ΕΒΔΟΜΗ ΔΙΕΘΝΗΣ ΕΚΔΟΣΗ Βιοχημεία Jeremy M. Berg John L. Tymoczko Lubert Stryer με τη συνεργασία του Gregory J. Gatto, Jr. Απόδοση στα ελληνικά Διονύσης Δραΐνας, Ευστάθιος Χατζηλουκάς, Γεώργιος Κ. Παπαδόπουλος, Αλέξης Αλετράς, Αικατερίνη Κωνσταντίνου, Ηλίας Κούβελας Επιστηµονική επιµέλεια Αζαρίας Καραµανλίδης, Γεώργιος K. Παπαδόπουλος ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΣ ΕΚΔΟΣΕΙΣ ΚΡΗΤΗΣ
ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Ίδρυμα Tεχνολογίας και Έρευνας Hράκλειο Kρήτης: Νικ. Πλαστήρα 100, Βασιλικά Βουτών 70013. Tηλ. 2810 391097, Fax: 2810 391085 Aθήνα: Κλεισόβης 3, 106 77. Tηλ. 210 3849020-22, Fax: 210 3301583 e-mail: info@cup.gr www.cup.gr ΣΕΙ ΡΑ: ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΑΚΕΗ ΒΙΒΛΙΟΘΗΚΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΔΙΕΥΘΥΝΤΗΣ ΣΕΙΡΑΣ: Στέφανος Τραχανάς Τίτλος πρωτοτύπου: Biochemistry, 7th edition 2012 by W.H. Freeman and Company για την ελληνική γλώσσα: 2012, Πανεπιστημιακές Εκδόσεις Κρήτης Πρώτη έκδοση: Σεπτέμβριος 2014 Μετάφραση: Διονύσης Δραΐνας (κεφ. 7-11, 15-17, 20, 26, 36) Ευστάθιος Χατζηλουκάς (κεφ. 4-6, 25, 28-32) Γεώργιος Κ. Παπαδόπουλος (κεφ. 1-3, 12, 18-19, 34) Αλέξης Αλετράς (κεφ. 21-23, 27) Αικατερίνη Κωνσταντίνου (κεφ. 13-14, 33) Ηλίας Κούβελας (κεφ. 35) Επιστημονική επιμέλεια: Αζαρίας Καραμανλίδης Γεώργιος Κ. Παπαδόπουλος Έλεγχος δοκιμίων: Θεόδωρος Κοκκορόγιαννης, Νίκος Κουμπιάς (ΠΕΚ) Στοιχειοθεσία - σελιδοποίηση: Παρασκευή Βλάχου (ΠΕΚ) Εκτύπωση - βιβλιοδεσία: PaperGraph ISBN 978-960-524-432-3
οι συγγραφεισ Ο JEREMY M. BERG έλαβε τα πτυχία B.S. και M.S. στη χηµεία από το Πανεπιστήµιο του Stanford (όπου εκπαιδεύθηκε στην κρυσταλλογραφία µε ακτίνες Χ µε τους Keith Hodgson και Lubert Stryer) και το διδακτορικό του δίπλωµα (Ph.D.) στη χηµεία από το Πανεπιστήµιο του Harvard µε τον Richard Holm. Στη συνέχεια ήταν µεταδιδακτορικός υπότροφος στη βιοφυσική υπό τον Carl Pabo στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστηµίου Johns Hopkins. Ήταν Επίκουρος Καθηγητής στο Τμήμα Χημείας του Πανεπιστημίου Johns Hopkins από το 1986 έως το 1990. Υπήρξε Καθηγητής και Πρόεδρος του Τμήματος Βιοφυσικής και Φυσικής Βιοχημείας της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου Johns Hopkins, όπου και παρέμεινε μέχρι το 2003. Στη συνέχεια έγινε Διευθυντής στο Εθνικό Ινστιτούτο Βασικών Ιατρικών Επιστημών των Εθνικών Ινστιτούτων Υγείας των Η.Π.Α. Είναι εκλεγμένος εταίρος της Αμερικανικής Ένωσης για τη Προώθηση των Θετικών Επιστημών, καθώς και εκλεγμένο μέλος του Ινστιτούτου Ιατρικής της Αμερικανικής Ακαδημίας Θετικών Επιστημών. Τιµήθηκε µε το βραβείο στη κατηγορία «Pure Chemistry» της Αµερικανικής Εταιρείας Χηµείας (1994), το βραβείο «Eli Lilly» για βασική έρευνα στη βιολογική χηµεία (1995), τη διάκριση της Πολιτείας Maryland για τον καλύτερο νέο επιστήµονα της χρονιάς (1995) και το βραβείο «Harrison Howe» (1997), το βραβείο για Διακεκριμένες Υπηρεσίες της Βιοφυσικής Εταιρείας [των ΗΠΑ] (2009), και το βραβείο στη μνήμη του Howard K. Schackman για Υπηρεσίες προς το Δημόσιο Συμφέρον της Αμερικανικής Εταιρείας Βιοχημείας και Μοριακής Βιολογίας (2011). Έχει επίσης τιμηθεί με διάφορα βραβεία για τη διδακτική του δεινότητα, όπως το Βραβείο Διδασκαλίας W. Barry Wood (επιλεγείς από τους φοιτητές της Ιατρικής), το βραβείο διδασκαλίας από µεταπτυχιακούς φοιτητές και το Καθηγητικό Βραβείο Εξαίρετης Διδασκαλίας των Προκλινικών Επιστηµών. Έχει συγγράψει, µαζί τον Stephen Lippard, το σύγγραμμα Principles of Bioinorganic Chemistry. Ο JOHN L. TYMOCZKO είναι καθηγητής βιολογίας στην έδρα Towsley του Κολεγίου Carleton, όπου διδάσκει από το 1976. Σήµερα διδάσκει βιοχηµεία, εργαστηριακή βιοχηµεία, ογκογονίδια και µοριακή βιολογία του καρκίνου, και συν-διδάσκει ένα εισαγωγικό µάθηµα στη βιοενεργητική και τη γενετική. Ο καθηγητής Tymoczko έλαβε το πτυχίο B.A. από το Πανεπιστήµιο του Chicago το 1970 και το διδακτορικό του δίπλωµα (Ph.D.) στη βιοχηµεία από το ίδιο πανεπιστήµιο µε τον Shutsung Liao στο Ben May Institute for Cancer Research. Μετά τις σπουδές του κατέλαβε µεταδιδακτορική θέση στο εργαστήριο του Hewson Swift στο Τµήμα Βιολογίας του Πανεπιστηµίου του Chicago. Η έρευνά του εστιάζεται στους υποδοχείς στεροεοδών, τα ριβονουκλεοπρωτεϊνικά σωµατίδια και τα πρωτεολυτικά ένζυµα. Ο LUBERT STRYER είναι σήµερα ομότιμος καθηγητής στην έδρα Winzer και ομότιμος καθηγητής νευροβιολογίας στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστηµίου του Stanford, στην οποία υπηρετεί από το 1976. Έλαβε το πτυχίο του (M.D.) από την Ιατρική Σχολή του Πανεπιστηµίου του Harvard. Τιµήθηκε µε πολλά βραβεία για την έρευνά του που αφορούσε τη σχέση φωτός και ζωής, µεταξύ των οποίων περιλαµβάνεται το βραβείο «Eli Lilly» για βασική έρευνα στη βιολογική χηµεία (1970) και το βραβείο των Διακεκριµένων Εφευρετών από την Intellectual Property Owners Association. Εξελέγη µέλος της Εθνικής Ακαδηµίας Επιστηµών και της Αμερικανικής Φιλοσοφικής Εταιρείας. Το 2006 του απονεμήθηκε το Εθνικό Μετάλλιο για τις Θετικές Επιστήμες. Η κυκλοφορία της πρώτης έκδοσης του βιβλίου του Biochemistry το 1975 μετασχημάτισε τη διδασκαλία της βιοχηµείας. Ο GREGORY J. GATTO, JR έλαβε το πτυχίο Α.Β. στη Χημεία από το Πανεπιστήμιο του Princenton, όπου εργάστηκε με τον Martin F. Semmelhack και τιμήθηκε με το βραβείο «Everett S. Wallis» στην οργανική χημεία. Το 2003 πήρε διδακτορικό και πτυχίο ιατρικής (Ph.D.-M.D.) από το Johns Hoplins University School of Medicine, όπου υπό τη καθοδήγηση του Jeremy M. Berg μελέτησε τη δομική βιολογία της αναγνώρισης σήματος στη στόχευση προς τα υπεροξειδιοσώματα, και τιμήθηκε με την Ερευνητική Χορηγία Michael A. Shanoff για νέο ερευνητή. Στη συνέχεια ήταν µεταδιδακτορικός υπότροφος το 2006 με τον Carl Pabo στην Ιατρική Σχολή του Πανεπιστηµίου Harvard, όπου μελέτησε τη βιοσύνθεση των ανοσοκατασταλτικών μακρολιδών. Σήμερα είναι ερευνητής στη Μονάδα Μελέτης Φαρμάκων για Καρδιακή Ανεπάρκεια της φαρμακευτικής εταιρείας GlaxoSmithKline. iv
ΠΡΟΛΟΓΟΣ Γράφοντας την 7η έκδοση της Βιοχημείας έπρεπε να ισορροπήσουμε μεταξύ της επιθυμίας για παρουσίαση όσο το δυνατόν περισσότερων από τις σημαντικές εξελίξεις του πεδίου και την ανάγκη να κάνουμε τη βιοχημεία όσο γίνεται πιο κατανοητή και πιο ελκυστική για τον φοιτητή ο οποίος διδάσκεται το αντικείμενο για πρώτη φορά. Οι διδάσκοντες και οι φοιτητές για δεκαετίες τώρα βασίζονται στη Βιοχημεία για Καθαρή γραφή Η γλώσσα της βιοχημείας γίνεται όσο το δυνατόν πιο κατανοητή. Μια ευθεία και λογική μορφή οργάνωσης οδηγεί τον αναγνώστη διά μέσου των διάφορων διεργασιών και τον βοηθά να πλεύσει μέσα σε πολύπλοκες πορείες και μηχανισμούς Εικόνες που τονίζουν μία μόνο έννοια Οι εικόνες σε αυτό το βιβλίο τονίζουν ένα και μόνο θέμα η κάθε μία, ώστε η κάθε εικόνα να λέει ξεκάθαρα την ιστορία ενός μηχανισμού, μιας πορείας, μιας διεργασίας, χωρίς να αποσπάται η προσοχή σε αχρείαστες λεπτομέρειες Συσχέτιση με τη Φυσιολογία Η βιοχημεία είναι η μελέτη της ζωής στη μικρότερη δυνατή κλίμακα, και ο σκοπός μας πάντα ήταν να βοηθήσουμε τους φοιτητές να συνδέσουν τη βιοχημεία με τις δικές τους ζωές. Οι βιοχημικές πορείες και διεργασίες παρουσιάζονται μέσα στο φυσιολογικό τους πλαίσιο ώστε ο αναγνώστης να κατανοήσει πώς λειτουργεί η βιοχημεία στα διάφορα μέρη του σώματος, και υπό διαφορετικό ορμονικό περιβάλλον και διαφορετικές εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες Βαθιά κλινική γνώση Όπου είναι απαραίτητο συζητείται η εφαρμογή συγκεκριμένων πορειών και μηχανισμών σε υγιή άτομα και σε ασθενείς με συγκεκριμένη νόσο. Αυτές οι εφαρμογές δείχνουν στους φοιτητές πόσο σχετική είναι η βιοχημεία με την καθημερινότητά τους, ενώ ενισχύει τις έννοιες που μόλις έχουν μάθει (Υπάρχει πλήρης κατάλογος στην εισαγωγή, σελ. xi). Εξελικτική θεώρηση Η εξέλιξη είναι προφανής στις δομές και τις πορείες της βιοχημείας και την έχουμε ενσωματώσει σε όλο το αφήγημα του συγγράμματος. (Υπάρχει πλήρης κατάλογος στην εισαγωγή, σελ. x). Νέο υλικό σε αυτή την έκδοση Οι ερευνητές πραγματοποιούν νέες ανακαλύψεις στη βιοχημεία καθημερινά. Η έβδομη έκδοση λαμβάνει υπ όψη τις ανακαλύψεις εκείνες οι οποίες