Biokimia karbohidrat

1. Jelaskan tentang karbohidrat dan kaitannya dengan kehidupan manusia ?

Karbohidrat :

Adalah suatu biomolekul yang merupakan suatu polimer (disusun sejumlah monomer). Senyawanya mengandung unsur C,H dan O atau senyawa polihidroksi aldehid dan keton. Istilah karbohidrat berasal dari pemikiran bahwa pati, gula, glikogen, sukrosa, glukosa dinyatakan dengan rumus Cx (H2O)y yakni suatu hidrat dari karbon.



Kaitannya dengan kehidupan manusia :

Karbohidrat menyediakan kebutuhan dasar yang diperlukan tubuh makhluk hidup. Monosakarida khususnya glukosa, merupakan nutrien utama sel. Misalnya, pada manusia glukosa mengalir dalam aliran darah sehingga tersedia bagi seluruh sel tubuh. Sel-sel tubuh tersebut menyerap glukosa dan mengambil tenaga yang tersimpan didalam molekul tersebut pada proses respirasi seivier untuk menjalankan sel-sel tubuh. Karbohidrat pada glikoprotein umumnya berupa oligosakarida dapat berfungsi sebagai penanda sel. Misalnya 4 golongan darah manusia pada sistem ABO. Selain sumber energi, karbohidrat juga berfungsi untuk menjaga keseimbangan asam basa di dalam tubuh dan pembnetuk struktur sel dengan mengikat protein dan lemak.



2. Derivat karbohidrat dan sifat-sifatnya :

a. Monosakarida

Monosakarida, adalah senyawa karbohidrat yang paling sederhana yang tidak dapat dihidrolisis lagi. Umumnya senyawa ini adalah aldehida atau keton yang mempunyai dua atau lebih gugus hidroksil. Beberapa molekul karbohidrat juga mengandung unsur nitrogen dan sulfur. Rumus kimia empiris karbohidrat adalah (CH2O)n dimana n = 3 atau lebih. Jika gugus karbonil pada ujung rantai monosakarida adalah turunan aldehida, maka monosakarida ini disebut aldosa. Dan bila gugusnya merupakan turunan keton maka monosakarida tersebut dinamakan ketosa. Monosakarida yang paling kecil n = 3 adalah gliseraldehida dan dihidroksiaseton. Gliseraldehida adalah monosakarida sederhana yang mengandung gugus aldosa (Gambar 2.5). Sedangkan dihidroksiaseton adalah monosakarida sederhana yang mengandung gugus ketosa (gambar 2.6).

Aldosa dengan 4, 5, 6, dan 7 atom karbon disebut tetrosa, pentosa, heksosa, dan pentosa. Dua heksosa yang umum adalah D-glukosa (aldosa) dan D- fruktosa (ketosa).

b. Disakarida atau Oligosakarida

Karbohidrat yang terbentuk dari dua sampai sepuluh monosakarida digolongkan dalam kelompok oligosakarida. Termasuk kelompok ini adalah disakarida, trisakarida dan seterusnya sesuai dengan jumlah satuan monosakaridanya. Disakarida terdiri dari dua monosakarida yang terikat dengan 0-glikosidik. Tiga senyawa disakarida utama yang penting dan melimpah ruah dialam adalah sukrosa, laktosa dan maltosa. Ketiga senyawa ini memiliki rumus molekul yang sama (C12H22O11) tetapi struktur molekul berbeda. Sukrosa atau gula pasir yang umum , didapatkan dari tebu atau bit. Atom-atom anomer unit glukosa dan unit fruktosa berikatan pada disakarida ini. Konfigurasi ikatan glikosidiknya adalah a- untuk glukosa dan b- untuk fruktosa. Dengan sendirinya sukrosa tidak mempunyai gugus pereduksi bebas (ujung aldehid atau keton), berbeda dengan sebagian besar gula lainnya. Hidrolisis sukrosa menjadi glukosa dan fruktosa dikatalisis oleh enzim sukrase (juga disebut invertase karena hidrolisis mengubah aktivitas optik dari putaran ke kanan menjadi ke kiri.

