BAB II KARBOHIDRAT Tujuan Instruksional Khusus: Setelah mengikuti kuliah pokok bahasan karbohidrat mahasiswa dapat : 1. Menjelaskan struktur dasar, sifat fisik dan kimiawi, klasifikasi dan fungsi karbohidrat, meliputi : monsakarida,oligosakaradida (termasuk disakarida) dan polisakarida. 2. Menjelaskan dan mengidentifikasikansenyawa yang dimasukkan dalam kelompok monosakarida, oligosakarida (termasuk disakarida) dan polisakarida. Pendahuluan Karbohidrat adalah senyawa yang mengandung hidrogen dan oksigen dengan perbandingan 2 : 1, sehingga mempunyai rumus empiris C x (H 2 O) y, walaupun ada karbohidrat yang tidak mengikuti rumus tersebut. Karbohidrat merupakan utama tumbuhan, paling banyak dalam bentuk selulosa dan pati yang dan proses fotosintesis. Manusia dan hewan menggunakan karbohidrat sebagai tenaga. Monosakarida merupakan karbohidrat yang paling sederhana dan terdapat secara alamiah sebagai salah satu derivat dari komponen disakarida dan polisakarida. Karbohidrat didefinisikan sebagai polihidroksi aldehid atau keton dan derivatederivatnya yang dihasilkan dari hidrolisis. Oleh karena itu karbohidrat yang mengandung gugus aldehid atau keton disebut aldosa atau ketosa. Beberapa kesukaran dihadapi dalam analisis karbohidrat baik secara kualitatif dan kuantitatif karena banyak senyawa-senyawa karbohidrat mempunyai kesamaan baik struktural maupun kimiawinya. Subpokok Bahasan 1 : Pengertian umum Karbohidrat merupakan biomolekul yang paling banyak dijumpai didunia, disintesis dari senyawa CO 2 dan H 2 O melalui proses fotosintesis. Ada berbagai jenis senyawa karbohidrat yang masing-masing mempunyai struktur, sifat fisik dan kimiawi serta fungsi biologis yang berbeda. Karbohidrat dapat dianalisis baik secara kwalitatif maupun kuantitatif karena adanya gugus reaktif pada monomer penyusunnya. Universitas Gadjah Mada 1
Gambar II.1. Rumus kimia umum karbohidrat (kecuali deoksiribosa) Subpokok Bahasan 2 : Monosakaridadan oligosakarida Karbohidrat diklasifikasikan menjadi beberapa kelompok berdasarkan kompleksitasnya. Asam menghidrolisis karbohidrat kompleks menjadi monosakarida penyusunnya. Monosakarida merupakan molekul yang mempunyai ikatan yang tidak dapat dihidrolisis lagi menjadi senyawa yang lebih sederhana. Monosakarida dikelompokkan menurut jumlah atom karbon, seperti triosa (C 3 H 6 O 3 ), tetrosa (C 4 H 8 O 4 ), pentosa (C 5 H 10 O 5 ), dll. Masing-masing kelompok nama lagi menurut gugus alehid atau keton yang dimilikinya sehingga disebut alditriosa, ketotriosa, aldotetrosa, ketotetrosa, dll. Gula sederhana/monosakarida yang paling penting adalah heksosa dan pentosa. Pada umumnya monosakarida berbentuk kristal padat, larut dalam air, berasa manis, mereduksi dalam larutan CuOH, bereaksi dengan femihidrazin, HCN dan hidroksilamin. atau lebih molekul monosakarida bergabung membentuk oligosakarida dan polisakarida (atau senyawa karbohidrat). Sebaliknya hidrolisis dan senyawa karbohidrat akan membentuk sejumlah monosakarida. Dua molekul monosakarida membentuk disakarida, 3 molekul monosakarida membentuk trisakarida, dll. Kelompok-kelompok tersebut diklasifikasikan lagi berdasarkan ada/tidaknya sifat mereduksi. 1. Monosakarida a. Monosakarida aldosa dan ketosa Aldosa Secara umum rumus aldosa diperlihatkan dibawah ini : Universitas Gadjah Mada 2