έχουν αλλάξει τον τρόπο σκέψης μας σχετικά με θεμελιώδεις έννοιες τις βιοχημείας και της ανθρώπινης υγείας. Τα νέα θέματα που πραγματεύεται το βιβλίο περιλαμβάνουν: Η ολοκλήρωση του μεταβολισμού εξετάζεται σε νέο πλαίσιο. Οι νέες ανακαλύψεις αναφορικά με το ρόλο της λεπτίνης στην ασιτία και τη σίτιση έχουν αλλάξει ριζικά τον τρόπο που αντιμετωπίζουμε την παχυσαρκία και την ογκούμενη επιδημία του διαβήτη τύπου 2. Σε αυτή την έκδοση, καλύπτουμε την ολοκλήρωση του μεταβολισμού στα πλαίσια της διατροφής και της παχυσαρκίας. Νέα κεφάλαια για τη γονιδιακή ρύθμιση. Έχουμε αυξήσει σε πολύ μεγάλο βαθμό τη συζήτησή μας για την γονιδιακή ρύθμιση και έχουμε διασπάσει το ένα κεφάλαιο των προηγούμενων εκδόσεων σε δύο, ώστε να συσχετίσουμε τη γονιδιακή ρύθμιση με την ραγδαία αυξανόμενη κατανόηση της βιοχημικής πτυχής της ευκαρυωτικής γονιδιακής ρύθμισης: Το Κεφάλαιο 31 («Ο έλεγχος της γονιδιακής ρύθμισης στους προκαρυώτες»), και το Κεφάλαιο 32 («Ο έλεγχος της γονιδιακής ρύθμισης στους ευκαρυώτες»). Αυτά τα κεφάλαια πραγματεύονται πρόσφατες έννοιες όπως την αίσθηση απαρτίας στους προκαρυώτες, τα επαγμένα πολυδύναμα αρχέγονα κύτταρα και τον ρόλο των μικροrna στη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης. Οι πειραματικές τεχνικές επικαιροποιούνται και επεξηγούνται. Έχουμε αναθεωρήσει τα Κεφάλαια 3 («Εξερευνώντας τις πρωτεΐνες και τα προτεώματα»), 5 (Ἑξερευνώντας τα γονίδια και τα γονιδιώματα»), και 6 (Ἑξερευνώντας την εξέλιξη και τη βιοπληροφορική») για να δώσουμε στους φοιτητές μια πρακτική κατανόηση των πλεονεκτημάτων και των περιορισμών που έχουν οι τεχνικές που θα χρησιμοποιούν στο εργαστήριο. Έχουμε επαυξήσει τις επεξηγήσεις για τη φασματομετρία μάζας και τη κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ, π.χ. και τις έχουμε κάνει ακόμη πιο ξεκάθαρες για τον φοιτητή που τις αντιμετωπίζει για πρώτη φορά. Εξηγούμε νέες τεχνικές όπως ο προσδιορισμός της αλληλουχίας με τεχνικές νέας γενιάς, και PCR σε πραγματικό χρόνο, στο πλαίσιο της σπουδαιότητάς τους στη σύγχρονη βιοχημική έρευνα (για πλήρη κατάλογο βλέπε xii). v
vi Πρόλογος Πρόσφατες πρόοδοι Μερικές από τις συναρπαστικές προόδους και νέα θέματα που παρουσιάζουμε στην 7η έκδοση περιλαμβάνουν: Ατελής οστεογένεση ή νόσος των ψαθυρών κυττάρων (Κεφάλαιο 2) Ενδογενώς αδόμητες πρωτεΐνες και μεταμορφικές πρωτεΐνες (Κεφάλαιο 2) Πρόσφατες ενημερώσεις αναφορικά με τα νοσήματα ελαττωματικής αναδίπλωσης πρωτεϊνών (Κεφάλαιο 2) Χρήση τεχνολογίας ανασυνδυασμένου DNA στον καθαρισμό πρωτεϊνών (Κεφάλαιο 3) Μεγαλύτερη συζήτηση για τη φασματογραφία μάζας και τη κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ (Κεφάλαιο 3) Μέθοδοι προσδιορισμού αλληλουχιών επόμενης γενιάς (Κεφάλαιο 5) Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) σε πραγματικό χρόνο (Κεφάλαιο 5) Μικροσυστοιχίες DNA (Κεφάλαιο 5) Δηλητηρίαση από μονοξείδιο του άνθρακα (Κεφάλαιο 7) Μελέτες ενζυμικής κινητικής με ένα μόριο τη φορά (Κεφάλαιο 8) Οι μυοσίνες ως μοντέλα καταλυτικής δραστικότητας των υδρολασών ΑΤΡ (Κεφάλαιο 9) Γλυκοβιολογία και γλυκωμική (Κεφάλαιο 11) Νόσος Hurler (Κεφάλαιο 11) Γρίπη των πτηνών Η5Ν1 (Κεφάλαιο 11) Σχεδίες λιπιδίων (Κεφάλαιο 12) Η τρανσφερρίνη ως μοντέλο της ενδοκυττάρωσης μέσω υποδοχέα (Κεφάλαιο 12) Σύνδρομο παρατεταμένων QT που προκαλείται από την αναστολή των διαύλων καλίου (Κεφάλαιο 13) Ενζυμικές ανεπάρκειες στον κύκλο του κιτρικού οξέος και η ανάπτυξη καρκίνου (Κεφάλαιο 17) Συνθέτοντας μια πιο αποτελεσματική καρβοξυλάση της 1,5-διφωσφορικής ριβουλόζης (Rubisco) (Κεφάλαιο 20) Η δομή της συνθάσης των λιπαρών οξέων των θηλαστικών (Κεφάλαιο 22) mirna Πορείες περίσωσης των πυριμιδινών (Κεφάλαιο 25) (A) LA1 LA2 LA3 LA4 LA5 LA6 LA7 EGFA EGFB EGFC LDL (B) Δομή προωστήρα έξι λεπίδων Ενδόσωμα Εικόνα 26.24. Ο υποδοχέας της LDL απελευθερώνει LDL μέσα στο ενδόσωμα. [Κατά I. D. Campbell, Biochem. Soc. Trans. 31:1107-1114, 2003, Fig 1A.] Φυσικές συναθροίσεις ενζύμων στις μεταβολικές πορείες (Κεφάλαιο 25) Η φωσφατάση του φωσφατιδικού οξέος στη ρύθμιση του μεταβολισμού λιπιδίων (Κεφάλαιο 26) Η ρύθμιση της μετατόπισης της SREBP στον μεταβολισμό της χοληστερόλης (Κεφάλαιο 26) Μεταλλάξεις στον υποδοχέα της LDL (Κεφάλαιο 26) Ο ρόλος της HDL στην προστασία από αρτηριοσκλήρωση (Κεφάλαιο 26) Αναστολείς της αρωματάσης στην αντιμετώπιση των καρκίνων του στήθους και των ωοθηκών (Κεφάλαιο 26) Ο ρόλος της λεπτίνης στην μακρόχρονη ρύθμιση της θερμιδικής ομοιόστασης (Κεφάλαιο 27) Παχυσαρκία και διαβήτης (Κεφάλαιο 27) Άσκηση και η επίδρασή της στη κυτταρική βιοχημεία (Κεφάλαιο 27) Επικαιροποίηση και λεπτομερής περιγραφή της δράσης των ελικασών (Κεφάλαιο 28) Επικαιροποίηση και λεπτομερής περιγραφή της δράσης των τοποϊσομερασών (Κεφάλαιο 28) mrna Αργοναύτης Εικόνα 32.27. Η δράση ενός μικροrna. Τμήματα mrna μετά από σχάση
Πρόλογος v i i Ριβοδιακόπτες (Κεφάλαιο 29). Η παραγωγή μικρών ρυθμιστικών μορίων RNA (Κεφάλαιο 29) Νόσος της εξαφανιζόμενης λευκής ουσίας (Κεφάλαιο 30) Αίσθηση απαρτίας (Κεφάλαιο 31) Βιο-υμέναια (Κεφάλαιο 31) Επαγμένα πολυδύναμα αρχέγονα κύτταρα (Κεφάλαιο 32) Ο ρόλος των μικροrna στη γονιδιακή ρύθμιση (Κεφάλαιο 32) Πώς λειτουργούν τα εμβόλια (Κεφάλαιο 34) Η δομή των δομικών περιοχών κεφαλής της μυοσίνης (Κεφάλαιο 35) Νέες ασκήσεις στο τέλος κάθε κεφαλαίου Η βιοχημεία μαθαίνεται από αυτούς που έρχονται σε πρώτη επαφή μαζί της με την εξάσκηση. Πέρα από τις πολλές παραδοσιακές ασκήσεις οι οποίες ελέγχουν το επίπεδο γνώσεων του φοιτητή, και την ικανότητά του να χρησιμοποιεί αυτές τις γνώσεις, έχουμε τρεις κατηγορίες ασκήσεων που ελέγχουν συγκεκριμένες δεξιότητες για τη λύση ασκήσεων. Ασκήσεις μηχανισμών. Ζητάμε από τους φοιτητές να εισηγηθούν ή να επεξηγήσουν χημικούς μηχανισμούς αντιδράσεων. Ασκήσεις ερμηνείας δεδομένων. Ρωτάμε διάφορες ερωτήσεις για συγκεκριμένα δεδομένα τα οποία παρέχονται σε μορφή πινάκων ή γραφικών παραστάσεων. Αυτές οι ασκήσεις παρέχουν στους φοιτητές την αίσθηση του πώς φτάνουμε σε συγκεκριμένα επιστημονικά συμπεράσματα. Ασκήσεις ολοκλήρωσης ύλης από διάφορα κεφάλαια. Απαιτεί από τους φοιτητές τη χρήση πληροφοριών από πολλά κεφάλαια ώστε να μπορέσουν να φτάσουν στη λύση της άσκησης. Αυτές οι ασκήσεις ενισχύουν την αίσθηση του φοιτητή για το πόσο πολύ σχετίζονται οι διάφορες, φαινομενικά διαφορετικές, πτυχές της βιοχημείας μεταξύ τους. Στο τέλος του βιβλίου παρουσιάζονται σύντομες απαντήσεις σε αυτές τις ασκήσεις. Ζωντανεύοντας τις μοριακές δομές Όλες οι μοριακές δομές έχουν επιλεγεί και εμφανιστεί με τον συγκεκριμένο τρόπο από τους Jeremy Berg και Gregory Gatto. Για να βοηθήσουμε τους φοιτητές να διαβάσουν και να κατανοήσουν τις μοριακές δομές έχουμε περιλάβει τα παρακάτω εργαλεία: Μια «εκκίνηση» στα μοριακά μοντέλα που εξηγεί τους διαφορετικούς τρόπους απεικόνισης πρωτεϊνικών μοντέλων και εξετάζει τα θετικά και αρνητικά της κάθε μιας (βλέπε Παραρτήματα των Κεφαλαίων 1 και 2). Λεζάντες εικόνων που κατευθύνουν τους φοιτητές στα σημαντικά χαρακτηριστικά του κάθε μοντέλου. Εμφανίζεται τεράστια ποικιλία μοριακών δομών, μεταξύ των οποίων και πολύ πιο καθαρές απεικονίσεις μεμβρανικών πρωτεϊνών. Για τα περισσότερα μοριακά μοντέλα περιλαμβάνουμε και τον κωδικό της Τράπεζας Πρωτεϊνικών Δεδομένων (pdb) στο τέλος της λεζάντας της εικόνας, που δίνει στον φοιτητή εύκολη πρόσβαση στο μοντέλο που χρησιμοποιήθηκε για τη παραγωγή της Εικόνας με πρόσβαση στην ιστοσελίδα (www.pdb.org). Σε αυτή την ιστοσελίδα υπάρχει διαθέσιμη μια ποικιλία εργαλείων για την απεικόνιση και ανάλυση τριδιάστατων δομών. Ζωντανές εικόνες για τις περισσότερες μοριακές απεικονίσεις εμφανίζονται στην ιστοσελίδα www.whfreeman.com/berg7e, που επιτρέπουν στους φοιτητές την περιστροφή των τριδιάστατων μορίων ώστε να βλέπουν σε πραγματικό χρόνο διαφορετικές όψεις της ίδιας δομής. AMP-PNP 30 15 0 0 15 30 Eικόνα 28.12 Η ασυμμετρία της ελικάσης. Προσέξτε ότι μόνο τέσσερις από τις υπομονάδες, εκείνες χρώματος μπλε και κίτρινου, δεσμεύουν την ΑΜΡ-ΡΝΡ. [Σχεδιασμένο από 1Ε0Κ.pdb.] Ηλεκτρονικές διαφάνειες εικόνων Στις ιστοσελίδα της ελληνικής έκδοσης (www.cup.gr) υπάρχει ελεύθερα διαθέσιμο όλο το εικονογραφικό υλικό της έκδοσης σε ηλεκτρονικές διαφάνειες.
