1

STRUKTUR KARBOHIDRAT

Nabila Agnasia Desmara/1206202085 Abstrak Karbohidrat merupakan salah satu sumber energi yang paling banyak dikonsumsi manusia. Karbohidrat sendiri tersusun atas atom karbon, hidrogen, dan juga oksigen. Karbohidrat merupakan senyawa dimana terdapat gugus fungsi aldehid/keton dan hidroksil secara bersamaan. Karbohidrat dapat diklasifikan menjadi tiga menurut jumlah monomernya yakni monosakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Masing-masing jenis karbohidrat dapat melakukan reaksi-reaksi umum dari karbohidrat yang dapat berupa epimerasi, oksidasi&reduksi, pembentukan ester&eter, serta pemanjangan dan pemendekan rantai karbohidrat. Meninjau banyaknya reaksi yang dapat dilakukan, mengindikasikan bahwa karbohidrat hadir dalam berbagai bentuk dan jenis yang berbeda menyebabkannya menjadi salah satu makromolekul yang paling banyak dijumpai di bumi. Kata kunci : karbohidrat, monosakarida, disakarida, glukosa, polisakarida, aldosa, ketosa, ikatan glikosidik

Karbohidrat merupakan salah satu dari empat komponen terbesar yang terdapat dalam tubuh mahluk hidup selain asam nukleat, lemak dan protein. Gula dan pati pada makanan serta selulosa di kayu, kertas, dan kapas merupakan karbohidrat yang alami. Sedangkan karbohidrat yang telah dimodifikasi dapat ditemukan pada pelapis sel mahluk hidup, dan juga bagian dari asam nukleat yang membawa informasi genetik. Kata karbohidrat berasal dari salah satu jenis karbohidrat sederhana yakni glukosa yang mempunyai rumus molekul C6H12O6 dan awalnya dikemukakan sebagai “hidrat dari karbon, C6(H2O)6”. Sekarang kata karbohidrat merujuk pada klasifikasi aldehid dan keton yang berikatan dengan hidroksil. Gambar struktur salah satu jenis karbohidrat akan dijelaskan pada gambar berikut :

1. Monosakarida

Monosakarida merupakan karbohidrat yang paling sederhana dan memiliki gugus fungsi aldehid atau keton dengan dua atau lebih gugus hidroksil. Monosakarida juga sering disebut sebagai gula sederhana. Disebut sederhana karena karbohidrat jenis ini tidak dapat dihidrolisis lagi menjadi gula yang lebih sederhana. Rumus empiris dari monosakarida adalah (CH2O)n. Monosakarida terkecil yang memiliki nilai n=3 dinamakan sebagai dihidroksiaseton dan L-gliseraladehid. Dibawah ini gambar struktur dari monosakarida terkecil :

Gambar 1. Struktur kimia dari glukosa

C6H12O6 (Sumber : Mc.Murry 2008)

Karbohidrat tersusun atas monomernya yaitu yang disebut dengan monosakarida yang memiliki tiga sampai sembilan atom C (karbon). Karbohidrat yang berasal dari monosakarida tersebut dapat memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda dengan konfigurasi streokimia pada atom satu atau lebih carbon center. Monosakarida-monosakarida dapat berikatan satu sama lainnya dan membentuk struktur disakarida dan oligosakarida. Kumpulan monosakarida dengan jumlah yang besar dapat ditemukan pada jenis karbohidrat yang lain yaitu polisakarida. Dibawah ini akan dijelaskan struktur karbohidrat berdasarkan jumlahnya :

2

Pada gambar 2 dapat dilihat bahwa ada kata “ketosa” dan “aldosa”, kedua kata tersebut menunjukan gugus fungsi apakah yang terikat pada rantai hidroksil. Jadi dapat diketahui bahwa monosakarida dibagi atau diklasifikasikan berdasarkan gugus fungsinya, selain itu juga diklasfikasikan jumlah atom karbonnya yang akan dijelaskan sebagai berikut:

1.1. Monosakarida berdasarkan gugus fungsinya Monosakarida dapat diklasifikan berdasarkan gugus fungsinya yaitu monosakarida dengan

gugus fungsi aldehid dan dengan gugus fungi keton. Dibawah ini akan dijelaskan lebih lanjut mengenai kedua jenis monosakarida tersebut:

