KARBOHIDRAT

2.1 PENDAHULUAN

2.1.1 Deskripsi Singkat

Bab ini akan menjelaskan tentang pengertian kabohidrat dan peranannya bagi kehidupan manusia, struktur, tata nama dan konfigurasi karbohidrat, penggolongan karbohidrat dan derivatnya, ikatan glikosidik, serta reaksi-reaksi khas dalam analisa karbohidrat

2.1.2 Relevansi

Pembahasan materi dalam bab ini sangat berhubungan dengan materi pada bab-bab selanjutnya. Mahasiswa akan mengetahui batasan-batasan tentang struktur, tata nama, konfigurasi dan penggolongan karbohidrat. Pemahaman tentang bagaimana ikatan glikosidik terbentuk oleh dua monosakarida, serta senyawa-senyawa yang terbentuk sebagai derivat karbohidrat dan analisisnya serta keterkaitannya dengan bidang lain seperti kimia organik, kimia analitik dan senyawa biomolekul lainnya.

2.1.3 Tujuan

Setelah mempelajari bab ini mahasiswa diharapkan dapat :

1. Memahami pengertian tentang karbohidrat dan kaitannya dengan kehidupan manusia.

2. Menganalisa struktur dan konfigurasi molekul karbohidrat.

3. Menjelaskan penggolongan karbohidrat berdasarkan struktur dan sifatnya

4. Menerangkan beberapa sifat kimia karbohidrat (ikatan glikosidik.)

5. Menjelaskan struktur dan sifat penting beberapa senyawa derivat karbohidrat

6. Menjelaskan reaksi-reaksi penting pada analisa karbohidrat.

2. PENYAJIAN

2.2.1 Uraian dan Contoh

Karbohidrat adalah senyawa-senyawa aldehida atau keton dengan mempunyai gugus hidroksil. Senyawa-senyawa ini menyusun sebagian besar bahan organik didunia karena peran multipelnya pada semua bentuk kehidupan. Pertama, karbohidrat bertindak sebagai sumber energi, bahan bakar, dan zat antara metabolisme. Contohnya pati pada tumbuh-tumbuhan dan glikogen pada hewan adalah polisakarida yang dapat dimobilisasi untuk menghasilkan glukosa, bahan bakar utama untuk pembentukan energi. ATP, sebagai alat tukar energi bebas yang universal adalah merupakan derivat gula terfosforilasi. Kedua gula ribosa dan deoksiribosa pembentuk sebagian kerangka struktur RNA dan DNA. Fleksibilitas cincin kedua gula ini penting pada penyimpanan dan ekspresi informasi genetik. Ketiga, polisakarida adalah elemen struktur dinding sel bakteri dan tumbuh-tumbuhan. Contohnya adalah selulosa suatu komponen utama dinding sel tumbuh-tumbuhan yang merupakan satu senyawa organik yang melimpah ruah pada biosfer. Keempat, karbohidrat berikatan dengan banyak senyawa protein dan lipida. Misalnya, unit-unit gula glikofirin, suatu protein tunggal integral membran, memberi sel-sel darah merah satu lapisan anion yang sangat polar. Beberapa penelitian mengungkapkan bahwa unit-unit karbohidrat pada permukaan sel memainkan peranan kunci pada proses pengenalan antarsel.

Karbohidrat yang berasal dari makanan, dalam tubuh mengalami perubahan atau metabolisme. Hasil metabolisme karbohidrat antara lain adalah glukosa yang terdapat dalam darah, sedangkan glikogen adalah karbohidrat yang disintesis dalam hati dan digunakan oleh sel-sel pada jaringan otot sebagai sumber energi. Contoh karbohidrat yang terdapat pada bahan makanan adalah amilum atau pati dan sukrosa (gula tebu).