Μοριακές πτυχές της εξελικτικής θεωρίας Αυτό το εικονίδιο σηματοδοτεί την αρχή πολλών συζητήσεων οι οποίες σκιαγραφούν τα κοινά χαρακτηριστικά μεταξύ πρωτεϊνών ή άλλα σημεία βαθειάς γνώσης αναφορικά με τη μοριακή εξέλιξη. Μόνον τα L-αμινοξέα απαντούν στις πρωτεΐνες (σ. 29) Γιατί αυτό το σύνολο των 20 αμινοξέων; (σ. 35) Εμβρυική αιμοσφαιρίνη (σ. 206) Επιπλέον γονίδια σφαιρινών στον άνθρωπο (σ. 212) Kαταλυτικές τριάδες σε άλλα υδρολυτικά ένζυμα (σ. 264) Κύριες τάξεις πεπτιδολυτικών ενζύμων (σ. 267) Ενεργά κέντρα βασισμένα στον ψευδάργυρο στις ανθρακικές ανυδράσες (σ. 274) Κοινός καταλυτικός πυρήνας στα περιοριστικά ένζυμα τύπου ΙΙ (σ. 281) Δομικές περιοχές NTPάσης με θηλιά Ρ (σ. 287-288) Συντηρητικός καταλυτικός πυρήνας σε πρωτεϊνικές κινάσες (σ. 306) Γιατί διαφέρουν οι ομάδες αίματος στoυς ανθρώπους; (σ. 340) Οι μεμβράνες των αρχαίων (σ. 356) Αντλίες ιόντων (σ. 381) ΑΤΡάσες τύπου Ρ (σ. 384) Δομικές περιοχές κασέτας δέσμευσης της ΑΤΡ (σ. 385) Σύγκριση των αλληλουχιών των διαύλων Na + και Ca ++ (σ. 394) Μικρές πρωτεΐνες G (σ. 418) Ο μεταβολισμός στον κόσμο RNA (σ. 457) Γιατί η γλυκόζη είναι το κύριο καύσιμο; (σ. 463) Οι θέσεις πρόσδεσης του NAD + στις αφυδρογονάσες (σ. 479) Η κύρια υπεροικογένεια διευκολυντών της μεταφοράς (σ. 488) Ισοενζυμικές μορφές της γαλακτικής αφυδρογονάσης (σ. 501) Η εξέλιξη της γλυκόλυσης και της γλυκονεογένεσης (σ. 502) Το σύμπλεγμα της α-κετογλουταρικής αφυδρογονάσης (σ. 519) Δομικές περιοχές της συνθετάσης του ηλεκτρυλο-coa (σ. 520) Εξέλιξη του κύκλου του κιτρικού οξέος (σ. 530) Εξέλιξη των μιτοχονδρίων (σ. 539) Διατήρηση της δομής του κυτοχρώματος c (σ. 555) Κοινά γνωρίσματα της συνθάσης της ATP και των πρωτεϊνών G (σ. 562) Συγγενείς πρωτεΐνες αποσύζευξης (σ. 569) Η εξέλιξη των χλωροπλαστών (σ. 582) Εξελικτικές απαρχές της φωτοσύνθεσης (σ. 598) Η εξέλιξη της πορείας C 4 (σ. 614) Ο συντονισμός του κύκλου του Calvin και της πορείας των φωσφορικών πεντοζών (σ. 623) Η εξέλιξη της φωσφορυλάσης του γλυκογόνου (σ. 643) Η αυξανόμενη πολυπλοκότητα της ρύθμισης από τη συνθάση του γλυκογόνου (σ. 645) Η οικογένεια της α-αμυλάσης (σ. 646) Ένα επαναλαμβανόμενο μοτίβο στη ενεργοποίηση των καρβοξυλικών ομάδων (σ. 663) Προκαρυωτικά ισοδύναμα της πορείας της ουβικιτίνης και των πρωτεασωμάτων (σ. 698) Μια οικογένεια ενζύμων εξαρτώμενων από την πυροδοξάλη (σ. 704) Εξέλιξη του κύκλου της ουρίας (σ. 708) Η δομική περιοχή των ΝΤΡασών με θηλιά Ρ στην αζωτάση (σ. 728) Παρόμοιες τρανσαμινάσες προσδιορίζουν τη χειρομορφία των αμινοξέων (σ. 732) Ανατροφοδοτική αναστολή (σ. 744) Επαναλαμβανόμενα βήματα στη σύνθεση πουρινικών δακτυλίων (σ. 761) Αναγωγάσες των ριβονουκλεοτιδίων (σ. 768) Αύξηση των επιπέδων ουρικού κατά την εξέλιξη των πρωτευόντων (σ. 775) Η υπεροικογένεια του κυτοχρώματος P 450 (σ. 805) DNA πολυμεράσες (σ. 847) Η θυμίνη και η πιστότητα του γενετικού μηνύματος (σ. 868) Οι παράγοντες σίγμα στη βακτηριακή μεταγραφή (σ. 886) Ομοιότητες στη μεταγραφή μεταξύ αρχαίων και ευκαρυωτικών (σ. 898) Εξέλιξη στη συρραφή που καταλύεται από το σωμάτιο συρραφής (σ. 911) Τάξεις των συνθετασών των αμινοακυλο-trna (σ. 926) Σύνθεση των αρχέγονων ριβοσωμάτων (σ. 928) Ομόλογες πρωτεΐνες G (σ. 933) Μια οικογένεια πρωτεϊνών με κοινές δομικές περιοχές δέσμευσης προσδέματος (σ. 958) Η ανεξάρτητη εξέλιξη των θέσεων δέσμευσης του DNA στις ρυθμιστικές πρωτεΐνες (σ. 959) Ρύθμιση από θέσεις εξασθενητών (σ. 965) Νησίδες CpG (σ. 980) Στοιχεία απόκρισης στον σίδηρο (σ. 987) Τα mirna στη γονιδιακή εξέλιξη (σ. 989) Η οικογένεια των οσφρητικών υποδοχέων (σ. 995) Εξέλιξη των φωτοϋποδοχέων (σ. 1006) Η πτυχή των ανοσοσφαιρινών (σ. 1023) Σχέση της ακτίνης με την εξοκινάση και τις προκαρυωτικές πρωτεΐνες (σ. 1060) viii
Κλινικές εφαρμογές Tο εικονίδιο αυτό σηματοδοτεί στο κείμενο την περιγραφή μιας κλινικής εφαρμογής. Πρόσθετοι, πιο περιληπτικοί, κλινικοί συσχετισμοί εμφανίζονται και στο κείμενο, χωρίς να σημειώνονται με το εικονίδιο. Ατελής οστεογένεση (σ. 46) Νοσήματα ελαττωματικής αναδίπλωσης πρωτεϊνών (σ. 57) Τροποποίηση πρωτεϊνών και σκορβούτο (σ. 57) Ανίχνευση αντιγόνου με ELISA (σ. 90) Συνθετικά πεπτίδια ως φάρμακα (σ. 97) Γονιδιακή θεραπεία (σ. 172) Λειτουργική απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού (λειτουργική μαγνητική τομογραφία) (σ. 199) Δηλητηρίαση από μονοξείδιο του άνθρακα (σ. 207) Δρεπανοκυτταρική αναιμία (σ. 210) Θαλασσαιμία (σ. 211) Ανεπάρκεια αφυδρογονάσης της αλδεΰδης (σ. 235) Δράση πενικιλίνης (σ. 247) Αναστολείς πρωτεασών (σ. 269) Ανθρακική ανυδράση και οστεοπόρωση (σ. 270) Η χρήση των ισοενζύμων για τη διάγνωση καταστροφής ιστών (σ. 301) Εμφύσημα (σ. 311) Βιταμίνη Κ (σ. 314) Αιμοφιλία (σ. 315) Ιστικού-τύπου ενεργοποιητής πλασμινογόνου (σ. 316) Καταγράφοντας της αλλαγές στη γλυκοζυλιωμένη αιμοσφαιρίνη (σ. 329) Ερυθροποιητίνη (σ. 334) Νόσος Hurler (σ. 335) Ομάδες αίματος (σ. 339) Βλεννολιπίδωση ΙΙ (σ. 340) Δέσμευση του ιού της γρίπης (σ. 343) Κλινικές εφαρμογές των λιποσωμάτων (σ. 360) Ασπιρίνη και ιμπουπροφαίνη (σ. 364) Δακτυλίτιδα και συμφορητική καρδιακή ανεπάρκεια (σ. 384) Πολυφαρμακευτική αντίσταση (σ. 385) Σύνδρομο παρατεταμένων QT (σ. 400) Πορείες μεταγωγής σήματος και καρκίνος (σ. 429) Μονοκλωνικά αντισώματα ως αντικαρκινικά φάρμακα (σ. 430) Αναστολείς πρωτεϊνικών κινασών ως αντικαρκινικά φάρμακα (σ. 430) Βιταμίνες (σ. 451) Δυσανεξία λακτόζης (σ. 481) Γαλακτοζαιμία (σ. 482) Άσκηση και καρκίνος (σ. 488) Ανεπάρκεια φωσφατάσης (σ. 526) Ενζυμικά ελαττώματα στον κύκλο του κιτρικού οξέος και ανάπτυξη καρκίνου (σ. 527) Μπέρι μπέρι και δηλητηρίαση από υδράργυρο και αρσενικό (σ. 529) Μιτοχονδριακές νόσοι (σ. 571) Αιμολυτική αναιμία (σ. 623) Ανεπάρκεια της αφυδρογονάσης της 6-φωσφορικής γλυκόζης (σ. 625) Νόσοι αποθήκευσης γλυκογόνου (σ. 651) Ανεπάρκεια καρνιτίνης (σ. 664) Σύνδρομο Zellweger (σ. 671) Διαβητική κετοξέωση (σ. 674) Χρησιμοποίηση των αναστολέων της συνθάσης των λιπαρών οξέων ως φαρμάκων (σ. 682) Επιδράσεις της ασπιρίνης στις σηματοδοτικές πορείες (σ. 685) Νοσήματα που προκύπτουν λόγω ελαττωματικών πρωτεϊνών Ε3 (σ. 696) Νοσήματα λόγω τροποποιημένης ουβικιτινυλίωσης (σ. 699) Η χρήση των αναστολέων του πρωτεασώματος εναντίον της φυματίωσης (σ. 699) Κληρονομικές βλάβες του κύκλου της ουρίας (υπεραμμωνιαιμία) (σ. 709) Αλκαπτονουρία, νόσος με ούρα ως σιρόπι σφενδάμου, και φαινυλκετονουρία (σ. 717) Υψηλά επίπεδα ομοκυστεΐνης και αγγειακές νόσοι (σ. 739) Κληρονομικές διαταραχές του μεταβολισμού της πορφυρίνης (σ. 750) Αντικαρκινικά φάρμακα που παρεμποδίζουν τη σύνθεση του θυμιδυλικού (σ. 770) Ανεπάρκεια απαμινάσης της αδενοσίνης και βαριά συνδυασμένη ανοσοανεπάρκεια (σ. 774) Ουρική αρθρίτιδα (σ. 774) Σύνδρομο Lesch-Nyhan (σ. 775) Φυλλικό οξύ και δισχιδής ράχη (σ. 776) Δεύτερα μηνύματα από παράγωγα σφιγγολιπιδίων και διαβήτης (σ. 787) Σύνδρομο της αναπνευστικής δυσφορίας και νόσος Tay-Sachs (σ. 787) Διαγνωστική χρήση των επιπέδων χοληστερόλης του αίματος (σ. 796) Υπερχοληστερολαιμία και αθηροσκλήρωση (σ. 798) Μεταλλάξεις του υποδοχέα της LDL (σ. 799) Ο ρόλος της HDL στην προστασία από αθηροσκλήρωση (σ. 800) Κλινική ρύθμιση των επιπέδων χοληστερόλης (σ. 801) Αναστολείς της αρωματάσης στην αντιμετώπιση των καρκίνων του μαστού και των ωοθηκών (σ. 807) Ραχίτιδα και βιταμίνη D (σ. 807) Η αλλαγή του μεταβολικού σχήματος του ήπατος λόγω υπερβολικής κατανάλωσης αιθανόλης (σ. 836) Αντιβιοτικά που στοχεύουν τη DNA γυράση (σ. 857) Η αναστολή της τελομεράσης για την αντιμετώπιση του καρκίνου (σ. 864) Νόσος Huntigton (σ. 868) Ελαττωματική επιδιόρθωση του DNA και καρκίνος (σ. 869) Ανίχνευση καρκινογόνων (δοκιμασία Ames) (σ. 870) Αντιβιοτικά ως αναστολείς της μεταγραφής (σ. 890) Λέμφωμα Burkitt και λευχαιμία κυττάρων Β (σ. 898) Νοσήματα που προκύπτουν από ελαττωματική συρραφή RNA (σ. 907) Νόσος της εξαφανιζόμενης λευκής ουσίας (σ. 939) Αντιβιοτικά που αναστέλλουν τη σύνθεση πρωτεϊνών (σ. 940) Διφθερίτιδα (σ. 941) Ρικίνη, ένας θανατηφόρος αναστολέας της σύνθεσης πρωτεϊνών (σ. 941) Επαγμένα πολυδύναμα αρχέγονα κύτταρα (σ. 978) Αναβολικά στεροειδή (σ. 983) Αχρωματοψία (σ. 1007) Χρησιμοποίηση της καψαϊκίνης στην αντιμετώπιση του πόνου (σ. 1011) Καταστολείς του ανοσοποιητικού συστήματος (σ. 1028) MHC και απόρριψη μοσχεύματος (σ. 1037) Εμβόλιο κατά του AIDS (σ. 1037) Aυτοάνοσα νοσήματα (σ. 1039) Ανοσοποιητικό σύστημα και καρκίνος (σ. 1040) Εμβόλια (σ. 1040) Νόσος Charcot-Marie-Tooth (σ. 1058) Ταξόλη (σ. 1060) ix
Εργαλεία και τεχνικές Η παρούσα έβδομη έκδοση της Βιοχημείας προσφέρει τρία κεφάλαια τα οποία παρουσιάζουν τα εργαλεία και τις τεχνικές της βιοχημείας: «Εξερευνώντας τις πρωτεΐνες κι τα πρωτεώματα» (Κεφάλαιο 3), «Εξερευνώντας τα γονίδια και τα γονιδιώματα» (Κεφάλαιο 5) και «Εξερευνώντας την εξέλιξη και τη Βιοπληροφορική» (Κεφάλαιο 6). Επιπρόσθετες πειραματικές τεχνικές παρουσιάζονται και αλλού, από την αρχή μέχρι το τέλος του βιβλίου, ανάλογα με τις ανάγκες. Εξερευνώντας τις πρωτεΐνες και τα πρωτεώματα (Κεφάλαιο 3) Καθαρισμός πρωτεϊνών (σ. 69) Διαφορική φυγοκέντρηση (σ. 70) Εξαλάτωση (σ. 71) Διαπίδυση (σ. 71) Χρωματογραφία διήθησης σε πηκτή (σ. 71) Χρωματογραφία ιοντοανταλλαγής (σ. 72) Χρωματογραφία συγγένειας (σ. 72) Υγρή χρωματογραφία υψηλής πίεσης (σ. 73) Ηλεκτροφόρηση σε πηκτή (σ. 74) Ισοηλεκτρική εστίαση (σ. 75) Ηλεκτροφόρηση δύο διαστάσεων (σ. 76) Ποιοτική και ποσοτική εκτίμηση του καθαρισμού των πρωτεϊνών (σ. 76) Υπερφυγοκέντρηση (σ. 78) Αποικοδόμηση Edman (σ. 83) Προσδιορισμός πρωτεϊνικής αλληλουχίας (σ. 84) Παραγωγή πολυκλωνικών αντισωμάτων (σ. 87) Παραγωγή μονοκλωνικών αντισωμάτων (σ. 88) Ενζυμοσύνδετη ανοσοπροσροφητική μέτρηση (ELISA) (σ. 90) Αποτύπωση Western (σ. 91) Μικροσκοπία φθορισμού (σ. 91) Πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη ως δείκτης (σ. 92) Ανοσοκυτταροχημεία με το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο (σ. 93) Φασματομετρία μάζας (MALDI-TOF) (σ. 93) Επάλληλη φασματομετρία μάζας (σ. 95) Πρωτεωμική ανάλυση με φασματομετρία μάζας (σ. 96) Αυτοματοποιημένη σύνθεση πεπτιδίων σε στερεά φάση (σ. 97) Κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ (σ. 100) Φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (σ. 103) Ενισχυμένη φασματοσκοπία πυρήνων κατά Overhauser (NOESY) (σ. 103) Εξερευνώντας τις πρωτεΐνες (άλλα κεφάλαια) Η πηγή του φθορισμού στην πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (σ. 60) Χρησιμοποίηση μη αντιστρεπτών αναστολέων για τη χαρτογράφηση του ενεργού κέντρου (σ. 244) Καταλυτικά αντισώματα ως ένζυμα (σ. 247) Μελέτες με μεμονωμένα μόρια (σ. 249) Εξερευνώντας τα γονίδια και τα γονιδιώματα (Κεφάλαιο 5) Ανάλυση περιοριστικών ενζύμων (σ. 145) Τεχνικές αποτύπωσης Southern και Northern (σ. 146) Προσδιορισμός της αλληλουχίας DNA με τη μέθοδο διδεοξυαναλόγων Sanger (σ. 147) Σύνθεση νουκλεϊκών οξέων σε στερεά φάση (σ. 148) Αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης (PCR) (σ. 150) Τεχνολογία ανασυνδυασμένου DNA (σ. 153) Κλωνοποίηση DNA σε βακτήρια (σ. 154) x Δημιουργία βιβλιοθήκης cdna (σ. 158) Κλωνοποίηση ευκαρυωτικών γονιδίων σε βακτήρια (σ. 160) Τεχνικές μεταλλαξιγένεσης (σ. 160) Προσδιορισμός αλληλουχιών με μεθόδους επόμενης γενιάς (σ. 164) Ποσοτική PCR (σ. 166) Εισάγοντας γονίδια στα ευκαρυωτικά κύτταρα (σ. 167) Διαγονιδιακά ζώα (σ. 168) Καταστροφή γονιδίων (σ. 169) Καταστροφή γονιδίων με παρεμβολή RNA (σ. 169) Ογκοεπαγωγά πλασμίδια (σ. 170) Εξερευνώντας τα γονίδια (άλλα κεφάλαια) Καταβύθιση ισορροπίας σε βαθμίδωση πυκνότητας (σ. 121) Ανοσοκαθίζηση χρωματίνης (ChIP) (σ. 979) Εξερευνώντας την εξέλιξη και τη βιοπληροφορική (Κεφάλαιο 6) Μέθοδοι σύγκρισης αλληλουχιών (σ. 178) Μέθοδοι στοίχισης αλληλουχιών (σ. 180) Εκτίμηση της στατιστικής σημαντικότητας των αντιστοιχίσεων (με ανακάτεμα) (σ. 181) Πίνακες αντικαταστάσεων (σ. 183) Πραγματοποιώντας μια έρευνα αλληλουχίας κατά BLAST (σ. 185) Εκμαγεία αλληλουχιών (σ. 188) Εύρεση επαναλαμβανόμενων μοτίβων (σ. 188) Χαρτογράφηση δευτεροταγών δομών μέσω συγκρίσεων αλληλουχιών RNA (σ. 190) Κατασκευή εξελικτικών δένδρων (σ. 191) Συνδυαστική χημεία (σ. 191) Μοριακή εξέλιξη στο εργαστήριο (σ. 192) Άλλες τεχνικές Απεικόνιση με λειτουργικό μαγνητικό συντονισμό (fmri) (σ. 199) Προσδιορισμός της αλληλουχίας των υδατανθράκων με τη χρησιμοποίηση φασματομετρίας μάζας MALDI-TOF (σ. 341) Χρησιμοποίηση λιποσωμάτων για τη διερεύνηση της διαπερατότητας των μεμβρανών (σ. 359) Χρησιμοποίηση γραφικών παραστάσεων υδροπάθειας για τον εντοπισμό διαμεμβρανικών ελίκων (σ. 366) Ανάνηψη φθορισμού μετά από φωτολεύκανση (FRAP) για τη μέτρηση της πλευρικής διάχυσης στις μεμβράνες (σ. 367) Τεχνική καθήλωσης μεμβρανικού τμήματος για τη μέτρηση της δραστικότητας διαύλων (σ. 390) Μέτρηση του οξειδοαναγωγικού δυναμικού (σ. 541) Αναπαράσταση τεχνικών με κινούμενα σχέδια Διάφορες αναπαραστάσεις, μέσω κινούμενων σχεδίων, πειραματικών τεχνικών για την εξερεύνηση γονιδίων και πρωτεϊνών είναι διαθέσιμες στην ιστοσελίδα www.whfreeman.com/berg7e.
ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Μέρος I Ο μοριακός σχεδιασμός της ζωής 1 Bιοχημεία: Μια εξελισσόμενη επιστήμη 2 Δομή και λειτουργία των πρωτεϊνών 25 3 Εξερευνώντας τις πρωτεΐνες και τα πρωτεώματα 67 4 DNA, RNA, και η ροή των γενετικών πληροφοριών 111 5 Εξερευνώντας τα γονίδια και γα γονιδιώματα 143 6 Εξερευνώντας την εξέλιξη και τη βιοπληροφορική 177 7 Αιμοσφαιρίνη: Πορτρέτο μιας πρωτεΐνης σε δράση 197 8 Ένζυμα: Βασικές αρχές και κινητική 221 9 Στρατηγικές κατάλυσης 257 10 Στρατηγικές ρύθμισης 293 11 Υδατάνθρακες 323 12 Λιπίδια και κυτταρικές μεμβράνες 351 13 Μεμβρανικοί δίαυλοι και αντλίες 377 14 Πορείες μεταγωγής σήματος 409 Μέρος II μετατροπη και αποθηκευση ενεργειασ 15 Μεταβολισμός: Βασικές έννοιες και σχεδιασμός 437 16 Γλυκόλυση και γλυκογένεση 463 17 Ο κύκλος του κιτρικού οξέος 509 18 Οξειδωτική φωσφορυλίωση 537 19 Οι φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης 579 20 Ο κύκλος του Calvin και η πορεία των φωσφορικών πεντοζών 603 21 Ο μεταβολισμός του γλυκογόνου 631 22 Ο μεταβολισμός των λιπαρών οξέων 657 23 Η ανακύκλιση των πρωτεϊνών και ο καταβολισμός των αμινοξέων 693 Μέρος III η συνθεση των βιομοριων 24 Η βιοσύνθεση των αμινοξέων 725 25 Η βιοσύνθεση των νουκλεοτιδίων 755 26 Η βιοσύνθεση των μεμβρανικών λιπιδίων και των στεροειδών 781 27 Η ολοκλήρωση του μεταβολισμού 815 28 Η αντιγραφή, η επιδιόρθωση και ο ανασυνδυασμός του DNA 845 29 Η σύνθεση και η επεξεργασία του RNA 879 30 Η σύνθεση των πρωτεϊνών 917 31 Ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης στους προκαρυώτες 953 32 Ο έλεγχος της γονιδιακής έκφρασης στους ευκαρυώτες 971 Μέρος IV Η αποκριση σε περιβαλλοντικεσ μεταβολεσ 33 Sensory Systems 957 34 Το ανοσοποιητικό σύστημα 1015 35 Μοριακοί κινητήρες 1047 36 Ανάπτυξη φαρμάκων 1071 ΑΝΑΛΥΤΙΚΑ Περιεχομενα Πρόλογος Μέρος I Ο μοριακός σχεδιασμός της ζωής Κεφάλαιο 1 Bιοχημεία: Μια εξελισσόμενη επιστήμη 1 1.1 Το ενιαίο των βιοχημικών διεργασιών είναι το υπόβαθρο της βιολογικής ποικιλομορφίας 1 1.2 Το DNA καταδεικνύει την αμφίδρομη σχέση μεταξύ μορφής και λειτουργίας 4 Το DNA κατασκευάζεται από τέσσερις δομικούς λίθους 4 Δύο μονές αλυσίδες του DNA συνδυάζονται για να σχηματίσουν τη διπλή έλικα 5 Η δομή του DNA εξηγεί τις ιδιότητες της κληρονομικότητας και την δυνατότητα αποθήκευσης πληροφοριών 5 1.3 Οι ένοιες της χημείας εξηγούν τις ιδιότητες των βιολογικών μορίων 6 Η διπλή έλικα του DNA μπορεί να σχηματιστεί από τις συνιστώσες αλυσίδες της 6 Οι ομοιοπολικοί και οι μη ομοιοπολικοί δεσμοί είναι σημαντικοί για τη δομή και τη σταθερότητα των βιολογικών μορίων 7 Η διπλή έλικα είναι έκφραση των κανόνων της χημείας 10 Οι νόμοι της θερμοδυναμικής καθορίζουν τη συμπεριφορά των βιοχημικών συστημάτων 11 Ο σχηματισμός της διπλής έλικας συνοδεύεται από απελευθέρωση θερμότητας 13 Οι αντιδράσεις οξέος-βάσης κατέχουν κεντρική θέση σε πολλές βιοχημικές διεργασίες 13 Οι αντιδράσεις οξέος-βάσης μπορούν να αποδιατάξουν την διπλή έλικα 14 Τα ρυθμιστικά διαλύματα ρυθμίζουν το ph τόσο σε ζώντες οργανισμούς, όσο και στο εργαστήριο 16 1.4 Η γονιδιωματική επανάσταση μετασχηματίζει τη Βιοχημεία και την Ιατρική 18 Ο προσδιορισμός της αλληλουχίας του ανθρώπινου γονιδιώματος αποτελεί ορόσημο στην ανθρώπινη ιστορία 18 Οι γονιδιακές αλληλουχίες κωδικεύουν πρωτεΐνες και σχήματα έκφρασής τους 19 Η ατομικότητα εξαρτάται από την αλληλεπίδραση μεταξύ γονιδίων και περιβάλλοντος 20 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: Απεικόνιση μοριακών δομών Ι: Μικρά μόρια 22 Κεφάλαιο 2 Δομή και λειτουργία των πρωτεϊνών 27 2.1 Οι πρωτεΐνες δομούνται από ένα σύνολο 20 αμινοξέων 29 v
xiv Περιεχόμενα 2.2 Πρωτοταγής δομή: τα αμινοξέα συνδέονται με πεπτιδικούς δεσμούς για να σχηματίσουν πολυπεπτιδικές αλυσίδες 35 Οι πρωτεΐνες έχουν μοναδικές αλληλουχίες αμινοξέων που καθορίζονται από γονίδια 37 Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες είναι εύκαμπτες αλλά έχουν καθορισμένη στερεοδιάταξη 38 2.3 Δευτεροταγής δομή: Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες μπορούν να αναδιπλώνονται σε κανονικές δομές όπως η α-έλικα, η β-πτυχωτή επιφάνεια, οι στροφές και οι θηλιές 40 Η α-έλικα είναι μια δομή σπειράματος που σταθεροποιείται με ενδομοριακούς δεσμούς υδρογόνου 40 Οι β-πτυχωτές επιφάνειες σταθεροποιούνται με δεσμούς υδρογόνου μεταξύ των πολυπεπτιδικών αλυσίδων 42 Οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες μπορούν να αλλάξουν κατεύθυνση δημιουργώντας ανάστροφες στροφές και θηλιές 44 Οι ινώδεις πρωτεΐνες παρέχουν δομική στήριξη σε κύτταρα και ιστούς 44 2.4 Τριτοταγής δομή: οι υδατοδιαλυτές πρωτεΐνες αναδιπλώνονται σε συμπαγείς δομές με μη πολικά κέντρα 47 2.5 Τεταρτοταγής δομή: οι πολυπεπτιδικές αλυσίδες μπορούν να συγκροτήσουν δομές πολλών υπομονάδων 50 2.6 Η αλληλουχία αμινοξέων μιας πρωτεΐνης καθορίζει την τριδιάστατη δομή της 51 Τα αμινοξέα έχουν διαφορετικές προτιμήσεις για τον σχηματισμό α-έλικας, β-επιφάνειας και β-στροφής 52 Η αναδίπλωση των πρωτεϊνών είναι μια άκρως συνεργειακή διεργασία 54 Οι πρωτεΐνες αναδιπλώνονται σταθεροποιώντας σταδιακά ενδιάμεσες δομές και όχι αναζητώντας τυχαία τη σωστή δομή 54 Η πρόβλεψη της τριτοταγούς δομής από την αλληλουχία των αμινοξέων παραμένει μια μεγάλη πρόκληση 56 Μερικές πρωτεΐνες εκ κατασκευής δεν έχουν συγκεκριμένη δομή και μπορούν να υπάρχουν σε πολλές στερεοδιατάξεις 56 Η κακή αναδίπλωση και το συσσωμάτωμα των πρωτεϊνών σχετίζονται με ορισμένες νόσους του νευρικού συστήματος 57 Η τροποποίηση και η διάσπαση των πρωτεϊνών προσθέτουν νέες δυνατότητες 59 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: Απεικόνιση μοριακών δομών ΙΙ: Πρωτεΐνες 63 Κεφάλαιο 3 Εξερευνώντας τις πρωτεΐνες και τα πρωτεώματα 67 Το πρωτέωμα είναι η λειτουργική απεικόνιση του γονιδιώματος 68 3.1 Ο καθαρισμός των πρωτεϊνών είναι ένα ουσιαστικό πρώτο βήμα για την κατανόηση της λειτουργίας τους 69 Η μέτρηση: πώς αναγνωρίζουμε την πρωτεΐνη που ψάχνουμε; 69 Για να καθαρίσουμε μια πρωτεΐνη πρέπει να την απομονώσουμε από το κύτταρο 70 Οι πρωτεΐνες είναι δυνατόν να καθοριστούν βάσει της διαλυτότητας, του μεγέθους, του φορτίου και της δεσμευτικής συγγένειας για άλλα μόρια 70 Οι πρωτεΐνες είναι δυνατόν να διαχωριστούν με ηλεκτροφόρηση σε πηκτή και να εμφανιστούν 74 Ένα πρωτόκολλο καθαρισμού μπορεί να εκτιμηθεί ποσοτικά 76 Η υπερφυγοκέντρηση είναι πολύτιμη μέθοδος διαχωρισμού βιομορίων και προσδιορισμού της μάζας τους 78 Ο καθαρισμός πρωτεϊνών γίνεται ευκολώτερος με την τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA 80 3.2 Η αλληλουχία αμινοξέων των πρωτεϊνών μπορούν να προσδιοριστούν πειραματικά 81 Οι πεπτιδικές αλληλουχίες μπορούν να προσδιοριστούν με αυτοματοποιημένη αποικοδόμηση Edman 83 Οι πρωτεΐνες είναι δυνατόν να υποστούν εξειδικευμένη διάσπαση σε μικρά πεπτίδια για να διευκολυνθεί η ανάλυση 84 Οι μεθοδολογίες μελέτης του γονιδιώματος και του πρωτεώματος είναι συμπληρωματικές 85 3.3 Η ανοσολογία προσφέρει σημαντικές τεχνικές για τη διερεύνηση των πρωτεϊνών 86 Μπορούν να παραχθούν ειδικά αντισώματα για συγκεκριμένες πρωτεΐνες 86 Μπορούν να παραχθούν μονοκλωνικά αντισώματα οποιασδήποτε επιθυμητής εξειδίκευσης 88 Οι πρωτεΐνες μπορούν να ανιχνεύονται και να ποσοτικοποιούνται με τη χρήση ενζυμοσύνδετης ανοσοπροσροφητικής μέτρησης 89 Η ανοσοαποτύπωση επιτρέπει την ανίχνευση πρωτεϊνών που έχουν διαχωριστεί με ηλεκτροφόρηση σε πηκτή 91 Φθορίζοντες δείκτες επιτρέπουν την παρατήρηση συγκεκριμένων πρωτεϊνών μέσα στα κύτταρα 91 3.4 Η φασματομετρία μάζας είναι μια τεχνική μεγάλης εμβέλειας για τη ταυτοποίηση πεπτιδίων και πρωτεϊνών 92 Η μάζα μιας πρωτεΐνης μπορεί να καθοριστεί απόλυτα με φασματομετρία μάζας 93 Η αλληλουχία αμινοξέων σε πεπτίδια μπορεί να προσδιοριστεί με φασματομετρία μάζας 95 Συγκεκριμένες πρωτεΐνες μπορούν να ταυτοποιηθούν με φασματομετρία μάζας 96 3.5 Μπορούμε να συνθέτουμε πεπτίδια με αυτοματοποιημένες μεθόδους στερεάς φάσης 97
