Slaid kuliah Kimia rganik II untuk mhs S1 Kimia semester 4 BAB 25 KARBIDRAT Budi Arifin Wulandari K Wardani Bagian Kimia rganik Departemen Kimia FMIPA-IPB DEFINISI 25.1. Definisi & Penggolongan 1. idrat dari karbon: C 6 12 6 C 6 ( 2 ) 6 Definisi ini tidak pernah digunakan lagi. 2. Polihidroksialdehida/keton, atau zat yang menghasilkan itu jika dihidrolisis gula. 3 + sukrosa (disakarida) 1
25.1. Definisi & Penggolongan Berdasarkan jumlah atom C: 3 atom C triosa 5 atom C pentosa 4 atom C tetrosa 6 atom C heksosa dst. Berdasarkan jenis gugus karbonil: 1 1 2 C 2 C (C) n C 2 Ket: n = jumlah C kiral aldosa ketosa 25.2. Proyeksi Fischer 1. Atom karbon kiral dinyatakan sebagai titik silang dari garis datar dan garis tegak. 2. a) Garis horizontal: di atas bidang kertas (ke arah Anda) b) Garis vertikal: di bawah bidang kertas (menjauhi Anda) atas bidang bawah bidang proyeksi Fischer (R)-gliseraldehida 2
1. C 2 C C 3 (4) C 2 C 3 C 3 C 2 (R) 2. Cl Cl C 3 C 2 C (R) 3 3. (4) (4) 3 C C 2 C 3 C 3 C 2 C 3 C 3 C 2 C 3 (S) 4. Cl Cl Br Br F (4) I I (S) 25.3. Gula D,L Gliseraldehida aldosa paling sederhana 1 2 3 C C C 2 C C C 2 R-(+)-gliseraldehida [α] 25 D 1 atom C kiral (C-2) jumlah stereoisomer = 2 n = 2 1 = 2 +8,7(c = 2, 2 ) [α] 25 D C C C 2 S-( )-gliseraldehida 8,7(c = 2, 2 ) D-gliseraldehida L-gliseraldehida 3
25.3. Gula D,L Gula L adalah bayangan cermin (enantiomer) dari gula D yang berhubungan. karena proses biosintesis karbohidrat, gula D lazim di alam. cermin L-gliseraldehida L-glukosa D-glukosa pada atom kiral terjauh dari gugus karbonil ke kiri (S) L ke kanan (R) D Epimer Diastereomer yang berbeda konfigurasi pada 1 atom C kiral. D-manosa epimer pada atom C-2 dari D-glukosa. D-galaktosa epimer pada atom C-4 dari D-glukosa. C C 2 D-glukosa 2 D-manosa 4 D-galaktosa Apakah D-( )-eritrosa dan D-( )-treosa juga sepasang epimer? 4
SAL PEMICU (1) Tentukan konfigurasi (R) atau (S) untuk berbagai proyeksi Fischer dari gliseraldehida di bawah ini: N 2 (d) NCCCl 2 C 2 (2) Mana di antara keempat proyeksi Fischer berikut yang merupakan pasangan epimer dan enantiomer C C C C C 2 C 2 C 2 C 2 A B C D 25.5. Struktur Siklik Monosakarida R R' R' R C C R + + R R' C hemiasetal R R' C R asetal Aldehida/keton dengan gugus γ- atau δ- dapat bereaksi secara intramolekul membentuk hemiasetal siklik segi-5 atau -6. γ β δ α C + + 5
Siklisasi C 1 -C 4 pada D-glukosa 1 2 3 4 5 6 C α β γ δ ε C 2 D-glukosa (proyeksi Fischer) D-glukofuranosa (proyeksi aworth) 6 5 4 C 2 posisi di atas 3 2 transfer + C 1 6 C 2 5 4 wajib ditulis jika ikatan C ditulis kanan bawah kiri atas D gugus ke atas L gugus ke bawah siklisasi 3 2 1 Siklisasi C 1 -C 5 pada D-glukosa 1 6 C 2 α 3 β 4 γ 5 δ ε C 2 D gugus ke atas L gugus ke bawah siklisasi posisi di kanan atas transfer + D-glukopiranosa (proyeksi aworth) 6
