Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations Fourth Edition Abberviations in Biochemistry A (or Ade) adenine ACP acyl carrier protein ACTH adrenocorticotropic hormone acyl coA acyl derivative of CoA ADH antidiuretic hormone AdoMet adenosylmethionine Ala alanine ALA aminolevulinic acid AMP adenosine monophosphate cAMP cyclic AMP Arg arginine Asn asparagine Asp aspartate ATP adenosine triphosphate ATPase adenosine triphosphatase BMR basal metabolic rate BPG D­2,3 hisphosphoglycerate C (or Cyt) cytosine CDP cytidine diphosphate CMP cytidine monophosphate CTP cytidine triphosphate CoA or CoASH coenzyme A CoQ coenzyme Q (ubiquinone) cyclic AMP adenosine 3,5­cyclic monophosphate cyclic GMP xuanosine 3,5­cyclic monophosphate Cys cysteine d 2­deoxyriho DNA deoxyribonucleic acid cDNA complementary DNA dopa 3,4­dihydroxyphenylalanine EcoR1 EcoR1 restriction endonuclease FAD flavin adenine dinucleotide (oxidized form) FADH flavin adenine dinucleotide (reduced form) 2 fMet formylmethionine FMN flavin mononucleotide (oxidized form) FMNH flavin mononucleotide (reduced form) 2 Fp flavoprotein G (or Gua) guanine GABA g­aminobutyric acid Gal galactose Glc glucose Gln glutamine Glu glutamate Gly glycine GDP guanosine diphosphate GMP guanosine monophosphate GTP guanosine triphosphate GSH glutathione Hb hemoglobin HbCO carbon monoxide hemoglobin HbO oxyhemoglobin 2 HDL high density lipoprotein HMG CoA b­hydroxy­b­methylglutaryl CoA Hyp hydroxyproline IDL intermediate density lipoprotein IgG immunoglobulin G Ile isoleucine IP inositol 1,4,5 trisphosphate 3 ITP inosine triphosphate K Michaelis–Menten constant m kb kilo base pair LDL low density lipoprotein Leu leucine Lys lysine Mb myoglobin MbO oxymyoglobin 2 Met methionine MetHb methemoglobin NAD+ nicotinamide adenine dinucleotide (oxidized form) NADH nicotinamide adenine dinucleotide (reduced form) NADP+ nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (oxidized form) NADPH nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (reduced form) NANA N­acetylneuraminic acid PEP phosphoenolpyruvate Phe phenylalanine P inorganic orthophosphate i PG prostaglandin PP inorganic pyrophosphate i Pro proline PRPP phosphoribosylpyrophosphate Q ubiquinone (CoQ) RNA ribonucleic acid mRNA messenger RNA rRNA ribosomal RNA tRNA transfer RNA RNase ribonuclease RQ respiratory quotient (CO production/O consumption) 2 2 S Svedberg unit SAM S­adenosylmethionine Ser serine SH sulfhydryl T (or Thy) thymine TCA Tricarhoxylic acid cycle (Krebs cycle) TG triacylglycerol THF tetrahydrofolic acid Thr threonine TPP thiamine pyrophosphate Trp tryptophan TTP thymidine triphosphate Tyr tyrosine U (or Ura) uracil UDP uridine diphosphate UDP­galactose uridine diphosphate galactose UDP­glucose uridine diphosphate glucose UMP uridine monophosphate UTP uridine triphosphate Val valine VLDL very low density lipoprotein Page iii Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations:  Fourth Edition Edited by  Thomas M. Devlin, Ph.D. Professor Emeritus  Department of Biochemistry  MCP∙Hahnemann School of Medicine  Allegheny University of the Health Sciences  Philadelphia, Pennsylvania Page iv Address All Inquiries to the Publisher  Wiley­Liss, Inc., 605 Third Avenue, New York, NY 10158­0012 Copyright © 1997 Wiley­Liss, Inc. Printed in the United States of America. This text is printed on acid­free paper. Under the conditions stated below the owner of copyright for this book hereby grants permission to users to make photocopy reproductions of any part or all of its  contents for personal or internal organizational use, or for personal or internal use of specific clients. This consent is given on the condition that the copier pay the stated  per­copy fee through the Copyright Clearance Center, Incorporated, 27 Congress Street, Salem, MA 01970, as listed in the most current issue of "Permissions to  Photocopy" (Publisher's Fee list, distributed by CCC, Inc.), for copying beyond that permitted by sections 107 or 108 of the US Copyright Law. This consent does  not extend to other kinds