Περιεχόμενα xv 3.6 Η τριδιάστατη δομή μιας πρωτεΐνης μπορεί να καθοριστεί με κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ και φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) 99 Η κρυσταλλογραφία με ακτίνες Χ αποκαλύπτει την τριδιάστατη δομή σε ατομικό επίπεδο 100 Η φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού μπορεί να αποκαλύψει τις δομές των πρωτεϊνών σε διάλυμα 102 Κεφάλαιο 4 DNA, RNA και η ροή των γενετικών πληροφοριών 111 4.1 Ένα νουκλεϊκό οξύ αποτελείται από τέσσερα είδη βάσεων, προσδεμένων σε έναν φωσφο-σακχαρικό κορμό 112 Το RNA και το DNA διαφέρουν ως προς το περιεχόμενο σάκχαρο και τη μία από τις βάσεις 112 Τα νουκλεοτίδια είναι οι μονομερείς μονάδες των νουκλεϊκών οξέων 113 Τα μόρια DNA έχουν πολύ μεγάλο μήκος 115 4.2 Ένα ζεύγος αλυσίδων νουκλεϊκού οξέος με συμπληρωματικές αλληλουχίες μπορεί να σχηματίσει μια δομή διπλής έλικας 115 Η διπλή έλικα σταθεροποιείται με δεσμούς υδρογόνου και υδροφοβικές αλληλεπιδράσεις van der Waals 115 Το DNA μπορεί να προσλάβει ποικίλες δομικές μορφές 117 Το Ζ-DNA είναι μια αριστερόστροφη διπλή έλικα στην οποία τα φωσφορικά του σκελετού σχηματίζουν ζιγκ-ζάγκ 118 Μερικά μικρά μόρια DNA είναι κυκλικά και υπερσπειρωμένα 118 Τα μονόκλωνα νουκλεϊκά οξέα μπορούν να έχουν πολύπλοκες τρισδιάστατες δομές 119 4.3 Η διπλή έλικα διευκολύνει την ακριβή μετάδοση των κληρονομούμενων πληροφοριών 120 Οι διαφορές της πυκνότητας του DNA καθιέρωσαν την εγκυρότητα της υπόθεσης της ημισυντηρητικής αντιγραφής 120 Η διπλή έλικα μπορεί να τηχθεί αντιστρεπτά 122 4.4 Το DNA αντιγράφεται από πολυμεράσες που καθοδηγούνται από εκμαγεία 123 Η DNA πολυμεράση καταλύει τον σχηματισμό φωσφοδιεστερικών γεφυρών 123 Τα γονίδια μερικών ιών αποτελούνται από RNA 124 4.5 Η γονιδιακή έκφραση είναι ο μετασχηματισμός των πληροφοριών του DNA σε λειτουργικά μόρια 125 Ορισμένα είδη μορίων RNA παίζουν καθοριστικό ρόλο στη γονιδιακή έκφραση 125 Όλο το κυτταρικό RNA συντίθεται από RNA πολυμεράσες 126 Οι RNA πολυμεράσες καθοδηγούνται από κμαγεία DNA 128 Η μεταγραφή αρχίζει κοντά στις θέσεις των προαγωγέων και τελειώνει στις θέσεις τερματισμού 128 Τα μόρια μεταφορικού RNA είναι τα μόρια-προσαρμοστές στην πρωτεϊνοσύνθεση 129 4.6 Τα αμινοξέα κωδικεύονται από ομάδες τριών βάσεων, αρχίζοντας από ένα σταθερό σημείο 130 Τα κύρια χαρακτηριστικά του γενετικού κώδικα 131 Το αγγελιαφόρο RNA περιέχει κωδίκια έναρξης και τερματισμού της πρωτεϊνοσύνθεσης 132 Ο γενετικός κώδικας είναι σχεδόν καθολικός 132 4.7 Τα περισσότερα ευκαρυωτικά γονίδια είναι μωσαϊκά εσωνίων και εξωνίων 133 Η επεξεργασία του RNA δίνει ώριμο RNA 134 Πολλά εξώνια κωδικεύουν δομικές περιοχές πρωτεϊνών 135 Κεφάλαιο 5 Εξερευνώντας τα γονίδια και τα γονιδιώματα 143 5.1 Η εξερεύνηση των γονιδίων στηρίζεται σε βασικά εργαλεία 144 Τα περιοριστικά ένζυμα τέμνουν το DNA σε συγκεκριμένα θραύσματα 145 Τα περιοριστικά θραύσματα είναι δυνατόν να διαχωριστούν με ηλεκτροφόρηση σε πηκτή και να γίνουν ορατά 146 H αλληλουχία μορίων DNA μπορεί να ταυτοποιηθεί με ελεγχόμενο τερματισμό της αντιγραφής τους 147 Ανιχνευτές DNA και γονίδια είναι δυνατόν να συντεθούν μέσω αυτοματοποιημένων μεθόδων στερεάς φάσης 148 Επιλεγμένες αλληλουχίες DNA μπορούν να ενισχυθούν εντυπωσιακά με την αλυσιδωτή αντίδραση πολυμεράσης 150 H PCR αποτελεί ισχυρό όπλο στην ιατρική διαγνωστική, την ιατροδικαστική και τη μελέτη της μοριακής εξέλιξης 151 Τα εργαλεία της τεχνολογίας του ανασυνδυασμένου DNA έχουν χρησιμοποιηθεί για την ταυτοποίηση μεταλλάξεων που προκαλούν νόσους 152 5.2 Η τεχνολογία του ανασυνδυασμένου DNA έχει φέρει επανάσταση σε όλες τις πτυχές της Βιολογίας 153 Τα περιοριστικά ένζυμα και η DNA λιγάση αποτελούν βασικά εργαλεία για την κατασκευή ανασυνδυασμένων μορίων DNA 153 Τα πλασμίδια και ο φάγος λάμδα είναι οι φορείς επιλογής για κλωνοποίηση μορίων DNA σε βακτήρια 154 Τεχνητά χρωμοσώματα βακτηρίων και ζυμών 156 Συγκεκριμένα γονίδια μπορούν να κλωνοποιηθούν από προϊόντα πέψης γονιδιωματικού DNA 156 Συμπληρωματικό DNA που παρασκευάζεται από mrna μπορεί να εκφραστεί σε κύτταρα-ξενιστές 158
xvi Περιεχόμενα Μπορούν να κατασκευαστούν πρωτεΐνες με νέες λειτουργίες μέσω στοχευμένων αλλαγών της αλληλουχίας του DNA 159 Οι μέθοδοι του ανασυνδυασμένου DNA καθιστούν εφικτή την εξερεύνηση των λειτουργικών επιπτώσεων μεταλλάξεων που προκαλούν ασθένειες 161 5.3 Η πλήρης αλληλουχία γονιδιωμάτων έχει ταυτοποιηθεί και αναλυθεί 161 Έχει ταυτοποιηθεί η αλληλουχία γονιδιωμάτων οργανισμών που κυμαίνονται από τα βακτήρια έως τους πολυκύτταρους ευκαρυώτες 162 Η ταυτοποίηση της αλληλουχίας του γονιδιώματος του ανθρώπου έχει ολοκληρωθεί 163 Οι μέθοδοι «επόμενης γενεάς» για ταυτοποίηση αλληλουχιών καθιστούν εφικτό τον ταχύ καθορισμό της αλληλουχίας ολόκληρων γονιδιωμάτων 164 Η συγκριτική γονιδιωματική έχει καταστεί δυναμικό εργαλείο έρευνας 164 5.4 Τα Ευκαρυωτικά γονίδια μπορούν να ποσοτικοποιηθούν και να υποστούν χειρισμούς με σημαντική ακρίβεια 165 Τα επίπεδα έκφρασης των γονιδίων μπορούν να εξεταστούν διεξοδικά 166 Νέα γονίδια τα οποία εισάγονται σε ευκαρυωτικά κύτταρα μπορούν να εκφραστούν αποτελεσματικά 167 Τα διαγονιδιακά ζώα περιέχουν και εκφράζουν γονίδια τα οποία έχουν εισαχθεί στα γαμετικά κύτταρά τους 168 Η καταστροφή γονιδίων παρέχει ενδείξεις για τη λειτουργία τους 169 Η παρεμβολή του RNA παρέχει ένα επιπρόσθετο εργαλείο καταστροφής γονιδίων 170 Ογκογόνα πλασμίδια μπορούν να χρησιμοποιηθούν προκειμένου να εισαχθούν νέα γονίδια σε φυτικά κύτταρα 170 Η γονιδιακή θεραπεία στον άνθρωπο υπόσχεται πολλά στην ιατρική 172 Κεφάλαιο 6 Εξερευνώντας την εξέλιξη και τη βιοπληροφορική 177 6.1 Τα ομόλογα γονίδια κατάγονται από έναν κοινό πρόγονο 178 6.2 Η στατιστική ανάλυση στοιχισμένων αλληλουχιών είναι σε θέση να ανιχνεύει ομολογίες 179 Η στατιστική σημαντικότητα των στοιχίσεων μπορεί να εκτιμηθεί μέσω ανακατέματος 181 Μακρινές εξελικτικές σχέσεις είναι δυνατόν να ανιχνευθούν μέσω χρήσης πινάκων αντικαταστάσεων 182 Βάσεις δεδομένων μπορούν να ερευνηθούν για την ταυτοποίηση ομόλογων αλληλουχιών 185 6.3 Η εξέταση τριδιάστατων δομών αυξάνει τις γνώσεις μας για τις εξελικτικές σχέσεις 187 Η τριτοταγής δομή είναι πιο συντηρημένη από ό,τι η πρωτοταγής δομή 187 Η γνώση των τριδιάστατων δομών μπορεί να βοηθήσει στην αξιολόγηση των στοιχίσεων των αλληλουχιών 188 Μπορούν να ανιχνευθούν επαναλαμβανόμενα μοτίβα μέσω στοίχισης αλληλουχιών με τον εαυτό τους 188 Η συγκλίνουσα εξέλιξη απεικονίζει τις κοινές λύσεις σε βιοχημικές προκλήσεις 189 Η σύγκριση των αλληλουχιών του RNA μπορεί να είναι πηγή γνώσης για τις δευτεροταγείς δομές του 190 6.4 Είναι δυνατόν να κατασκευαστούν εξελικτικά δένδρα με βάση τα δεδομένα αλληλουχιών 191 6.5 Οι σύγχρονες τεχνικές καθιστούν εφικτή την πειραματική εξερεύνηση της εξέλιξης 191 Αρχαίο DNA μπορεί ορισμένες φορές να ενισχυθεί και να ταυτοποιηθεί η νουκλεοτιδική του αλληλουχία 192 Η μοριακή εξέλιξη μπορεί να διερευνηθεί πειραματικά 192 Κεφάλαιο 7 Αιμοσφαιρίνη: Πορτρέτο μιας πρωτεΐνης σε δράση 197 7.1 Η μυοσφαιρίνη και η αιμοσφαιρίνη δεσμεύουν οξυγόνο στα άτομα σιδήρου στην αίμη 198 Οι αλλαγές στην ηλεκτρονιακή δομή της αίμης κατά τη δέσμευση του οξυγόνου είναι η βάση για μελέτες λειτουργικής απεικόνισης 199 Η δομή της μυοσφαιρίνης εμποδίζει την απελευθέρωση αντιδραστικών οντοτήτων οξυγόνου 200 Η ανθρώπινη αιμοσφαιρίνη είναι ένα συγκρότημα τεσσάρων υπομονάδων που μοιάζουν με τη μυοσφαιρίνη 201 7.2 Η αιμοσφαιρίνη προσδένει το οξυγόνο συνεργειακά 201 Η δέσμευση του οξυγόνου αλλάζει σημαντικά την τεταρτοταγή δομή της αιμοσφαιρίνης 203 Η συναργειακότητα της αιμοσφαιρίνης είναι δυνατόν να εξηγηθεί από αρκετά μοντέλα 204 Οι δομικές αλλαγές στις ομάδες της αίμης μεταβιβάζονται στην επιφάνεια επαφής α 1 β 1 α 2 β 2 205 Το 2,3-διφωσφογλυκερικό στα ερυθροκύτταρα είναι ζωτικής σημασίας για τον καθορισμό της συγγένειας της αιμοσφαιρίνης για το οξυγόνο 205 Το μονοξείδιο του άνθρακα μπορεί να διαταράξει τη μεταφορά του οξυγόνου από την αιμοσφαιρίνη 207 7.3 Τα ιόντα υδρογόνου και το διοξείδιο του άνθρακα προάγουν την απελευθέρωση του οξυγόνου: το φαινόμενο Bohr 207 7.4 Μεταλλάξεις στα γονίδια που κωδικεύουν υπομονάδες της αιμοσφαιρίνης μπορούν να προκαλέσουν νόσο 209 Η δρεπανοκυτταρική αναιμία είναι το αποτέλεσμα συσσωμάτωσης μεταλλαγμένων μορίων δεοξυαιμοσφαιρίνης 210
Περιεχόμενα xvii Η θαλασσαιμία προκαλείται από μία μη ισορροπημένη παραγωγή των αλυσίδων της αιμοσφαιρίνης 211 Η συσσώρευση των ελεύθερων αλυσίδων α της αιμοσφαιρίνης εμποδίζεται 212 Στο ανθρώπινο γονιδίωμα κωδικεύονται επιπλέον σφαιρίνες 212 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: Τα μοντέλα δέσμευσης μπορούν να διατυπωθούν με ποσοτικούς όρους: το διάγραμμα Hill και το εναρμονισμένο μοντέλο 215 Κεφάλαιο 8 Ένζυμα: Bασικές αρχές και κινητική 221 8.1 Τα ένζυμα είναι ισχυροί και σε μεγάλο βαθμό εξειδικευμένοι καταλύτες 222 Πολλά ένζυμα χρειάζονται συμπαράγοντες για δραστικότητα 223 Tα ένζυμα μπορούν να μετασχηματίζουν ενέργεια από μια μορφή σε άλλη 223 8.2 Η ελεύθερη ενέργεια είναι μια χρήσιμη θερμοδυναμική συνάρτηση για την κατανόηση των ενζύμων 224 H μεταβολή της ελεύθερης ενέργειας δίνει πληροφορίες για το αυθόρμητο μιας αντίδρασης αλλά όχι για την ταχύτητά της 224 H μεταβολή της πρότυπης ελεύθερης ενέργειας μιας αντίδρασης σχετίζεται με τη σταθερά ισορροπίας 225 Tα ένζυμα μεταβάλλουν μόνο την ταχύτητα και όχι την ισορροπία της αντίδρασης 227 8.3 Τα ένζυμα επιταχύνουν τις αντιδράσεις διευκολύνοντας τον σχηματισμό της μεταβατικής κατάστασης 227 O σχηματισμός του συμπλόκου ενζύμου-υποστρώματος είναι το πρώτο βήμα στην ενζυμική κατάλυση 229 Tα ενεργά κέντρα των ενζύμων έχουν μερικά κοινά χαρακτηριστικά 229 Η ενέργεια πρόσδεσης μεταξύ ενζύμου και υποστρώματος είναι σημαντική για την κατάλυση 231 8.4 Το μοντέλο Michaelis-Menten περιγράφει τις κινητικές ιδιότητες πολλών ενζύμων 232 Κινητική είναι η μελέτη της ταχύτητας των αντιδράσεων 232 Η υπόθεση της σταθερής κατάστασης διευκολύνει την περιγραφή της ενζυμικής κινητικής 233 Μεταβολές στην Κ Μ μπορεί να έχουν φυσιολογικές συνέπειες 235 Οι τιμές K M και V max μπορούν να προσδιοριστούν με αρκετούς τρόπους 236 Οι τιμές K M και V max είναι σημαντικά χαρακτηριστικά του ενζύμου 236 Ο λόγος k cat /K M είναι