Siklisasi C 2 -C 5 pada D-fruktosa 1 6 2 3 4 5 C 2 C α β γ δ C 2 D-fruktosa Siklisasi C 2 -C 6 pada D-fruktosa 1 2 3 4 5 6 C 2 C α β γ δ C 2 1. siklisasi 2. transfer + 1. siklisasi 2. transfer + Umumnya, jika : * Ke atas β * Ke bawah α D-fruktofuranosa D-fruktopiranosa Atom C-1 (hemiasetal) pusat kiral baru pada proyeksi aworth. Terbentuk sepasang diastereomer, yang disebut anomer. Anomer α gugus yang baru ( glikosidik) cis dengan pada pusat kiral terjauh dalam proyeksi Fischer. Anomer β trans oksigen-oksigen cis (anomer-α) 0.002% oksigen-oksigen trans (anomer-β) 7
α-d-glukofuranosa C 2 α -L-glukofuranosa Pada gula D:anomer-α glikosidik ke bawah anomer-β - glikosidik ke atas Pada gula L, berlaku sebaliknya. C 2 β -D-glukopiranosa β-l-glukopiranosa 25.5. Struktur Siklik Monosakarida Mutarotasi Peralihan antar-anomer dalam larutan melalui bentuk rantai terbuka. α-d-glukosa (35,5%) (tl 146 o C) [α]+112 o (rekristalisasi dari pelarut metanol) D-glukosa (+ 0,003%) (bentuk aldehida, asiklik) [α]+52 o ( 2 ) β-d-glukosa (64,5%) (tl 150 o C) [α]+19 o (rekristalisasi dari pelarut asam asetat) Mutarotasi lambat pada p netral, dikatalisis oleh asam atau basa. 8
25.5. Struktur Siklik Monosakarida +112 o +52 o +19 o 100% α 100% β kesetimbangan % α dan β? Persentase bentuk β pada kesetimbangan: 112 52 60 100 = 100 = 64.5% 112 19 93 Persentase bentuk α pada kesetimbangan = 100 64.5 = 35.5% 25.5. Struktur Siklik Monosakarida Seperti cincin sikloheksana, cincin piranosa juga berada dalam konformasi kursi yang stabil, maka mendominasi cincin furanosa. α-d-glukopiranosa (37.3%) β-d-glukopiranosa (62.6%) Mudah dipahami bahwa β-d-glukopiranosa paling melimpah di alam (62.6%), karena seluruh berada di posisi ekuatorial sehingga meminimumkan interaksi 1,3-diaksial. 9
SAL PEMICU (1) Dalam RNA, D-ribosa mengambil bentuk β-d-ribofuranosa. Gambarkan strukturnya, lengkap dengan mekanisme siklisasi. (2) Gambarkan proyeksi aworth dan konformasi kursi dari: a. α-d-manopiranosa b. β-l-galaktopiranosa (3) Gambarkan proses mutarotasi pada D-eritrosa dengan menuliskan proyeksi aworth dari setiap konformer yang terlibat. (4) Rotasi spesifik α- dan β-d-fruktofuranosa murni berturut-turut +21 o dan 133 o. Larutan setiap isomer bermutarotasi sampai rotasi spesifik kesetimbangan 92 o. Anggaplah tidak ada bentuk anomer lain, berapa konsentrasi kesetimbangan dari anomer-α? 25.6. Reaksi-reaksi Monosakarida Gugus dapat dikonversi menjadi ester dan eter. Gugus C= dapat bereaksi dengan nukleofili dan dapat direduksi. (1) Pembentukan Glikosida Glikosida = struktur asetal dari gula ( glukosida = nama khusus untuk glikosida dari glukosa) Glikosida stabil dalam air, dan tidak bermutarotasi. idrolisisasam akan mengembalikan asetal ini menjadi monosakarida. β-d-glukopiranosa (hemiasetal) metil α-d-glukopiranosida (66%) (tl. 165 o C; [α] 25 D = +158) metil β-d-glukopiranosida (33%) (tl. 107 o C; [α] 25 D = 33) 10
(2) Pembentukan Ester dan Eter (C 3 C) 2 piridina, 0 C β-d-glukopiranosa penta--asetil-β-d-glukopiranosa (glukosa pentaasetat; 91%) α-d-glukopiranosa α-d-glukopiranosa pentametil eter (85%) (3) Pembentukan Asetal Siklik Asetal siklik hanya terbentuk antara gugus-gugus hidroksil visinal yang saling cis. Asetal siklik yang terbentuk dari aseton disebut asetonida. 11
