KARBOHIDRATStruktur dan Fungsi Biologi

Polihidroksi aldehida atau keton dengan rumus empirik (CH2O)n

Terdapat tiga golongan utama karbohidrat : monosakarida, oligosakarida, dan polisakarida

Monosakarida : gula sederhana, terdiri satu unit polihidroksi aldehida atau ketonOligosakarida : terdiri dari rantai pendek unit monosakarida yg digabungkan bersama-sama oleh ikatan kovalen.Polisakarida : rantai panjang yg memiliki ratusan atau ribuan unit monosakarida. Cont : selulosa, glikogen.

Monosakarida

Tidak berwarna, kristal padat yg bebas larut dlm air, tdk larut dlm pelarut non polar, kebanyakan mpy rasa manisMemiliki atom karbon 3 sampai 7 shg disebut triosa, tetrosa, pentosa, heksosa dan heptosaSetiap atom karbon memiliki gugus hidroksil, keton atau aldehida.Setiap molekul monosakarida memiliki 1 gugus keton atau 1 gugus aldehidaGugus aldehida selalu berada di atom C pertama Gugus keton selalu berada di atom C kedua

Monosakarida

Aldosa (mis: glukosa) memiliki gugus aldehida pada salah satu ujungnya.

Ketosas (mis: fruktosa) biasanya memiliki gugus keto pada atom C2.

C

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

D-glucose

OH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

CH2OH

C O

D-fructose

Notasi D vs L

Notasi D & L dilakukan karena adanya atom C dengan konfigurasi asimetris seperti pada gliseraldehida.

CH O

C

CH2OH

H OH

CH O

C

CH2OH

HO H

CH O

C

CH2OH

HO H

L-gliseraldehidaD-glyceraldehyde

L-gliseraldehida

CH O

C

CH2OH

H OH

D-gliseraldehida

Penampilan dalam bentuk gambar bagian bawah disebut Proyeksi Fischer.

Penamaan Gula

Untuk gula dengan atom C asimetrik lebih dari 1, notasi D atau L ditentukan oleh atom C asimetrik terjauh dari gugus aldehida atau keto.

Gula yang ditemui di alam adalah dalam bentuk isomer D.

O H O H C C H – C – OH HO – C – H

HO – C – H H – C – OH

H – C – OH HO – C – H

H – C – OH HO – C – H

CH2OH CH2OH

D-glukosa L-glukosa

Gula dalam bentuk D merupakan bayangan cermin dari gula dalam bentuk L. Kedua gula tersebut memiliki nama yang sama, misalnya D-glukosa & L-glukosa.

O H O H C C H – C – OH HO – C – H

HO – C – H H – C – OH

H – C – OH HO – C – H

H – C – OH HO – C – H

CH2OH CH2OH

D-glukosa L-glukosa

Stereoisomers lainnya memiliki nama yang unik, misalnya glukosa, manosa, galaktosa, dll. Jumlah stereoisomer adalah 2n, dengan n adalah jumlah pusat asimetrik. Aldosa dengan 6-C memiliki 4 pusat asimetrik, oleh karenanya memiliki 16 stereoisomer (8 gula berbentuk D dan 8 gula berbentuk L).

Pembentukan hemiasetal & hemiketal

Aldehida dapat bereaksi dengan alkohol membentuk hemiasetal.

Keton dapat bereaksi dengan alkohol membentuk hemiketal.

C

R

R'

O

keton

aldehida

C

H

R

O

hemiasetal

O C

H

R

OHR'

alkohol

R' OH

hemiketal

O C

R

R'

OH" R

+

+ " R OH

alkohol

Pentosa dan heksosa dapat membentuk struktur siklik melalui reaksi gugus keton atau aldehida dengan gugus OH dari atom C asimetrik terjauh.

Glukosa membentuk hemiasetal intra-molekular sebagai hasil reaksi aldehida dari C1 & OH dari atom C5, dinamakan cincin piranosa.

Penampilan dalam bentuk gula siklik disebut proyeksi Haworth.

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

H H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

H

H

OH

-D-glukosa -D-glukosa

23

4

5

6

1 1

6

5

4

3 2

H

CHO

C OH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

1

5

2

3

4

6

D-glukosa (bentuk linier)

Fruktosa dapat membentuk Cincin piranosa, melalui reaksi antara gugus keto atom C2 dengan

OH dari C6. Cincin furanosa, melalui reaksi antara gugus keto atom C2 dengan

OH dari C5.