ένα μέτρο της καταλυτικής αποτελεσματικότητας 237 Oι περισσότερες βιοχημικές αντιδράσεις περιλαμβάνουν πολλαπλά υποστρώματα 239 Tα αλλοστερικά ένζυμα δεν υπακούουν στην κινητική Michaelis-Menten 241 8.5 Τα ένζυμα είναι δυνατόν να ανασταλούν από ειδικά μόρια 241 Οι αντιστρεπτοί αναστολείς είναι κινητικά διακριτοί 242 Μη αντιστρεπτοί αναστολείς μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη χαρτογράφηση του ενεργού κέντρου 244 Tα ανάλογα της μεταβατικής κατάστασης είναι ισχυροί αναστολείς των ενζύμων 246 Tα καταλυτικά αντισώματα αποδεικνύουν τη σπουδαιότητα της επιλεκτικής πρόσδεσης της μεταβατικής κατάστασης στην ενζυμική δραστικότητα 247 H πενικιλίνη αναστέλλει μη αντιστρεπτά ένα καθοριστικό ένζυμο στη σύνθεση του βακτηριακού κυτταρικού τοιχώματος 247 8.6 Τα ένζυμα μπορούν να μελετηθούν ένα μόριο τη φορά 249 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: Tα ένζυμα ταξινομούνται με βάση τον τύπο της αντίδρασης που καταλύουν 252 Κεφάλαιο 9 Στρατηγικές κατάλυσης 257 Mερικές βασικές αρχές της κατάλυσης χρησιμοποιούνται από πολλά ένζυμα 258 9.1 Οι πρωτεάσες διευκολύνουν μια θεμελιωδώς δύσκολη αντίδραση 259 H χυμοθρυψίνη έχει ένα πολύ αντιδραστικό ενεργό κατάλοιπο σερίνης 259 H δράση της χυμοθρυψίνης προχωρά σε δύο βήματα που συνδέονται από ένα ομοιοπολικά προσδεμένο ενδιάμεσο 260 H σερίνη είναι μέρος μιας καταλυτικής τριάδας η οποία περιλαμβάνει επίσης ιστιδίνη και ασπαραγινικό οξύ 261 Kαταλυτικές τριάδες απαντούν σε άλλα υδρολυτικά ένζυμα 264 H λειτουργία της καταλυτικής τριάδας έχει αναλυθεί με μεταλλαξιγένεση σε συγκεκριμένη θέση 266 Άλλες κύριες τάξεις ενζύμων που διασπούν πεπτίδια είναι οι κυστεϊνοπρωτεάσες, οι ασπαρτυλοπρωτεάσες και οι μεταλλοπρωτεάσες 267 Oι αναστολείς των πρωτεασών είναι σημαντικά φάρμακα 269 9.2 Οι ανθρακικές ανυδράσες κάνουν μια γρήγορη αντίδραση γρηγορότερη 270 H ανθρακική ανυδράση περιέχει ένα προσδεμένο ιόν ψευδαργύρου απαραίτητο για την καταλυτική δραστικότητα 270 H κατάλυση συνεπάγεται την ενεργοποίηση ενός μορίου ύδατος από τον ψευδάργυρο 271 Ένα σύστημα μεταφοράς πρωτονίων διευκολύνει την ταχεία αναπαραγωγή της ενεργού μορφής του ενζύμου 273
xviii Περιεχόμενα H συγκλίνουσα εξέλιξη δημιούργησε σε διαφορετικές ανθρακικές ανυδράσες ενεργά κέντρα βασισμένα στον ψευδάργυρο 274 9.3 Τα περιοριστικά ένζυμα καταλύουν πολύ εξειδικευμένες αντιδράσεις διάσπασης DNA 275 H διάσπαση προκαλείται από την ευθύγραμμη εκτόπιση του 39-οξυγόνου από τον φωσφόρο μέσω νερού ενεργοποιημένου από μαγνήσιο 276 Tα περιοριστικά ένζυμα χρειάζονται μαγνήσιο για την καταλυτική τους δραστικότητα 278 H πλήρης καταλυτική συσκευή συγκροτείται μόνον μέσα σε σύμπλοκα μορίων συγγενούς DNA, εξασφαλίζοντας εξειδίκευση 279 Το DNA του κυττάρου-ξενιστή προστατεύεται από την προσθήκη μεθυλομάδων σε ειδικές βάσεις 281 Tα περιοριστικά ένζυμα τύπου II έχουν έναν κοινό καταλυτικό πυρήνα και πιθανώς σχετίζονται μέσω της οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων 281 9.4 Οι μυοσίνες χρησιμοποιούν αλλαγές στη στερεοδιάταξη του ενζύμου για να συζεύξουν την υδρόλυση της ΑΤΡ με μηχανικό έργο 282 Η υδρόλυση της ΑΤΡ προάγεται από την επίθεση ενός μορίου ύδατος στη γ-φωσρορυλομάδα 283 Ο σχηματισμός της μεταβατικής κατάστασης της υδρόλυσης του ΑΤΡ είναι συνδεδεμένος με μια σημαντική αλλαγή στερεοδιάταξης 284 Η αλλαγμένη στερειοδιάταξη της μυοσίνης διατηρείται για μια σημαντική χρονική περίοδο 286 Οι μυοσίνες είναι μια οικογένεια πρωτεϊνών που περιέχουν δομές θηλιάς Ρ 287 Κεφάλαιο 10 Στρατηγικές ρύθμισης 293 10.1 Η ασπαραγινική τρανσκαρβαμοϋλάση αναστέλλεται αλλοστερικά από το τελικό προϊόν της πορείας της 294 Ένζυμα που ρυθμίζονται αλλοστερικά δεν ακολουθούν την κινητική Michaelis Menten 295 H ATKάση απαρτίζεται από καταλυτικές και ρυθμιστικές υπομονάδες που είναι δυνατόν να διαχωριστούν 295 Oι αλλοστερικές αλληλεπιδράσεις στην ATKάση γίνονται με τη μεσολάβηση μεγάλων αλλαγών στην τεταρτοταγή δομή 296 Oι αλλοστερικοί ρυθμιστές αλλάζουν την ισορροπία της μετάβασης από την T στην R 299 10.2 Τα ισοένζυμα παρέχουν έναν ειδικό τρόπο ρύθμισης σε ξεχωριστούς ιστούς και αναπτυξιακά στάδια 300 10.3 Η ομοιοπολική τροποποίηση είναι ένα μέσον ρύθμισης της ενζυμικής δραστικότητας 301 Οι κινάσες και φωσφατάσες ελέγχουν την έκταση της φωσφορυλίωσης των πρωτεϊνών 302 H φωσφορυλίωση είναι ένα εξαιρετικά αποτελεσματικό μέσο ρύθμισης της δραστικότητας των πρωτεϊνών-στόχων 304 Η κυκλική AMP ενεργοποιεί την πρωτεϊνική κινάση A μεταβάλλοντας την τεταρτοταγή δομή της 305 H ATP και η πρωτεΐνη-στόχος προσδένονται σε μια βαθιά σχισμή στην καταλυτική υπομονάδα της πρωτεϊνικής κινάσης A 306 10.4 Πολλά ένζυμα ενεργοποιούνται από ειδική πρωτεολυτική διάσπαση 307 Tο χυμοθρυψινογόνο ενεργοποιείται από μια εξειδικευμένη διάσπαση ενός πεπτιδικού δεσμού 308 H πρωτεολυτική ενεργοποίηση του χυμοθρυψινογόνου οδηγεί στον σχηματισμό μιας θέσης πρόσδεσης υποστρώματος 308 H παραγωγή της θρυψίνης από το θρυψινογόνο οδηγεί στην ενεργοποίηση άλλων ζυμογόνων 309 Mερικά πρωτεολυτικά ένζυμα έχουν ειδικούς αναστολείς 310 H πήξη του αίματος πραγματοποιείται από έναν καταρράκτη ενεργοποιήσεων ζυμογόνων 311 Tο ινωδογόνο μετατρέπεται από τη θρομβίνη σε έναν θρόμβο ινώδους 312 H προθρομβίνη προετοιμάζεται για δραστικότητα από μια τροποποίηση που εξαρτάται από τη βιταμίνη K 314 H αιμοφιλία (αιμορροφιλία) αποκάλυψε ένα πρώιμο βήμα στην πήξη 315 H διεργασία της πήξης πρέπει να ρυθμίζεται επακριβώς 316 Κεφάλαιο 11 Υδατάνθρακες 323 11.1 Οι μονοσακχαρίτες είναι οι απλούστεροι υδατάνθρακες 324 Πολλά κοινά σάκχαρα υπάρχουν σε κυκλικές μορφές 326 Οι δακτύλιοι πυρανόζης και φουρανόζης μπορούν να βρεθούν σε διαφορετικές στερεοδιατάξεις 328 Η γλυκόζη είναι ένα αναγωγικό σάκχαρο 329 Οι μονοσακχαρίτες ενώνονται με αλκοόλες και με αμίνες μέσω γλυκοζιτικών δεσμών 329 Τα φωσφορυλιωμένα σάκχαρα είναι βασικά ενδιάμεσα στην παραγωγή ενέργειας και στις βιοσυνθέσεις 330 11.2 Οι μονοσακχαρίτες συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν πολύπλοκους υδατάνθρακες 330 Η σακχαρόζη, η λακτόζη και η μαλτόζη είναι οι κοινοί δισακχαρίτες 331 Το γλυκογόνο και το άμυλο είναι αποθηκευτικές μορφές της γλυκόζης 332 Η κυτταρίνη, μια δομική συνιστώσα των φυτών, αποτελείται από αλυσίδες γλυκόζης 332 11.3 Οι υδατάνθρακες μπορούν να συνδεθούν με πρωτεΐνες για να σχηματίσουν γλυκοπρωτεΐνες 333 Οι υδατάνθρακες μπορούν να συνδεθούν με τις πρωτεΐνες μέσω των καταλοίπων ασπαραγίνης
Περιεχόμενα xix (σύνδεση μέσω Ν) ή των καταλοίπων σερίνης ή θρεονίνης (σύνδεση μέσω Ο) 334 Η γλυκοπρωτεΐνη ερυθροποιητίνη είναι μια ζωτική ορμόνη 334 Οι πρωτεογλυκάνες, που απαρτίζονται από πολυσακχαρίτες και πρωτεΐνη, έχουν σημαντικούς δομικούς ρόλους 335 Οι πρωτεογλυκάνες είναι σημαντικά συστατικά του χόνδρου 336 Οι βλεννίνες είναι γλυκοπρωτεΐνικά συστατικά της βλέννας 337 Η γλυκοζυλίωση των πρωτεϊνών λαμβάνει χώρα στον αυλό του ενδοπλασματικού δικτύου και στη συσκευή Golgi 337 Ειδικά ένζυμα είναι υπεύθυνα για τη συγκρότηση των ολιγοσακχαριτικών μονάδων 339 Οι ομάδες αίματος αφορούν σχήματα γλυκοζυλίωσης πρωτεϊνών 339 Λάθη στη γλυκοζυλίωση μπορούν να οδηγήσουν σε παθολογικές καταστάσεις 340 Οι αλληλουχίες των ολιγοσακχαριτών μπορούν να «προσδιοριστούν» 341 11.4 Οι λεκτίνες είναι ειδικές πρωτεΐνες που δεσμεύουν υδατάνθρακες 342 Οι λεκτίνες προάγουν τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των κυττάρων 342 Οι λεκτίνες οργανώνονται σε διαφορετικές τάξεις 342 Ο ιός της γρίπης προσδένεται σε κατάλοιπα σιαλικού οξέος 343 Κεφάλαιο 12 Λιπίδια και κυτταρικές μεμβράνες 351 Η ποικιλομορφία των βιολογικών μεμβρανών προκύπτει από τα πολλά κοινά χαρακτηριστικά τους 352 12.1 Τα λιπαρά οξέα είναι βασικά συστατικά των λιπιδίων 352 Τα ονόματα των λιπαρών οξέων προκύπτουν από τους μητρικούς υδρογονάνθρακες 352 Τα λιπαρά οξέα ποικίλλουν στο μήκος της αλυσίδας και τον βαθμό κορεσμού τους 353 12.2 Υπάρχουν τρία κοινά είδη μεμβρανικών λιπιδίων 354 Τα φωσφολιπίδια είναι η κύρια κατηγορία μεμβρανικών λιπιδίων 354 Τα μεμβρανικά λιπίδια είναι δυνατόν να περιέχουν και υδατανθρακικές ομάδες 355 Η χοληστερόλη είναι ένα λιπίδιο με στεροειδή πυρήνα 356 Οι μεμβράνες των αρχαίων σχηματίζονται από αιθερολιπίδια με διακλαδισμένες αλυσίδες 356 Τα μεμβρανικά λιπίδια είναι αμφιπαθή μόρια που περιέχουν μια υδρόφιλη και μια υδρόφοβη ομάδα 357 12.3 Τα φωσφολιπίδια και τα γλυκολιπίδια σχηματίζουν αυθόρμητα διμοριακά φύλλα σε υδάτινο περιβάλλον 357 Λιπιδικά κυστίδια είναι δυνατόν να σχηματιστούν από φωσφολιπίδια 359 Οι λιπιδικές διπλοστιβάδες είναι σχεδόν αδιαπέραστες από ιόντα και τα περισσότερα πολικά μόρια 360 12.4 Οι πρωτεΐνες επιτελούν τις περισσότερες μεμβρανικές διεργασίες 361 Οι πρωτεΐνες συνδυάζονται με τη λιπιδική διπλοστιβάδα με μια ποικιλία τρόπων 361 Οι πρωτεΐνες αλληλεπιδρούν με τις μεμβράνες με ποικίλους τρόπους 362 Ορισμένες πρωτεΐνες προσδένονται στις μεμβράνες μέσω ομοιοπολικά συνδεδεμένων υδρόφοβων ομάδων 365 Οι διαμεμβρανικές έλικες μπορούν να προβλεφθούν με ακρίβεια από τις αλληλουχίες αμινοξέων 365 12.5 Τα λιπίδια και πολλές μεμβρανικές