Color atlas of biochemistry

Contents Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 Basics Chemistry Periodic table. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Molecular structure . . . . . . . . . . . . . . . 6 Isomerism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 Biomolecules I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 Biomolecules II . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Chemical reactions. . . . . . . . . . . . . . . . 14 Physical Chemistry Energetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 Equilibriums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Enthalpy and entropy. . . . . . . . . . . . . . 20 Reaction kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 Water as a solvent . . . . . . . . . . . . . . . . 26 Hydrophobic interactions. . . . . . . . . . . 28 Acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Redox processes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 Biomolecules Carbohydrates Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 Chemistry of sugars . . . . . . . . . . . . . . . 36 Monosaccharides and disaccharides . . . 38 Polysaccharides: overview . . . . . . . . . . 40 Plant polysaccharides. . . . . . . . . . . . . . 42 Glycosaminoglycans and glycoproteins . 44 Lipids Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Fatty acids and fats . . . . . . . . . . . . . . . 48 Phospholipids and glycolipids . . . . . . . 50 Isoprenoids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 Steroid structure . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 Steroids: overview. . . . . . . . . . . . . . . . 56 Amino Acids Chemistry and properties. . . . . . . . . . . 58 Proteinogenic amino acids . . . . . . . . . . 60 Non-proteinogenic amino acids . . . . . . 62 Peptides and Proteins Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Peptide bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 Secondary structures . . . . . . . . . . . . . . 68 Structural proteins . . . . . . . . . . . . . . . . 70 Globular proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Protein folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 Molecularmodels: insulin. . . . . . . . . . . 76 Isolation and analysis of proteins . . . . . 78 Nucleotides and Nucleic Acids Bases and nucleotides. . . . . . . . . . . . . . 80 RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 DNA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 Molecular models: DNA and RNA . . . . . 86 Metabolism Enzymes Basics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 Enzyme catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 Enzyme kinetics I . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 Enzyme kinetics II . . . . . . . . . . . . . . . . 94 Inhibitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 Lactate dehydrogenase: structure . . . . . 98 Lactate dehydrogenase: mechanism . . . 100 Enzymatic analysis . . . . . . . . . . . . . . . . 102 Coenzymes 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 Coenzymes 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 Coenzymes 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 Activatedmetabolites . . . . . . . . . . . . . . 110 Metabolic Regulation Intermediarymetabolism. . . . . . . . . . . 112 Regulatorymechanisms . . . . . . . . . . . . 114 Allosteric regulation . . . . . . . . . . . . . . . 116 Transcription control . . . . . . . . . . . . . . 118 Hormonal control. . . . . . . . . . . . . . . . . 120 Energy Metabolism ATP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 Energetic coupling . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Energy conservation at membranes. . . . 126 Photosynthesis: light reactions . . . . . . . 128 Photosynthesis: dark reactions . . . . . . . 130 Molecular models: membrane proteins . 132 Oxoacid dehydrogenases. . . . . . . . . . . . 134 Tricarboxylic acid cycle: reactions . . . . . 136 Tricarboxylic acid cycle: functions . . . . . 138 Respiratory chain . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 ATP synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144 Respiration and fermentation . . . . . . . . 146 Fermentations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 VIII All rights reserved. Usage subject to terms and conditions of license. Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme Carbohydrate Metabolism Glycolysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 Pentose phosphate pathway . . . . . . . . . 152 Gluconeogenesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 Glycogenmetabolism. . . . . . . . . . . . . . 156 Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 Diabetesmellitus . . . . . . . . . . . . . . . . . 160 Lipid Metabolism Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162 Fatty acid degradation . . . . . . . . . . . . . 164 Minor pathways of fatty acid degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 Fatty acid synthesis . . . . . . . . . . . . . . . 168 Biosynthesis of complex lipids . . . . . . . 170 Biosynthesis of cholesterol . . . . . . . . . . 172 Protein Metabolism Protein metabolism: overview . . . . . . . 174 Proteolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 Transamination and deamination . . . . . 178 Amino acid degradation . . . . . . . . . . . . 180 Urea cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 Amino acid biosynthesis . . . . . . . . . . . . 184 Nucleotide Metabolism Nucleotide degradation. . . . . . . . . . . . . 186 Purine and pyrimidine biosynthesis . . . 188 Nucleotide biosynthesis . . . . . . . . . . . . 190 Porphyrin Metabolism Heme biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . 192 Heme degradation . . . . . . . . . . . . . . . . 194 Organelles Basics Structure of cells . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 Cell fractionation . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 Centrifugation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Cell components and cytoplasm . . . . . . 202 Cytoskeleton Components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 Structure and functions . . . . . . . . . . . . 206 Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Mitochondria Structure and functions . . . . . . . . . . . . 210 Transport systems . . . . . . . . . . . . . . . . 212 Biological Membranes Structure and components . . . . . . . . . . 214 Functions and composition. . . . . . . . . . 216 Transport processes . . . . . . . . . . . . . . . 218 Transport proteins . . . . . . . . . . . . . . . . 220 Ion channels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 Membrane receptors . . . . . . . . . . . . . . 224 Endoplasmic Reticulum and Golgi Apparatus ER: structure and function. . . . . . . . . . 