Energi yang terkandung dalam karbohidrat pada dasarnya berasal dari energi matahari. Karbohidrat dalam hal ini glukosa dibentuk dari karbon dioksida dan air dengan bantuan cahaya matahari dan klorofil dalam daun. Selanjutnya glukosa yang terjadi diubah menjadi amilum dan disimpan pada bagian lain seperti pada buah atau umbi. Proses pembentukan glukosa dari karbon dioksida dan air disebut reaksi atau proses fotosintesis:

Cahaya matahari/klorofil

6CO₂ + 6 H₂O C₆H₁₂O₆ + 6O₂

glukosa

2.2.1.1 Struktur dan Konfigurasi Karbohidrat

Karbohidrat atau sakarida terdapat gugus hidroksil (-OH), gugus aldehida atau gugus keton. Berdasarkan gugus-gugus fungsi yang ada tersebut maka karbohidrat dapat didefinisikan sebagai senyawa polihidroksialdehida atau polihidroksiketon, atau senyawa yang dihidrolisis dari keduanya.

Sir Walter Norman Haworth (1883-1950), seorang ahli kimia berkebangsaan Inggris pada tahun 1937 memperoleh hadiah Nobel berpendapat bahwa pada molekul glukosa kelima atom karbon yang pertama dengan atom oksigen dapat membentuk cincin segi enam. Oleh karena itu diusulkan penulisan rumus struktur karbohidrat sebagai bentuk cincin furan atau piran.

Berdasarkan hal tersebut maka struktur dan konfigurasi karbohidrat dapat dituliskan berdasarkan bentuk cincin sikliknya, yaitu golongan furanosa bila karbohidrat tersebut mempunyai cincin beranggota 5, dan golongan piranosa, bila karbohidrat mempunyai cincin beranggota 6. Bentuk cincin puranosa dan piranosa dapat dilihat pada gambar berikut:

Atom karbon suatu molekul gula dinomori mulai dari ujung yang paling dekat dengan aldehid atau keton.

Bentuk glukosa dan fruktosa yang utama dalam larutan bukanlah rantai terbuka melainkan dalam bentuk cincin. Gugus karbonil yang ada pada semua karbohidrat sangat reaktif dan dapat membentuk hemiasetal atau asetal dengan senyawa lain. Misalnya aldehida dapat bereaksi dengan alkohol ( X-OH) untuk membentuk hemiasetal.

Begitu pula keton dapat bereaksi dengan alkohol membentuk hemiketal.

Atom karbon nomor 1 (C-1) adehida glukosa bentuk rantai terbuka, bereaksi dengan gugus hidroksil pada atom karbon nomor 5 ( C-5) membentuk hemiasetal intramolekul. Cincin enam yang dihasilkan disebut piranosa karena kesamaannya dengan piran. Proyeksinya seperti terlihat pada gambar (1) berikut ini :

Gambaran glukopiranosa dan fruktofuranosa adalah contoh proyeksi Haworth. Pada proyeksi demikian, atom-atom karbon pada cincin tidak diperlihatkan secara eksplisit. Bidang cincin tegak lurus pada bidang naskah, dengan proyeksi garis tebal pada cincin kearah pembaca.

Gambar 2.1 Pembentukan Hemiasetal Intramolekul pada Piranosa

Pada gugus keton atom karbon nomor dua (C-2) pada fruktosa bentuk rantai terbuka dapat bereaksi dengan gugus hidroksil atom karbon nomor lima (C-5) membentuk hemiketal intramolekul. Cincin lima ini disebut furanosa karena kesamaannya dengan furan.

Gambar 2.2 Pembentukan Hemiketal intramolekul Furanosa

Jika rumus proyeksi Fischer (rantai terbuka) dibandingkan dengan rumus Haworth, maka tampak bahwa gugus –OH yang terletak disebelah kanan atom C rumus Fischer, pada rumus Haworth terdapat disebelah bawah atom karbon. Demikian pula gugus –OH yang terletak di sebelah kiri pada rumus Fischer, terletak disebelah atas pada rumus Haworth (gambar 2.1 dan 2.2).

