Biophysical Chemistry Biophysical Chemistry Dagmar Klostermeier • Markus G. Rudolph Boca Raton London New York CRC Press is an imprint of the Taylor & Francis Group, an informa business CRC Press Taylor & Francis Group 6000 Broken Sound Parkway NW, Suite 300 Boca Raton, FL 33487-2742 © 2017 by Taylor & Francis Group, LLC CRC Press is an imprint of Taylor & Francis Group, an Informa business No claim to original U.S. Government works Printed on acid-free paper Version Date: 20160831 International Standard Book Number-13: 978-1-4822-5223-1 (Hardback) This book contains information obtained from authentic and highly regarded sources. Reasonable efforts have been made to publish reliable data and information, but the author and publisher cannot assume responsibility for the validity of all materials or the consequences of their use. 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Identifiers: LCCN 2016035573| ISBN 9781482252231 (hardback ; alk. paper) | ISBN 1482252236 (hardback ; alk. paper) | ISBN 9781482252255 (e-book) | ISBN 1482252252 (e-book) | ISBN 9781482252262 (e-book) | ISBN 1482252260 (e-book) | ISBN 9781482252248 (e-book) | ISBN 1482252244 (e-book) Subjects: LCSH: Physical biochemistry. | Thermodynamics. | Molecular structure. Classification: LCC QD476.2 .K56 2017 | DDC 572/.43--dc23 LC record available at https://lccn.loc. gov/2016035573 Visit the Taylor & Francis Web site at http://www.taylorandfrancis.com and the CRC Press Web site at http://www.crcpress.com Contents Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xvii Acknowledgments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xix Authors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi PART I  Thermodynamics Chapter 1. Systems and their Surroundings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4 Chapter 2. State Functions and the Laws of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 2.1 General Considerations: State Variables and State Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5 2.2 The Internal Energy U and the First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2.2.1 Internal Energy, Heat, and Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7 2.2.2 The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8 2.2.3 The Ideal Gas: A Convenient System to Understand Thermodynamic Principles . . . .9 2.2.4 Changes in the State of an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12 2.2.4.1 Irreversible Isothermal Expansion and Compression . . . . . . . . . . . . . . . .12 2.2.4.2 Reversible Isothermal Expansion and Compression . . . . . . . . . . . . . . . .13 2.2.4.3 Comparison of Reversible and Irreversible Changes of State . . . . . . . . .14 2.2.4.4 Adiabatic Expansion and Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16 2.2.5 Thermodynamic Cycles: Back and Forth or Round and Round . . . . . . . . . . . . . . . .20 2.2.5.1 The Carnot Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21 2.2.6 The Temperature Dependence of the Internal Energy U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25 2.3 The Enthalpy H . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .26 2.4 The Entropy S and the Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29 2.4.1 Predicting Spontaneity of Processes: Dissipation of Heat and Matter . . . . . . . . . .29 2.4.2 Entropy and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30 2.4.3 Temperature Dependence of the Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32 2.4.4 The Third Law of Thermodynamics and Absolute Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33 2.4.5 Entropy and Order: The Statistic Interpretation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34 2.5 The Free Energy G : Combining System and Surroundings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37 2.5.1 Entropy- and Enthalpy-Driven Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39 2.5.2 Pressure and Temperature Dependence of the Free Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . .41 v vi Biophysical Chemistry 2.5.3 Standard States . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43 2.5.4 Relation of Free Energy, Enthalpy, and Entropy to Molecular Properties . . . . . . . .44 2.6 The Chemical Potential μ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46 2.6.1 The Chemical Potential as a Driving Force for Chemical Reactions . . . . . . . . . . . .46 2.6.2 The Chemical Potential and Stable States: Phase Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48 2.6.3 Pressure and Temperature Dependence of the Chemical Potential . . . . . . . . . . . .51 2.6.4 The Chemical Potential as a Partial Molar Property . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51 2.6.5 The Chemical Potential of Compounds in Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .52 2.6.6 The Chemical Potential of Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55 2.6.7 Colligative Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65 Chapter 3. Energetics and Chemical Equilibria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 3.1 The Free Energy Change and the Equilibrium Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67 3.1.1 Temperature Dependence of the Equilibrium Constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69 3.1.2 The Principle of Le Chatelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70 3.2 Binding and Dissociation Equilibria and Affinity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71 3.3 Protolysis Equilibria: The Dissociation of Acids and Bases in Water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74 3.4 Thermodynamic Cycles, Linked Functions and Apparent Equilibrium Constants . . . . . . .75 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .83 Chapter 4. Thermodynamics of Transport Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 4.1 Diffusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85 4.2 The Chemiosmotic Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .90 4.3 Active and Passive Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92 4.4 Directed Movement by the Brownian Ratchet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .94 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98 Chapter 5. Electrochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 5.1 Redox Reactions and Electrochemical Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101 5.2 Types of Half-Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .104 5.3 Standard Electrode Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .105 5.4 The Nernst Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106 5.5 Measuring pH values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .108 5.6 Redox Reactions in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 5.6.1 The Respiratory Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109 5.6.2 The Light Reaction in Photosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110 5.7 The Electrochemical Potential and Membrane Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111 5.8 Electrophysiology: Patch-Clamp Methods to Measure Ion Flux through Ion Channels . . . .114 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116 PART II  Kinetics Chapter 6. Reaction Velocities and Rate Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123 Chapter 7. Integrated Rate Laws for Uni- and Bimolecular Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .135 Contents vii Chapter 8. Reaction Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 8.1 Reversible Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137 8.2 Parallel Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .140 8.3 Consecutive Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .146 Chapter 9. Rate-Limiting Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .147 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151 Chapter 10. Binding Reactions: One-Step and Two-Step Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .159 Chapter 11. Steady-State (Enzyme) Kinetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161 11.1 Rapid Equilibrium (Michaelis-Menten Formalism) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .162 11.2 Steady-State Approximation (Briggs-Haldane Formalism) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164 11.3 pH Dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .167 11.4 Two or More Non-Interacting Active Sites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172 11.5 Two or More Interacting Active Sites: Cooperativity and the Hill Equation . . . . . . . . . . . .175 11.6 Inhibition of Enzyme Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 11.6.1 Product Inhibition in Reversible Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .179 11.6.2 Competitive Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .182 11.6.3 Non-Competitive Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .183 11.6.4 Mixed Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .185 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .187 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .189 Chapter 12. Complex Reaction Schemes and their Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 12.1 Binding of Two Substrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 12.1.1 Random Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .191 12.1.2 Ordered Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .193 12.2 Ping-Pong Mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .196 12.3 Net Rate Constants and Transit Times . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .197 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 Chapter 13. Temperature Dependence of Rate Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203 13.1 The Arrhenius Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203 13.2 Transition State Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .203 13.3 Collision Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206 13.4 Kinetic and Thermodynamic Control of Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .207 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208 Chapter 14. Principles of Catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 14.1 Enzyme Catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209 14.2 Acid-Base Catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211 14.3 Electrostatic and Covalent Catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .215 14.4 Intramolecular Catalysis and Effective Concentrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .216 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217 viii Biophysical Chemistry PART III  Molecular Structure and Stability Chapter 15. Molecular Structure and Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 15.1 Configuration and Conformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .221 15.2 Covalent Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .224 15.2.1 Covalent Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 15.2.2 Bond Angles and Torsion Angles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 15.3 Non-Covalent Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .227 15.3.1 Ionic Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229 15.3.2 Interactions between Ions and Dipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .229 15.3.3 Hydrogen Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .232 15.3.4 Interactions between Induced Dipoles: van der Waals Interactions . . . . . . . . . 234 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .237 Chapter 16. Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 16.1 Amino Acids and the Peptide Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 16.1.1 Properties of the Twenty Canonical Amino Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .239 16.1.2 The Peptide Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .241 16.1.3 Side-Chain Rotamers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .243 16.1.4 Post-Translational Modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 16.1.4.1 Glycosylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245 16.1.4.2 Phosphorylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .245 16.1.4.3 Hydroxylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 16.1.4.4 Carboxylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .247 16.1.4.5 Disulfide Bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248 16.1.4.6 Metal Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .248 16.2 Protein Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .251 16.2.1 Helical Secondary Structure Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253 16.2.1.1 α-helix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .253 16.2.1.2 3 -, poly-Pro, and Collagen Helices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .255 10 16.2.2 β-Strands and their Super-Secondary Structures (β-Sheets) . . . . . . . . . . . . . . . . . .257 16.2.3 Reverse Turns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 16.2.4 Protein Domains & Tertiary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .262 16.2.5 Quaternary Structure & Protein-Protein Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265 16.2.5.1 Homo-Oligomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .265 16.2.5.2 Hetero-Oligomers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .267 16.2.6 Protein-Protein Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 16.2.6.1 Surface Complementarity and Buried Surface Area . . . . . . . . . . . . . . . 268 16.2.6.2 Energetics of Macromolecular Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269 16.2.6.3 Role of Water – The Hydrophobic Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .269 16.2.7 Protein-Ligand Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .271 16.2.8 Membrane Proteins and their Lipid Environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273 16.2.8.1 Biological Roles of Lipids and Membranes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .273 16.2.8.2 Types of Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .275 16.2.8.3 Super-Structures Formed by Lipids and Detergents . . . . . . . . . . . . . . .275 16.2.8.4 Properties and Structure of Membrane Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . .277 16.3 Folding and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .279 16.3.1 Driving Forces for Protein Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 16.3.2 First Folding Experiments and the Levinthal Paradox . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .282 Contents ix 16.3.3 Energy Landscapes for Protein Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .283 16.3.4 Mathematical Description of the Two-State Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .285 16.3.5 Folding Pathways and Mechanisms of Protein Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 16.3.5.1 Fast Steps in Protein Folding: Secondary Structure Formation . . . . . .292 16.3.5.2 Rate-Limiting Steps and Protein Folding In Vivo . . . . . . . . . . . . . . . . . . .293 16.3.5.3 Kinetics of Protein Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .295 16.3.5.4 Folding Intermediates in Monomers and Oligomers . . . . . . . . . . . . . . 296 16.3.6 Protein Folding Diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .297 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 Online Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 Chapter 17. Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .303 17.1 Nucleobases, Nucleosides and Nucleotides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 17.1.1 Non-Standard Nucleobases in DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .305 17.1.2 Non-Standard Nucleobases in RNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 17.2 Ribose and Nucleobase Conformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .307 17.2.1 Sugar Pucker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .307 17.2.2 Syn- and Anti-Conformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 17.3 Primary Structure of Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 17.4 Base Pairing and Stacking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311 17.4.1 H-bonds between Nucleobases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .311 17.4.2 Importance of Base Pair Stacking for Double Helix Formation . . . . . . . . . . . . . . .313 17.4.3 Base Pair Geometries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .314 17.5 DNA Structures and Conformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315 17.5.1 DNA Double Helical Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .315 17.5.2 Triple and Quadruple DNA Helices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318 17.5.2.1 Triplexes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .318 17.5.2.2 Quadruplexes and Telomeres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .319 17.5.3 Higher Order DNA Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320 17.5.3.1 Helix Junctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320 17.5.3.2 DNA Supercoiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .322 17.5.3.3 DNA Bending and Kinking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .328 17.5.4 DNA Interactions with Proteins and Ligands . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .329 17.5.4.1 DNA Recognition by Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .329 17.5.4.2 Small Molecule Binding to DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .333 17.6 RNA Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .334 17.6.1 RNA Secondary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .335 17.6.2 RNA Tertiary Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .336 17.6.3 RNA Folding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338 Questions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .338 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .339 Online Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 Chapter 18. Computational Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341 18.1 Sequence Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341 18.1.1 Sequence Composition, Global Properties, and Motifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .341 18.1.1.1 DNA Sequences . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342 18.1.1.2 RNA Secondary Structure Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .342 18.1.1.3 Protein Sequence Composition and Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . .343 18.1.2 Sequence Alignment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .345 18.1.3 Secondary Structure Prediction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348