background image

CARBOHYDRATES

Describe, Discuss, and compare the classification,
structure and function of carbohydrates and its
derivatives.

Dr. Noorhan Chelebi

1

ﻛﻳﻣﻳﺎء ﻧﻅﺭﻱ / ﺍﻭﻝ ﺍﺳﻧﺎﻥ ﻛﺭﻛﻭﻙ

ﺩ.ﻧﻭﺭﻫﺎﻥ

12/11/2018

88


background image

CARBOHYDRATES

1 Role & Significance of

Carbohydrates

2 Monosaccharides
3 Oligosaccharides
4 Polysaccharides
5 Glyconoconjugates

2


background image

 ROLE OF CARBOHYDRATES

As a major energy source for living organisms

(

glucose is a principal energy source in animal and plants)

As means of transporting energy

 

(  sucrose in plant tissues)

As a structural material
 

( cellulose in plants, chitin in insects, building blocks of

nucleotides).

As a precursor for other biomolecules

(

purine, pyrimide)

3


background image

SIGNIFICANCE OF CARBOHYDRATES

Carbohydrates are the most important biomolecules in

nature, having a direct link between solar energy
and the chemical bond energy in living organisms.

Source of rapid energy production.
Structural building blocks of cells.
Components of several metabolic  pathways.
Recognition of cellular phenomena, such as cell

recognition and binding (e.g., by other cells,
hormones, and viruses)

4


background image

Carbohydrate: compounds contains H, C & O with the
compound:
 (CH

2

O)

n

 

→(Hydrate of carbon)

Carbohydrates: 

→Consist of sugar (saccharum)

Sugars are compounds that contains alcohol & carbonyl
functional group

Carbonyl func.group : >C=O
Adehyde 

→ aldose

Ketone 

→ ketose

CARBOHYDRATES

5


background image

Examples:

6


background image

cellulose, chitin,
starch, glycogen,
glucoaminoglycan
s

disaccharides
Glycoproteins
 (bacterial cell
walls

Classification

Carbohydrate

Mono

saccharide

Oligo

saccharide

Poly

saccharide

Glyconoconjugate

s

Glucose, fructose
Ribose
(aldopentose)
Deoxy ribose

glycoproteins
and
proteoglycans

7


background image

Monosach Properties & classification

• Colorless, crystalline solids.
• Soluble in water but insoluble in nonpolar solvents.
• One of the carbon atoms is double‐bonded to an

oxygen atom to form a carbonyl group; each of the
other carbon atoms has a hydroxyl group.

– Carbohydrates with an aldehyde (‐CHO) functional group

are called aldoses

– e.g. glyceraldehyde (CH

2

OH‐CHOH‐CHO)

Those with a keto group (‐C=O) are ketoses e.g.

Dihydroxyacetone   (CH2OH‐C=O‐CH2OH)

– Classified according to the number of carbon atoms they

contain

8


background image

Monosacharides : Exp. aldoses & ketoses

Aldotetros
e

Aldotrios
e

Aldopentose
s

Ketotrios
e

Ketotetros
e

Ketopentos
e

Ketohexos
e

Aldohexos
e

9


background image

MONOSACCHARIDES  STEREOISOMERS

• Isomers: same chemical formulas, different structures
•  Conformation : 
the spatial arrangement of substituent groups
• Chiral centers: asymmetric carbons, i.e  carbon atom with four different

substituents

• Enantiomers :  mirror images Stereoisomers
•  The simplest aldose, glyceraldehyde, contains one chiral center (the

middle carbon atom) and has two different optical isomers, or
enantiomers

 the projection in which the carbohydrate backbone is
drawn vertically with the carbonyl  shown on the top.

10


background image

D‐ and L‐ enantiomers

11


background image

Cyclic structure of monosacharides

In aqueous solution,  monosaccharides with 5 or more C atoms in the backbone occur
predominantly as cyclic (ring) structures in which the carbonyl group has formed a
covalent bond with the oxygen of a hydroxyl group along the chain.

The new chiral center in cyclic  (c1) is called anomeric
carbon

12


background image

Pyranoses & Furanoses

Pyranoses:   six­membered ring compounds ( resemble  pyrann)
Furanoses : five­membered rings, (resemble  furan)

The structure systematic names glucose & fructose become

13


background image

FISHER AND HAWORTH FORMS OF SUGAR

• .