Pusat asimetrik tambahan timbul sewaktu glukosa membentuk cincin C-1, atom karbon karbonil pada bentuk rantai terbuka, menjadi pusat asimetrik pada bentuk cincin. Dua struktur cincin dapat dibentuk : -Dglukopiranosa dan -D-glukopiranosa.. Tanda  berarti bahwa gugus hidroksil yang terikat C-1 berada dibawah bidang cincin  berarti bahwa gugus hidroksil berada diatas bidang cincin. Karbon C-1 disebut atom karbon anomerik, dengan demikian bentuk  merupakan anomer dari bentuk . Nomenklatur sama berlaku terhadap cincin furanosa dari fruktosa, kecuali bahwa  dan  berhubungan dengan gugus-gugus hidroksil yang terikat pada C-2, atom karbon anomerik. Fruktosa juga membentuk cincin piranosa. Sebenarnya bentuk piranosa lebih banyak terdapat pada fruktosa bebas dalam larutan, sedangkan bentuk furanosa adalah bentuk utama pada sebagian besar derivatnya.

Gambar 2.3 Bentuk Cincin Fruktosa dalam Furan dan Piran

Cincin enam piranosa, seperti sikloheksana, tidak terletak dalam satu bidang karena geometri tetrahedral atom-atom karbonnya yang jenuh. Itulah sebabnya cincin piranosa mengambil konformasi kursi dan perahu.

Substituen-substituen pada atom karbon pada cincin mempunyai dua orientasi : aksial dan ekuatorial. Ikatan-ikatan aksial hampir tegak lurus pada bidang cincin, sedangkan ikatan-ikatan ekuatorial hampir paralel terhadap bidang ini.

-D- glukopiranosa terutama terdapat dalam bentuk kursi, sebab semua posisi aksial ditempati oleh atom-atom hidrogen. Gugus-gugus hidroksil (-OH) dan CH₂OH yang lebih besar lebih banyak muncul dipinggir yang rintangannya kurang. Sebaliknya bentuk perahu glukosa kurang terdapat karena sangat

Bentuk amplop

Gambar 2.4 Konformasi kursi, perahu,

dan amplop cincin piranosa

dihalangi secara sterik. Cincin –cincin furanosa, seperti cincin-cincin piranosa, tidak planar. Cincin ini dapat dilipat sehingga sehingga empat atom karbon hampir koplanar dan atom ke lima berada sekitar 0,5Å jauhnya dari bidang ini. Konformasi demikian disebut bentuk sampul surat (amplop) karena strukturnya menyerupai amplop terbuka dengan tutupnya ke atas Pada bagian ribosa sebagian biomolekul, salah satu C-2 atau C-3 berada diluar bidang pada sisi yang sama seperti C-5. Konformasi ini disebut C_-2endo dan C-_{3 endo}.Contohnya gula pada RNA beradadalam bentuk C3-endo dan gula pada heliks ganda DNA Watson-Crick berada dalam bentuk C-_{2 endo.}

2.2.1.2 Penggolongan Karbohidrat

Sebagai suatu molekul polimer seperti protein dan asam nukleat, maka karbohidrat dapat juga digolongkan berdasarkan jumlah monomer penyusunnya. Ada tiga jenis karbohidrat berdasarkan penggolongan ini yaitu: Monosakarida, disakarida (oligosakarida), dan polisakarida.

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 terika

Gambar 2.5 Hubungan streokimia D-Aldosa yang mengandung 3, 4, 5, dan 6 atom Karbon ( gugus aldehid = kuning dan pusat asimetrik = merah)

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 - untuk glukosa dan - 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.