A. Aldosa

Aldosa adalah rantai monosakarida yang berikatan dengan aldehid. Gugus fungsi aldehid tersebut hanya berjumlah satu untuk setiap molekulnya. Rumus empiris aldosa adalah Cn(H2O)n. Aldosa yang paling sederhana yaitu dengan dua atom karbon dinamakan dengan diosa glikoladehid (Gambar 2). Aldosa memiliki satu atom karbon tengah yang asentrik sehingga aldosa dengan tiga atau lebih atom karbon dapat membuat suatu streosiomer. Stereoisomer yang dapat terjadi dapat berupa bentuk-L maupun bentuk-D. Salah satu contoh aldosa yang paling banyak dikenal masyarakat adalah glukosa.

B. Ketosa

Ketosa adalah rantai monosakarida dengan dua atau lebih gugus hidroksil yang berikatan dengan gugus keton. Sama seperti aldosa, gugus fungsi keton pada ketosa hanya berjumlah satu untuk tiap molekulnya. Ketosa yang paling sederhana adalah ketosa dengan atom karbon berjumlah 3 yaitu dinamakan dengan dihidroksiaseton (Gambar 2). Salah satu contoh ketosa yang paling dikenal yaitu fruktosa.

Gambar 2. Struktur kimia dari monosakarida paling sederhana (Sumber : McMurry 2008 )

Gambar 3. Struktur kimia dari glukosa dan fruktosa serta perbedaannya dari sisi

gugus fungsi (Sumber : science.uvu.edu)

Keton Aldehid

3

1.2. Monosakarida berdasarkan jumlah atom karbonnya Monosakarida dapat diklasifikasikan dari jumlah atom karbon yang ada pada monosakarida

tersebut. Atom karbon yang dimaksud adalah semua atom karbon yang berada pada rantai monosakarida. Klasfikasi monosakarida berdasarkan jumlah atom karbonnya adalah sebagai berikut :

Triosa : Monosakarida dengan 3 atom karbon

Tetrosa : Monosakarida dengan 4 atom karbon

Pentosa : Monosakarida dengan 5 atom karbon

Heksosa : Monosakarida dengan 6 atom karbon

Heptosa : Monosakarida dengan 7 atom karbon Contoh dari monosakarida berdasarkan jumlah atom karbonnya adalah sebagai berikut:

1.3. Stereoisomer monosakarida Karbohidrat termasuk monosakarida paling tidak memiliki satu buah atom karbon kiral. Atom

karbon kiral atau karbon asimetrik adalah karbon yang menempel pada 4 buah gugus fungsi yang berbeda. Adanya karbon kiral tersebut menyebabkan adanya enantiomer pada monosakarida. Perhatikan gambar berikut:

Untuk monosakarida dengan jumlah karbon lebih banyak mengindikasikan bahwa ada lebih

dari satu buah atom kiral. Untuk kasus tersebut atom kiral untuk penamaan diambil dari yang paling dekat dengan gugus hidroksil. Perhatikan gambar berikut:

Gambar 4. Beberapa struktur kimia dari monosakarida berdasarkan jumlah atom

karbonnya (Sumber : science.uvu.edu)

Kedua gambar tersebut memiliki satu jenis monosakarida namun memiliki dua nama yang berbeda. Hal tersebut didasari oleh letak –OH pada struktur. L-(left) menunjukan bahwa –OH berada di sebelah kiri dari karbon kiral sedangkan D-(dextra) menunjukan –OH berada di sebelah kanan karbon kiral. Selain dinamakan dengan D dan L, dapat dinamakan dengan awalan (R)-(+) yang berarti sama dengan D- dan (S)-(-) yang berarti sama dengan L-

Gambar 5. Struktur L-gliseraldehid dan D-

gliseraladehid ( Sumber: chem.ucalgary.ca)

Karbon kiral

4

2. Oligosakarida

Oligosakarida adalah karbohidrat yang tersusun atas dua sampai sembilan monosakarida yang dihubungkan dengan ikatan glikosidik. Oligosakarida yang paling sederhana adalah disakarida. Penamaan jenis oligosakarida didasarkan pada jumlah monosakarida yang bergabung menjadi satu. Jadi penambahan kata seperti tri-, tetra-, penta-, heksa-, dan hepta-, pada awal kata sakarida merujuk pada jumlah monosakarida pada karbohidrat tersebut. Berikut akan dijelaskan beberapa jenis oligosakarida

