Biochimica strutturale:

B I O C H I M IC A
S T R U TT U R AL E
Appunti di Sabrina Marenzi
Università degli Studi di Brescia
Facoltà: Medicina e Chirurgia
Corso di Laurea in Medicina e Chirurgia (magistrale a ciclo unico)
Esame: Biochimica metabolica, orale (anno I)
Docente: Roberto Bresciani 
A.A. 2020/20211
Indice
Introduzione generale alla biochimica
Metabolismo, catabolismo e anabolismo
Il metabolismo è l’insieme di trasformazioni chimiche a cui sono sottoposte le molecole all’interno del nostro organismo, 
si costituisce di due vie: il catabolismo (utilizzo dei nutrienti per produrre energia come ATP, ossidazione del carbonio) e 
anabolismo (costruzione di macromolecole, utilizzo di energia, riduzione del carbonio).
Coenzimi
I coenzimi sono molecole non proteiche che si associano ad un enzima e ne promuovono l’attività catalitica. Nei 
processi catabolici intervengono NAD+ e FAD, nei processi anabolici e nella via dei pentosi fosfati interviene NADP+.
Caratteristiche principali del carbonio
1 - forma 4 legami ai vertici di un tetraedro
2 - ha 12 elettroni e 12 protoni
3 - se forma un legame singolo (C-C) permette la rotazione
4 - se forma un legame doppio (C=C) non permette la rotazione.
Chiralità
La chiralità è la caratteristica di un elemento (come il carbonio) che, associandosi a 4 sostituenti diversi, può creare due 
enantiomeri, cioè due isomeri ottici speculare l’uno rispetto all’altro (o meglio: chirali). Il carbonio può essere chirale 
perché è in grado di fare 4 legami con sostituenti diversi tra loro.
Rotameri e proiezioni di Newman
I rotameri sono isomeri che differiscono per la rotazione attorno ad un legame singolo, sono interconvertibili tra loro. Le 
proiezioni di Newman sono un metodo grafico di rappresentare i rotameri (tramite le forme: sfalsato / eclissato).
Stabilità di una molecola
La stabilità di una molecole è sempre influenzata dalla termodinamica.
Principali elementi e gruppi funzionali
Caratteristiche principali dei gruppi funzionali i
Metile (-CH3): ha il carbonio più ridotto.
Ossidrile (-OH): è la prima ossidazione del carbonio, la ΔEN (differenza di elettronegatività) tra ossigeno e idrogeno crea 
un dipolo.
Carbonile (-C=O): sono aldeidi e chetoni, ulteriore ossidazione del carbonio, esiste ΔEN tra carbonio e ossigeno, che 
crea uno spostamento di carica.
Introduzione generale alla biochimica
Principali elementi e gruppi funzionali
Acqua, forze intermolecolari e sistemi tampone
Classi di macromolecole biologiche
Carboidrati
Nucleotidi
Lipidi
Amminoacidi e proteine
Mioglobina, emoglobina e glutatione
Enzimi, cofattori e coenzimi
Cinetica enzimatica
Vitamine2
Carbossilico (-COOH): deriva dall’ossidazione di un’aldeide, gli acidi carbossilici si deprotonano (-COOH → COO- + 
H+)
Fenile: ha una struttura rigida planare, stabilizzata per risonanza.
Estere (O=C-O-C-): deriva dalla condensazione di un acido carbossilico e un alcol, contiene un ossigeno che fa da ponte 
tra un carbonio normale e un carbonio carbonilico.
Anidride (O=C-O-C=O): deriva dalla condensazione di due acidi carbossilici, contiene un ossigeno che fa da ponte tra 
due carboni carbonilici.
Azoto: caratteristiche, gruppi funzionali e legami
L’azoto fa 3 legami, ha un doppietto elettronico libero che attira un protone (NH2 → NH3+) e quindi è basico, ha una 
struttura tetraedrica. Forma: gruppo amminico, imidazolo, pirrolo, pirazine e legame ammidico.