of copying for general distribution, for advertising or promotional purposes, for creating new collective works, or for resale. Cover Illustration: An artist's conception of the initiation of the DNA transcription mechanism catalyzed by RNA polymerase and involving protein transcription  factors. Subject Editor: Stephanie Diment  Design: Laura Ierardi  Senior Managing Editor: John Sollami  Marketing Managers: David Stier and David Steltenkamp Manufacturing Manager: Rick Mumma  Illustration Coordinator: Barbara Kennedy  Illustrations and Cover: Page Two This book was set in ITC Garamond Light by Bi­Comp Incorporated, and was printed and bound by Von Hoffmann Press. Library of Congress Cataloging­in­Publication Data Textbook of biochemistry: with clinical correlations/edited by  Thomas M. Devlin — 4th ed.  p.  cm.  Includes bibliographical references and index.  ISBN 0­471­15451­2  1. Biochemistry.  2. Clinical biochemistry.  I. Devlin, Thomas M.  [DNLM: 1. Biochemistry.  QU 4 T355 1997]  QP514.2.T4  1997                                                                                            97­1078 612'.015—dc21                                                                                                      CIP 10 9 8 7 6 5 4 3 Page v To  Katie, Matthew, Ryan, and Laura Page vii Contributors Stelios Aktipis, Ph.D.  Professor  Department of Molecular and Cellular Biochemistry Stritch School of Medicine  Loyola University of Chicago  2160 S. First Avenue  Maywood, IL 60153 Carol N. Angstadt, Ph.D.  Professor  Department of Biomedical Sciences, M.S.# 456 Allegheny University of the Health Sciences  Broad and Vine Streets  Philadelphia, PA 19102­1192 email: angstadt@allegheny William Awad, JR., M.D., Ph.D.  Professor  Departments of Medicine and of Biochemistry University of Miami School of Medicine  P.O. Box 016960  Miami, FL 33101 email: [email protected] James Baggott, Ph.D.  Associate Professor  Department of Biochemistry  MCP∙Hahnemann School of Medicine  Allegheny University of the Health Sciences 2900 Queen Lane  Philadelphia, PA 19129 email: [email protected] Stephen G. Chaney, Ph.D.  Professor  Departments of Biochemistry and Biophysics and of Nutrition  Mary Ellen Jones Building  University of North Carolina at Chapel Hill School of Medicine CB# 7260 Chapel Hill, NC 27599­7260 email: schaney. [email protected] Marguerite W. Coomes, Ph.D.  Associate Professor  Department of Biochemistry and Molecular Biology Howard University College of Medicine  520 W Street, N.W.  Washington, DC 20059­0001 email: [email protected] Joseph G. Cory, Ph.D.  Professor and Chair  Department of Biochemistry  Brody Medical Sciences Building  East Carolina University School of Medicine Greenville, NC 27858­4354 David W. Crabb, M.D.  Professor  Departments of Medicine and of Biochemistry and Molecular Biology Emerson Hall 317  Indiana University School of Medicine  545 Barnhill Drive  Indianapolis, IN 46202­5124 email: dcrabb@­medicine.dmed.iupi.edu Thomas M. Devlin, Ph.D.  Professor Emeritus  Department of Biochemistry  MCP∙Hahnemann School of Medicine  Allegheny University of the Health Sciences Broad and Vine Streets  Philadelphia, PA 19102­1192 email: [email protected] John E. Donelson, Ph.D.  Professor  Howard Hughes Medical Institute and Department of Biochemistry University of Iowa College of Medicine  300 Eckstein Medical Research Building  Iowa City, IA 52242 email: [email protected] Page viii Robert H. Glew, Ph.D.  Professor and Chair  Department of Biochemistry  Basic Medical Science Building, Room 249 University of New Mexico  School of Medicine  915 Camino de Salud NE  Albuquerque, NM 87131 email: [email protected] Dohn G. Glitz, Ph.D.  Professor  Department of Biological Chemistry UCLA School of Medicine  Los Angeles, CA 90095­1737 email: [email protected] Robert A. Harris, Ph.D.  Showalter Professor and Chair  Department of Biochemistry and Molecular Biology Indiana University School of Medicine  635 Barnhill Drive  Indianapolis, IN 46202­5122 email: [email protected] Ulrich Hopfer, M.D., Ph.D.  