2.1. Disakarida

Karbohidrat yang terdiri dari dua rantai monosakarida disebut dengan disakarida. Jadi disakarida adalah karbohidrat yang memiliki dua rantai monosakarida yang terikat satu sama lainnya. Bergabungnya dua monosakarida terjadi akibat reaksi dehidrasi atau kondensasi yang berarti reaksi yang menghilangkan air. Selain air pada reaksi dehidrasi tersebut hilang, terbentuk pula ikatan yang disebut ikatan glikosidik. Ikatan glikosidik adalah jenis ikatan kovalen yang menggabungkan gula/karbohidrat dengan gugus lain yang dapat membentuk maupun tidak membentuk karbohidrat lain. Reaksi pembentukan ikatan glikosidik pada sukrosa akan dijelaskan sebagai berikut:

Tiga contoh umum dari disakarida adalah maltosa, laktosa, dan sukrosa. Maltosa adalah

disakarida yang terbentuk dari dua rantai glukosa, laktosa merupakan disakarida yang terdiri dari galaktosa dan glukosa, sedangkan sukrosa adalah disakarida dari rantai monosakarida glukosa dan fruktosa. Maltosa banyak ditemukan pada kentang dan sereal, laktosa berada pada susu, sedangkan sukrosa merupakan karbohidrat yang banyak ditemukan pada bahan pangan berkarbohidrat. Disakarida dapat diklasifikasikan menjadi disakarida yang dapat mereduksi dan yang tidak dapat mereduksi. Kemampuan mereduksi pada disakarida adalah gula yang memiliki gugus aldehid atau yang dapat membuat gugus aldehid melalui isomerasi. Selengkapnya mengenai disakarida yang mereduksi akan dijelaskan sebagai berikut:

H2O

Gambar 7. Reaksi pembentukan disakarida dari dua monosakarida (Sumber :

chem.wisc.edu )

Pada gambar fruktosa dapat dilihat ada dua gugus hidroksil., namun penamaannya didasari dari karbon yang jauh dari gugus fungsi. Jadi kesimpulannya penamaan D dan L untuk karbohidrat dengan atom kiral lebih dari satu juga dapat didasari dari karbon kiral terjauh dari gugus fungsinya

Gambar 6. Struktur glukosa dan fruktosa dengan penamaan D & L (

Sumber: chem.ucalgary.ca)

5

A. Disakarida yang dapat mereduksi

B. Disakarida yang tidak dapat mereduksi

2.2. Trisakarida

Trisakarida adalah oligosakarida yang tersusun atas tiga buah molekul monosakarida yang berikatan satu sama lainnya dengan dua buah ikatan glikosidik. sama seperti disakarida, setiap ikatan glikosida terbentuk antara gugus hidroksil pada komponen monosakarida. Contoh dari trisakarida yaitu maltotriosa dan raffinosa. Maltotriosa adalah trisakarida yang tersusun atas 3 buah molekul glukosa, sedangkan raffinosa adalah trimonosakarida yang tersusun atas galaktosa, glukosa, dan fruktosa secara bersamaan. Raffinosa dapat ditemukan pada kubis, kacang, brokoli, asparagus, dan sebagainya. Maltotriosa paling banyak diproduksi oleh enzim pencernaan alfa-amilase yaitu enzim yang ada di ludah manusia. Dibawah ini akan diberikan struktur maltotriosa dan raffinosa :

3. Polisakarida

Sebagian besar karbohidrat yang ditemukan di bumi berada dalam bentuk polisakarida.