Laktosa atau gula susu terbentuk dari ikatan glikosid antara karbon nomor 1 pada galaktosa dan atom karbon nomor 4 pada glukosa ( ikatan glikosidik b-1,4). Laktosa dihidrolisis menjadi glukosa dan galaktosa oleh enzim laktase pada manusia ( oleh b-galaktosidase pada bakteri).

Maltosa terbentuk antara dua unit glukosa berikatan melalui ikatan glikosidik a-1,4. Maltosa (gula gandum) berasal dari hidrolisis pati dan kembali dihidrolisis menjadi glukosa oleh maltase. Selobiosa juga tersusun dari dua monosakarida glukosa yang berikatan glikosida b antara karbon nomor 1 dan 4.

Sukrase, maltase dan laktase terdapat pada permukaan luar lapisan sel epitel usul halus. Sel-sel ini mempunyai banyak lipatan menyerupai jari tangan yang disebut mikrovili yang nyata sekali meningkatkan luas permukaannya untuk pencernaan dan absorpsi zat gizi.

c. Polisakarida.

Polisakarida merupakan karbohidrat bentuk polimer dari satuan monosakarida yang sangat panjang. Polisakarida berfungsi sebagai : bahan bangunan, bahan makanan, dan sebagai zat spesifik. Contoh polisakarida adalah selulosa, pati (amilum), asam hialuronik, glikogen dan lain sebagainya.Contoh polisakarida bahan bangunan adalah selulosa yang memberikan kekuatan pada kayu dan dahan bagi tumbuhan, dan kitin sebagai komponen struktur kerangka luar serangga. Meskipun selulosa tidak dapat digunakan sebagai bahan makan­an oleh tubuh, namun selulosa yang terdapat dalam tum­buhan sebagai bahan pembentuk dinding sel. Dalam tubuh selulosa tidak dapat dicernakan karena tidak ada enzim pencerna selulosa. Meskipun demikian selulosa yang berbentuk serat tumbuhan seperti sayuran atau buah-buahan, berguna untuk memperlancar pencernaan makanan. Adanya serat-serat dalam saluran pencernaan, memudahkan gerakan peristaltik dengan demikian memperlancar proses pencernaan dan dapat mencegah konstipasi. Tentu saja jum­lah serat yang terdapat dalam bahan makanan tidak boleh terlalu banyak.

Pati adalah polisakarida nutrisi yang lazim terdapat pada beras dan kentang. Glikogen pada hewan. Ontoh polisakarida zat spesifik adalah heparin yang berfungsi mencegah koagulasi darah.

Struktur polisakarida dapat berupa rantai lurus (amilosa) maupun bercabang (amilopektin). Rumus polisakarida adalah (C6H10O5)n. Molekul ini dapat digolongkan menjadi polisakarida struktural seperti selulosa, asam hialuronat, dan sebagainya. Dan polisakrida nutrien seperti amilum (pada tumbuhan dan bakteri), glikogen (hewan), dan paramilum (jenis protozoa).

Amilum terdiri atas dua macam polisakarida, yaitu amilosa dan amilopektin. Keduanya merupakan polimer glukosa. Amilosa terdiri atas 250-3.000 unit D-glukosa. Sedangkan amilopektin terdir atas lebih dari 1.000 unit glukosa. Unit glukosa amilosa dirangkaikan dalam bentuk linear oleh ikatan a(1-4). Amilosa mempunyai ujung non reduksi dan ujung reduksi. Berat molekulnya bervariasi dari beberapa ratus sampai 150.000. Amilopektin adalah polisakarida bercabang, memiliki rantai pendek dari rangkaian glikosidik a(1-4) unit glukosa digabungkan dengan rangkaian glikosida lain melalui ikatan glikosidik a(1- 6).

Glikogen adalah bentuk cadangan glukosa pada sel-sel hewan. Pada tumbuhan terdapat cadangan glukosa bentuk lain seperti amilosa, amilopektin atau selulosa. Perbedaan antara polisakarida ini adalah glikogen merupakan polimer a -1 dari glukosa dan umumnya mempunyai ikatan cabang a(1,6) untuk setiap unit glukosa. Amilosa yaitu polimer glukosa yang tidak bercabang dan terikat satu dengan lain melalui ikatan a(1,4).