Sehingga aldosa dapat diturunkan dari senyawa gliseraldehid asal dengan penggantian gugus alcohol sekunder (-CHOH). Gliseraldehid mempunyai satu atom karbon asimetris, sehingga terdapat 2 benuk isomer, yaitu dekstro dan levo-rotari berdasarkan kemampuan larutan gula memutar bidang polarisasi. Pada waktu bidang polarisasi memutar ke kanan senyawa tersebut disebut dekstrorotari dan diberi tanda (α) atau (+). Demikian juga pada waktu memutar bidang polarisasi ke kiri senyawa disebut levorotan (1) atau (-). Senyawa-senyawa yang mempunyai kemampuan memutar bidang polansasi disebut senyawa yang bersifat optik aktif. Ketosa Bentuk ketosa yang paling sederhana adalah triosa, dihidroksiaseton tetapi senyawa ini bersifat tidak optikaktif sehingga tetrosa D-eritrulosa merupakan senyawa asal D- ketosa, Pentose, heksosa, dll dibentuk dengan penambahan gugus alcohol sekunder. b. Struktur kimiawi monosakarida: 1) Struktur asimetris 2) Struktur cincin 3) Derivat heksosa Universitas Gadjah Mada 3
Gambar 11.2. Struktur kimia monosakarida. a. Pentosa. b. Heksosa c) Reaksi spesifik 1) Enolasi 2) Oksidasi reduksi 3) Estenfikasi 4) Kondensasi aldol d) Sifat-sifat monosakarida Heksosa. Heksosa merupakan monosakarida yang mempunyai 6 rantai atom C dalam molekulnya. Terdapat dalam bentuk aldosa atau ketosa. Heksosa merupakan gula sederhana yang penting dan terdistribusi luas di alam, baik dalain bentuk bebas maupun bergabung dengan molekul lain yang biasanya dapat dipecah melalui proses hidrolisis. Molekul heksosa yang penting dalani proses biologi adalah glukosa, fruktosa, galaktosa dan manosa. Fruktosa adalah ketoheksosa dan yang lain adalah aldoheksosa. Berbagai aldoheksosa tersebut berbeda susunan gugus H dan OH-nya yang berikatan dengan atom Universitas Gadjah Mada 4
A. Perbedaan ini menyebabkan perbedaan sifat-sifat fisiknya. Heksosa sangat larut, bersifat optik aktif dan mempunyai sifat-sifat kimia umum dan khusus yang dapat dipakai sebagai identifikasi dan determinasi. a. Glukosa Glukosa disebut dekstrosa atau gula anggur, terdistribusi luas di alam dalam bentuk berkombinasi dengan senyawa lain. Terdapat dalam juice buah-buahan sama dengan fruktosa dan dapat diroduksi dan hasil hidrolisis amilum. terdapat dalam darah, konsentrasi normalnya sekitar 0,1%. Glukosa tidak dalam urin atau ada tetapi dalam jumlah sangat kecil, kecuali pada penderita militus. Glukosa dalam larutan bersifat dekstrorotari, mempunyai rotasi spesifik +52,58 b. Galaktosa Galaktosa meruoakan hasil hidrolisis laktosa. Ditemukan juga sebagai pembentuk saraf berupa galaktolipid. Galaktosa merupakan aldoheksosa, dekstrorotari, menunjukkan sifat mutarotasi dalam larutan, membentuk osazon dengan fenilhidrazin, dapat difermentasi secara lambat oleh yeast tertentu walaupun ada jenis yang memfermentasi dengan cepat. Proses oksidasi dengan asam nitrat menghasilkan asam musat. Laktosa juga menghasilkan asam musat. c. Manosa Manosa merupakan aldoheksosa, mempunyai struktur yang berbeda dengan glukosa yaitu susunan gugus OH dan H pada atom C no 2. Biasanya ditemukan dalam bentuk polisakarida yaitu manna dan manosan yang terdapat pada tumbuhan, terutama biji-bijian. Polisakarida dapat dihidrolisa menghasilkan manosa. Manosa merupakan gula mereduksi, dapat diragikan oleh yeast. Manosa berbeda dengan glukosa dalam hal kelarutannya, tidak berwarna, membentuk kristal osazon jika direaksikan dengan fenilhidrazin pada suhu kamar. d. Fruktosa Fruktosa disebut juga levulosa atau gula buah, terdapat pada tumbuh-tumbuah bersama-sama dengan glukosa. Dapat dihasilkan dari hidrolisis inulin. Meskipun fruktosa adalah ketosa tetapi dapat mereduksi logam dalam larutan alkali karena adanya gugus terminal CO-CH2OH. Fruktosa bereaksi dengan fenilhidrazin membentuk osazon. Bentuk osazon fruktosa sama dengan glukosa. Apabila direaksikan dengan metithidrazin fruictosazon akan lebth cepat terbentuk daripada glukosazonm. Fruktosa cenderung berbentuk piranosa. Pentosa Pentosa merupakan monosakarida yang mempunyai 5 atom C pada rantai atom C. Pentosa terdapat pada tumbuhan dan jaringan hewan, biasanya sebagai Universitas Gadjah Mada 5