Polisakarida, atau yang disebut juga sebagai glikan, terdiri dari monosakarida dan turunannya

Gambar 8. Karbon anomerik pada laktosa

(Sumber : Garrett & Grisham 2008 )

Gambar 9. Struktur sukrosa yang tidak mempunyai

karbon anomerik (Sumber : Garrett & Grisham 2008 )

Gambar 10. Struktur maltotriosa dan raffinosa (Sumber : extras.springer.com)

Jenis disakarida yang dapat mereduksi adalah antara lain maltosa dan laktosa. Maltosa merupakan disakarida yang tersusun atas dua buah glukosa. Kedua glukosa tersebut dihubungkan melalui salah satu dari gugus hidroksil sehingga karbon anomerik sentral tidak tersubstitusi. Fungsi dari karbon anomerik sentral sendiri adalah karbon yang dapat membuka struktur siklik dari disakarida dan mereduksi ion metal. Oleh karena itu disakarida yang masih memiliki karbon anomerik dapat mereduksi ion metal sehingga disebut sebagai disakarida pereduksi.

Jenis disakarida yang tidak dapat mereduksi berarti disakarida yang sudah tidak memiiki karbon anomerik sentral karena tersubstitusi saat reaksi pembentukan disakarida dari monosakarida. Karena tidak memiliki karbon anomerik itulah maka disakarida tidak dapat mereduksi ion metal. Contohnya adalah sukrosa yang digambarkan pada gambar disamping

6

dalam jumlah yang besar yaitu sepuluh hingga ribuan. Definisi polisakarida sebenearnya tidak hanya terdiri dari residu gula yang terikat secara glikosidik tetapi juga molekul yang mengandung polimer sakarida dan terikat oleh ikatan kovalen dengan asam amino, peptida, lipid, dan struktur lainnya. Polisakarida terbagi atas dua jenis yakni homopolisakarida atau homoglikan dan heterepolisakarida atau heteroglikan yang akan dijelaskan masing-masing sebagai berikut:

3.1. Homopolisakarida

Homopolisakarida adalah polisakarida yang tersusun atas monosakarida dengan jenis yang sama. Beberapa jenis homopolisakarida adalah pati, selulosa, glikogen, dan kitin yang akan dijelaskan secara singkat sebagai berikut:

A. Pati

Pati adalah polisakarida yang tersusun dari ratusan glukosa yang terhubung dengan ikatan glikosidik. Pati banyak ditemukan pada bahan pangan dari tanaman dan berfungsi sebagai tempat penyimpanan makanan bagi tumbuhan. Karena sebagai cadangan makanan tersebutlah maka pati mengandung banyak energi sehingga dimanfaatkan manusia sebagai bahan makanan pokok penghasil energi. Pati dapat ditemukan dalam umbi-umbian, nasi, kentang, gandum, dan sebagainya. Pati murni berwarna putih, tidak memiliki rasa, dan larut pada air dingin serta alkohol. Dalam pati mengandung dua molekul yaitu amilosa dan amilopektin, dengan komposisi 20-25% amilosa dan 75-80% amilopektin. Berikut akan dijelaskan amilosa dan amilopektin:

a. Amilosa

Amilosa adalah kumpulan dari α(14) ikatan molekul glukosa. Maksud dari α(14) adalah karbon pertama (karbon 1) dari satu glukosa berikatan dengan karbon keempat (karbon 4) dari molekul glukosa yang lainnya. Glukosa dalam amilosa berjumlah 300 sampai 3000 bahkan lebih dan mereka tidak larut dalam air.

b. Amilopektin

Amilopektin adalah polisakarida dari glukosa yang berbentuk rantai cabang dan larut dalam air. Rantai utama amilopektin mengandung ikatan molekul glukosa yang bersifat α(14) sedangkan rantai cabangnya bersifat α(16) atau mengikat pada atom karbon ke-6 dan terjadi setiap 24 hingga 30 unit glukosa. Cabang tersebut menyebabkan amilopektin dapat terdegradasi cepat karena banyak memiliki titik akhir untuk melekatnya enzim, sebaliknya amilosa lebih lambat terdegradasi karena tidak memiliki rantai cabang.