Amilopektin adalah polimer glukosa yang berhubungan melalui ikatan a(1,4) dan mengandung cabang lebih sedikit dari glikogen. Sedangkan selulosa adalah polimer glukosa yang mempunyai ikatan glikosidik b (1,4).

Selain itu polisakarida dapat digolongkan berdasarkan pada penyusun monomernya. Bila monomer dari polisakarida identik maka polisakarida digolongkan kedalam homopolisakarida. Dan sebaliknya jika monosakaridanya berbeda disebut heteropolisakarida. Contoh homopolisakarida adalah selulosa dan khitin, sedangkan heteropolisakarida misalnya mukopolisakarida, glikoprotein, glikolipid, dan peptidoglikan.

Mukopolisakarida atau proteoglikan terdiri atas dua jenis derivat monosakarida. Derivat monosakarida yang membentuk mukopolisakarida tersebut ialah gula amino dan asam uronat. Contoh asam hialuronat yang merupakan komponen jaringan ikat yang terdapat pada otot, terben­tuk dari kumpulan unit N-asetilglukosamina yang berikatan dengan asam glukuronat. Heparin, suatu senyawa yang berfungsi sebagai antikoagulan darah, adalah suatu mukopolisakarida.

Glikoprotein adalah protein yang mengandung polisakarida. Karbohidrat ini terikat pada protein melalui ikatan glikosidik ke serin, treonin, hidroksilisin atau hidroksiprolin. Sedangkan glikosaminoglikan adalah satuan berulang polisakarida proteoglikan tanpa rantai proteinnya.

Derivat Karbohidrat lainnya :

a. Asam-asam

Gugus fungsi pada monosakarida apabila mengalami oksidasi menjadi gugus karboksilat. Asam yang dibentuk disebut sebagai derivat monosakarida. Contoh oksidasi glukosa menghasilkan asam glukonat, asam glukarat dan asam glukuronat. D-asam glukarat mungkin tidak terbentuk dalam tubuh kita, tetapi dapat terjadi pada oksidasi glukosa dengan asam kuat, seperti halnya pembentukan asam musat dari galaktosa.

Asam glukuarat mudah larut dalam air, sedangkan asam musat sukar larut. Asam glukonat dan asam glukuronat terdapat dalam tubuh kita sebagai hasil metabolisme glukosa. Asam glukuronat dapat mengikat senyawa yang membahayakan tubuh atau bersifat racun. Dengan cara pengikatan ini senyawa tersebut dapat dikurangi daya racunnya dan mudah dikeluarkan dari dalam tubuh melalui urine. Proses ini disebut detoksikasi. Dari ketiga asam tersebut hanya asam glukuronat yang masih mempunyai sifat mereduksi. Secara umum asam yang masih memunyai gugus aldehida atau gugus –OH glikosidik disebut asam uronat

b. Gula Amino

Ada tiga senyawa yang penting dalam kelompok ini, yaitu D-Glukosamina, D-galaktosamina dan D-manosamina. Pada umumnya senyawa-senyawa ini berikatan dengan asam uronat dan merupakan bagian dari mukopolisakarida. Asam hialuronat adalah suatu polimer yang terdiri atas unit-unit disakarida. Tiap unit terbentuk dari satu molekul N-asetilglukosamina dan 1 molekul asam glukuronat.

c. Alkohol

Baik gugus aldehida maupun gugus keton pada monosakarida dapat direduksi menjadi gugus alkohol dan senyawa yang terbentuk adalah polihidroksi alkohol. Berikut ini adalah contoh reaksi reduksi beberapa monosakarida. Glukosa akan terbentuk sorbitol, dari manosa terbentuk manitol, sedangkan fruktosa akan membentuk manitol dan sorbitol. Reaksi reduksi ini dapat dilakukan dengan Natrium amalgam atau dengan gas hidrogen pada tekanan tinggi dan dengan katalis logam.