πρωτεΐνες διαχέονται ταχύτατα στο επίπεδο της μεμβράνης 367 Το μοντέλο του ρευστού μωσαϊκού επιτρέπει κινήσεις παράλληλα προς το επίπεδο της μεμβράνης αλλά όχι κάθετα προς αυτό 368 H ρευστότητα των μεμβρανών ρυθμίζεται από την επιμέρους σύσταση σε λιπαρά οξέα και την περιεκτικότητα σε χοληστερόλη 368 Οι σχεδίες λιπιδίων είναι σύμπλοκα μεγάλης δυναμικής που σχηματίζονται μεταξύ χοληστερόλης και συγκεκριμένων λιπιδίων 369 Όλες οι βιολογικές μεμβράνες είναι ασύμμετρες 370 12.6 Τα ευκαρυωτικά κύτταρα περιέχουν διαμερίσματα τα οποία περιβάλλονται από εσωτερικές μεμβράνες 371 Κεφάλαιο 13 Μεμβρανικοί δίαυλοι και αντλίες 377 Η έκφραση των μεταφορέων καθορίζει σε μεγάλο βαθμό τις μεταβολικές δραστηριότητες ενός συγκεκριμένου κυτταρικού τύπου 378 13.1 H μεταφορά μορίων διά μέσου μιας μεμβράνης μπορεί να είναι ενεργός ή παθητική 378 Πολλά μόρια χρειάζονται πρωτεϊνικούς μεταφορείς για να διαπεράσουν τις μεμβράνες 379 H ελεύθερη ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στις βαθμιδώσεις συγκεντρώσεων μπορεί να ποσοτικοποιηθεί 379 13.2 Δύο οικογένειες μεμβρανικών πρωτεϊνών χρησιμοποιούν την υδρόλυση της ΑΤΡ για την άντληση ιόντων και μορίων διά μέσου μεμβρανών 380 ΑΤΡάσες τύπου Ρ συζευγνύουν τη φωσφορυλίωση με μεταβολές στερεοδιάταξης για την άντληση ιόντων ασβεστίου διά μέσου των μεμβρανών 381 Η δακτυλίτιδα αναστέλλει ειδικά την αντλία Na + K + παρεμποδίζοντας την αποφωσφορυλίωσή της 384
xx Περιεχόμενα Oι ATPάσες τύπου P είναι εξελικτικώς συντηρημένες και έχουν μια μεγάλη ποικιλία ρόλων 384 Η πολυφαρμακευτική αντίσταση αναδεικνύει μια οικογένεια μεμβρανικών αντλιών με δομικές περιοχές κασέτας δέσμευσης της ATP 385 13.3 Η διαπεράση της λακτόζης είναι ένα αρχέτυπο δευτερογενών μεταφορέων οι οποίοι χρησιμοποιούν μια βαθμίδωση συγκέντρωσης για να ενεργοποιήσουν το σχηματισμό μιας άλλης 387 13.4 Eιδικοί δίαυλοι μπορούν να μεταφέρουν ταχέως ιόντα διά μέσου μεμβρανών 389 Tα δυναμικά ενέργειας προκύπτουν από μεταβατικές αλλαγές στη διαπερατότητα των Na + και K + 389 Μετρήσεις της αγωγιμότητας με την τεχνική της καθήλωσης μεμβρανικού τμήματος αναδεικνύει τη δραστικότητα μεμονωμένων διαύλων 390 Η δομή ενός δίαυλου ιόντος καλίου είναι ένα αρχέτυπο για πολλές δομές ιοντικών διαύλων 391 Η δομή του ιοντικού διαύλου καλίου αποκαλύπτει τη βάση της ιοντικής εξειδίκευσης 392 H δομή του διαύλου καλίου εξηγεί τους ταχείς ρυθμούς μεταφοράς του 394 Ο έλεγχος της τάσης απαιτεί ουσιώδεις μεταβολές της στερεοδιάταξης ειδικών δομικών περιοχών των ιοντικών διαύλων 395 Ένας δίαυλος μπορεί να απενεργοποιηθεί με απόφραξη του πόρου του: Tο μοντέλο της σφαίρας και της αλυσίδας 396 Ο υποδοχέας της ακετυλοχολίνης είναι ένα αρχέτυπο ιοντικών διαύλων ελεγχόμενων από πρόσδεμα 396 Τα δυναμικά ενεργείας ολοκληρώνουν τη δραστηριότητα διαφόρων ιοντικών διαύλων που λειτουργούν αρμονικά 398 Αποδιάταξη των ιοντικών διαύλων από μεταλλάξεις ή χημικές ουσίες μπορεί να καταστεί δυνητικά επικίνδυνη για τη ζωή 400 13.5 Oι χασματοσυνδέσεις επιτρέπουν σε ιόντα και μικρά μόρια να κινούνται μεταξύ επικοινωνούντων κυττάρων 400 13.6 Eιδικοί δίαυλοι αυξάνουν τη διαπερατότητα ορισμένων μεμβρανών στο νερό 402 Κεφάλαιο 14 Πορείες μεταγωγής σήματος 409 Η μεταγωγή σήματος εξαρτάται από μοριακά κυκλώματα 410 14.1 Οι ετεροτριμερείς πρωτεΐνες G μεταβιβάζουν σήματα και επαναστοιχειοθετούνται 411 H δέσμευση του προσδέματος στους υποδοχείς με επτά διαμεμβρανικές έλικες (7ΤΜ) οδηγεί σε ενεργοποίηση των ετεροτριμερών πρωτεϊνών G 413 Oι ενεργοποιημένες πρωτεΐνες G μεταβιβάζουν σήματα μέσω δέσμευσης σε άλλες πρωτεΐνες 414 Η camp διεγείρει τη φωσφορυλίωση πολλών πρωτεϊνικών στόχων μέσω ενεργοποίησης της πρωτεϊνικής κινάσης A 414 Oι πρωτεΐνες G αναστοιχειοθετούνται αυθόρμητα μέσω της υδρόλυσης της GTP 415 Κάποιοι υποδοχείς με επτά διαμεμβρανικές έλικες ενεργοποιούν τον καταρράκτη των φωσφοϊνοσιτιδίων 416 Το ιόν του ασβεστίου χρησιμοποιείται ευρύτατα ως δεύτερος αγγελιοφόρος 417 Tο ασβέστιο συχνά ενεργοποιεί τη ρυθμιστική πρωτεΐνη ασβεστιοτροποποιητίνη 418 14.2 Η σηματοδότηση από ινσουλίνη: Οι καταρράκτες φωσφορυλίωσης είναι κομβικοί σε πολλές διεργασίες μεταγωγής σήματος 419 Ο υποδοχέας της ινσουλίνης είναι ένα διμερές που περικυκλώνει το μόριο της δεσμευμένης ινσουλίνης 420 Η δέσμευση της ινσουλίνης καταλήγει σε διασταυρούμενη φωσφορυλίωση και ενεργοποίηση του υποδοχέα της 420 Η ενεργοποιημένη κινάση του υποδοχέα της ινσουλίνης προκαλεί την έναρξη ενός καταρράκτη κινασών 421 Η σηματοδότηση από την ινσουλίνη σταματά με τη δράση των φωσφατασών 423 14.3 Η σηματοδότηση από τον επιδερμικό αυξητικό παράγοντα: οι πορείες μεταγωγής σήματος είναι έτοιμες να αποκριθούν 423 Η δέσμευση του επιδερμικού αυξητικού παράγοντα καταλήγει στον διμερισμό του υποδοχέα του 424 Ο υποδοχέας του επιδερμικού αυξητικού παράγοντα υφίσταται φωσφορυλίωση στο καρβοξυτελικό άκρο του 425 Η σηματοδότηση από τον επιδερμικό αυξητικό παράγοντα οδηγεί στην ενεργοποίηση της Ras, μιας μικρής πρωτεΐνης G 425 Η ενεργοποιημένη Ras ξεκινά ένα καταρράκτη πρωτεϊνικών κινασών 426 Η σηματοδότηση από τον επιδερμικό αυξητικό παράγοντα τερματίζεται από πρωτεϊνικές φωσφατάσες και από την ενδογενή δραστικότητα GTPάσης της Ras 427 14.4 Σε διάφορες πορείες μεταγωγής σήματος πολλά στοιχεία επαναλαμβάνονται με παραλλαγές 427 14.5 Ελαττώματα στις πορείες μεταγωγής σήματος μπορούν να οδηγήσουν σε καρκίνο και άλλες νόσους 429 Τα μονοκλωνικά αντισώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναστείλουν πορείες μεταγωγής σήματος που είναι ενεργοποιημένες στους όγκους 430 Οι αναστολείς των πρωτεϊνικών κινασών μπορούν να είναι αποτελεσματικά αντικαρκινικά φάρμακα 430 H χολέρα και ο κοκκύτης οφείλονται σε τροποποίηση της δραστικότητας των πρωτεϊνών G 431
Περιεχόμενα xxi Μέρος IΙ μετατροπη και αποθηκευση ενεργειασ Κεφάλαιο 15 Mεταβολισμός: βασικές έννοιες και σχεδιασμός 437 15.1 O μεταβολισμός αποτελείται από πολλές συζευγμένες, και διασυνδεμένες αντιδράσεις 438 Ο μεταβολισμός αποτελείται από αντιδράσεις που παράγουν ενέργεια και από αντιδράσεις που απαιτούν ενέργεια 438 Mια θερμοδυναμικά ευνοούμενη αντίδραση μπορεί να ωθήσει μια μη ευνοούμενη αντίδραση 439 15.2 Η ATP είναι το παγκόσμιο νόμισμα ελεύθερης ενέργειας στα βιολογικά συστήματα 440 Η υδρόλυση της ΑΤΡ είναι εξώεργη 440 H υδρόλυση της ATP ωθεί τον μεταβολισμό μετατοπίζοντας την ισορροπία των συζευγμένων αντιδράσεων 441 Το υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας της ΑΤΡ προκύπτει από τις δομικές διαφορές μεταξύ της ΑΤΡ και των προϊόντων της υδρόλυσής της 443 Tο δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας είναι μια σπουδαία μορφή μετασχηματισμού της κυτταρικής ενέργειας 444 15.3 H οξείδωση των καύσιμων οργανικών μορίων είναι μια σπουδαία πηγή κυτταρικής ενέργειας 445 Eνώσεις με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας μπορούν να συζεύξουν την οξείδωση του άνθρακα με τη σύνθεση της ATP 446 Oι βαθμιδώσεις συγκέντρωσης ιόντων μεταξύ των δύο πλευρών μεμβρανών παρέχουν μια σπουδαία μορφή κυτταρικής ενέργειας, η οποία μπορεί να συζευχθεί με τη σύνθεση της ATP 447 Η ενέργεια από τα τρόφιμα εξάγεται σε τρία στάδια 447 15.4 Oι μεταβολικές πορείες περιέχουν πολλά επαναλαμβανόμενα μοτίβα 448 Oι ενεργοποιημένοι φορείς αποτελούν παράδειγμα του τμηματικού σχεδιασμού και της οικονομίας του μεταβολισμού 448 Πολλοί ενεργοποιημένοι φορείς παράγονται από βιταμίνες 451 Σε όλο τον μεταβολισμό επαναλαμβάνονται βασικές αντιδράσεις 453 Oι μεταβολικές διεργασίες ρυθμίζονται με τρεις κύριους τρόπους 455 Πτυχές του μεταβολισμού μπορεί να εξελίχθηκαν από ένα κόσμο RNA 457 Κεφάλαιο 16 Γλυκόλυση και γλυκονεογένεση 463 Η γλυκόζη παράγεται από υδατάνθρακες της διατροφής 464 Η γλυκόζη είναι ένα σημαντικό καύσιμο για τους περισσότερους οργανισμούς 465 16.1 Η γλυκόλυση είναι μια πορεία μετατροπής ενέργειας σε πολλούς οργανισμούς 465 Η εξοκινάση δεσμεύει γλυκόζη μέσα στα κύτταρα αρχίζοντας τη γλυκόλυση 465 Η 1,6-διφωσφορική φρουκτόζη παράγεται από την 6-φωσφορική γλυκόζη 467 Το σάκχαρο με τους έξι άνθρακες διασπάται από την αλδολάση σε δύο θραύσματα των τριών ατόμων άνθρακα 468 Μηχανισμός: Η ισομεράση των φωσφορικών τριοζών διασώζει ένα θραύσμα τριών ανθράκων 469 Η οξείδωση μιας αλδεΰδης σε οξύ είναι η κινητήρια δύναμη του σχηματισμού μιας ένωσης με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικής ομάδας 471 Μηχανισμός: Η φωσφορυλίωση είναι συζευγμένη με την οξείδωση της 3-φωσφορικής γλυκεραλδεΰδης από ένα ενδιάμεσο θειοεστέρα 472 Το ΑΤΡ σχηματίζεται μέσω της μεταφοράς φωσφορικής ομάδας από το 1,3-διφωσφογλυκερικό 473 Με το σχηματισμό του πυροσταφυλικού παράγεται επιπρόσθετη ΑΤΡ 474 Κατά τη μετατροπή της γλυκόζης σε πυροσταφυλικό σχηματίζονται δύο μόρια ΑΤΡ 475 Από τον μεταβολισμό του πυροσταφυλικού παράγεται NAD + 476 Απουσία οξυγόνου οι ζυμώσεις προμηθεύουν χρήσιμη ενέργεια 479 Η θέση πρόσδεσης του NAD + είναι παρόμοια σε πολλές αφυδρογονάσες 479 Η φρουκτόζη και η γαλακτόζη μετατρέπονται σε γλυκολυτικά ενδιάμεσα 480 Πολλοί ενήλικοι έχουν δυσανεξία στο γάλα διότι έχουν ανεπάρκεια λακτάσης 481 Η γαλακτόζη είναι εξαιρετικά τοξική εάν λείπει η μεταφοράση 482 16.2 Η γλυκολυτική πορεία ελέγχεται αυστηρά 483 Η γλυκόλυση στους μυς ρυθμίζεται για να ικανοποιηθεί η ανάγκη για ΑΤΡ 483 Η ρύθμιση της γλυκολυσης στο ήπαρ απεικονίζει τη βιοχημική ευελιξία του ήπατος 485 Μια οικογένεια μεταφορέων επιτρέπει στη γλυκόζη να εισέρχεται και να εξέρχεται από τα ζωικά κύτταρα 487 Ο καρκίνος και η σωματική άσκηση επηρεάζουν τη γλυκόλυση με έναν παρόμοιο τρόπο 488 16.3 γλυκόζη μπορεί να συντεθεί από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις 490 Η γλυκονεογένεση δεν είναι μια αντιστροφή της γλυκόλυσης 491 Η μετατροπή του πυροσταφυλικού