Zolfo: caratteristiche, gruppi funzionali e legami
Lo zolfo fa 2 legami e ha 2 doppietti elettronici liberi (come l’ossigeno).  Forma: gruppo sulfidrilico, tiofene, legame 
disolfuro e legame tioestere.
Fosforo: caratteristiche, gruppi funzionali e legami
Il fosforo ha 5 elettroni nel guscio di valenza esterno e con ognuno fa un legame (in totale: 5 legami), raggiunge 10 
elettroni di valenza e quindi ha un ottetto espanso. Forma: gruppo fosfato, anidridi miste e legame fosfoanidridico.
Scala di ossidazione dei carboni
Dal più ridotto: CH4 (carbonio completamente ridotto) → altri alcani→ alcoli → aldeidi e chetoni → acidi carbossilici 
→ CO2 (carbonio completamente ossidato)
Acqua, forze intermolecolari e sistemi tampone
Struttura della molecola d’acqua e legame idrogeno
H2O è un tetraedro con 2 idrogeni e 2 doppietti elettronici liberi, un dipolo parzialmente positivo sugli H e parzialmente 
negativo su O. Il legame idrogeno è un legame debole reversibile che si instaura tra un H (per forza legato ad un 
elemento più elettronegativo) e un elemento parzialmente negativo (come O).
Esempi di presenza del legame idrogeno
1 - Tra H2O e i gruppi idrossili
2 - Tra H2O e i gruppi carbonilici
3 - Tra amminoacidi distanti in una proteina
4 - Tra basi azotate complementari nel DNA
Tipi di interazioni intermolecolari
Sono: interazioni carica-carica (+/-), interazioni carica-dipolo, interazioni dipolo-dipolo (come avviene nel legame 
idrogeno), interazioni dipolo-dipolo indotto e forze di Van der Waals (equilibrio tra forze di attrazione e repulsione tra 
gli atomi della stessa molecola).
Classificazione delle molecole in base alle loro interazioni con l’acqua
In idrofiliche (stabiliscono interazioni con l’acqua), idrofobiche (non stabiliscono interazioni con l’acqua) e anfipatiche 
(a seconda della porzione di molecola, sono in grado sia di stabilire, sia di non stabilire interazioni con l’acqua). 
Intervallo fisiologico del pH sanguigno umano
7,35-7,45. Il pH umano è leggermente basico.
Sistema tampone (esempio di CH3-COOH / CH3COO-)
Un sistema tampone è una coppia acido debole/base coniugata che permette di tamponare l’aggiunta di acidi o basi, 
impedendo che il pH vari notevolmente. Funziona in questo modo: in caso di aggiunta di base, l’acido debole si 
deprotona rilasciando H+, e i protoni reagiranno con la base introdotta contrastandola (se la base aggiunta è OH-, si 3
formerà acqua, neutra). Nel caso di aggiunta di acido, i protoni aggiunti (H+) reagiranno con la base formando un acido 
debole, che non varia di molto il pH generale.
Tre sistemi principali di tampone nel sangue umano
1 - Sistema dei fosfati: agisce per pH 6-7,86
2 - Sistema dei bicarbonati: agisce mantenendo un pH ottimale a 7,4 (principale sistema!)
3 - Sistema di proteine e amminoacidi (possono deprotonarsi o protonarsi per tamponare le variazioni di pH, la proteina 
principale che modifica il pH sanguigno è l’albumina).
Classi di macromolecole biologiche
Quattro classi di macromolecole biologiche
Proteine, carboidrati (o zuccheri, o glucidi), lipidi (o grassi) e acidi nucleici.
Cosa accomuna carboidrati, proteine e acidi nucleici? Come si classificano i lipidi, invece?