polisakarida. Pada tumbuhan pentosa terdapat dalam gum sebagai pentosan. Pentosan dihidrolisis menghasilkan pentosa (arabinosa, xilosa) 2. Oligosakarida a. Disakarida 1) Ikatan glikosida 2) Jenis disakarida: sukrosa, laksosa, maltosa Maltosa Terdiri atas dua molekul glukosa dengan ikatan antara atom C 1-4 dari kedua gulanya. Maltosa dapat diperoleh dari hidrolisa amilum dengan amilase. Maltosa bila dihidrolisa dengan asam atau enzim maltase akan menjadi 2 molekul glukosa. Disakarida ini dapat mereduksi larutan Benedict, karena ada gugus karbonil bebas pada C-1, dapat membentuk osazon dan dapat diragikan. Sukrosa Disebut juga gula tebu. Terdapat pada tebu dan bit. Hidrolisa dengan asam atau enzim sukrase menghasilkan glukosa dan fruktosa yang sama banyak. Campuran ini disebut gula invert. Sukrosa tidak mempunyai gugus karbonil bebas, sehingga tidak mereduksi (non reducing sugar). Sukrosa terdiri dari alpaha D- glukopiranosa dan beta D-fruktofuranosa dengan ikatan 1-2. Tidak membentuk osazon, tetapi dapat diragikan. Laktosa Disebut juga gula susu. Terdapat dalam air susu. Hidrolisa dengan asam atau enzim lactase menghasilkan glukosa dan galaktosa. Sering terdapat dalam air seni wanita yang menyusui putranya, daft keadaan ini disebut Iaktosuria. Ikatan antara glukosa dan galaktosanya adalah 1-4. Dapat mereduksi, membentuk osazon dan dapat diragikan. Trehalosa Bila dihidrolisa menghasilkan 2 molekul glukosa. Terdapat dalam jamur dan ragi. Juga terdapat dalam hemolimfe insekta. Ikatannya adalah 1-1. Tidak mereduksi, tidak membentuk osazon. b. Oligosakanida: fungsi biologis dan contoh Universitas Gadjah Mada 6
Gambar II.3. Ikatan glikdsida dan struktur kimia oligosakarida. a. Ikatan O-glikosida pada maltosa dan raffinosa. b Ikatan N-glikosida pada pirimidin ribonukleosid Subpokok Bahasan 3 : Polisakarida Merupakan polimer monosakarida. Mempunyai BM tinggi. Biasanya tidak larut dalam air, dalam larutan biasa berbentuk koloid. Biasanya tidak mempunyai rasa manis. Beberapa polisakarida dapat dicerna dan ada beberapa yang tidak. Pemberian nama polisakarida tergantung unit monosakarida penyusunnya. Bila monosakarida yang menyusun pentosa, disebut pentosan. Bila heksosa disebut heksosan. Bila heksosanya adalah glukosa, namanya glukosan. Bila heksosanya fruktosa disebut fruktosan dan seterusnya. Universitas Gadjah Mada 7
1. Penggolongan a. Homopolisakarida b. Heteropolisakarida 2. Struktur dan fungsi biologis a. Homopolisakarida 1) Selulosa Termasuk glukosan. Terdiri dari polimer glukosa dengan ikatan 1-4. Terdapat banyak pada dinding sel tumbuhan. Sukar larut, tidak dapat dicerna kecuali oleh hewan (misalnya sapi, karena ada bakteri dalam ususnya yang membentuk enzim sellulase yang dapat mencema selulosa). Tidak memberi warna terhadap jod. 2) Amilum Amilum adalah polimer glukosa, jadi termasuk glukosan. Terdapat dalam biji padi-padian, umbi dan buah-buahan. Sebagai sumber karbohidrat yang murah dan mudah didapat. Bentuk dan besarnya butir amilum tergantung jenisnya. Amilwn terdiri dari 2 macam molekul yaitu amilosa dan amilopektin. Amilosa