14


background image

SUMMARY OF SUGAR STRUCTURES

• ISOMERS‐ compounds that have the same chemical formula e.g. fructose,

glucose, mannose, and galactose are isomers of each other having formula

C

6

H

12

O

6

.

• EPIMERS‐ refer to sugars whose configuration differ around one specific

carbon atom e.g. glucose and galactose are C‐4 epimers and glucose and

mannose are C‐2 epimers.

• ENANTIOMERS‐ a special type of isomerism found in pairs of structures that

are mirror images of each other. The mirror images are termed as

enantiomers and the two members are designated as D‐ and L‐ sugar. The

vast majority of sugars in humans are D‐sugars.

• CYCLIZATION OF SUGARS‐ most monosaccharides with 5 or more carbon

atoms are predominately found in a ring form, where the aldehyde or

ketone group has reacted with an alcoholic group on the same sugar group

to form a hemiacetal or hemiketal ring.

Pyranose ring‐ if the ring has 5 carbons and 1 oxygen.
       Furanose ring‐ if the ring is 5‐membered (4 carbons and 1 oxygen

15


background image

IMPORTANT REACTIONS IN MONOSACCHARIDES

Monosaccharides undergo the following reactions :

1.  Mutarotation
2.  Oxidation
3.  Reduction
4.  Isomerization
5.  Esterification
6.  Glycoside

formation

16


background image

IMPORTANT REACTIONS IN MONOSACCHARIDES
Details

1. Mutarotation –

alfa and beta forms of sugars are readily interconverted

when dissolved in water

2 Oxidation and reduction

in presence of oxidising agents, metal ions (Cu2+) and

enzymes, monosacchs undergo several oxidation reactions e.

g. Oxidation of aldehyde group (R‐CHO) yields aldonic acid

REDUCTION

reduction of the aldehyde and ketone groups of

monosacchs yield sugar alcohols (alditols) Sugar alcohols e.g.

sorbitol, are used commercially in processing foods and

pharmaceuticals. a molecule to form a cyclic ester lactone.

17


background image

.

4 ISOMERIZATION

Monosaccharides undergo several types of isomerization e.g.

D‐glucose in alkaline solution for several hours containn D‐

mannose and D‐fructose. The conversion of glucose to

mannose is termed epimerization.

5 ESTERIFICATION

Free OH groups of carbohydrates react with acids to form

esters. This reaction will change the physical and chemical

propteries of sugar.

6 GLYCOSIDE FORMATION‐

Hemiacetals and hemiketals reaction with alcohols to form

the corressponding aceta or ketal. On the contrary when a

cyclic hemiacetal or hemiketal form of monosaccharide

reacts with alcohol, the new linkage is called glycosidic

linkage and the compound is called glycoside.

18


background image

19


background image

Alfa & beta  GLYCOCIDIC BOND

20


background image

REDUCING SUGARS

• All monosacchs are reducing sugars.
• They can be oxidised by weak oxidising agent

such as Benedict’s reagent

• Benedict's reagent is a solution of copper

sulfate, sodium hydroxide, and tartaric acid.

Aqueous glucose is mixed with Benedict's

reagent and heated. The reaction reduces the
blue copper (II) ion to form a brick red
precipitate of copper (I) oxide. Because of this,
glucose is classified as a reducing sugar.

21


background image

IMPORTANT MONOSACCHARIDES

• GLUCOSE
• FRUCTOSE
• GALACTOSE

• D­Glucose:

➢ D­glucose (dextrose) is the primary fuel in living cells

especially in brain cells that have few or no
mitochondria.

➢ Cells such as eyeballs have limited oxygen supply

and use large amount of glucose to generate energy

➢ Dietary sources include plant starch, and the

disaccharides lactose, maltose, and sucrose

22


background image

DIABETES (Diabetes mellitus)

• Characterized by high blood glucose levels that leaks over

into the urine

• These high glucose levels  impairs the insulin‐stimulated

glucose entry into cells and  starve the cells of insulin.

• This leads to ketosis or high levels of ketone bodies (acids)

that hinders the buffering capacity of the blood in the kidney,
which controls blood pH (by excreting excess H+ ions into the
urine).