3. Beberapa sifat kimia karbohidrat :

Beberapa sifat kimia yang berhubungan erat dengan gugus fungsi yang terdapat pada molekulnya, yaitu gugus -OH, gugus aldehida dan gugus keton dapat menjadi dasar analisis senyawa ini.

a. Sifat Mereduksi

Dalam suasana basa monosakarida dan beberapa disakarida mempunyai sifat dapat mereduksi. Sifat sebagai reduktor ini dapat digunakan untuk keperluan identifikasi karbohidrat dan analisis kuantitatif. Sifat mereduksi disebabkan oleh adanya gugus aldehida atau keton bebas dalam molekul karbohidrat. Sifat ini tampak pada reaksi reduksi ion-ion logam misalnya ion Cu2+ dan ion Ag+ yang terdapat pada pereaksi-pereaksi tertentu antara lain reaksi Fehling, Benedict, Barfoed dan pembentukan furfural.

1) Pereaksi Fehling

Pereaksi ini dapat direduksi selain oleh karbohidrat yang mempunyai sifat mereduksi, juga dapat direduksi oleh reduktor lain. Pereaksi Fehling terdiri atas dua larutan, yaitu larutan Fehling A dan 1arutan Fehling B. Larutan Fehling A adalah larutan CuS04 dalam air, sedangkan larutan Fehling B adalah larutan garam K-Na-tartrat dan NaOH dalam air. Kedua macam larutan ini disimpan terpisah baru dicampur menjelang digunakan untuk memeriksa suatu karbohidrat. Dalam pereaksi ini ion Cu++ direduksi menjadi ion Cu+ dalam suasana basa akan diendapkan sebagai Cu 20.

2 Cu + 2 OH- Cu20 + H2O

Endapan

Dengan larutan glukosa 1%, pereaksi Fehling menghasilkan endapan berwarna merah bata, sedangkan apabila digunakan yang lebih encer misalnya larutan glukosa 0,1%, endapan yang terjadi berwarna hijau kekuningan.

2). Pereaksi Benedict

Pereaksi Benedict adalah larutan yang dibuat dari campuran kuprisulfat, natrium karbonat dan natrium sitrat. Glukosa dapat mereduksi ion C++ ­kuprisulfat menjadi ion Cu+ yang kemudian mengendap sebagai Cu2O. Adanya natrium karbonat dan natrium sitrat membuat pereaksi Benedict bersifat basa lemah. Endapan yang terbentuk dapat berwarna hijau, kuning atau merah bata. Warna endapan ini tergantung pada konsentrasi karbohidrat yang diperiksa. Pereaksi Benedict­ banyak digunakan untuk pemeriksaan glukosa dalam urine daripada ­pereaksi Fehling karena beberapa alasan: Apabila dalam urine ­terdapat asam urat atau kreatinin, kedua senyawa ini dapat mereduksi ­pereaksi Fehling, tetapi tidak dapat mereduksi pereaksi Beneditc. Di samping itu pereaksi Benedict lebih peka daripada pereaksi Fehling. Penggunaan pereaksi Benedict juga lebih mudah karena hanya terdiri atas satu macam larutan, sedangkan pereaksi Fehling terdiri atas dua macam larutan.

3). Pereaksi Barfoed

Pereaksi ini terdiri atas larutan kupriasetat dan asam asetat da­lam air, dan digunakan untuk membedakan antara monosakarida dengan disakarida. Monosakarida dapat mereduksi lebih cepat daripada disakarida. Jadi Cu2O terbentuk lebih cepat oleh monosakarida daripada oleh disakarida, dengan anggapan bahwa konsentrasi monosakarida dan disakarida dalam larutan tidak berbeda banyak. Tauber dan Kleiner membuat modifikasi atas pereaksi ini yaitu dengan jalan mengganti asam asetat dengan asam laktat dan ion Cu+ yang dihasilkan direaksikan dengan pereaksi warna fosfomolibdat hingga menghasilkan warna biru yang menunjukkan adanya monosakarida. Disakarida dengan konsentrasi rendah tidak memberikan hasil positif. Perbedaan antara pereaksi Barfoed dengan pereaksi Fehling atau Benedict ialah bahwa pada pereaksi Barfoed digunakan suasana asam.