Professor  Department of Physiology and Biophysics Case Western Reserve University  2109 Abington Road  Cleveland, OH 44106­4970 email: [email protected] Michael N. Liebman, Ph.D.  Director, Bioinformatics and Genomics VYSIS, Inc.  3100 Woodcreek Drive  Downers Grove, IL 60515 email: [email protected] Gerald Litwack, Ph.D.  Professor and Chair  Department of Biochemistry and Molecular Pharmacology Deputy Director Kimmel Cancer Institute  Jefferson Medical College  Thomas Jefferson University  233 South 10th Street  Philadelphia, PA 19107 email: [email protected] Bettie Sue Siler Masters, Ph.D.  Robert A. Welch Foundation Professor in Chemistry  Department of Biochemistry  University of Texas Health Science Center at San Antonio 7703 Floyd Curl Drive  San Antonio, TX 78284­7760 email: [email protected] Denis McGarry, Ph.D.  Professor  Departments of Internal Medicine and of Biochemistry  Bldg. G5, Room 210  University of Texas Southwestern Medical Center at Dallas 5323 Harry Hines Blvd  Dallas, TX 75235­9135 email: [email protected] Richard T. Okita, Ph.D.  Professor  Department of Pharmaceutical Science 105 Wegner Hall  College of Pharmacy  Washington State University  Pullman, WA 99164­6510 email: [email protected] Merle S. Olson, Ph.D.  Professor and Chair  Department of Biochemistry  University of Texas Health Science Center 7703 Floyd Curl Drive  San Antonio, TX 78284­7760 email: [email protected] Francis J. Schmidt, Ph.D.  Professor  Department of Biochemistry  M121 Medical Sciences  University of Missouri­Columbia Columbia, MO 65212­0001 email: bcfranks@muccmail. missouri.edu Thomas J. Schmidt, Ph.D.  Associate Professor  Department of Physiology and Biophysics 5­610 Bowen Science Building  University of Iowa, College of Medicine  Iowa City, IA 52242­1109 email: thomas­[email protected] Page ix Richard M. Schultz, Ph.D.  Professor and Chair  Department of Molecular and Cellular Biochemistry Stritch School of Medicine  Loyola University of Chicago  2160 South First Avenue  Maywood, IL 60153 email: [email protected] Nancy B. Schwartz, Ph.D.  Professor  Departments of Pediatrics and of Biochemistry and Molecular Biology University of Chicago, MC 5058  5841 S. Maryland Ave.  Chicago, IL 60637­1463 email: n­[email protected] Thomas E. Smith, Ph.D.  Professor and Chair  Department of Biochemistry and Molecular Biology College of Medicine  Howard University  520 W Street, N.W.  Washington, DC 20059­0001 email: [email protected] Gerald Soslau, Ph.D.  Professor  Department of Biochemistry and Director, IMS Program MCP∙Hahnemann School of Medicine, M.S. 344  Allegheny University of the Health Sciences  Broad and Vine Streets  Philadelphia, PA 19102­1192 email: [email protected] J. Lyndal York, Ph.D.  Professor  Department of Biochemistry and Molecular Biology College of Medicine  University of Arkansas for Medical Science  4301 W. Markham St.  Little Rock, AR 72205­7199 email: [email protected] Page xi Foreword These are very exciting times for biochemistry and especially for that part that pertains to human biology and human medicine. The much discussed Human Genome  Project is likely to be completed very early in the next millennium, by the time most users of Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations have graduated.  The Human Genome Project should provide a blueprint of the 100,000 or so genes that the human genome is estimated to contain and lead to an explosion of amazing  proportions in knowledge on complex physiological processes and multigenic disorders. This mapping will reveal undreamed of interrelationships and elucidate control  mechanisms of the fundamental processes of development of the human organism and of their interactions with both milieus (the internal and external). Already, one  eukaryotic genome (that of brewer's yeast, comprising 14 million base pairs in 16 chromosomes) was completed just before I set out to write this Foreword, while  three microbial genomes (that of Mycoplasma genitalium—580,070 base pairs, Hemophilus influenzae—1.83 million base