merupakan rantai glukosa tidak bercabang dengan ikatan 1-4, Amilopektin berupa rantai glukosa bercabang dengan rantai lurus ikatan 1-4, cabangnya 1-6. Rantai amilopektin lebih pendek Hidrolisa amihim oleh asam menghasilkan glukosa, sedang dengan enzim menghasilkan malosa dan dekstrin. Amilosa dengan jod memberi warna biru, sedang amilopektin ungu. Pada pemanasan warna hilang dan timbul lagi setelah didinginkan. Pemberian alkali juga menghilangkan warna, karena alkali mengikat jodium. Tidak mereduksi, tidak membentuk osazon Pada waktu hidrolisa dengan enzim atau dengan asam akan membentuk hasil antaranya, yaitu amilodekstrin, eritrodekstrin, akhroodekstrin dan akhirnya menjadi maltosa dan dekstrin dengan aenzim amilase atau menjadi glukosa bila dengan asam. Dapat diendapkan dengan setengah menjenuhi dengan ammonium sulfat. 3) Glikogen Banyak terdapat dalam otot dan hati. Merupakan glukosan, karena terdiri dari polimer glukosa dengan ikatan 1-4 dan cabangnya 1-6. Berbeda dengan amilopektin, di sini rantainya lebih pendek, tetapi cabangnya lebih banyak. Hidrolisa dengan asam menghasilkan glukosa dan dengan enzim amilase menghasilkan maltosa. Dengan jod berwarna merah, tidak mereduksi, tidak Universitas Gadjah Mada 8
membentuk osazon, dapat diendapkan dengan menjenuhi dengan ammonium sulfat. b. Heteropolisakanda 1) Hemiselulosa 2) Kitin 3) Peptidoglikan 4) Glikolipid 5) Mukopolisakarida Gambar II.4. Struktur kimia polisakarida. a. Selulosa b. Amilum Universitas Gadjah Mada 9
LATIHAN SOAL 1. Berikan definisi Karbohidrat! 2. Apa yang dimaksud dengan monosakarida aldosa dan ketosa? Gambarkan struktur umumnya! 3. Apa yang dimaksud dengan gula reduksi? Berikan contohnya! Mengapa sukrosa tidak termasuk gula mereduksi? 4. Apa yang dimaksud dengan gula invert? 5. Sebutkan fungsi biologis dan polisakanda? DAFTAR REFERENSI Buku Acuan: Boyer, R. 1999. Concept in Biochemistry. Brooks Cole Publishing Company. Horton, H.R., Moran L.A., Rawn J.D. and Scrimgeor, KG. 1996. Principle of Biochemistry. Second Edition. Prentice-Hall International, Inc. Lehninger, A.L., Nelson, D.L., Cox, M.M. 1993. Principle of Biochemistry. Second Edition. Worth Publisher. Nelson, D.L. and Cox, M.M. 2000. Lehninger: Principles of Biochemistry. Third Edition. Worth Publisher. Sumber Gambar: Understand! Biochemistry. Lehninger: Principles of Biochemistry 3/6 Version. 1999. The Mona Group, LLC. SENARAI (GLOSSARY) Karbohidrat. Karbohidrat dideflnisikan sebagal polihidroksi aldehid atau keton envat derivatnya yang dihasilkan dari hidrolisis. Karbohidrat merupakan yang mengandung hidrogen dan oksigen dengan perbandingan 2 : 1, mempunyai rumus empiris C x (H 2 O), walaupun ada beberapa karbohidrat yang tidak mengikuti rumus tersebut. Aldosa dan Ketosa. Suatu monosakarida mempunyai rumus umum (CH 2 O)n rnengandung gugus aldehid (aldosa) atau gugus keton (ketosa). Gugus aldehid atau keton bebas mampu mereduksi ion Cu 2+ menjadi Cu sehingga beberapa monosakanida disebut gula reduksi. Disakarida. Disakarida terbentuk pada saat dua monosakanida digabungkan oleh ikatan glikosidik. Universitas Gadjah Mada 10
Oligosakarida. Rantai pendek monosakarida yang dihubungkan oleh ikatan glikosidik disebut oligosakarida. Poilsakarida. Rantai panjang monosakarida yang saling bergabung disebut polisakarida. Glikogen merupakan polisakarida penyimpan energi utama pada hewan, sedangkan pada tumbuhan berupa amilum. Selulosa merupakan polisakarida struktural penyusun dinding sel. Universitas Gadjah Mada 11