34. Microbial Biochemistry

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34. Microbial Biochemistry

 

 

CATEGORY: Medical & Medicine – 500 Courses

COURSE NUMBER: 34

FEES: 555/- INR only

CERTIFICATE VALIDITY: Lifetime

CERTIFICATES DELIVERY: In 48 hours

BOOKS/ MANUALS: Pages

Syllabus

1 Bacterial Growth …………………………………………………….. 1
The Lag Phase ………………………………………………………… 1
The Exponential Phase…………………………………………………. 1
Linear Growth…………………………………………………………. 2
The Yield of Growth…………………………………………………… 3
Variation of the Growth Rate at Limiting Carbon Source
Concentrations ………………………………………………………… 4
Continuous Growth: The Chemostat ……………………………………. 5
Advantages of the Continuous Exponential Culture ……………………… 7
Diauxic Growth ……………………………………………………….. 7
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2 The Outer Membrane of Gram-negative Bacteria
and the Cytoplasmic Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
The Outer Membrane of Gram-Negative Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
The Cytoplasmic Membrane. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Energy Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
ATP Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Subunit Composition of the ATP Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
ATP Synthesis in Archaea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
3 Peptidoglycan Synthesis and Cell Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
General Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Assembly of the Peptidoglycan Unit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
The Membrane Steps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Assembly of the Murein Sacculus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Penicillin Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Cell Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

4 Cellular Permeability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Accumulation, Crypticity, and Selective Permeability. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
b-Galactoside Permease. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Accumulation in Induced Cells: Kinetics and Specificity . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
The Induced Synthesis of Galactoside Permease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Functional Significance of Galactoside Permease: Specific Crypticity . . . 30
Functional Relationships of Permease: Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Genetic Relationships of Galactosidase and Galactoside
Permease. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Galactoside Permease as Protein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
Periplasmic Binding Proteins and ATP Binding Cassettes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Phosphotransferases: The PTS System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
TRAP Transporters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
A Few Well-identified Cases of Specific Cellular Permeability . . . . . . . . . . . . . 42
Amino Acid Permeases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Peptide Permeases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Porins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Iron Uptake. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5 Allosteric Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
Allosteric Inhibition and Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
An Alternative Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6 Glycolysis, Gluconeogenesis and Glycogen Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Glycogen Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Glycolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Hexokinase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Glucose 6-Phosphate Isomerase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Phosphofructokinase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Fructose 1,6-Bisphosphate Aldolase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Triose Phosphate Isomerase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Glyceraldehyde-3-Phosphate Dehydrogenase (GAPDH). . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Phosphoglycerate Kinase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Phosphoglyceromutase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Enolase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Pyruvate Kinase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Gluconeogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Fructose Bisphosphatase in Microorganisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Glycogen Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Glycogen Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
viii Contents