pairs, and Synechosystis—a  photosynthetic organism—3.57 million base pairs) have been completed within 3 to 18 months of isolation of their DNA. Work on the genomes of Mycobacterium  tuberculosis (4.5 million base pairs) and of Plasmodium falciparum—the malarial parasite (27 million base pairs in 14 chromosomes)—is now being undertaken and  should lead to knowledge that can produce novel approaches to the treatment and control of these two scourges of humankind. The theoretical and technical principles  involved in this type of work are clearly described in Chapters 14, 15, and 18 of Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations, which will ensure that  readers will understand and appreciate future developments in the field. Discoveries on the molecular basis of human disease are also being reported at an unprecedented and dizzying rate, opening wider and wider the window to many less  frequent afflictions produced by mutated genes accumulating in the human gene pool. The era of molecular medicine has already arrived. Since the very first edition of  Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations, the correlations have been a feature that has made the book truly unique. In this new edition, the correlations  are numerous, succinct, and integrated with, but also independent of, the text. They not only reflect current progress but indicate more than ever before how  biochemistry, molecular biology, and human genetics have become the foundation stones of all areas of modern medicine. These previously separate disciplines have  become so intimately and inextricably intertwined that little knowledge and understanding of one can occur without knowledge and understanding of others. One of the  many strengths of this book is that clear examples of the convergence and integration of biological disciplines can be found in the clinical correlations. In this fourth edition of Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations, the contributors have provided an up­to­date and logical coverage of basic  biochemistry, molecular biology, and normal and abnormal aspects of physiological chemistry. This material is appropriate and relevant for medical and other health  science students, particularly as we approach the third millenium in the midst of amazing and pervasive progress in medical science and biotechnology. To enhance the  text, a completely new series of vivid illustrations has been added, which will undoubtedly further the readers' understanding of the complexity of many of the concepts.  Students of medical and health sciences should appreciate that the time and effort invested in learning the material presented here will be very well spent. This  knowledge will provide the framework within which further developments will be understood and applied as the readers begin to care for the physical and mental well­ being of those entrusted to them. Furthermore, the knowledge derived from this book will also provide satisfying insight into the processes that underlie human life and  the amazing power of the human mind to explore and understand it. As in previous editions, the fourth edition includes many multiple choice questions (and answers) at  the end of each chapter that should facilitate this learning while ensuring success in professional and other examinations. I am happy and privileged to have watched the growth of human biochemistry (because of my teaching and research responsibilities) since my medical student days  nearly half­a­century ago. It has been an amazing spectacle, full of thrills and exciting adventures into aspects of human cells that were previously shrouded in mystery  and ignorance. As my knowledge has increased, so has my sense of awe and wonder at the unfolding beauty of this marvelous display of nature's secrets. As the late Alberto Sols frequently said: "The Biochemistry of today is the Medicine of tomorrow." Textbook of Biochemistry With Clinical Correlations illustrates  the veracity of this insight. FRANK VELLA  UNIVERSITY OF SASKATCHEWAN