226 Protein sorting . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 Protein synthesis and maturation . . . . 230 Proteinmaturation . . . . . . . . . . . . . . . 232 Lysosomes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234 Molecular Genetics Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 Genome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238 Replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 Transcription. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 Transcriptional control . . . . . . . . . . . . 244 RNAmaturation . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 Amino acid activation . . . . . . . . . . . . . 248 Translation I: initiation . . . . . . . . . . . . 250 Translation II: elongation and termination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 Antibiotics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 Mutation and repair . . . . . . . . . . . . . . 256 Genetic engineering DNA cloning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258 DNA sequencing . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 PCR and protein expression. . . . . . . . . 262 Genetic engineering in medicine . . . . . 264 Tissues and organs Digestion Overview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 Digestive secretions. . . . . . . . . . . . . . . 268 Digestive processes . . . . . . . . . . . . . . . 270 Resorption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272 Blood Composition and functions . . . . . . . . . 274 Plasma proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 Lipoproteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 Hemoglobin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Gas transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 Erythrocytemetabolism . . . . . . . . . . . 284 Ironmetabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 Acid–base balance. . . . . . . . . . . . . . . . 288 Blood clotting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 Fibrinolysis, blood groups . . . . . . . . . . 292 Immune system Immune response . . . . . . . . . . . . . . . . 294 T-cell activation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 Complement system . . . . . . . . . . . . . . 298 Antibodies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Antibody biosynthesis. . . . . . . . . . . . . 302 Monoclonal antibodies, immunoassay . 304 Contents IX All rights reserved. Usage subject to terms and conditions of license. Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme Liver Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 Buffer function in organ metabolism . . 308 Carbohydratemetabolism . . . . . . . . . . 310 Lipidmetabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . 312 Bile acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314 Biotransformations . . . . . . . . . . . . . . . 316 Cytochrome P450 systems . . . . . . . . . . 318 Ethanolmetabolism. . . . . . . . . . . . . . . 320 Kidney Functions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 Urine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 Functions in the acid–base balance. . . . 326 Electrolyte andwater recycling . . . . . . 328 Renal hormones. . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 Muscle Muscle contraction . . . . . . . . . . . . . . . 332 Control ofmuscle contraction. . . . . . . . 334 MusclemetabolismI . . . . . . . . . . . . . . 336 MusclemetabolismII. . . . . . . . . . . . . . 338 Connective tissue Bone and teeth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Calciummetabolism . . . . . . . . . . . . . . 342 Collagens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 Extracellularmatrix . . . . . . . . . . . . . . . 346 Brain and Sensory Organs Signal transmission in the CNS. . . . . . . 348 Resting potential and action potential. . 350 Neurotransmitters . . . . . . . . . . . . . . . . 352 Receptors for neurotransmitters. . . . . . 354 Metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 Sight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 Nutrition Nutrients Organic substances . . . . . . . . . . . . . . . 360 Minerals and trace elements . . . . . . . . 362 Vitamins Lipid-soluble vitamins . . . . . . . . . . . . . 364 Water-soluble vitamins I . . . . . . . . . . . 366 Water-soluble vitamins II . . . . . . . . . . . 368 Hormones Hormonal system Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370 Plasma levels and hormone hierarchy. . 372 Lipophilic hormones. . . . . . . . . . . . . . . 374 Metabolism of steroid hormones . . . . . 376 Mechanismof action . . . . . . . . . . . . . . 378 Hydrophilic hormones . . . . . . . . . . . . . 380 Metabolism of peptide hormones . . . . . 382 Mechanisms of action. . . . . . . . . . . . . . 384 Secondmessengers. . . . . . . . . . . . . . . . 386 Signal cascades. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388 Other signaling substances Eicosanoids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390 Cytokines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 Growth and development Cell proliferation Cell cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 Apoptosis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Oncogenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 Tumors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 Cytostatic drugs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 Viruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 Metabolic charts. . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 Calvin cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 Carbohydratemetabolism. . . . . . . . . . . 408 Biosynthesis of fats and membrane liquids . . . . . . . . . . . . . . . . 409 Synthesis of ketone bodies and steroids 410 Degradation of fats and phospholipids . 411 Biosynthesis of the essential amino acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 Biosynthesis of the non-essential amino acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 Amino acid degradation I . . . . . . . . . . . 414 Amino acid degradation II. . . . . . . . . . . 415 Ammoniametabolism. . . . . . . . . . . . . . 416 Biosynthesis of purine nucleotides . . . . 417 Biosynthesis of the pyrimidine nucleotides and C1metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . 418 Nucleotide degradation. . . . . . . . . . . . . 419 Annotated enzyme list . . . . . . . . . . . . . 420 Abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 Quantities and units . . . . . . . . . . . . . . . 433 Further reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 Source credits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437 Key to color-coding: see front and rear inside covers