• The H+ excretion is accompanied by the excretion ammonia,

sodium,potassium, and phosphate ions causing severe
dehydration

• This leads to excessive thirst symptom of diabetes and  life‐

threatening decrease in blood volume.

23


background image

Important monosaccharides.

• FRUCTOSE

– D‐fructose (levulose) is often referred as fruit sugar and is

found in some vegetables and honey

– This molecule is an important member of ketose member

of sugars

– It is twice as sweet as sucrose (per gram basis) and is used

as sweeting agent in processed food products

– It is present in large amounts in male reproductive tract

and is synthesised in the seminal vesicles.

24


background image

Important monosaccharides.

• GALACTOSE

– is necessary to synthesize a variety of biomolecules

(lactose‐in mammalary glands, glycolipids, certain
phospholipids, proteoglycans, and glycoproteins)

– Galactose and glucose are epimers at carbon 4 and

interconversion is catalysed by enzyme epimerase.

– Medical problems – galactosemia (genetic disorder)

where enzyme to metabolize galactose is missing;
accumulation of galactose in the body can cause liver
damage, cataracts, and severe mental retardation

25


background image

Mono sugar derivatives

• AMINO SUGARS –

– Sugars in which a hydroxyl group (common on

carbon 2) is replaced by an amino group e.g. D‐
glucosamine and D‐galactosamine

– common constituents of complex carbohydrate

molecule found attached to cellular proteins and
lipids

– Amino acids are often acetylated e.g. N‐acetyl‐

glucosamine.

26


background image

Mono sugar derivatives

• DEOXYSUGARS

– monosaccharides in which an ‐ H  has replaced an – OH

group

– Important sugars: L‐fucose (formed from D‐mannose by

reduction reactions) and 2‐deoxy‐D‐ribose

– L‐fucose – found among carbohydrate components of

glycoproteins, such as those of the ABO blood group
determinates on the surface of red blood cells

– 2‐deoxyribose is the pentose sugar component of DNA.

27


background image

GLYCOSIDES

• Monosaccharides can be linked by glycosidic bonds (joining

of 2 hydroxyl groups of sugars by splitting out water

molecule) to create larger structures.

• Disaccharides contain 2 monosaccharides e.g. lactose

(galactose+glucose); maltose (glucose+glucose);

sucrose (glucose+fructose)

• Oligosaccharides – 3 to 12   monosaccharides units e.g.

glycoproteins

• Polysaccharides – more than 12 monosaccharides units e.g.

glycogen (homopolysaccharide) having hundreds of sugar

units; glycosaminoglycans (heteropolysaccharides) containing
a number of different monosaccharides species

.

28


background image

Section 3

DISACCHARIDES
AND
OLIGOSACCHARIDES

29


background image

DISACCHARIDES AND OLIGOSACCHARIDES

• Cnfigurations: alfa or beta ( 1,4, glycosidic

bonds or linkages; other linkages 1,1; 1,2; 1,3;
1,6)

• Digestion aided by enzymes. Defficiency of

any one enzyme causes unpleasant
symptoms (fermentation) in colon produces
gas [bloating of cramps].

• Most common defficiency, an ancestoral

disorder, lactose intolerance caused by
reduced synthesis of lactase

30


background image

Important sugars of Disaccharides

• LACTOSE

(milk sugar) disaccharide found in milk; composed of one

molecule of galactose and glucose  linked through beta(1,4)
glycosidic linkage; because of the hemiacetal group of the
glucose component, lactose is a reducing sugar

31


background image

Lactose intolerance

• Lactose (milk sugar) in infants is hydrolyzed by

intestinal enzyme lactase to its component

monosacch for absorption into the bloodstream

(galactose epimerized to glucose).

• Most adult mammals have low levels of beta‐

galactosidase. Hence, much of the lactose they

ingest moves to the colon, where bacterial

fermentation generates large quantities of CO2, H2

and irritating organic acids.

• These products cause painful digestive upset known

as lactose intolerance and is common in the African

and Asian decent.