Apabila karbohidrat mereduksi suatu ion logam, karbohidrat ini akan teroksidasi. Gugus aldehida pada karbohidrat akan teroksidasi menjadi gugus karboksilat dan terbentuklah asam monokarboksilat. Sebagai contoh galaktosa akan teroksidasi menjadi asam galaktonat, sedangkan glukosa akan menjadi asam glukonat.

b. Pembentukan Furfural

Dalam larutan asam yang encer, walaupun dipanaskan, mono­sakarida umumnya stabil. Tetapi apabila dipanaskan dengan asam kuat yang pekat, monosakarida menghasilkan furfural atau deri­vatnya. Reaksi pembentukan furfural ini adalah reaksi dehidrasi atau pelepasan molekul air dari suatu senyawa. Pentosa-pentosa hampir secara kuantitatif semua terdehidrasi men­jadi furfural. Dengan dehidrasi heksosa-heksosa menghasilkan hidroksimetilfurfural. Oleh karena furfural atau derivatnya dapat membentuk senyawa yang berwarna apabila direaksikan dengan alfa- naftol atau timol, reaksi ini dapat dijadikan reaksi pengenal untuk karbohidrat.

Pereaksi Molisch

Pereaksi Molisch terdiri atas larutan a- naftol dalam alkohol. Apabila pereaksi ini ditambahkan pada larutan glukosa misalnya, kemudian secara hati-hati ditambahkan asam sulfat pekat. terbentuk dua lapisan zat cair. Pada batas antara kedua lapisan itu akan terjadi warna ungu karena terjadi reaksi kondensasi furfural dengan a- naftol. Walaupun reaksi ini tidak spesifik untuk karbohidrat, namun dapat digunakan sebagai reaksi pendahuluan dalam analisis kualitatif karbohidrat. Hasil negatif merupakan bukti bahwa tidak ada karbohidrat.

c. Pembentukan Osazon

Semua karbohidrat yang mempunyai gugus aldehida atau keton bebas akan membentuk osazon bila dipanaskan bersama fenilhidrazin berlebih. Osazon yang terjadi mempunyai bentuk kristal dan titik lebur yang khas bagi masing-masing karbohidrat. Hal ini penting artinya karena dapat digunakan untuk mengidentifikasi karbohidrat dan merupakan salah satu cara untuk membedakan beberapa monosakarida, misalnya antara glukosa dan galaktosa yang terdapat dalam urine wanita yang sedang dalam masa menyusui. Pada reaksi antara glukosa dengan fenilhidrazin, mula-mula terbentuk D- glukosafenilhidrazon, kemudian reaksi berlanjut hingga terbentuk D-glukosazon. Glukosa, fruktosa dan manosa dengan fenilhidrazin menghasilkan osazon yang sama. Dari ketiga struktur monosakarida tersebut tampak bahwa posisi gugus -OH dan atom H pada atom karbon nomor 3, 4 dan 5 sama. Dengan demikian osazon yang terbentuk mempunyai struktur yang sama.

d. Pembentukan Ester

Adanya gugus hidroksil pada karbohidrat memungkinkan terja­dinya ester apabila direaksikan dengan asam. Monosakarida mem­punyai beberapa gugus -0H dan dengan asam fosfat dapat meng­hendakinya menghasilkan ester asam fosfat. Ester yang penting da­lam tubuh kita adalah a -D-glukosa-6-fosfat dan a -D-fruktosa­1,6-difosfat. Kedua jenis ester ini terjadi dari reaksi monosakarida dengan adenosintrifosfat (ATP) dengan bantuan enzim tertentu dalam tubuh kita. Proses esterifikasi dengan asam fosfat yang berlangsung dalam tubuh kita disebut juga proses fosforilasi. Pada glukosa dan fruktosa, gugus fosfat dapat terikat pada atom C nomor 1, 2, 3, 4 atau 6. Pada a-D-Glukosa-6-fosfat, gugus fosfat terikat pada atom karbon nomor 6, sedangkan pada a-D-fruktosa1-6 difosfat dua gugus fosfat terikat pada atom karbon nomor 1 dan 6. Gugus hidroksil dari monosakarida bereaksi dengan asam fosfat membentuk ester sebagai berikut :