Proteine, carboidrati e acidi nucleici → sono polimeri costituiti da amminoacidi, monosaccaridi e nucleotidi 
(rispettivamente). Lipidi → non sono polimeri e si classificano come idrolizzabili o non idrolizzabili.
Carboidrati
Definizione di carboidrati e formula generale
I carboidrati sono molecole organiche solitamente idrofiliche composte da carbonio, idrogeno e ossigeno. La loro 
formula generale è CnHn2On.
Due zuccheri più semplici da cui il nostro organismo sintetizza tutti gli altri
Sono la D-gliceraldeide (zucchero aldoso) e il diidrossiacetone (zucchero chetoso). La loro particolarità è che sono 
isomeri di gruppo funzionale, il primo è un’aldeide, il secondo è un chetone.
Allungamento della catena carboniosa a partire dalla D- Gliceraldeide
Avviene mediante l’apertura del carbonio aldeidico legato all’ossigeno (C=O), che diventa C-OH, segue l’aggiunta di un 
carbonio carbonilico (-CHO) sul legame che si era liberato in testa. Ad ogni aggiunta ottengo due zuccheri nuovi, a 
seconda che il nuovo legame idrossile che si è formato sia a destra o sinistra della catena nella proiezione di Fischer. 
Allungamento della catena carboniosa a partire dal diidrossiacetone
Viene aggiunto un C-OH in testa, sul carbonio che si trova sopra a quello chetonico, in questo modo il legame C=O viene 
spostato di un atomo in testa alla molecola (il gruppo C=O di un chetone sta sempre al secondo posto in alto, secondo la 
proiezione di Fischer). Alla prima aggiunta ottengo un solo zucchero nuovo, poi ad ogni aggiunta ne ottengo due.
Principali zuccheri derivati da D-Gliceraldeide e diidrossiacetone
Dalla D-gliceraldeide derivano gli aldosi → eritrosio e treosio (4C), ribosio e arabinosio (5C), glucosio, mannosio e 
galattosio (6C).
Dal diidrossiacetone ottengo i chetosi → eritrulosio (4C), ribulosio e xilulosio (5C) e fruttosio (6C).
Epimeri ed epimerasi 
Due epimeri sono diastereoisomeri che differiscono per un solo stereocentro (esempio: treosio ed eritrosio). Le 
epimerasi sono enzimi in grado di convertire due epimeri l’uno nell’altro.
Numerazione dei carboni in aldosi e chetosi
Negli aldosi C1 è il carbonio aldeidico, nei chetosi C1 è il carbonio sopra a quello chetonico nella proiezione di Fischer, 
oppure il carbonio terminale più vicino a quello chetonico.
Legame emiacetalico intercatena negli zuccheri
In ambiente acquoso si forma un legame emiacetalico tra C1 aldidico e il penultimo C della catena (quello che 
determina se lo zucchero è della serie D o L). Questo legame avviene perché è termodinamicamente più conveniente, 
dato che uno zucchero ciclico è più stabile, in acqua, rispetto ad uno a catena aperta.4
Anomeri α e anomeri β degli zuccheri ciclici
Se si pone il CH2OH che non fa parte dell’anello in alto rispetto al piano dell’anello, si parla di anomero alfa se il 
carbonio più a destra (detto carbonio anomerico) lega OH in basso (quindi in trans rispetto al CH2OH), mentre si 
definisce anomero beta se il carbonio anomerico lega OH in alto (quindi in cis rispetto a CH2OH).
Forma piranosidica e la forma furanosidica degli zuccheri ciclici
La forma furanosidica è un pentagono con l’ossigeno intercatena nel vertice in alto, la forma piranosidica è esagonale 
con l’ossigeno intercatena in alto a destra. Derivano dalle molecole di furano (5C) e pirano (6C).
Estremità riducenti e le estremità non riducenti di uno zucchero
Le estremità riducenti sono gruppi aldeidici o chetonici liberi, che possono ridurre altri composti, le estremità non 
riducenti sono gruppi idrossilici o metilici liberi, che non sono in grado di ridurre altri composti.
