoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Temperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 The regulatory compound, 2,3 — bisphosphoglycerate (BPG) and hemoglobin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Fetal hemoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 CHAPTER 7: ENZYMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 Enzymes Are Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 Six Types of Enzyme Catalysts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 The Michaelis-Menten equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Inhibitors of enzyme-catalyzed reactions . . . . . . . . . . . . . . 93 Chemical Mechanisms of Enzyme Catalysis. . . . . . . . . . . . . . 97 The transition state . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 Vitamin conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 Chymotrypsin: An Enzyme at Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Enzyme Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Allostery and enzyme regulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Covalent Modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Phosphorylation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Zymogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 CHAPTER 8: ORGANIZATION OF METABOLISM . . . .109 Metabolism: A Collection of Linked Oxidation and Reduction Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 Energy production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 Catabolic pathways feed into the TCA cycle. . . . . . . . . . . 111 Biosynthetic reactions versus catabolic reactions . . . . . . . 111 CHAPTER 9: GLYCOLYSIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113 Six-Carbon Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Glycolysis, ATP, and NADH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 Electron transfer to pyruvate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 Ethanol. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 v BIOCHEMISTRY I Pyruvate to acetyl-Coenzyme A: The entry point into the TCA cycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 Glycolysis Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Regulation occurs at the three reactions far from equilibrium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 Glycolysis produces short but high bursts of energy. . . . . 128 CHAPTER 10: THE TRICARBOXYLIC ACID CYCLE . .129 The First Phase of the TCA Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130 Oxidative decarboxylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136 The third phase of the TCA cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 Substrate Availiability, Pyruvate, and the TCA Cycle . . . . . . 139 CHAPTER 11: OXIDATIVE PHOSPHORYLATION . . . . .141 Oxidative Phosphorylation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 The energy of oxidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 Biochemical reduction and concentration-dependency. . . 145 The oxidation of NADH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 The Electron Transport Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 Complex I and Complex II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 ATP Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Mitochondrial Transport Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 Energy Yields from Oxidative Phosphorylation . . . . . . . . . . 155 CHAPTER 12: CARBOHYDRATE METABOLISM II . . .157 The Pentose Phosphate Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157 Ribulose-5-phosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 Converting pentoses to sugars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Catabolism of other carbohydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 The Gluconeogenic Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Bypassing the pyruvate kinase step. . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Bypassing the phosphofructokinase and hexokinase steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 Storage of Glucose in Polymeric Form as Glycogen. . . . . . . 170 Cyclic AMP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174