OH- OH-

-CH2OH + HO - P = O CH2 – O - P = O + H2O

OH OH

Dari reaksi ini tampak gugus fosfat yang diikat oleh atom masih mempunyai sifat asam karena masih ada atom H yang dilepaskan sebagai ion H+. Oleh karena itu a -D-glukosa -6 fosfat disebut asam a-D-fruktopiranosa-6-fosfat.

e. Isomerisasi

Kalau dalam larutan asam encer monosakarida dapat stabil tidak demikian halnya apabila monosakarida dilarutkan dalam basa encer. Glukosa dalam larutan basa encer akan berubah sebagian menjadi fruktosa dan manosa. Ketiga monosakarida ini ada dalam keadaan keseimbangan. Demikian pula apabila yang dilarutkan itu fruktosa atau manosa, keseimbangan antara ketiga monosakarida akan tercapai juga. Reaksi ini dikenal sebagai transformasi Lobry de Bruin van Eckenstein yang berlangsung melalui proses enolisasi.

Dari struktur glukosa, fruktosa dan manosa tampak bahwa ada kesamaan posisi gugus -OH dan atom H pada atom karbon nomor 3, 4 dan 5. Diketahui bahwa ketiga senyawa ini membentuk osazon yang sama.

f. Pembentukan Glikosida

Apabila glukosa direaksikan dengan metilalkohol, menghasilkan dua senyawa. Kedua senyawa ini dapat dipisahkan satu dari yang lain dan keduanya tidak memiliki sifat aldehida. Keadaan ini mem­buktikan bahwa yang menjadi pusat reaksi adalah gugus -OH yang terikat pada atom karbon nomor 1. Senyawa yang terbentuk adalah suatu asetal dan disebut secara umum glikosida. Ikatan yang terjadi antara gugus metil dengan monosakarida disebut ikatan glikosida dan gugus -OH yang bereaksi disebut gugus -0H glikosidik.

Metilglikosida yang dihasilkan dari reaksi glukosa dengan me­tilalkohol disebut juga metilglukosida. Ada dua senyawa yang terbentuk dari reaksi ini, yaitu metil-a-D-glukosida atau me­til-a-D-glukopiranosida dan metil-R-D-glukosida atau metil­ (3-D-glukopiranosida. Kedua senyawa ini berbeda dalam hal rotasi optik, kelarutan serta sifat fisika lainnya. Dengan hidrolisis, me­tilglikosida dapat diubah menjadi karbohidrat dan metilalkohol.

Glikosida banyak terdapat dalam alam, yaitu pada tumbuhan. Bagian yang bukan karbohidrat dalam glikosida ini dapat berupa metilalkohol, gliserol atau lebih kompleks lagi misalnya sterol. Di samping itu antara ssama monosakarida dapat terjadi ikatan glikosidik,misalnya pada sukrosa terjadi ikatan a-glukosida-beta fruktosida.

4. Analisis Struktur molekul KH serta sifat kimia (gugus fungsi ) dan sifat fisika (aktivitas optik ) !!

Karbohidrat merupakan perenyawaan antara karbon, hidrogen dan oksigen yang terbentuk di alam dengan rumus umum Cn (H2On). Melihat rumus empiris tersebut, maka senyawa ini dapat diduga sebagao hidrat dan karbon sehingga disebut karbohodrat. Rumus empiris seperti itu tidak hanya dimiliki oleh karbohidrat melainkan juga hidrokabon seperti asam asetat.

Oleh karena itu suatu senyawa termasuk karbohidrat tidak hanya ditnjau dari rumus empirisnya saja, tetapi yang paling penting ialah rumus strukturnya. Dari rumus struktur akan terlihat ada bahwa ada gugus penting yang terdapat pada molekul karbohidrat yaitu gugus fungsi karbonil (aldehid dan keton). Gugus fungsi itulah yang menentukan sifat senyawa tersebut. Berdasarkan gugus yang ada pada molekul karbohidrat, maka senyawa tersebut didefenisikan sebagai polihidroksi aldehid dan polihidroksi keton.

Kedua enansiomer suatu karbohidrat, misalnya gliseraldehida boleh mempunyai titik lebur serta kelarutan dalm air yang sama pula. Namun, aktivitas optiknya akan berbeda, hal ini bisa dilihat pada pemutaran bidang cahaya terpolarisasi.