32


background image

❑ MALTOSE ( malt sugar)

An intermediate product of starch hydrolysis; it is a disaccharide with an
alfa(1,4) glycosidic linkage between two D­glucose molecules; in solution the
free anomeric carbon undergoes mutarotation resulting in an equilibrium
mixture of alfa and beta – maltoses; it does not occur freely in nature

33


background image

• SUCROSE

common table sugar: cane sugar or beet sugar produced in

the leaves and stems of plants; it is a disaccharide containing
both alfa‐glucose and beta‐fructose residues linked by alfa,
beta
(1,2)glycosidic bond.

34


background image

• CELLOBIOSE

degradation product of cellulose containing

two molecules of glucose linked by a beta
(1,4) glycosidic bond; it does not occur freely
in nature

35


background image

 

OLIGOSACCHARIDE SUGARS

• Oligosaccharides are small polymers often

found attached to polypeptides in
glycoproteins and some glycolipids.

• They are attached to membrane and

secretory proteins found in endoplasmic
reticulum and Golgi complex of various cells

• Two classes: N‐linked and O‐linked

36


background image

Section 4
POLYSACCHARIDES

4.1. Intro to Polysaccharides
4.2. Classification of
Polisacharides
4.2.1. Homosacharides
4.2.2. 

 

Heteropolysacharides

37


background image

4.1. Intro to Polysaccharides

• Composed of large number of monosaccharide units

connected by glycosidic linkages

• Classified on the basis of their main monosaccharide

components and the sequences and linkages between them,

as well as the anomeric configuration of linkages, the ring

size (furanose or pyranose), the absolute configuration (D‐ or

L‐) and any other substituents present. 

(http://www.lsbu.ac.uk/water/

hypol.html)

• Polysaccharides are more hydrophobic if they have a greater

number of internal hydrogen bonds, and as their

hydrophobicity increases there is less direct interaction with

water

• Divided into homopolysaccharides (e.g.Starch, glycogen,

cellulose, and chitin) & heteropolysaccharides

(glycoaminoglycans or GAGs, murein).

38


background image

4.2. Classification of Polisacharides

39


background image

4.2.1.HOMOSACCHARIDES

• Found in abundance in nature
• Important examples: starch, glycogen, cellulose, and

chitin

• Starch, glycogen, and cellulose all yield D‐glucose

when they are hydrolyzed

• Cellulose ‐ primary component of plant cells
• Chitin – principal structural component of

exoskeletons of arthropods and cell walls of many
fungi; yield glucose derivative N‐acetyl glucosamine
when it is hydrolyzed.

40


background image

STARCH (Homosaccharide)

• A naturally abundant nutrient carbohydrate, (C

6

H

10

O

5

)n, found chiefly in

the seeds, fruits, tubers, roots, and stem pith of plants, notably in corn,

potatoes, wheat, and rice, and varying widely in appearance according to

source but commonly prepared as a white amorphous tasteless powder.

• Any of various substances, such as natural starch, used to stiffen cloth, as

in laundering.

• Two polysaccharides occur together in starch: amylose and amylopectin
• Amylose – unbranched chains of D‐glucose residues linked with

alfa(1,4,)glycosidic bonds

• Amylopectin – a branched polymer containing both alfa(1,4,) and

alfa(1,6) glcosidic linkages; the alfa(1,6) branch points may occur every

20‐25 glucose residues to prevent helix formation

• Starch digestion begins in the mouth; alfa‐amylase in the saliva initiates

hydrolysis of the gycosidic linkages

41


background image

GLYCOGEN (Homosaccharide)

• Glycogen is the storage form of glucose in animals and humans which is

analogous to the starch in plants.

• Glycogen is synthesized and stored mainly in the liver and the muscles.
• Structurally, glycogen is very similar to amylopectin with alpha acetal

linkages, however, it has even more branching and more glucose units

are present than in amylopectin.

•  Various samples of glycogen have been measured at 1,700‐600,000 units

of glucose.

• The structure of glycogen consists of long polymer chains of glucose units

connected by an alpha acetal linkage.

• The branches are formed by linking C # 1 to a C # 6 through an acetal

linkages.

• In glycogen, the branches occur at intervals of 8‐10 glucose units, while in

amylopectin the branches are separated by 12‐20 glucose units.

42


background image

STRUCTURE OF GLYCOGEN

43


background image

CELLULOSE (Homosaccharide)

• Cellulose is found in plants as microfibrils (2‐20 nm diameter and 100 ‐ 40

000 nm long). These form the structurally strong  framework in the cell

walls.