Glucosammina, N- acetil-glucosammina, glucoronato e acido sialico
Sono derivati dei monosaccaridi per sostituzione di uno o più -OH nella catena con altri gruppi funzionali.
Sigle dei principali monosaccaridi e monosaccaridi derivati
Arabinosio: Ara. Fruttosio: Fru. Fucosio: Fuc. Galattosio: Gal. Glucosio: Glc. Mannosio: Man. Ribosio: Rib. Acido 
glucuronico: GlcA. Galattosammina: GalN. Glucosammina: GlcN. N-Acetil-galattosammina: GalNAc. N-Acetil-
glucosammina: GlcNAc. Acido sialico: Neu5Ac.
UDP-glucosio
L’UDP glucosio è un glucosio legato con C(1)-OH ad un uridina difosfato (UDP), è la forma attiva del glucosio che viene 
utilizzata come substrato per la glicogeno-sintesi.
Disaccaridi e polisaccaridi
I disaccaridi sono polimeri formati da due monosaccaridi. I polisaccaridi sono polimeri formati da più di due 
monosaccaridi. Il legame che unisce i monosaccaridi è un legame glicosidico, cioè un legame covalente tra due OH, 
generalmente uno anomerico e uno no, che si legano formando C-O-C ed eliminando una molecola d’acqua.
Legame glicosidico α e legame glicosidico β
Si distinguono un legame glicosidico alfa e uno beta in base alla posizione dell’OH sul carbonio anomerico del legame 
(ricorda che solitamente solo uno dei due monosaccaridi usa un carbonio anomerico per fare il legame, mentre l’altro usa 
un C-OH diverso).
Disaccaride riducente e non riducente
Un disaccaride si definisce riducente se il legame glicosidico coinvolge uno solo degli -OH anomerici e quindi ha un C1 
libero dove la catena può aprirsi creando un’estremità riducente (esempio: maltosio e lattosio). Si definsice non 
riducente se il legame coinvolge entrambi  gli OH anomerici, quindi non ci sono C1 liberi dove la catena si possa aprire 
(esempio: saccarosio).
Tre disaccaridi principali
1 - Saccarosio → glucosio + fruttosio, legame alfa-1,2 glicosidico
2 - Maltosio → glucosio + glucosio, legame alfa-1,4 glicosidico
3 - Lattosio → glucosio + galattosio, legame beta-1,4 glicosidico.
Categorie di polisaccaridi
I polisaccaridi si possono dividere in omopolisaccaridi (hanno monomeri tutti uguali) e in eteropolisaccaridi (hanno 
monomeri diversi tra loro).
Polisaccaridi a funzione energetica e a funzione strutturale
I principali polisaccaridi con funzione energetica sono amilosio e amilopectina (conformazioni dell’amido), quello a 
funzione strutturale è la cellulosa.
Accenno al metabolismo del glicogeno: funzioni di glicogenina, glicogeno sintasi, branching-enzyme, 
glicogeno fosforilasi e debranching- enzyme5
Glicogenina → è una proteina che funge da “testa del glicogeno”, rappresenta il punto a cui vengono attaccati i primi 
residui di glucosio per formare il glicogeno. 
Glicogeno sintasi → enzima che catalizza i legami 1,4 glicosidici lineari. 
Branching-enzyme (enzima ramificante) → enzima che sposta i residui dalla porzione lineare e li lega in modo 
ramificato con un legame 1,6 glicosidico. 
Glicogeno fosforilasi → enzima che degrada il glicogeno lineare, liberando glucosio-1-fosfato. 
Debranching-enzyme (enzima de-ramificante) → enzima che sposta residui ramificati sulla porzione lineare, dove poi 
interviene la glicogeno fosfotilasi.