Control of Glycogen Biosynthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Branching Enzyme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
7 The Pentose Phosphate and Entner–Doudoroff Pathways . . . . . . . . . . . . . . . 73
The Pentose Phosphate Pathway. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
The Enzymes of the Oxidative Phase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Glucose 6-Phosphate Dehydrogenase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
6-Phosphogluconolactonase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
6-Phosphogluconate Dehydrogenase (Decarboxylating) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Ribose Phosphate Isomerase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
The Enzymes of the Non-oxidative Phase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Transketolase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Transaldolase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Ribulose-5-Phosphate-3-Epimerase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Regulation of the Pentose Phosphate Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
The Entner–Doudoroff Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8 The Tricarboxylic Acid Cycle and the Glyoxylate Bypass . . . . . . . . . . . . . 79
The origin of acetyl CoA: The Pyruvate Dehydrogenase Complex . . . . . . . . 79
Overview of the Tricarboxylic Acid (TCA) Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Origin of the Oxaloacetate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Organization of the Enzymes of the Tricarboxylic Acid Cycle. . . . . . . . . . . . . 96
The Tricarboxylic Acid Cycle Is a Source of Biosynthetic
Precursors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
The Anaplerotic Glyoxylic Pathway Bypass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9 ATP-Generating Processes: Respiration and Fermentation . . . . . . . . . . 101
Respiration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Acetone-Butanol Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
The Stickland Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Ornithine Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Glycine and Proline Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Threonine Degradation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Glutamate Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Lysine Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Arginine Fermentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Methionine Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
D-Selenocystine and D-Cysteine Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
10 Biosynthesis of Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Biosynthesis of Short Chain Fatty Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Biosynthesis of Long-Chain Fatty Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Synthesis of Acetyl CoA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
Synthesis of Malonyl CoA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
From Malonyl CoA to Palmitate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
Regulation of Yeast Fatty Acid Synthesis at the Genetic Level . . . . . . . . . . . 120
Regulation of Fatty Acid Synthesis in Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Biosynthesis of Triglycerides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Biosynthesis of Phosphoglycerides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
Cyclopropane Fatty Acid Synthase (CFA Synthase). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
11 Iron–Sulfur Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Iron–Sulfur Clusters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2Fe–2S Clusters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4Fe–4S Clusters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3Fe–4S Clusters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Other Fe–S Clusters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Biosynthesis of Fe–S Clusters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Iron–Sulfur Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
12 The Archaea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Chemical Characteristics of Archaea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Archaea: Fossil Record . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Economic Importance of the Archaea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
13 Methanogens and Methylotrophs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Methanogens and Methanogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Reduction of CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
Formylmethanofuran Dehydrogenase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
Formylmethanofuran: Tetrahydromethanopterin Formyltransferase . . . . 143
Methenyltetrahydromethanopterin Cyclohydrolase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5, 10-Methylenetetrahydromethanopterin Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . 144
5, 10-Methylenetetrahydromethanopterin F420 Oxidoreductase . . . . . . . . . 145
The Methylreductase: Methyl Coenzyme M Reductase . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Simplification of the Methylreductase System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Structure of the Methylreductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Source of the Energy Needed for the Growth of Methanogens . . . . . . . . . 149
Biosynthesis of Some Cofactors Involved in Methanogenesis . . . . . . . . . . 149
Methanofuran. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Methanopterin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Coenzyme M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
7-Mercaptoheptanoylthreoninephosphate (Coenzyme B) . . . . . . . . . . . . . . . 151
Biosynthesis of Coenzyme F420 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Biosynthesis of Factor F430 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Biosynthesis of Factor III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Methylotrophs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Methanotrophs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
Metabolism of Methyl Compounds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
Methanol Dehydrogenase (MDH). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Anaerobic Oxidation of Methane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Methylamine Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Carbon Assimilation by Methylotrophs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
Carboxydotrophs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
14 Enzyme Induction in Catabolic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
The Specificity of Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
De Novo Synthesis of b-Galactosidase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Constitutive Mutants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Pleiotropy of the Constitutive Mutants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
The Genetic Control and the Cytoplasmic Expression
of Inducibility in the Synthesis of b-Galactosidase in E. coli.
The Lac Repressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Operators and Operons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
15 Transcription: RNA Polymerase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
The Synthesis of Messenger RNA: The Bacterial RNA Polymerase . . . . . . 180
Termination of Transcription in Prokaryotes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Yeast RNA Polymerases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Archaeal RNA Polymerases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
Transcription Termination and PolyA Tails. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
16 Negative Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Induction Is Correlated with the Synthesis
of a Specific Messenger. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
Isolation of the Lac Repressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
The lac Operator Is a DNA sequence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Direct Observation of Transcription Factor Dynamics
in a Living Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
17 Enzyme Repression in Anabolic Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Description of the Phenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Isolation of Derepressed (Constitutive) Mutants in Biosynthetic
Pathways. The Use of Structural Analogues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Replacement of Methionine by Selenomethionine in Proteins. . . . . . . . . . . . . 206
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
18 Positive Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
The Promoter Region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Role of Cyclic AMP and of the CAP Protein in the Binding
of RNA Polymerase to the Promoter Region. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
The Synthesis and Degradation of Cyclic AMP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
How Does Glucose Exert Its Inhibitory Effect on E. coli
b-Galactosidase Synthesis? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
19 The Ribosomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
The Components of E. coli Ribosomes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
The Ribosomes of Eukaryotes and of Archaea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
Mechanistic Aspects of Translation of Messenger RNA
to Protein by Ribosomes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221

20 The Genetic Code, the Transfer RNAs and the Aminoacyl-tRNA-
Synthetases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223

The Genetic Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
The Transfer RNAs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
21 Attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
Regulation of the trp Operon in Bacillus subtilis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
General Remarks on Regulatory Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
22 Riboswitches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
Mechanisms of Riboswitches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
23 The Biological Fixation of Nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Control of Nitrogenase Synthesis and Activity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
24 How Biosynthetic Pathways have been Established . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Use of Isotopes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Use of Auxotrophic Mutants. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
Enzymatic Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
25 The Aspartic Acid Family of Amino Acids: Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . 257
The Biosynthesis of Aspartic Acid and Asparagine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Biosynthesis of Lysine from Aspartate Semialdehyde in Bacteria. . . . . . . . . 260
xii Contents

The Synthesis of Dipicolinic Acid, a Substance Present
in the Spores of Gram-Positive Bacilli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
The Reduction of Aspartate Semialdehyde to Homoserine,
the Common Precursor of Methionine and Threonine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Biosynthesis of Methionine from Homoserine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
S-Adenosylmethionine (SAM) Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Biosynthesis of Threonine from Homoserine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Biosynthetic Threonine Dehydratase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
Isoleucine Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Summary of the Biosynthetic Pathway of the Aspartate
Family of Amino Acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Ectoine Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
26 Regulation of the Biosynthesis of the Amino Acids
of the Aspartic Acid Family in Enterobacteriaceae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
A Paradigm of Isofunctional and Multifunctional Enzymes
and of the Allosteric Equilibrium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Two Aspartokinases in E. coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
The Threonine-Sensitive Homoserine Dehydrogenase
of E. coli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Isolation of a Mutant Lacking the Lysine-Sensitive Aspartokinase
and of Revertants Thereof. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Evidence That the Threonine-Sensitive Aspartokinase
and Homoserine Dehydrogenase of E. coli Are Carried
by the Same Bifunctional Protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
The Binding of Threonine to Aspartokinase I-Homoserine
Dehydrogenase I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
The Binding of Pyridine Nucleotides to Aspartokinase
I-Homoserine Dehydrogenase I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
The Effects of Threonine on Aspartokinase I-Homoserine
Dehydrogenase I Are Not Only Due to Direct Interactions . . . . . . . . . . . . . 284
The Allosteric Transition of Aspartokinase
I-Dehydrogenase I. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Aspartokinase II-Homoserine Dehydrogenase II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Aspartokinase III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
Regulations at the Genetic Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
The Threonine Operon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Regulation of the Lysine Regulon at the Genetic Level. . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Regulation of Methionine Biosynthesis at the
Genetic Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
The Methionine Repressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
The metR Gene and Its Product. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
The Regulation of Isoleucine Synthesis at the Genetic Level. . . . . . . . . . . 304
Contents xiii

Appendix: More on Regulons. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
27 Other Patterns of Regulation of the Synthesis of Amino Acids
of the Aspartate Family . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Concerted Feedback Inhibition of Aspartokinase Activity
in Rhodobacter capsulatus (Formerly Rhodopseudomonas
capsulata) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Pseudomonads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Specific Reversal of a Particular Feedback Inhibition by
Other Essential Metabolites. The Case of Rhodospirillum rubrum . . . . . . . . 310
The Particular Case of Spore-Forming bacilli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Some Other Cases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
28 Biosynthesis of the Amino Acids of the Glutamic Acid Family
and Its Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
The Biosynthesis of Glutamine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Biosynthesis of Glutamine: Cumulative Feedback
Inhibition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Biosynthesis of Glutamine: The Covalent Modification
of Glutamine Synthetase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Glutamine Synthetase Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Reversible Adenylylation of the Glutamine Synthetase . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Regulation of Glutamine Synthetase Activity by
Covalent Adenylylation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
The Regulation of the Synthesis of Glutamine
Synthetase also Involves the Two Forms of PII
and UTase/UR. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Glutamine Synthetase in Other Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
The Biosynthesis of Glutamate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Glutamate Dehydrogenase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Glutamate Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
Biosynthesis of Proline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Utilization of Proline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
The Biosynthesis of Arginine and Polyamines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Biosynthesis of Arginine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Regulation of Arginine Biosynthesis at the
Transcriptional Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
The Arginine Repressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Polyamine Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Utilization of Arginine as Sole Nitrogen Source
by B. subtilis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

Nitric Oxide Synthase in Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
The Biosynthesis of Lysine in Yeasts and Molds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
The Aminoadipic Acid Pathway . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
29 Biosynthesis of Amino Acids Derived from Phosphoglyceric
Acid and Pyruvic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Biosynthesis of Glycine and Serine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
Regulation of Serine Hydroxymethyltransferase
at the Transcriptional Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Biosynthesis of Cysteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
O-Acetylation of Serine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Cysteine Synthesis in Methanogens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
Allosteric Regulation of Cysteine Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Regulation of Cysteine Synthesis at the Genetic Level . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Biosynthesis of Alanine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Biosynthesis of Valine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
Biosynthesis of Leucine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Isoleucine Synthesis from Pyruvate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
Regulation of Valine, Isoleucine and Leucine Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . 359
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
30 Selenocysteine and Selenoproteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Outlook. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
Enzymes Containing Selenocysteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
Formate Dehydrogenases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
The Glycine Reductase Complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
The Nicotinic Acid Hydroxylase of Clostridium barkeri. . . . . . . . . . . . . . . . 365
Hydrogenases. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
Xanthine Dehydrogenase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
Acetoacetyl CoA Thiolase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Gene Products Involved in Selenocysteine Biosynthesis
and Incorporation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
Selenocysteine Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Selenophosphate Synthetase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Selenocysteine Lyase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Selenocysteyl tRNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
Insertion Sequences (SECIS Elements). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Selenocysteine and Archaea. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Biochemical Function of the Selenocysteine Residue in Catalysis . . . . . . . . 371
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
31 Biosynthesis of Aromatic Amino Acids and Its Regulation . . . . . . . . . . . 373
The Common Pathway (Shikimic Pathway). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373

Formation of Shikimic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
Formation of Chorismic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
Physiological Aspects of the Regulation of the Common
Pathway. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
Characteristics of the Common Pathway in Several Organisms . . . . . . . . 379
Biosynthesis of Phenylalanine and Tyrosine from Chorismic Acid . . . . . . . 380
The tyrR Regulon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Regulation of the pheA Gene by Attenuation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Other Organisms: The Arogenate Pathway of Phenylalanine
and Tyrosine Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382
Aspartate as a Presursor of Aromatic Amino Acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
The Biosynthesis of Tryptophan from Chorismic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
Anthranilate Synthase-Anthranilate Phosphoribosyltransferase . . . . . . . . . 385
Phosphoribosylanthranilate Isomerase-Indoleglycerophosphate
Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
Tryptophan Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
Regulation of Tryptophan Biosynthesis at the Genetic Level: The
Tryptophan Repressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
A Unitary Model for Induction and Repression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Isolation of the Trp Repressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Enterochelin (Enterobactin) Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
The Synthesis of 2,3-Dihydroxybenzoic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
32 The Biosynthesis of Histidine and Its Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Regulation of Histidine Biosynthesis at the Genetic Level . . . . . . . . . . . . . . . . 402
Synthesis of Diphthamide, a Modified Histidine, by Archaea . . . . . . . . . . . . . 407
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
33 The Biosynthesis of Nucleotides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
The Biosynthesis of Pyrimidine Nucleotides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
Synthesis of 5-Phosphoribosyl-1-Pyrophosphate (PRPP) . . . . . . . . . . . . . . . 409
Synthesis of Carbamylphosphate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
The Synthesis of Cytidine and Uridine Triphosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
Direct Utilization of Pyrimidines and of Their Derivatives . . . . . . . . . . . . . 414
Aspartate Transcarbamylase of E. coli. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
The Aspartate Transcarbamylase of Other Organisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
Regulation of Pyrimidine Nucleotide Synthesis at the
Genetic Level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
The Biosynthesis of Purine Nucleotides. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Biosynthesis of 5-Amino-4-Imidazole Carboxamide
Ribonucleotide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
Synthesis of Inosinic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
The Synthesis of Guanylic and Adenylic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
Remarks on the Control of Purine Nucleotide Biosynthesis . . . . . . . . . . . . 427

From Nucleoside Monophosphates to Nucleoside Diphosphates
and Triphosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
34 The Biosynthesis of Deoxyribonucleotides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
The Formation of Deoxyribonucleoside Diphosphates from Ribose
Nucleoside Diphosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
The Ribosenucleoside Diphosphate (NDP) Reductase System
of E. coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
Thioredoxin and Thioredoxin Reductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
Ribonucleoside Reductase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
Regulation of the Activity of Ribonucleoside Diphosphate Reductase . . . . 436
dCMP Deaminase and Thymidylate Synthase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 437
dUTPase. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
The Ribonucleoside Phosphate Reductase of Other Organisms . . . . . . . . . . . 439
A Ribonucleotide Triphosphate Reductase Reaction in E. coli
Grown Under Anaerobic Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
The Synthesis of Deoxyribonucleoside Triphosphates from the
Diphosphates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
Organization of DNA Precursor Synthesis in Eukaryotic Cells. . . . . . . . . . . . 441
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
35 Biosynthesis of Some Water-Soluble Vitamins and of Their
Coenzyme Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Biosynthesis of Thiamin and Cocarboxylase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Control of Thiamin Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Biosynthesis of Riboflavin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447
Biosynthesis of Nicotinamide, NAD+ and NADP+. . . . . .  . . . . . . 449
Regulation of the Biosynthesis of Nicotinamide and Its Derivatives . . . . . . 452
NAD+ and the ADP-Ribosylation of Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
Biosynthesis of Para-Aminobenzoic Acid, of Folic Acid
and Its Derivatives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454
Biosynthesis of Vitamin B6 Pyridoxine, and of Its Derivatives,
Pyridoxal, Pyridoxamine and Pyridoxal Phosphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
Biosynthesis of Biotin, Biotin CO2, and Biocytin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
The Biotin Operon and Its Repressor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Biosynthesis of Lipoic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
Biosynthesis of Pantothenate and Coenzyme A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
The Synthesis of Pantothenic Acid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
The Synthesis of Coenzyme A from Pantothenic Acid . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
The Acyl Carrier Protein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
The Biosynthesis of Inositol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Biosynthesis of Pyrroloquinoline Quinone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 470

36 Biosynthesis of Carotene, Vitamin A, Sterols, Ubiquinones and
Menaquinones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
Synthesis of the Common Precursor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471
The Non-mevalonate Pathway of Isoprenoid Precursor
(Dimethylallyl Pyrophosphate) Biosynthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
Synthesis of b-Carotene, Carotenoids and Vitamin A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
Synthesis of the Carotenoids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
Regulation of Carotenoid Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
Synthesis of Vitamin A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
Synthesis of Sterols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
The Biosynthesis of Ubiquinones and Menaquinones. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
37 Biosynthesis of the Tetrapyrrole Ring System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
Synthesis of Protoporphyrin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
Synthesis of Heme from Protoporphyrin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
Heme Biosynthesis in Archaea . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
Synthesis of Chlorophyll from Protoporphyrin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
Biosynthesis of the Phycobilin Chromophores. Chromatic
Adaptation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
A Type of Chromatic Adaptation Under Conditions
of Sulfur Starvation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500
38 Biosynthesis of Cobalamins Including Vitamin B12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503
Cobinamide Biosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
From GDP-Cobinamide to Cobalamin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
39 Interactions Between Proteins and DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
DNA-Binding Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
Study of the Protein–DNA Complexes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
Some Other Types of DNA-Binding Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
40 Evolution of Biosynthetic Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
Principles of Protein Evolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
Two Theories for the Evolution of Biosynthetic Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . 525
The Methionine and Cysteine Biosynthetic Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
The Threonine, Isoleucine, Cysteine and Tryptophan Biosynthetic
Pathways . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
The Evolutionary Pathway Leading to the Three Isofunctional
Aspartokinases in Escherichia coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535

Transmembrane Facilitators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
DNA-Binding Regulator Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
Selected References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

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