• Cellulose  is mostly prepared from wood pulp
• Cellulose is a linear polymer of β-(1 4)‐D‐glucopyranose units in 

4

C

1

conformation. The fully equatorial conformation of β-linked

glucopyranose residues stabilizes the chair structure, minimizing its

flexibility

• Cellulose has many uses as an anticake agent, emulsifier, stabilizer,

dispersing agent, thickener, and gelling agent but these are generally

subsidiary to its most important use of holding on to water.

• Water cannot penetrate crystalline cellulose but dry amorphous cellulose

absorbs water becoming soft and flexible.

• Purified cellulose is used as the base material for a number of water‐

soluble derivatives e.g. Methyl cellulose, carbomethycellulose

44


background image

Cellulose as polymer of β-D‐glucose

45


background image

Cellulose in 3D

46


background image

CELLULOSE

47


background image

CHITIN (Homosaccharide)

• Chitin is a polymer that can be found in anything from the

shells of beetlesto webs of spiders. It is present all around us,

in plant and animal creatures.

• It is sometimes considered to be a spinoff of cellulose,

because the two are very molecularly similar.

• Cellulose contains a hydroxy group, and chitin contains

acetamide.

• Chitin is unusual because it is a "natural polymer," or a

combination of elements that exists naturally on earth.

• Usually, polymers are man‐made. Crabs, beetles, worms and

mushrooms contain large amount of chitin.

• Chitin is a very firm material, and it help protect an insect

against harm and pressure

48


background image

Structure of the chitin molecule, showing two of the N‐
acetylglucosamine units that repeat to form long  chains in beta‐1,4

linkage.

49


background image

4.2.2.HETEROPOLYSACCHARIDES

• Are high‐molecular‐weight carbohydrate

polymers more than one kind of
monosaccharide

• Important examples include

glycosaminoglycans (GAGs) – the principle
components of proteoglycans and murein, a
major component of bacterial cell walls.

50


background image

SECTION 5
GLYCOCONJUGATES

5.1. Intro to glycoconjugates
5.2. glycoproteins
5.3. glycosylation
5.4. proteoglycans

51


background image

5.1. Intro to glycoconjugates

• They are compounds that result from covalent

linkages of carbohydrate molecules to both proteins
and lipids.

• They have a profound effects on the functions of

individual cells as weell as cell‐cell interactions of
multicellular organisms.

• Two classes of carbohydrate‐protein conjugate:

glycoproteins and proteoglycans.

• The glycolipids (oligosaccharide‐containing lipid

molecules) are found predominately on the outer
surface of plasma membrane.

52


background image

5.2.glycoproteins

• Glycoprotein carbohydrate chains are highly diverse. They

are formed by glycosylation and classified into two groups:

1. N‐linked oligosaccharides
2. O‐linked oligosaccharides

• The N‐linked oligosaccharides have a minimum of 5 sugar

residues

• N‐linked attached to polypeptides by an N‐glycosidic bond

with a chain amide group of amino acid and asparagine

• O‐linked oligosaccharides are generally short (1‐4 sugar

residues)

• O‐linked are attached to polypeptides by the side chain

hydroxyl group of amino acids serine or threonine in

polypeptide chains or hydroxyl groups of membrane lipids

53


background image

5.3.glycosylation

• Glycosylation is the process or result of addition of

saccharides to proteins and lipids

• The process plays an important role in the synthesis of

membrane and secreted proteins

• Majority of proteins synthesized in the rough ER undergo

glycosylation

• It is an enzyme ‐directed site‐specific process.
• Two types of glycosylation exist: N‐linked glycosylation to the

amide nitrogen of asparagine side chains and O‐linked

glycosylation to the hydroxy oxygen of serine and threonine

side chains.

• Glycosylation may play a role in cell‐cell adhesion (a

mechanism employed by cells of the immune system), as

well.

54


background image

GLYCOPROTEIN FUNCTIONS

• Types of glycoproteins: asparagine‐linked carbohydrate;

mucin‐type cabohydrate

• Examples: glycophorin (membrane protein, source – human

RBC, % carbohydrate ‐ 60); potato lectin (lectin, carbohydrate

binding proteins, source – potato, % carbohydrate – 50)

• Functions: Many glycoproteins have structural functions:

constituent of the cell wall; form connective tissues such as

collagen; found in gastrointestinal mucus secretions;  used as

protective agents and lubricants ;found abundantly in the

blood plasma.