GAG e loro mancata degradazione
I GAG sono glicosamminoglicani, cioè eteropolisaccaridi presenti nello spazio extracellulare con funzione di 
idratazione (perché assumono su di sè H2O) e strutturale. Sono: ialuronato, condroitin-solfato, dermatan-solfato, eparan-
solfato e cheratan-solfato. La loro mancata degradazione causa un accumulo a livello lisosomiale, e di conseguenza 
malattie da accumulo lisosomiale.
Proteoglicani e glicoproteine
I proteoglicani sono proteine a cui vengono legati molti gruppi di glicosamminoglicani (presenti soprattutto nel 
connettivo), le glicoproteine sono proteine con qualche residuo zuccherino (presenti soprattutto nella membrana 
cellulare).
Tipi si glicosilazione
1 - O-Glicosilazione → l’aggiunta di un’antenna oligosaccaridica sull’ossigeno di un amminoacido, avviene nell’apparato 
di Golgi.
2 - N-Glicosilazione → l’aggiunta di un’antenna oligosaccaridica sul gruppo amminico dell’asparagina, inizia nel RER e 
si conclude nell’apparato di Golgi.
Importanza dei residui saccaridici nella distinzione dei gruppi sanguigni AB0
I residui saccaridici sugli eritrociti permettono il riconoscimento antigenico, e quindi la divisione in gruppi sanguigni: 
gruppo 0 (Gal + Fuc), gruppo A (Gal + GalNAc + Fuc) e gruppo B (Gal + Gal + Fuc). Il gruppo AB ha antigeni sia ti 
dipo A che di tipo B.
Nucleotidi
Definizione di nucleotidi e formula generale
I nucleotidi sono monomeri degli acidi nucleici composti da uno zucchero pentoso (ribosio o deossiribosio) con legati 
una base azotata al C1 (a formare un nucleoside) e 1, 2 o 3 gruppi fosfato al C5. Si possono presentare come 
monofosfato (1 fosfato), difosfato (2 fosfati) e trifosfato (3 fosfati).
Basi azotate
Le basi azotate si classificano come pirimidine (hanno un anello pirimidinico semplice, sono citosina, timina e uracile) e 
purine (hanno un anello pirimidinico legato ad uno imidazolico, sono adenina e guanina).
Deossiribonucleotidi
I deossiribonucleotidi sono nucleotidi in cui al ribosio  viene sostituito il deossiribiosio (a cui manca un OH in posizione 
C2).
Come vengono sintetizzate generalmente le basi azotate?
Generalmente vengono sintetizzate per vie di riciclo, ad esempio: una purina utilizza gli atomi di azoto dalla 
glutammina, dalla glicina e dall’aspartato, carbonio dal tetraidrofolato e dall’anidride carbonica.
ATP e stato di benessere cellulare
L’ATP è adenosina-trifosfato, la molecola energetica più importante dell’organismo. Si ottiene dai processi catabolici e 
non si può immagazzinare, quindi indica lo stato di benessere di una cellula perché ne indica la disponibilità energetica.
Legami importanti all’interno della molecola di ATP6
Due legami fosfoanidridici, uno tra i fosfati beta e gamma, uno tra i fosfati alfa e beta. L’energia totale liberata è di 
31kJ/mol. 
Accoppiamento termodinamico tra ATP e reazioni a ΔG positivo
L’idrolisi di ATP ha un ΔG negativo, che è in grado di riequilibrare un ΔG positivo della reazione a cui è accoppiata (per 
capire meglio: immaginiamo un triangolo con due blocchi su ogni lato libero, come fossero su un piano inclinato, legati da 
una corda che passa per il vertice. Quello più pesante, che indica il ΔG dell’idrolisi di ATP, sarà in grado di trascinare 
l’altro verso il vertice, nonostante questo normalmente scenderebbe verso la base). Questo accoppiamento è possibile 
perché il ΔG finale di una reazione è sempre dato dalla somma algebrica dei ΔG parziali.