B. Selulosa

Gambar 12. Struktur amilopektin anomerik (Sumber : Garrett & Grisham 2008 )

Gambar 11. Struktur amilosa (Sumber : Garrett & Grisham 2008 )

7

C. Glikogen

D. Kitin

3.2. Heteropolisakarida Heteropolisakarida adalah polisakarida yang tersusun atas monosakarida dengan jenis yang

berbeda. Beberapa jenis homopolisakarida adalah pektin dan xanthan yang akan dijelaskan pada tabel berikut

No Aspek Pembanding

Pektin Xanthan

1 Monomer Asam D-galakturonik Dua glukosa, dua manosa, dan sebuah asam glukuronik

Gambar 13. Struktur selulosa dan perbedaan

ikatannya dengan pati (Sumber : elmhurst.edu)

Gambar 15. Struktur kitin (Sumber :

foodnetworksolution )

Gambar 14. Struktur glikogen (Sumber :

projecte.pmu.ro)

Kitin adalah polimer dari N-asetilglukosamin yakni turunan dari glukosa. Sesuai nama nya, kitin merupakan polisakarida termodifikasi yang mengandung nitrogen dan memiliki ikatan β(14) yang sama seperti selulosa. Jadi kitin dapat didefinisikan sebagai selulosa dengan satu buah gugus hidroksil yang digantikan dengan gugus asetil amina. Kitin banyak ditemukan sebagai unsur pembentuk diding sel dari jamur dan juga eksoskleton dari antrophoda dan serangga. Gambar struktur dari kitin diberikan disamping

Selulosa adalah bahan penyusun dinding sel tumbuhan yang terbuat dari polisakarida. Monomer polisakarida pada selulosa adalah glukosa dan dibutuhkan jumlah yang banyak untuk membentuk selulosa tersebut. Ikatan asetal pada selulosa bersifat β yang berbeda dengan pati yang berupa α. Ikatan glikosidiknya berada pada atom karbon pertama ke atom karbon ke empat atau dinotasikan dengan β(14). Selulosa banyak digunakan dalam industri papan tulis dan kertas, selain itu juga dapat dikonversi ke cellulosic ethanol menjadi biofuel.

Glikogen adalah kumpulan glukosa yang berfungsi sebagai penyimpanan dan sangat mirip dengan pati. Struktur glikogen sangat mirip dengan amilopektin namun cabang dari glikogen lebih banyak dibandingkan amilopektin. Cabang glikogen dimulai setiap 10 glukosa atau lebih dan memiliki sifat ikatan glikosidik α(16). Sedangkan pada rantai utamanya, sama seperti amilopektin, memiliki sifat ikatan α(14). Glikogen ditemukan dalam bentuk granula dalam sitoplasma sel dan berperan serta pada siklus glukosa.

Tabel 1. Perbandingan pektin dan xanthan dari berbagai aspek

8

2 Jenis ikatan glikosidik

α(14) α(14) pada glukosa

3 Sumber Pir, apel, jambu biji, jeruk dan keluarga citrus lain

Bakteri Xanthomonas campestris

4 Fungsi Pengental, pembuat gel, dan stabilizer dalam makanan.

Pengental pada makanan dan stabilizer dalam kosmetik

‘

4. Reaksi pada Karbohidrat

Reaksi pada karbohidrat ada banyak macamnya, pada LTM ini akan dijelaskan reaksi epimerisasi, oksidasi-reduksi, pembentukan ester dan eter, pemanjangan dan pemendekan rantai.

3.1. Epimerisasi

3.2. Reaksi Oksidasi-Reduksi Seperti yang sudah diketahui sebelumnya bahwa gula dapat diklasifikasikan menjadi reducing

sugar dan non-reducing sugar dengan analisis menggunakan reagen Tollen, Benedict, maupun Fehling. Apabila gula dioksidasi oleh reagen tersebut maka disebut reducing. Tanda dapat

Gambar 16. Struktur pektin dan xanthan (Sumber : food-info.com dan

chemistry.tutorvista.com)

Reaksi epimerisasi adalah reaksi karbohidat menjadi empimernya akibat ditambahkan dengan basa larut atau basa organik. Reaksi ini sangat berguna untuk mendapatkan gula yang langka dari epimernya. Dibawah ini mekanisme reaksi glukosa menjadi mannosa.

Gambar 17. Reaksi epimerasi glukosa menjadi mannosa (Sumber :

dwh.unl.edu)

9

dioksidasi adalah oksidan (Ag+ atau Cu+2) tereduksi sehinga terbentuk endapan tembaga oksida. Salah satu karbohidrat yang dapat dioksidasi adalah aldosa yang dioksidasi menjadi asam karboksilat yang dinamakan asam aldonik. Sedangkan pada reaksi reduksi alditol dengan sodium borohydride menghasilkan rantai alditol (alkohol primer) yang indentik. Apabila karbohidrat yang direaksikan akan menghasilkan alcohol sekunder. Kedua reaksi tersebut akan digambarkan sebagai berikut:

3.3. Reaksi Pembentukan ester dan eter

Baik reaksi pembentukan ester maupun eter, keduanya sama-sama disebabkan karena adanya gugus –OH. Reaksi pembentukan ester dan eter terjadi pada suasana basa, dengan pereaksi berturut-turut yaitu asam klorida/anhidrat dan alkil halida. Kedua reaksinya akan dijelaskan pada gambar berikut:

3.4. Reaksi pemanjangan dan pemendekan rantai

Reaksi pemanjangan rantai karbohidrat dinamakan dengan sintesis Killani-Fischer. Reaksi awal mulanya menggunakan larutan sianida (NaCN) yang akan dilakukan penambahan neuklofilik ke dalam gugus fungsi karbonil dari gula. Sianohidrin yang dihasilkan dari reaksi dengan sianida tersebut dipanaskan dalam air yang menyebabkan hidrolisis sianida menjadi gugus asam karboksilat yang cepat bereaksi menjadi lakton yang stabil. Reaksi selengkapnya digambarkan pada gambar dibawah ini:

Gambar 20. Sintesis Killani-Fisher (Sumber : biologie.uni-hamburg.de )

Gambar 19. Reaksi pembentukan ester dan eter dari glukopiranosa (Sumber : sphx.col.ynu.edu.cn )

Gambar 18. Reaksi oksidasi dan reduksi glukopiranosa (Sumber : http://www.chem.ucalgary.ca)

10

Ringkasan 1. Karbohidrat adalah senyawa yang tersusun atas atom karbon, hidrogen, dan oksigen yang

memiliki gugus fungsi aldehid/keton dan hidroksil 2. Berdasarkan jumlah monomernya, karbohidrat dapat dibagi menjadi monosakarida,

oligosakarida, dan polisakarida 3. Monosakarida adalah karbohidrat dengan jumlah monomer 1 buah yang diklasifikan menurut

gugus fungsinya dan jumlah atom karbon yang dimiliki rantai karbohidrat tersebut. 4. Berdasarkan gugus fungsinya monosakarida dibagi menjadi aldosa yakni dengan gugus fungsi

aldehid dan ketosa dengan gugus fungsi keton, sedangkan berdasarkan jumlah atomnya dinamakan dengan awalan tri-, tertra-, penta-, hepta-, heksa

5. Oligosakarida merupakan karbohidrat dengan 2-9 buah monomer yang terikat melalui ikatan glikosidik. Oligosakarida dengan dua monomer disebut disakarida. Disakarida dapat dibagi menjadi yang dapat mereduksi dan tidak dapat mereduksi berdasarkan ada atau tidaknya atom karbon anomerik.

6. Polisakarida merupakan karbohidrat yang tersusun dari ratusan hingga ribuan monomer. Terbagi atas homopolisakarida yang monomernya sama dan heteropolisakarida dengan monomernya beragam jenis

7. Reaksi yang sering terjadi pada karbohidrat yakni reaksi epimerisasi, oksidasi-reduksi, pembentukan ester&eter, serta pemanjangan dan pemendekan rantai karbohidrat.

Daftar Pustaka Garrett. R.H dan Grisham, C.M. 2008. Biochemistry. New York: Cengange Learning McMurry, J. 2008. Organic Chemistry. Belmont : Thomson Higher Education Voet, D. dan Voet, J.G. 2011. Biochemistry. New Jersey: John Wiley & sons, Inc.

Kebalikan dari reaksi Killani-Fischer adalah reaksi degradasi wohl adalah reaksi pemendekan rantai karbohidrat jenis aldosa. Pereaksi yang digunakan adalah NH2OH, (CH3CO)2O, dan NaOCH3 dan menghasilkan sianida. Contoh reaksi yang paling umum adalah degradasi glukosa menjadi arabinosa disamping ini:

Gambar 21. Degradasi Wohler (Sumber : Voet & Voet, 2011 )