(4) Pembentukan Ester Biologis: Fosforilasi D-glukosa D-glukosil fosfat uridina 5`-trifosfat (UTP) PPi D-glukosiluridina-5`-difosfat (UDP-glukosa) UDP-glukosa glikoprotein 12
(5) Reduksi dan ksidasi β-d-glukopiranosa D-glukosa D-glusitol (D-sorbitol) suatu alditol D-glusitol banyak terdapat pada buah dan beri, dan digunakan sebagai pemanis sintetik. Produk oksidasi ditentukan oleh kekuatan oksidator: (a) ksidator lemah: - Pereaksi Tollens (Ag + dlm N 3 berair) - Pereaksi Fehling (Cu 2+ dlm Na-tartrat berair) - Pereaksi Benedict (Cu 2+ dlm Na-sitrat berair) uji kimia gula pereduksi Semua aldosa gula pereduksi, karena memiliki gugus aldehida yang mudah teroksidasi. 13
Beberapa ketosa juga gula pereduksi. Fruktosa, misalnya, dalam larutan basa dapat bertautomerisasi menjadi aldosa sehingga mereduksi pereaksi Tollens. Glikosida bukan gula pereduksi karena gugus asetal tidak terhidrolisis menjadi aldehida dalam kondisi basa. ksidator Br 2 berair terbufer lebih disukai untuk tujuan preparatif. Reaksi ini spesifik mengoksidasi aldosa. D-glukosa asam D-glukonat (suatu asam aldonat) 14
(b) ksidator kuat: N 3 encer panas panas D-glukosa asam D-glukarat (suatu asam aldarat) (c) ksidasi enzimatik: enzim asam D-glukuronat (suatu asam alduronat) (d) ksidasi dengan I 4 : 15
16
(6) Reaksi dengan Fenilhidrazina D-Glukosa dan D-manosa bereaksi dengan fenilhidrazina menghasilkan fenilosazon yang sama, yang menunjukkan kedua gula ini hanya berbeda pada konfigurasi di C-2. (7) Pemanjangan Rantai: Sintesis Killiani-Fischer einrich Killiani (1886) Emil Fischer 17
Metode modern untuk reduksi nitril aldehida: aldosa katalis Pd 2 sianohidrin 2 imina 2 aldosa rantai panjang 18
(8) Pemendekan Rantai (a) Degradasi Ruff: dekarboksilasi oksidatif asam aldonat. (b) Degradasi Wohl: kebalikan sintesis Killiani-Fischer. -CN SAL PEMICU (1) Gambarkan produk reaksi antara β-d-ribofuranosa dan : (a) isopropiliodida, Ag 2 (b) etanol, Cl (2) Gambarkan produk reaksi antara D-manosa dan : (a) NaB 4, 2 (c) aseton, 2 S 4 (b) N 3 panas, 2 (d) Cu 2+ dalam Na tartrat berair (3) Produk apa yang diharapkan jika senyawa-senyawa berikut direaksikan dengan I 4 (a) (b) (c) (d) D-eritrosa 19
25.7. 8 Monosakarida Esensial Diperlukan 8 monosakarida berikut agar fungsi tubuh berjalan baik. Meskipun dapat dibiosintesis, asupan dalam makanan diperlukan. Semuanya digunakan untuk sintesis komponen glikokonjugat dari dinding sel. 1. D-galaktosa 2. D-glukosa 3. D-manosa 4. L-xilosa 5. L-fukosa (6-deoksi-L-galaktosa) 6. N-asetil-D-glukosamina (2-asetamido-2-deoksi-D-glukosa) 7. N-asetil-D-galaktosamina (2-asetamido-2-deoksi-D-galaktosa) 8. asam N-asetil-D-neuraminat (asam sialat) 25.7. 8 Monosakarida Esensial Skema jalur biosintesis: Galaktosa Glukosa Fruktosa Manosa Xilosa Glukosamina Fukosa Galaktosamina Manosamina Asam Neuraminat 20
25.8 Disakarida Disakarida memiliki ikatan asetal glikosidik antara karbon anomerik dari satu gula dan salah satu gugus dari gula yang lain. (1) Selobiosa dan Maltosa maltosa, glikosida-α-1 4 [4--(α-D-glukopiranosil)-α-D-glukopiranosa] selobiosa, glikosida-β-1 4 [4--(β-D-glukopiranosil)-β-D-glukopiranosa] 25.8 Disakarida Maltosa dan selobiosa masih memiliki karbon anomerik, maka keduanya gula pereduksi dan dapat saling bermutarotasi. anomer β aldehida anomer α Meskipun hampir sama strukturnya, sifat biologis kedua gula ini jauh berbeda. Selobiosa tidak dapat dicerna oleh manusia dan sulit difermentasi oleh khamir. Sebaliknya, maltosa mudah dicerna maupun difermentasi. 21
25.8 Disakarida (2) Laktosa Secara alami terdapat dalam ASI dan susu sapi, digunakan dalam tepung dan susu formula bayi. β-glukopiranosa β-galaktopiranosida laktosa, glikosida-β-1 4 [4--(β-D-galaktopiranosil)-β-D-glukopiranosa] Laktosa juga gula pereduksi dan dapat bermutarotasi. 25.8 Disakarida (3) Sukrosa Terdapat dalam gula pasir, curah maupun rafinasi, dari tebu (20%) maupun bit gula (15%). sukrosa 2, + D-glukosa + D-fruktosa atau [α] = +66 enzim invertase [α] = +52 [α] = 92 (pada lebah) dektrosa levulosa 1:1 [α] = 20 Terjadi inversi dari (+) menjadi ( ) (gula invert) 22
25.8 Disakarida α-glukopiranosida 4 6 C 2 3 5 2 1 2 3 1C 2 β-fruktofuranosida sukrosa, glikosida-α1 β2 [2--(α-D-glukopiranosil)-β-D-fruktofuranosida] 4 C 2 5 6 Sukrosa tidak memiliki gugus hemiasetal lagi, maka bukan gula pereduksi dan tidak dapat bermutarotasi. 25.9 Polisakarida Polisakarida hanya memiliki 1 gugus anomerik di ujung rantai yang sangat panjang. Karena itu, bukan gula pereduksi dan praktis tidak bermutarotasi. (1) Selulosa Polisakarida struktural dinding sel yang memberi kekuatan dan kekakuan pada tanaman (daun, rumput, kapas). Bahan baku selulosa asetat (rayon asetat) dan selulosa nitrat (guncotton: bubuk mesiu, amunisi senjata) 23
Struktur parsial molekul selulosa: 25.9 Polisakarida unit selobiosa rantai selulosa n Rantai linear dari + 5000 unit glukosa, dengan tautan β-(14). Posisi oksigen cincin berselang-seling (depan-belakang). Ikatan hidrogen antarrantai agregasi menjadi fibril Tidak dapat dicerna manusia dan sebagian besar hewan. anya dapat dicerna oleh bakteri pada saluran pencernaan kambing, sapi, rayap, dsb., yang menghasilkan enzim selulase (β-glukosidase) dietary fiber. 24
25.9 Polisakarida (2) Pati dan Glikogen Pati: polisakarida cadangan makanan pada tanaman. Amilosa: Rantai linear dari 50 300 unit D-glukosa, dengan tautan α-(14) menyusun sekitar 20% bobot pati, taklarut-air Amilosa, polimer 1 4--(α-D-glukopiranosida) Amilopektin: Rantai sangat bercabang dengan 300 5000 unit D- glukosa. Rantai-rantai linear dari 25 30 unit bertautan α-(14), dihubungkan pada titik cabang lewat tautan α-(16). menyusun sekitar 80% bobot pati, larut dalam air dingin cabang glikosida-α-(1 6) ikatan glikosida-α-(1 4) Amilopektin: ikatan α-(1 4) dengan cabang α-(1 6) 25
25.9 Polisakarida Glikogen percabangan lebih banyak (1 cabang per 8 12 unit glukosa), M r lebih besar (100 000 unit glukosa). polisakarida cadangan pada hati dan otot hewan. 1 6 1 4 25.10 Turunan-Karbohidrat Penting (1) Gula Deoksi Contoh terpenting ialah 2-deoksiribosa, ditemukan dalam DNA. Gula deoksi ini dalam air membentuk campuran kesetimbangan yang kompleks. kehilangan oksigen α-d-2-deoksiribopiranosa (40%) + 35% β anomer 0.7% α-d-2-deoksiribofuranosa (13%) + 12% β anomer 26
(2) Gula Amino N-Asetil amida dari D-glukosamina merupakan unit monosakarida dari kitin, penyusun cangkang serangga dan kerang. Gula amino juga ditemukan pada antibiotik seperti streptomisin dan gentamisin. purpurosamina 2-deoksistreptamina β-d-glukosamina gentamisin (antibiotik) garosamina 25.11 Karbohidrat di Permukaan Sel & Vaksin Karbohidrat ligosakarida yang bertautan glikosidik dengan gugus atau N 2 protein dapat menjadi penanda biokimia di permukaan sel. Contohnya, antigen golongan-darah manusia. Transfusi golongan darah yang inkompatibel menyebabkan penggumpalan sel darah. Golongan darah pendonor Golongan darah penerima A B AB A X X B X X AB X X X 27
Aglutinasi ini menunjukkan bahwa sistem imun tubuh merasakan sel asing dan membentuk antibodi untuk melawannya. L-Fukosa 1 2 D-Galaktosa 1 4 N-Asetil-Dglukosamina Protein 1 3 N-Asetil-Dgalaktosamina Antigen golongan darah A L-Fukosa 1 2 D-Galaktosa 1 4 N-Asetil-Dglukosamina Protein 1 3 D-Galaktosa Antigen golongan darah B L-Fukosa 1 2 D-Galaktosa 1 4 N-Asetil-Dglukosamina Protein Antigen golongan darah Golongan darah AB memiliki antigen golongan darah A maupun B. Penentuan peran karbohidrat dalam pengenalan sel terus diteliti untuk memahami berbagai penyakit mulai dari infeksi bakteri sampai kanker. Yang sangat menarik ialah dimungkinkan mengembangkan vaksin antikanker untuk membantu memobilisasi sistem imun tubuh melawan tumor. 28
Ester Eter Glikosida Rantai pendek enzim Alditol Rantai panjang Asam uronat Asam aldarat Asam aldonat SAL PEMICU 1) Isomaltosa adalah suatu disakarida yang dapat diperoleh dengan hidrolisis enzimatik amilopektin. Deduksikan struktur isomaltosa dari data berikut: a) idrolisis 1 mol isomaltosa dengan asam atau dengan α- glukosidase menghasilkan 2 mol D-glukosa. b) Isomaltosa adalah gula pereduksi. c) Isomaltosa dioksidasi dengan air bromin menjadi asam isomaltonat. Metilasi asam isomaltonat dilanjutkan dengan hidrolisis menghasilkan 2,3,4,6-tetra--metil-D-glukosa dan asam 2,3,4,5-tetra--metil-D-glukonat. d) Metilasi isomaltosa sendiri dilanjutkan dengan hidrolisis menghasilkan 2,3,4,6-tetra--metil-D-glukosa dan 2,3,4-tri-metil-D-glukosa. 29
2) Stakiosa terdapat dalam akar beberapa spesies tanaman. Deduksikan struktur stakiosa dari data berikut: a) idrolisis asam 1 mol stakiosa menghasilkan 2 mol D-galaktosa, 1 mol D-glukosa, dan 1 mol D-fruktosa. b) Stakiosa bukan gula pereduksi. c) Mereaksikan stakiosa dengan α-galaktosidase menghasilkan campuran D-galaktosa, sukrosa, dan suatu trisakarida non-pereduksi, yaitu rafinosa. d) idrolisis asam rafinosa menghasilkan D-glukosa, D-fruktosa, dan D- galaktosa. Mereaksikan rafinosa dengan invertase (enzim yang menghidrolisis sukrosa) menghasilkan fruktosa dan melibiosa, yaitu disakarida 6--α-(D-galaktopiranosil)-D-glukopiranosa. e) Metilasi stakiosa dilanjutkan dengan hidrolisis menghasilkan 2,3,4,6- tetra--metil-d-galaktosa, 2,3,4-tri--metil-D-galaktosa, 2,3,4-tri--metil- D-glukosa, dan 1,3,4,6-tetra--metil-D-fruktosa. 30