Gambar 2.6 Hubungan streokimia Ketosa D yang mengandung 3, 4, 5, dan 6 atom Karbon (kuning = gugus ketosa, merah = pusat asimetrik)

Gambar 2.7 : Struktur tiga disakarida yang umum: sukrosa, maltosa dan laktosa, Konfigurasi  atom C anomerik pada ujung pereduksi maltosa dan laktosa terlihat pada gambar ini

Laktosa atau gula susu terbentuk dari ikatan glikosid antara karbon nomor 1 pada galaktosa dan atom karbon nomor 4 pada glukosa ( ikatan glikosidik -1,4). Laktosa dihidrolisis menjadi glukosa dan galaktosa oleh enzim laktase pada manusia ( oleh -galaktosidase pada bakteri). Gambar struktur laktosa dalam model tongkat diperlihatkan pada (gambar 2.8).

Maltosa terbentuk antara dua unit glukosa berikatan melalui ikatan glikosidik -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  antara karbon nomor 1 dan 4.

Gambar 2.8 Struktur Laktosa (Galaktosa berikatan dengan Glukosa melalui Ikatan glikosidik -1,4

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 (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 (1-4) unit glukosa digabungkan dengan rangkaian glikosida lain melalui ikatan glikosidik (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  -1 dari glukosa dan umumnya mempunyai ikatan cabang (1,6) untuk setiap unit glukosa. Amilosa yaitu polimer glukosa yang tidak bercabang dan terikat satu dengan lain melalui ikatan (1,4).

Gambar 2.9 Cabang pada glikogen dibentuk oleh ikatan glikosidik (1- 6).

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

Gambar 2.10 Konformasi selulosa (ikatan -1,4), struktur distabilkan oleh ikatan hidrogen antara unit-unit glukosa.

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.

2.2.1.3 Analisis 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.

H₂SO₄

Ribosa Furfural

pekat

Pereaksi Molisch

Pereaksi Molisch terdiri atas larutan - 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 - 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  -D-glukosa-6-fosfat dan  -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 -D-Glukosa-6-fosfat, gugus fosfat terikat pada atom karbon nomor 6, sedangkan pada -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  -D-glukosa -6 fosfat disebut asam -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.

Hal 45 a.p

Gambar 2.13 Transformasi Lobry de Bruin van Eckenstein

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--D-glukosida atau me­til--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 -glukosida-beta fruktosida.

2.2.1.4 Derivat Karbohidrat

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

Hal 47, a.p

Gambar 2.14 Reaksi Oksidasi D-Glukosa menjadi D-asam Glukonat

Senyawa asam lain yang penting adalah asam askorbat (vitamin C) yang dibuat dari glukosa ( pKa = 4.21). Keasamannya disebabkan oleh adanya gugus –OH enol. Dalam keadaan kristal, asam ini cukup stabil, tetapi dalam larutan mudah teroksidasi menjadi L-asam dehidroaskorbat.

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.

Gambar 2.15 Unit Pembentuk Asam Hialuronat

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.

Hal 49 a.p

Gambar 2.16 Reaksi Reduksi D-glukosa, D-manosa, dan D-fruktosa

2.2.2 Latihan

Setelah mempelajari materi diatas cobalah untuk mengerjakan soal-soal latihan berikut :

1. Senyawa karbohidrat disebut sebagai senyawa polihidroksi keton atau polihidroksialdehid. Terangkan apa maksudnya.

2. Mengapa monosakarida dan disakarida berasa manis sedangkan polisakarida tidak. Jelaskan

3. Glukosida terdapat banyak dialam. Senyawa ini tidak mempunyai sifat memutar bidang polarisasi. Mengapa demikian?

4. Glukosa dan aldosa lainnya dioksidasi oleh larutan kompleks perak amonia dalam air. Apakah produk reaksi tersebut?

5. Apakah kelebihan pereaksi Benedict dibandingkan dengan pereaksi Fehling dalam analisis kualitatif monosakarida.

2.2.3 Petunjuk Jawaban soal latihan

1. