فهرست مطالب بیوشیمی تلفیقی انسانی: کتاب مرجع برای بیوشیمی بالینی:

Part I The Molecules of Life
1 Introduction: Life Is Made of Molecules!. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1 Selected Illustrative Example #1: The Molecular
Origin of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.1 The Replicator Hypothesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 The Metabolism Hypothesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Selected Illustrative Example #2: Viruses—Molecular
Machines Interfering with Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3 Selected Illustrative Example #3: Molecules
as Tools—Drug Discovery and Development . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Challenging Case 1.1: The Origin of Life and Panspermia . . . . . . . . . . 22
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
Challenging Case 1.2: Science in Fiction—Mighty
Weakness vs. Micropower . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Challenging Case 1.3: Mars—NASA’s Laboratory for the Origin
of Life … On Earth!. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2 The Chemistry and Physics of Life . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1 The Basics of Chemistry in Cells and Tissues. . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.1 Principal Biological Buffers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
2.2 More than Only Chemistry: There Is Physics Too. . . . . . . . . . . . . . 52
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Challenging Case 2.1: Going Deep into Respiratory Acidosis. . . . . . . . 62
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Challenging Case 2.2: Reindeer Know the Color of UV Light . . . . . . . 70
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Final Discussion: Examples of Missing and Misplaced Colors
in Literature and Music. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Challenging Case 2.3: Malacocephalus—The Strange Case
of the Radioactive Fish from the Deep Sea . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 The Families of Biological Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.1 Lipids and the Organization of Their Supramolecular
Assemblies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.1.1 The Structure of Biological Membranes . . . . . . . . . . . . . . 98
3.1.2 The Structure of Lipoproteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
3.2 Saccharides and Their Polymers and Derivatives . . . . . . . . . . . . . 110
3.2.1 From Monomers to Polymers: Polysaccharides . . . . . . . . 116
3.2.2 Molecular Conjugates of Mono- and Oligosaccharides. . . 117
3.2.3 Molecular Conjugates of Oligosaccharides . . . . . . . . . . . . 123
3.2.4 Polymers of Saccharide Conjugates: Nucleic Acids . . . . . 126
3.3 Amino Acids and Their Polymers: Peptides and Proteins . . . . . . . 131
3.3.1 From Monomers to Polymers: Peptides and Proteins . . . . 136
3.3.2 Structure and Function in Proteins. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
3.3.3 Cooperative Interplay Between Tertiary-Level
and Quaternary-Level Structure. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
3.3.4 Enzymes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Challenging Case 3.1: Biochemistry in Dali’s (he)art . . . . . . . . . . . . . . 165
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Further Reading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Challenging Case 3.2: From Best with Proteins to Worst with DNA. . . 170
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Challenging Case 3.3: London Fatberg Analysis—Impact
of Urban Obesity on the Metropolitan Vasculature . . . . . . . . . . . . 176
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Part II The Interplay and Regulation of Metabolism
4 Introduction to Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
4.1 Consecutive Reactions Without Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.2 Consecutive Reactions with Enzymes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
4.2.1 The Bases of Enzymatic Catalysis and Its Impact
in Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
Challenging Case 4.1: The Dark Side of Caffeine . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Final Discussion: Facts and Fantasies About Energy Drinks . . . . . . . 228
Challenging Case 4.2: Missing the Obvious … Twice! The Devil
Is in the Details, so Is Recognition by Peers . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Challenging Case 4.3: Building Models in Metabolism, Descriptive,
Predictive … Useful! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

5 Regulation of Metabolisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
5.1 Levels of Regulation: Impact and Time Scale . . . . . . . . . . . . . . . . 258
5.2 Inhibition and Activation of Enzymes by Ligands. . . . . . . . . . . . . 260
5.2.1 Nomenclature of Ligands. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
5.3 The Availability of Primary Precursors in a Metabolic Pathway. . 267
5.3.1 Transport of Metabolites and Effectors Across
Membranes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.4 Slower (But Efficient!) Mechanisms of Controlling
Enzyme Action. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
5.5 Key Molecules in Energy Metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
Challenging Case 5.1: Mushroom Poisons Starring on Stage
and Science . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Challenging Case 5.2: The Biochemistry of Zombies . . . . . . . . . . . . . . 296
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
6 Energy Conservation in Metabolism: The Mechanisms
of ATP Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
6.1 ATP Synthesis by Substrate-Level Phosphorylation . . . . . . . . . . . 302
6.1.1 A Historical Perspective of the Fermentation
Process Discovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
6.1.2 An Overview of the ATP Synthesis by Substrate-Level
Phosphorylation During Fermentation. . . . . . . . . . . . . . . . 306
6.1.3 Glucose Fermentation Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
6.2 ATP Synthesis Through Oxidative Phosphorylation . . . . . . . . . . . 310
6.2.1 A Historical Perspective of the Understanding
of Cellular Respiration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
6.2.2 An Overview of Oxidative Phosphorylation Process. . . . . 318
6.2.3 The Electron Transport System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
6.2.4 The ATP Synthesis Through Oxidative Phosphorylation. . 329
6.2.5 Regulation of Oxidative Phosphorylation . . . . . . . . . . . . . 332
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Challenging Case 6.1: The Tragic Matter in Energy Management. . . . . 338
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Challenging Case 6.2: The Force Comes from Within . . . . . . . . . . . . . . 344
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353
Challenging Case 6.3: A Curious Girl Has Fallen into a Mad World . . . 354
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
7 Catabolism of the Major Biomolecules. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
7.1 An Overview of Catabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
7.2 Citric Acid Cycle: The Central Pathway for the Oxidation
of the Three Classes of Nutrient Molecules. . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
7.2.1 Citric Acid Cycle Reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
7.2.2 Citric Acid Cycle as a Dynamic Pathway . . . . . . . . . . . . . 369
7.2.3 A Historical Overview of CAC Discovery. . . . . . . . . . . . . 370
7.2.4 Regulation of Citric Acid Cycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
7.3 Catabolism of Carbohydrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
7.3.1 Carbohydrate Oxidation Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374
7.3.2 Regulation of Pyruvate Conversion to Acetyl-CoA. . . . . . 376
7.4 Catabolism of Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
7.4.1 TAG Mobilization and Fatty Acid Transport
in the Bloodstream . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
7.4.2 Activation of Fatty Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379
7.4.3 Fatty Acid Transport into Mitochondria . . . . . . . . . . . . . . 380
7.4.4 β-Oxidation: The Pathway for Fatty Acid Degradation . . . 381
7.4.5 Regulation of Fatty Acid Oxidation. . . . . . . . . . . . . . . . . . 386
7.4.6 Fatty Acid Conversion to Ketone Bodies. . . . . . . . . . . . . . 387
7.5 Catabolism of Amino Acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
7.5.1 An Overview of the Amino Acid Catabolism . . . . . . . . . . 389
7.5.2 Amino Acid Metabolism in the Liver . . . . . . . . . . . . . . . . 390
7.5.3 Amino Acid Metabolism in Other Tissues. . . . . . . . . . . . . 396
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
Challenging Case 7.1: Into the Wilderness of Metabolic
Deregulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
Biochemical Insights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

Challenging Case 7.2: A Mystic Man with an Aura of Flowers . . . . . . . 404
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
8 Metabolic Responses to Hyperglycemia: Regulation
and Integration of Metabolism in the Absorptive State . . . . . . . . . . 413
8.1 Glucose Sensing by Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
8.2 Biosynthesis of Glycogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
8.2.1 Formation of UDP-Glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422
8.2.2 Reactions for the Initiation of Glycogen Synthesis
from UDP-Glucose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
8.2.3 Reactions for the Elongation of Glycogen Chain . . . . . . . 424
8.2.4 Regulation of Glycogen Synthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
8.3 Biosynthesis of Lipids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
8.3.1 Synthesis of Fatty Acids. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.3.2 Synthesis of Triacylglycerols. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
8.4 Hormonal Responses to Hyperglycemia: Role of Insulin . . . . . . . 449
8.4.1 Discovery of Insulin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450
8.4.2 Mechanisms of Insulin Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
8.4.3 Effects of Insulin on Energy Metabolism . . . . . . . . . . . . . 455
8.5 Metabolic Interplay in Response to Hyperglycemia . . . . . . . . . . . 457
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
Challenging Case 8.1: Beyond the Enigmatic Smile—The Occult
Hyperlipidemia of Mona Lisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
Challenging Case 8.2: Dolores Bothered to Kill Her Dying Husband . . 467
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
9 Regulation and Integration of Metabolism During
Hypoglycemia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
9.1 Overview of Metabolism During Fasting: Exemplifying
with Studies on Therapeutic Starvation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
9.2 Glycogen Degradation in the Liver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 484
9.2.1 Reactions of Glycogen Degradation . . . . . . . . . . . . . . . . . 486
9.2.2 Regulation of Glycogen Degradation in the Liver. . . . . . . 489

9.3 Gluconeogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
9.3.1 Gluconeogenesis Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
9.3.2 Precursors for the Synthesis of Glucose . . . . . . . . . . . . . . 495
9.3.3 Regulation of Gluconeogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
9.3.4 Dynamic Utilization of Gluconeogenesis Precursors . . . . 498
9.4 Hormonal Responses to Hypoglycemia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
9.4.1 Glucagon: Mechanism of Action and Effects
on Energy Metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502
9.4.2 Glucocorticoids: Mechanism of Action and Effects
on Energy Metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
Challenging Case 9.1: Kenny Faced the Fa(s)t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 512
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
Challenging Case 9.2: The Lychee Paradox: Deliciously Sugary,
Dangerously Hypoglycemiant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521
Challenging Case 9.3: The Bizarre Death of Elaine Robinson. . . . . . . . 522
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
Biochemical Insight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
10 Regulation and Integration of Metabolism During
Physical Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
10.1 Muscle Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
10.1.1 Structural Organization of the Contractile Apparatus . . . 528
10.1.2 Mechanism of Muscle Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
10.1.3 Regulation of Muscle Contraction. . . . . . . . . . . . . . . . . . 536
10.2 Different Metabolic Profiles of the Skeletal Muscle Fibers. . . . . 538
10.3 Overview of ATP Synthesis in the Muscle Cells . . . . . . . . . . . . . 540
10.4 Muscle Cell Metabolism During Physical Activity . . . . . . . . . . . 542
10.4.1 Role of the Cellular Energy Charge in the Muscle
Cell Metabolism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
10.4.2 Metabolic Pathways for ATP Synthesis in the Skeletal
Muscle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
10.5 Hormonal Regulation During Physical Activity:
Role of Adrenaline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553
10.5.1 Molecular Mechanisms of Adrenaline Action . . . . . . . . . 554
10.5.2 Effects of Adrenaline on Energy Metabolism . . . . . . . . . 556
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
Challenging Case 10.1: Iron Muscles—Men of Steel . . . . . . . . . . . . . . 560
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 569
Challenging Case 10.2: Armstrong’s Race to the Sun . . . . . . . . . . . . . . 571
Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
Challenging Case 10.3: K. V. Switzer’s Run for Rights . . . . . . . . . . . . . 582
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
11 Control of Body Weight and the Modern Metabolic Diseases . . . . . 591
11.1 Humoral Control of Food Ingestion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
11.1.1 A Historical Perspective of the Role of Hypothalamus
in Food Intake . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
11.1.2 Leptin: A Hormone Indicative of Adiposity . . . . . . . . . . 596
11.1.3 Intestinal Peptides: Triggers of Postprandial Satiety . . . . 600
11.1.4 Ghrelin: The Main Orexigenic Hormone. . . . . . . . . . . . . 604
11.1.5 The Arcuate Nucleus and the Melanocortin System . . . . 606
11.2 Control of Energy Expenditure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
11.2.1 Adaptive Thermogenesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 608
11.2.2 Role of Thyroid Hormones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612
11.3 Obesity and the Metabolic Syndrome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617
11.3.1 Chronic Inflammation and Insulin Resistance
in Obesity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618
11.3.2 Origin of Inflammation in Obesity. . . . . . . . . . . . . . . . . . 620
Selected Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Challenging Case 11.1: The Capsules of (H)eating Beauty . . . . . . . . . . 624
Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631

Challenging Case 11.2: Running to Eternity in Between Suet
and Sweat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 634
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640
Challenging Case 11.3: Malthus Meets Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . 641
Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
Case Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
Questions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642
Biochemical Insights. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
Final Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
Credits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647

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