• The human blood groups A, B, AB, and O depend on the

oligosaccharide part of the  glycoprotein on the surface of

erythrocyte cells.  The terminal monosaccharide of the

glycoprotein at the nonreducing end determines blood group.

55


background image

BLOOD GROUPS

TYPE

TERMINAL SUGAR

A

N‐acetylgalactosamine

B

α‐D‐galactose

AB

both the above

O

neither of the above

is the “universal donor”

AB 

is the “universal

acceptor”

56


background image

Oligosaccharides are antigeneic
determinants

• Carbohydrates on cell surfaces are immunochemical

markers.

• ABO blood group antigens are oligosaccharide

components of glycoproteins and glycolipids  on the
surfaces of individual cells, besides blood cells.

•  Individuals with type A cells have A antigens on

their cell surfaces and carry anti‐B antibodies

• Those with type B cells which bear B antigens, carry

anti‐A antibodies

57


background image

• Those with type AB cells, which have both A and B

antigens, carry neither anti‐A nor anti‐B antibodies

• Type O individuals whose cells bear neither antigen,

carry both anti‐A and anti‐B antibodies.

• Transfusion of type A blood group into a type B

individual, results in an anti‐A antibody‐ A antigen
reaction.

• This reaction clumps together (agglutinates) the

transfused erythrocytes, resulting in an often fatal
blockage of blood vessels

58


background image

Functions of glycoproteins (elaborated)

http://www.cs.stedwards.edu/chem/Chemistry/CHEM43/CHEM43/Glycoproteins/Glycoproteins.HTML

Carbohydrates and proteins by themselves serve in a vast

number of biological functions,linking the two together

results in a macromolecule with an extremely large number

of functions.

• Structural: Glycoproteins are found throughout matrices.

They act as receptors on cell surfaces that bring other cells

and proteins (collagen) together giving strength and support

to a matrix.

•  In nerve tissue glycoproteins are abundant in gray matter

and appear to be associated with synaptosomes, axons, and

microsomes.

• Protection: Human lacrimal glands produce a glycoprotein

which protects the corneal epithelium from desiccation and

foreign particles. Human sweat glands secrete glycoproteins

which protect the skin from the other excretory products

that could harm the skin

59


background image

Functions of glycoproteins (further elaborated‐1)

• Prothrombin, thrombin, and fibrinogen are all glycoproteins

that play an intricate role in the blood clotting mechanism

• In certain bacteria the slime layer that surrounds the

outermost components of cell walls are made up of

glycoproteins of high molecular weight. In addition to

forming these s‐layers, glycoproteins also function as

bacterial flagella. These are made up of bundles of

glycoproteins protruding from the cell's surface. Their

rotation provides propulsion.

• In plants, glycoproteins have roles in cell wall formation,

tissue differentiation, & embryogenesis.

• Reproduction: Glycoproteins found on the surface of

spermatozoa appear to increase a sperm cell's attraction for

the egg by altering the electrophoretic mobility of the plasma

membrane.

60


background image

Functions of glycoproteins (further elaborated‐2)

• Adhesion: Glycoproteins serve to adhere cells to

cells and cells to substratum.

• Hormones: There are many glycoproteins that

function as hormones such as human chorionic
gonadotropin (HCG) which is present in human
pregnancy urine. Another example is erythropoietin
which regulates erythrocyte production

• Enzymes: Glycoprotein enzymes are of three types.

These are oxidoreductases, transferases, and
hydrolases.

61


background image

Functions of glycoproteins (further elaborated‐3)

• Carriers: Glycoproteins can bind to certain molecules and

serve as vehicles of transport. They can bind to vitamins,

hormones, cations, and other substances.

• Inhibitors: Many glycoproteins in blood plasma have shown

antiproteolytic activity. For example, the glycoprotein a1‐

antichymotrypsin inhibits chymotrypsin.

• Immunological: The interaction of blood group substances

with antibodies is determined by the glycoproteins on

erythrocytes. Many immunoglobulins are actually

glycoproteins.