CH2OH

C O

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

HOH2C

OH

CH2OH

HOH H

H HO

O

1

6

5

4

3

2

6

5

4 3

2

1

D-fruktosa (linear) -D-fruktofuranosa

Pembentukan cincin siklik glukosa menghasilkan pusat asimetrik baru pada atom C1. Kedua stereoisomer disebut anomer, & .

Proyeksi Haworth menunjukkan bentuk cincin dari gula dengan perbedaan pada posisi OH di C1 anomerik :

(OH di bawah struktur cincin) (OH di atas struktur cincin).

H O

OH

H

OHH

OH

C H2OH

H

-D-glukosa

OH

H H O

OH

H

OHH

OH

C H2OH

H

H

OH

-D-glukosa

23

4

5

6

1 1

6

5

4

3 2

Karena sifat ikatan karbon yang berbentuk tetrahedral, gula piranosa membentuk konfigurasi “kursi" atau “perahu", tergantung dari gulanya.

Penggambaran konfigurasi kursi dari glukopiranosa di atas lebih tepat dibandingkan dengan proyeksi Haworth.

O

H

HO

H

HO

H

OH

OHHH

OH

O

H

HO

H

HO

H

H

OHHOH

OH

-D-glukopiranosa -D-glukopiranosa

1

6

5

4

32

Turunan gula

Gula alkohol – tidak memiliki gugus aldehida atau ketone; misalnya ribitol.

Gula asam –gugus aldehida pada atom C1, atau OH pada atom C6, dioksidasi membentuk asam karboksilat; misalnya asam glukonat, asam glukuronat.

CH2OH

C

C

C

CH2OH

H OH

H OH

H OH

D-ribitol

COOH

C

C

C

C

H OH

HO H

H OH

Asam D-glukonat Asam D-glukuronat

CH2OH

OHH

CH O

C

C

C

C

H OH

HO H

H OH

COOH

OHH

Oksidasi gula aldehida

C

C OHH

C HHO

C OHH

C OHH

CH2OH

D-glucose

OH

Oksidator

Asam D-glukonat

CO O H

C

C

C

C

H OH

HO H

H OH

CH2O H

OHH

• Gula yang dapat dioksidasi adalah senyawa pereduksi. Gula yang demikian disebut sebagai gula pereduksi.

• Senyawa yang sering digunakan sebagai pengoksidasi adalah ion Cu+2, yang berwarna biru cerah, yang akan tereduksi menjadi ion Cu+, yang berwarna merah kusam. Hal ini menjadi dasar bagi pengujian Benedict yang digunakan untuk menentukan keberadaan glukosa dalam urin, suatu pengujian bagi diagnosa diabetes.

Oksidasi gula aldehida

Oksidasi gula aldehida

Glukosa + Cu++

Gluconic acid + Cu2O (Cu2O is insol ppt)

Glukosa + O2

Asam glukonat + H2O2 (H2O2 nya diukur)

Glukosa + ATP

Glukosa-6-P + ADP (G-6-Pnya diukur)

panas & alk . pH

glukosa oksidase

heksokinase

Gula amino - gugus amino menggantikan gugus hidroksil. Sebagai contoh glukosamina.

Gugus amino dapat mengalami asetilasi, seperti pada N-asetilglukosamina.

Turunan gula

H O

OH

H

OH

H

NH 2H

OH

CH2OH

H

-D-glukosamina

H O

OH

H

OH

H

NH

OH

CH2OH

H

-D-N-asetilglukosamina

C CH 3

O

H

Ikatan GlikosidaGugus hidroksil anomerik dan gugus hidroksil gula atau senyawa yang lain dapat membentuk ikatan yang disebut ikatan glikosida dengan membebaskan air :

R-OH + HO-R' R-O-R' + H2O

Misalnya methanol bereaksi dengan gugus OH anomerik dari glukosa membentuk metil glukosida (metil-glukopiranosa).

O

H

HO

H

HO

H

OH

OHHH

OH

-D-glukopiranosa

O

H

HO

H

HO

H

OCH3

OHHH

OH

Metil--D-glukopiranosa

CH3- OH+

metanol

H2O

Selobiosa, adalah produk dari pemecahan selulose, mengandung dua residu D-glukosa yang dihubungkan oleh ikatan (1 4) glikosida

H O

O H

H

O HH

O H

CH 2O H

H

O H

O H

H

O HH

O H

CH 2O H

H

O

HH

1

23

5

4

6

1

23

4

5

6

m altose

H O

O H

H

O HH

O H

CH 2O H

H

O O H

H

H

O HH

O H

CH 2O H

H

H

H

O1

23

4

5

6

1

23

4

5

6

cellobiose

Disakarida:Maltosa, produk dari pemecahan pati (e.g., amylose), adalah disakarida dengan ikatan a(1® 4) glikosida yang terbentuk antara C1 - C4 OH dari 2 glukosa

Sukrosa, atau gula tebu, adalah disakarida dari glukosa dan fruktosa,paling manis diantar ketiga jenis disakarida.

Tidak mengandung atom karbon anomer bebas krn kedua komponen unit monosakarida berikatan satu dgn yg lain, shg sukrosa bukan mrpk gula pereduksi.

Pd byk tanaman mrpk bentuk utama dlm transpor gula.

Krn konfigurasi atom karbon anomer dr glukosa adl (O di atas cincin), maka ikatannya adalah (12).

Nama lengkap dr sukrosa adalah -D-glucopyranosyl-(12)--D-fructopyranosa.)

• Laktosa, gula susu, disakarida dari galakatosa & glukosa, dg ikatan (14) dari anomer OH dari galaktosa. Nama lengkap : -D-galactopyranosyl-(1 4)--D-glucopyranose.

Krn memiliki gugus karbonil yg berpotensi bebas pd residu glukosa, maka laktosa adalah disakarida pereduksiSelama proses pencernaan laktosa mengalamai hidrolisis enzimatik oleh laktase dari sel-sel mukosa usus.

Polisakarida

• Polisakarida dsbt jg glikan, berbeda dlm kandungan unit monosakarida, panjang rantainya dan dlm tingkat percabangan.

• Tdpt dua jenis polisakarida : homopolisakarida (mengandung hanya satu jenis unit monomer), heteropolisakarida (mengandung dua at lebih jenis unit monosakarida).

• Polisakarida berfungsi sbg bentuk penyimpan bagi monosakarida, sbg unit struktural dlm dinding sel dan jaringan ikat.

• Hidrolisis sempurna oleh asam dan enzim spesifik thd polisakarida menghasilkan monosakarida atau senyawa turunannya

Polisakarida

Tanaman menyimpan glukosa dlm bentuk pati. Pati mengandung dua jenis polimer glukosa, amilase dan amilopektin.Glukosa disimpan dlm bentuk polimer untuk mengurangi pengaruh osmotik.

α Amylose t.d rantai unit-unit D glukosa panjang , tdk bercabang dihubungkan oleh ikatan a(14). Rantai ini beragam dlm berat molekul dari bbrp ribu sampai 500.000.

H O

OH

H

OHH

OH

CH 2 OH

HO H

H

OHH

OH

CH 2 OH

H

O

HH H O

OH

OHH

OH

CH 2 OH

HH H O

H

OHH

OH

CH 2 OH

H

OH

HH O

OH

OHH

OH

CH 2 OH

H

O

H

1

6

5

4

3

1

2

a m y lo s e

Amilopektin t.d.polimer glukosadg ikatan (14),ttp titik percabangan amilopektin merupakan ikatan (16). Percabangan pd umumnya lebih panjang dr gambar di atas.

Adanya percabangan menghasilkan struktur yg kompak.

H O

OH

H

OHH

OH

CH2OH

HO H

H

OHH

OH

CH2OH

H

O

HH H O

OH

OHH

OH

CH2

HH H O

H

OHH

OH

CH2OH

H

OH

HH O

OH

OHH

OH

CH2OH

H

O

H

O

1 4

6

H O

H

OHH

OH

CH2OH

HH H O

H

OHH

OH

CH2OH

HH

O1

OH

3

4

5

2

amylopectin

Glycogen, merupakan sumber banyak terdapat percabangan dan struktur lebih kompak.Ikatan pd percabangan adalah a(16). Glikogen terutama byk tdpt dlm polisakarida utama pd sel hewan,memiliki struktur spt amilopektin ttp lebih hati, dpt mencapai 7% berat basah, jg tdpt pd otot kerangka. Di dlm sel hati, glikogen ditemukan sbg granula besar-besar yg mrpk kumpulan granula kecil-kecil, dg berat molekul rata-rata bbrp juta. Pd granula terikat kuat enzim yg menjalankan sintesa dan degradasi glikogen.

H O

OH

H

OHH

OH

CH 2OH

HO H

H

OHH

OH

CH 2OH

H

O

HH H O

OH

OHH

OH

CH 2

HH H O

H

OHH

OH

CH 2OH

H

OH

HH O

OH

OHH

OH

CH 2OH

H

O

H

O

1 4

6

H O

H

OHH

OH

CH 2OH

HH H O

H

OHH

OH

CH 2OH

HH

O1

OH

3

4

5

2

glycogen

Selulosa, penyusun utama dinding sel tumbuhan,mrpk homopolisakarida tdk bercabang t d 10.000 atau lebih unit D glukosa yg dihubungkan dg ikatan (14).Karena ikatan β (1-4), rantai D glukosa pd selulosa membentuk konformasi yg melebar dan mengalami pengelompokan antar sisi menjadi serat yg tdk larut.Ikatan β (1-4) tdk terhidrolisa oleh α-amilase,ttp oleh selulase yg hanya dimiliki bbrp mikroorganisme di perut hewan ruminansia dan parasit Trichonympha pd rayap.

c e l lu lo s e

H O

OH

H

OHH

OH

CH 2 OH

HO

H

OHH

OH

CH 2 OH

HO

H H O

O H

OHH

OH

CH 2 OH

HH O

H

OHH

OH

CH 2 OH

H

H

OHH O

O H

OHH

OH

CH 2 OH

HO

H H H H

1

6

5

4

3

1

2

Multisubunit Cellulose Synthase complexes in the plasma membrane spin out from the cell surface microfibrils consisting of 36 parallel, interacting cellulose chains.

These microfibrils are very strong.

The role of cellulose is to impart strength and rigidity to plant cell walls, which can withstand high hydrostatic pressure gradients. Osmotic swelling is prevented.

Explore and compare structures of amylose & cellulose using Chime.

c e l lu lo s e

H O

OH

H

OHH

OH

CH 2 OH

HO

H

OHH

OH

CH 2 OH

HO

H H O

O H

OHH

OH

CH 2 OH

HH O

H

OHH

OH

CH 2 OH

H

H

OHH O

O H

OHH

OH

CH 2 OH

HO

H H H H

1

6

5

4

3

1

2

Glycosaminoglycans (mucopolysaccharides) are polymers of repeating disaccharides. Within the disaccharides, the sugars tend to be modified, with acidic groups, amino groups, sulfated hydroxyl and amino groups, etc.Glycosaminoglycans tend to be negatively charged, because of the prevalence of acidic groups.

H O

H

H

O HH

O H

COO

H

H O

O H H

H

NH COCH 3H

CH 2O H

H

OO

D -g lucuronate

O

1

23

4

5

61

23

4

5

6

N -acetyl-D -g lucosam ine

hyaluronate

Hyaluronate is a glycosaminoglycan with a repeating disaccharide consisting of 2 glucose derivatives, glucuronate (glucuronic acid) & N-acetyl-glucosamine.

The glycosidic linkages are (13) & (14).

H O

H

H

O HH

O H

COO

H

H O

O H H

H

NH COCH 3H

CH 2O H

H

OO

D -g lucuronate

O

1

23

4

5

61

23

4

5

6

N -acetyl-D -g lucosam ine

hyaluronate

Proteoglikan adalah glikosaminoglikan yg berikatan kovalen dg protein spesifik.

Bbrp proteoglikan di dlm matriks ekstraselular berikatan non kovalen dg hialuronat via protein domains disebut link modules.

H O

H

H

O HH

O H

COO

H

H O

O H H

H

NH COCH 3H

CH 2O H

H

OO

D -g lucuronate

O

1

23

4

5

61

23

4

5

6

N -acetyl-D -g lucosam ine

hyaluronate

For example, in cartilage multiple copies of the aggrecan proteoglycan bind to an extended hyaluronate backbone to form a large complex. Versican, another proteoglycan that binds to hyaluronate, is in the extracellular matrix of loose connective tissues.

H O

H

H

O HH

O H

COO

H

H O

O H H

H

NH COCH 3H

CH 2O H

H

OO

D -g lucuronate

O

1

23

4

5

61

23

4

5

6

N -acetyl-D -g lucosam ine

hyaluronate

Heparan sulfate is initially synthesized on a membrane-embedded core protein as a polymer of alternating N-acetylglucosamine and glucuronate residues. Later, in segments of the polymer, glucuronate residues may be converted to the sulfated sugar iduronic acid, while N-acetylglucosamine residues may be deacetylated and/or sulfated.

H O

H

OSO3H

OH

H

COOO H

H

NHSO3H

OH

CH2OSO3

H

H

H

O

O

heparin or heparan sulfate - examples of residues

iduronate-2-sulfate N-sulfo-glucosamine-6-sulfate

Heparin, a soluble glycosaminoglycan found in granules of mast cells, has a structure similar to that of heparan sulfates, but is more highly sulfated.

When released into the blood, it inhibits clot formation by interacting with the protein antithrombin.

Heparin has an extended helical conformation.

heparin: (IDS-SGN)5

PDB 1RID

Charge repulsion by the many negatively charged groups may contribute to this conformation.

Heparin shown has 10 residues, alternating IDS (iduronate-2-sulfate) & SGN (N-sulfo-glucosamine-6-sulfate).

Some cell surface heparan sulfate glycosaminoglycans remain covalently linked to core proteins embedded in the plasma membrane. Proteins involved in signaling & adhesion at the cell surface recognize and bind segments of heparan sulfate chains having particular patterns of sulfation.

heparan sulfate glycosaminoglycan

cytosol

core protein

transmembrane -helix

O-linked oligosaccharide chains of glycoproteins vary in complexity. They link to a protein via a glycosidic bond between a sugar residue & a serine or threonine OH. O-linked oligosaccharides have roles in recognition, interaction, and enzyme regulation.

H O

OH

O

H

HNH

OH

CH2OH

H

C CH3

O

-D-N-acetylglucosamine

CH2 CH

C

NH

O

H

serine residue

Oligosaccharides that are covalently attached to proteins or to membrane lipids may be linear or branched chains.

H O

OH

O

H

HNH

OH

CH2OH

H

C CH3

O

-D-N-acetylglucosamine

CH2 CH

C

NH

O

H

serine residue

N-acetylglucosamine (GlcNAc) is a common O-linked glycosylation of protein serine or threonine residues. Many cellular proteins, including enzymes & transcription factors, are regulated by reversible GlcNAc attachment. Often attachment of GlcNAc to a protein OH alternates with phosphorylation, with these 2 modifications having opposite regulatory effects (stimulation or inhibition).

N-linked oligosaccharides of glycoproteins tend to be complex and branched. First N-acetylglucosamine is linked to a protein via the side-chain N of an asparagine residue in a particular 3-amino acid sequence.

H O

OH

HN

H

H

HNH

OH

CH2OH

H

C CH3

O

C CH2 CH

O HN

C

HN

O

HC

C

HN

HC

R

O

C

R

O

Asn

X

Ser or ThrN-acetylglucosamine

Initial sugar in N-linked glycoprotein oligosaccharide

Additional monosaccharides are added, and the N-linked oligosaccharide chain is modified by removal and addition of residues, to yield a characteristic branched structure.

NAN

Gal

NAG

Man

NAG

Gal

NAN

Man

Man

NAG

Gal

NAN

NAG

NAG

Asn

Fuc

N-linked oligosaccharide

Key:NAN = N-acetylneuraminateGal = galactoseNAG = N-acetylglucosamineMan = mannoseFuc = fucose

Many proteins secreted by cells have attached N-linked oligosaccharide chains.

Genetic diseases have been attributed to deficiency of particular enzymes involved in synthesizing or modifying oligosaccharide chains of these glycoproteins.

Such diseases, and gene knockout studies in mice, have been used to define pathways of modification of oligosaccharide chains of glycoproteins and glycolipids.

Carbohydrate chains of plasma membrane glycoproteins and glycolipids usually face the outside of the cell.

They have roles in cell-cell interaction and signaling, and in forming a protective layer on the surface of some cells.

Lectins are glycoproteins that recognize and bind to specific oligosaccharides. A few examples:

Concanavalin A and wheat germ agglutinin are plant lectins that have been useful research tools. 

Mannan-binding lectin (MBL) is a glycoprotein found in blood plasma.

It associates with cell surface carbohydrates of disease-causing microorganisms, promoting phagocytosis of these organisms as part of the immune response.

A cleavage site just outside the transmembrane -helix provides a mechanism for regulated release of some lectins from the cell surface.

A cytosolic domain participates in regulated interaction with the actin cytoskeleton.

transmembrane -helix

lectin domain selectin

cytoskeleton binding domain

cytosol

outside

Selectins are integral proteins of mammalian cell plasma membranes with roles in cell-cell recognition & binding.

A lectin-like domain is at the end of an extracellular segment that extends out from the cell surface.