Per quale motivo l’ATP non è la molecola a più alto contenuto energetico?
Se ATP fosse la molecola con più alto contenuto energetico, sarebbe impossibile rigenerarla (processo detto 
fosforilazione a livello del substrato), perché secondo la termodinamica l’energia passa spontaneamente solo da un 
elemento che ne ha di più verso un elemento che ne possiede di meno. Le molecole che la superano sono il 
fosfoenolpiruvato (PEP) e l’1,3-bisfosfoglicerato.
Attivazione mediata da nucleotidi
Si intende l’’attivazione di una molecola mediante trasfierimento su di essa di uno o più fosfati (o parte del nucleotide) 
da parte di ATP e altri nucleotidi. I nomi specifici sono: fosforilazione (aggiunta di P), adenilazione (aggiunta di AMP), 
uridinilazione (aggiunta di UMP). 
Esempio di adenilazione
L’adenilazione avviene nell’attivazione degli acidi grassi. Una molecola di ATP viene scissa in AMP e PPi (pirofosfato 
inorganico), AMP è trasferito sull’acido grasso (in particolare sull’OH di COOH) e PPi è idrolizzato a 2Pi (2 fosfati 
inorganici) da parte della pirofosfatasi inorganica, che ha un ruolo importante nello spostare la reazione verso i prodotti.
Funzioni di cAMP e cGMP nella cellula
AMP ciclico (cAMP) e GMP ciclico (cGMP) sono messaggeri intracellulari secondari, la cui concentrazione, che 
aumenta a seguito di segnali extracellulari dipendenti da recettori di membrana, crea una risposta metabolica.
Enzimi che permettono la ciclizzazione e l’idrolisi dei nucleotidi monofosfati
Gli enzimi che permettono la ciclizzazione sono adenilatociclasi e guanilatociclasi, l’unico che è in grado di idrolizzarli 
per defosforilarli (rompe il legame C3-PO3) è la fosfodiesterasi.
Quale molecola è conosciuta per essere un inibitore della fosfodiesterasi?
La caffeina è un inibitore delle fosfodiesterasi, quindi la sua azione composta il rallentamento dello spegnimento delle 
risposte metaboliche nelle cellule a seguito dell’aumento di cAMP o cGMP, che non vengono più degradati velocemente.
Accenno al metabolismo del glicogeno: risposta di un epatocita al glucagone
In caso di ipoglicemia viene immesso glucagone in circolo ed è riconosciuto dagli epatociti grazie ad un recettore 
accoppiato a proteine G, che scatena la cascata del segnale attivando l’adenilatociclasi, che porta all’aumento di cAMP 
intracellulare e quindi all’attivazione di una PKA (fosforilasi). La PKA fosforila proteine intracellulari facendo partire la 
risposta metabolica (che in questo caso sarà l’introduzione di glucosio in circolo). Quando l’ipoglicemia viene corretta, 
cessa l’immissione di glucagone in circolo, quindi si ha uno spegnimento della risposta dell’epatocita, che inattiva le 
adenilatociclasi e rimuove cAMP tramite le fosfodiesterasi.
Coenzima NAD+
NAD (nicotinammide adenina dinucleotide) è costituito da nicotinammmide, ribosio, 2 fosfati, ribosio e adenina. La 
sua forma ossidata è NAD+, la forma ridotta (che acquisisce due elettorni e un protone) è NADH.
Coenzima NADP+
NADP (nicotinammide adenina dinucleotide fosfato) ha la stessa struttura di NAD ma ha un fosfato in più, legato 
all’OH di C2 del secondo ribosio. Viene vointolto nelle vie di biosintesi e nella via dei pentosi fosfati.
Coenzima FAD
FAD (flavina adenina dinucleotide) è composto da riboflavina, 2 fosfati, ribosio e adenina. La forma ossidata è FAD, la 
forma ridotta (che acquisice due elettroni e due protoni) è FADH2.