B and T cells contain surface glycoproteins that attract

bacteria to these sites and bind them. In much the same

manner, glycoproteins can direct phagocytosis. Because the

HIV virus recognizes the receptor protein CD4, it binds to

helper T cells which contain it.

62


background image

CELL MEMBRANE

• The cell membrane is a fluid mosaic of lipids, proteins, and

carbohydrates.

• Membrane carbohydrates are usually branched

oligosaccharides with fewer than 15 sugar units.

• Some of these oligosaccharides are covalently bonded to

lipids, forming molecules called glycolipids.

• Most are covalently bonded to proteins, which are thereby

glycoproteins.

• Plants produce pectin, major component of cell wall.
• The oligosaccharides on the external side of the plasma

membrane vary from species to species

• The diversity of the molecules and their location on the cell's

surface enable oligosaccharides to function as markers that

distinguish one cell from another.

63


background image

THE MOSAIC OF CELL’S MEMBRANE

64


background image

CELL MEMBRANE MATRIX

• The biological membrane is a collage of many

different proteins embedded in the fluid matrix of

the lipid bilayer.

• The lipid bilayer is the main fabric of the membrane,

and its structure creates a semi‐permeable

membrane.

• The hydrophobic core impedes the transport of

hydrophilic structures, such as ions and polar

molecules but enable hydrophobic molecules, which

can dissolve in the membrane, cross it with ease.

65


background image

Protein layer of cell membrane

• Proteins determine most of the membrane's

specific functions.

• The plasma membrane and the membranes

of the various organelles each have unique
collections of proteins.

• For example, to date more than 50 kinds of

proteins have been found in the plasma
membrane of red blood cells.

66


background image

5.4. PROTEOGLYCANS

• Proteoglycans represent a special class of glycoproteins that

are heavily glycosylated.

• They consist of a core protein with one or more covalently

attached glycosaminoglycan chain(s).

• These glycosaminoglycan (GAG) chains are long, linear

carbohydrate polymers that are negatively charged under

physiological conditions, due to the occurrence of sulphate

and uronic acid groups.

• Proteoglycans can be categorised depending upon the

nature of their glycosaminoglycan chains. These chains may

be:
1. chondroitin sulfate and dematan sulfate
2. heparin and heparin sulfate
3. keratan sulfate

67


background image

• Proteoglycans can also be categorised by size.
• Example of large proteoglycan is aggrecan.
• Aggrecan, is the major proteoglycan in

cartilage,  present in many adult tissues
including blood vessels and skin.

• The small leucine rich repeat proteoglycans

(SLRPs) include decorin, biglycan,
fibromodulin  
and lumican.

68


background image

SYNTHESIS OF PROTEOGLYCANS

• The protein component of proteoglycans is

synthesized by 

ribosomes

The protein component of

proteoglycans is synthesized by ribosomes and

translocated

The protein component of

proteoglycans is synthesized by ribosomes and

translocated into the lumen of the 

rough

endoplasmic reticulum

.

• Glycosylation of the proteoglycan occurs in the 

Golgi

apparatus

Glycosylation of the proteoglycan occurs

in the Golgi apparatus in multiple 

enzymatic

 steps.

• First a special link tetrasaccharide is attached to a

serine

 side chain on the core protein to serve as a

primer for polysaccharide growth.

• Then sugars are added one at the time by glycosyl

transferase.

• The completed proteoglycan is then exported in

secretory 

vesicles

 to the extracellular matrix of the

69


background image

Structure of proteoglycans

• The GAGs extend perpendicular from the core protein in a bottlebrush‐

like structure.

• The linkage of GAGs such as (heparan sulfates and chondroitin sulfates) to

the protein core involves a specific trisaccharide linker

• Some forms of keratan sulfates are linked to the protein core through an

N‐asparaginyl bond.

• The protein cores of proteoglycans are rich in Ser and Thr residues which

allows multiple GAG attachment.

70


background image

FUNCTION OF PROTEOGLYCANS

• Proteoglycans are a major component of the animal

extracellular matrix

Proteoglycans are a major component of

the animal extracellular matrix, the 'filler' substance existing

between 

cells

 in an organism.

• Individual functions of proteoglycans can be attributed to

either the protein core or the attached GAG chain.