xxii Περιεχόμενα σε φωσφο-ενολοπυροσταφυλικό αρχίζει με τον σχηματισμό του οξαλοξικού 492 Το οξαλοξικό μεταφέρεται στο κυτταρόπλασμα και μετατρέπεται σε φωσφο-ενολοπυροσταφυλικό 494 Η μετατροπή της 1,6-διφωσφορικής φρουκτόζης σε 6-φωσφορική φρουκτόζη και ορθοφωσφορικό είναι ένα μη αντιστρεπτό βήμα 495 Η παραγωγή ελεύθερης γλυκόζης είναι ένα σημαντικό σημείο ελέγχου 495 Έξι φωσφορικές ομάδες υψηλού δυναμικού μεταφοράς δαπανώνται για τη σύνθεση της γλυκόζης από το πυροσταφυλικό 496 16.4 Η γλυκόλυση και η γλυκονεογένεση ρυθμίζονται αντίρροπα 497 Το ενεργειακό φορτίο καθορίζει αν η γλυκόλυση ή η γλυκονεογένεση θα είναι περισσότερο ενεργός 497 Η ισορροπία μεταξύ της γλυκόλυσης και της γλυκονεογένεσης στο ήπαρ είναι ευαίσθητη στη συγκέντρωση της γλυκόζης στο αίμα 498 Οι κύκλοι υποστρώματος ενισχύουν τα μεταβολικά σήματα και παράγουν θερμότητα 499 Το γαλακτικό και η αλανίνη που σχηματίζονται κατά τη σύσπαση των μυών χρησιμοποιούνται από άλλα όργανα 500 Η γλυκόλυση και η γλυκονεογένεση είναι εξελικτικά διασυνδεδεμένες 502 Κεφάλαιο 17 O κύκλος του κιτρικού οξέος 509 Ο κύκλος του κιτρικού οξέος παράγει ηλεκτρόνια υψηλής ενέργειας 510 17.1 Η πυροσταφυλική αφυδρογονάση συνδέει τη γλυκόλυση με τον κύκλο του κιτρικού οξέος 511 Μηχανισμός: Η σύνθεση του ακετυλο-συνεζύμου Α από το πυροσταφυλικό χρειάζεται τρία ένζυμα και πέντε συνέζυμα 512 Eύκαμπτες συνδέσεις επιτρέπουν στο λιποαμίδιο να μετακινείται μεταξύ διαφορετικών ενεργών κέντρων 514 17.2 O κύκλος του κιτρικού οξέος οξειδώνει μονάδες δύο ατόμων άνθρακα 515 H κιτρική συνθάση σχηματίζει κιτρικό από οξαλικό και ακετυλο-συνένζυμο A 515 Μηχανισμός: Ο μηχανισμός της κιτρικής συνθάσης εμποδίζει μη επιθυμητές αντιδράσεις 516 Tο κιτρικό ισομερειώνεται σε ισοκιτρικό 517 Tο ισοκιτρικό οξειδώνεται και αποκαρβοξυλιώνεται σε α-κετογλουταρικό 518 Tο ηλεκτρυλο-συνένζυμο A σχηματίζεται από την οξειδωτική αποκαρβοξυλίωση του α-κετογλουταρικού 519 Mια ένωση με υψηλό δυναμικό μεταφοράς φωσφορικού παράγεται από το ηλεκτρυλοσυνένζυμο A 519 Μηχανισμός: Η συνθετάση του ηλεκτρυλο-coa μετασχηματίζει τύπους βιοχημικής ενέργειας 520 Tο οξαλοξικό αναπαράγεται από την οξείδωση του ηλεκτρικού 521 Ο κύκλος του κιτρικού οξέος παράγει ηλεκτρόνια με υψηλό δυναμικό μεταφοράς, ΑΤΡ, και CO 2 522 17.3 H είσοδος στον κύκλο του κιτρικού οξέος και ο μεταβολισμός μέσω αυτού υπόκεινται σε έλέγχο 524 Tο σύμπλεγμα της πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης ελέγχεται αλλοστερικά και από αντιστρεπτή φωσφορυλίωση 525 O κύκλος του κιτρικού οξέος ελέγχεται σε αρκετά σημεία 526 Ενζυμικά ελαττώματα στον κύκλο του κιτρικού οξέος συμβάλλουν στην ανάπτυξη του καρκίνου 527 17.4 O κύκλος του κιτρικού οξέος είναι μια πηγή πρόδρομων μορίων βιοσύνθεσης 528 O κύκλος του κιτρικού οξέος πρέπει να είναι ικανός να αναπληρώνεται γρήγορα 528 Η διακοπή του μεταβολισμού του πυροσταφυλικού είναι η αιτία της νόσου μπέρι-μπέρι και της δηλητηρίασης από υδράργυρο και αρσενικό 529 Ο κύκλος του κιτρικού οξέος μπορεί να εξελίχθηκε από προϋπάρχουσες μεταβολικές πορείες 530 17.5 O κύκλος του γλυοξυλικού επιτρέπει στα φυτά και στα βακτήρια να αναπτύσσονται παρουσία οξικού 531 Κεφάλαιο 18 Oξειδωτική φωσφορυλίωση 537 18.1 H οξειδωτική φωσφορυλίωση στους ευκαρυωτικούς οργανισμούς λαμβάνει χώρα στα μιτοχόνδρια 538 Tα μιτοχόνδρια περιβάλλονται από μια διπλή μεμβράνη 538 Tα μιτοχόνδρια έχουν προέλθει από μια διεργασία ενδοσυμβίωσης 539 18.2 H οξειδωτική φωσφορυλίωση εξαρτάται από τη μεταφορά ηλεκτρονίων 540 Το δυναμικό μεταφοράς ηλεκτρονίου ενός ηλεκτρονίου μετράται ως το δυναμικό οξειδοαναγωγής 540 Mια διαφορά δυναμικού 1,14 Volt μεταξύ NADH και O 2 ωθεί τη μεταφορά ηλεκτρονίων μέσω της αλυσίδας και ευνοεί τη βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων 543 18.3 H αναπνευστική αλυσίδα αποτελείται από τέσσερα σύμπλοκα: τρεις αντλίες πρωτονίων και μια φυσική σύνδεση με τον κύκλο του κιτρικού οξέος 543 Tα ηλεκτρόνια υψηλού δυναμικού του NADH εισέρχονται στην αναπνευστική αλυσίδα μέσω της οξειδοαναγωγάσης του ζεύγους NADH-Q 545 H ουβικινόλη είναι το σημείο εισόδου ηλεκτρονίων από το FADH 2 των φλαβινοπρωτεϊνών 547 Tα ηλεκτρόνια ρέουν από την ουβικινόλη προς το κυτόχρωμα c, μέσω της οξειδοαναγωγάσης του ζεύγους Q-κυτοχρώματος c 547
Περιεχόμενα xxiii Ο κύκλος του συνενζύμου Q διοχετεύει ηλεκτρόνια από έναν φορέα δύο ηλεκτρονίων σε έναν φορέα ενός ηλεκτρονίου και αντλεί πρωτόνια 548 H οξειδάση του κυτοχρώματος c καταλύει την αναγωγή του μοριακού οξυγόνου σε νερό 549 Tοξικά παράγωγα του μοριακού οξυγόνου, όπως η ρίζα του σουπεροξειδίου, περισυλλέγονται από προστατευτικά ένζυμα 552 H μεταφορά ηλεκτρονίων μπορεί να επιτευχθεί και μεταξύ ομάδων οι οποίες δεν βρίσκονται σε επαφή 554 H στερεοδιάταξη του κυτοχρώματος c έχει παραμείνει ουσιαστικά αμετάβλητη για περισσότερο από ένα δισεκατομμύριο χρόνια 555 18.4 H σύνθεση της ATP ωθείται από μια βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων 556 H συνθάση της ATP αποτελείται από μια μονάδα αγωγής πρωτονίων και μια καταλυτική μονάδα 557 H ροή πρωτονίων μέσω της συνθάσης της ATΡ οδηγεί στην απελευθέρωση στερεά προσδεμένης ATP: ο μηχανισμός αλλαγής της συγγένειας πρόσδεσης 558 Περιστροφική κατάλυση: ο πιο μικροσκοπικός μοριακός κινητήρας που γνωρίζουμε 560 H ροή των πρωτονίων γύρω από τον δακτύλιο c ωθεί τη σύνθεση της ATP 560 H συνθάση της ATP και οι πρωτεΐνες G έχουν αρκετά κοινά γνωρίσματα 562 18.5 Πολλά συστήματα μεταφοράς επιτρέπουν τη μετακίνηση ουσιών διά μέσου των μιτοχονδριακών μεμβρανών 563 Tα ηλεκτρόνια του κυτταροπλασματικού NADH εισέρχονται στα μιτοχόνδρια με συστήματα μεταφοράς 563 H είσοδος της ADP στα μιτοχόνδρια είναι συζευγμένη με την έξοδο ATP μέσω της μετατοπάσης ATP-ADP 564 Oι μιτοχονδριακοί μεταφορείς μεταβολιτών έχουν μια κοινή τριμερή δομή 565 18.6 H ρύθμιση της κυτταρικής αναπνοής καθορίζεται κυρίως από τις ανάγκες σε ATP 566 H πλήρης οξείδωση της γλυκόζης αποδίδει περίπου 30 μόρια ATP 566 O ρυθμός της οξειδωτικής φωσφορυλίωσης καθορίζεται από τις ανάγκες σε ATP 567 H ρυθμιζόμενη αποσύζευξη οδηγεί στην παραγωγή θερμότητας 568 H οξειδωτική φωσφορυλίωση μπορεί να ανασταλεί σε πολλά στάδιά της 570 H ανακάλυψη μιτοχονδριακών νόσων 571 Tα μιτοχόνδρια παίζουν σπουδαίο ρόλο στην απόπτωση 571 H μεταφορά ενέργειας από βαθμιδώσεις συγκέντρωσης πρωτονίων: ένα κεντρικό θέμα της βιοενεργητικής 572 Κεφάλαιο 19 Oι φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης 579 Η φωτοσύνθεση μετατρέπει την φωτεινή ενέργεια σε χημική ενέργεια 580 19.1 H φωτοσύνθεση λαμβάνει χώρα στους χλωροπλάστες 581 Tα πρωταρχικά γεγονότα της φωτοσύνθεσης λαμβάνουν χώρα στις μεμβράνες των θυλακοειδών 581 Οι χλωροπλάστες αναδύθηκαν από ένα ενδοσυμβιωτικό συμβάν 582 19.2 H απορρόφηση φωτός από τη χλωροφύλλη επάγει τη μεταφορά ηλεκτρονίων 582 Ένα ειδικό ζεύγος χλωροφυλλών ξεκινά τον διαχωρισμό των φορτίων 583 Η κυκλική ροή ηλεκτρονίων ανάγει το κυτόχρωμα στο κέντρο αντίδρασης 585 19.3 Στη φωτοσύνθεση που παράγει οξυγόνο, δύο φωτοσυστήματα παράγουν μια βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων και NADPH 586 Tο φωτοσύστημα II μεταφέρει ηλεκτρόνια από το νερό στην πλαστοκινόνη και παράγει μια βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων 586 Tο σύμπλεγμα κυτοχρωμάτων bf συνδέει το φωτοσύστημα II με το φωτοσύστημα I 589 Tο φωτοσύστημα I χρησιμοποιεί ενέργεια φωτός για να παραγάγει ανηγμένη φερρεδοξίνη, ένα ισχυρό αναγωγικό μέσον 589 H αναγωγάση του ζεύγους φερρεδοξίνης-nadp 1 μετατρέπει το nadp 1 σε nadph 590 19.4 H σύνθεση της ATP ωθείται από μια βαθμίδωση συγκέντρωσης πρωτονίων μεταξύ των δύο πλευρών της μεμβράνης του θυλακοειδούς 591 H χλωροπλαστική συνθάση της ATP μοιάζει πάρα πολύ με εκείνες των μιτοχονδρίων και των προκαρυωτικών οργανισμών 592 H κυκλική ροή ηλεκτρονίων διά μέσου του φωτοσυστήματος I οδηγεί στην παραγωγή ATP αντί NADPH 593 H απορρόφηση οκτώ φωτονίων αποδίδει ένα μόριο O 2, δύο μόρια NADPH και τρία μόρια ATP 594 19.5 Eπικουρικές χρωστικές διοχετεύουν ενέργεια στα κέντρα αντίδρασης 595 H μεταφορά ενέργειας υπό συντονισμό επιτρέπει στην ενέργεια να μεταφερθεί από τη θέση αρχικής απορρόφησης στο κέντρο αντίδρασης 595 Tα φωτοσυλλεκτικά συμπλέγματα περιέχουν επιπλέον χλωροφύλλες και καροτενοειδή 596 Oι συνιστώσες της φωτοσύνθεσης είναι πολύ οργανωμένες 597 Πολλά ζιζανιοκτόνα αναστέλλουν τις φωτεινές αντιδράσεις της φωτοσύνθεσης 598