• In extracellular matrix, they form large complexes, with other

proteoglycans, to 

hyaluronan

In extracellular matrix, they

form large complexes, with other proteoglycans, to

hyaluronan and to fibrous matrix proteins (such as 

collagen

).

• They are also involved in binding 

cations

They are also

involved in binding cations (such as 

sodium

They are also

involved in binding cations (such as sodium, 

potassium

They

are also involved in binding cations (such as sodium,

potassium and 

calcium

They are also involved in binding

cations (such as sodium, potassium and calcium) and 

water

,

and also regulating the movement of molecules through the

matrix.

• They can affect the activity and stability of proteins and

71


background image

ROLE OF PROTEOGLYCANS

http://www.cryst.bbk.ac.uk/pps97/assignments/projects/emilia/Proteoglycans.HTM

• GAG dependent functions can be divided into two classes:

the biophysical and the biochemical.

• The biophysical functions depend on the unique properties

of GAGs : the ability to fill the space, bind and organize water

molecules and repel negatively charged molecules. Because

of high viscosity and low compressibility they are ideal for a

lubricating fluid in the joints. On the other hand their rigidity

provides structural integrity to the cells and allows the cell

migration due to providing the passageways between cells.

For example the large quantities of chondroitin sulfate and

keratan sulfate found on aggrecan play an important role in

the hydration of cartilage. They give the cartilage its gel‐like

properties and resistance to deformation.

72


background image

Role of proteoglycans contd.

• The other, more biochemical functions of GAGs are

mediated by specific binding of GAGs to other

macromolecules, mostly proteins. Proteoglycans

participate in cell and tissue development and

physiology.

• Hurler’s syndrome: (refer Text) disease related with

proteoglycan metabolism where excessive

accumulation of dermatin sulfate due to deficiency

of a specific enzyme may cause mental retardation,

skeletal deformity ansd death in early childhood.

73


background image

SUMMARY

• Monosaccharides, the simplest carbohydrates, are classified

as aldoses or ketoses.

• The cyclic hemiacetal and hemiketal forms of monosacchs

have either alfa or beta configuration at their anomeric

carbon.

• Monosacch derivatives include aldonic acids, uronic acids,

deoxy sugars, amino sugars, alfa & beta glycosides.

• Disaccharides simplest polysaccharides occuring as hydrolysis

products of larger molecules e.g. Lactose,sucrose

• Oligosaccharides play important roles in determining protein

structure and in cell‐surface recognition phenomena.

Oligosacchs with 3 or more sugar residues are mostly found

in plants.

74


background image

Summary contd. ‐1

• POLOYSACCHARIDES consist of monosacchs linked

by glycosidic bonds.

• Cellulose and chitin are structural polysacchs with

beta(1‐4) linkages that adopt rigid and extended
structures.

• The storage polysacchs starch and glycogen consist

of alfa‐glycosidically linked glucose residues

• Glycosaminoglycans are unbranched polysacchs

containing uronic acids and amino sugars that are
often sulfated

75


background image

Summary contd.‐2

• GLYCOCONJUGATES:

 Proteoglycans & glycoproteins

play important roles in information transfer in living

organisms.

• Proteoglycans are enormous molecules consisting

of hyaluronate with attached core proteins that

bear numerous glycosaminoglycans and

oligosaccharides. Found in the extracellular matrix

of tissues

• Bacterial cell walls are made up of peptidoglycan, a

network of polysaccharide and poypeptide chains.

76


background image

Summary contd.‐3

• Glycoproteins or Glycosylated proteins may contain

N‐linked oligosacchs attached to Asn (asparagine) or
O‐linked oligosacchs attached to Ser or Thr (serine
or threonine) or both

• Different molecules of glycoproteins may contain

different sequences and locations of
oligosaccharides.

• Occur in cells in both soluble and membrane bound

forms, and in extracellular fluids

77


background image

END NOTES

• The destiny of a nation depends on the

manner in which it feeds itself.

• We eat to live, NOT, live to eat.

• Lower your carbohydrate consumption, but

balance it with the right amount of protein
and fat.

78




رفعت المحاضرة من قبل: Dr yamer AlJubouri
المشاهدات: لقد قام 8 أعضاء و 226 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل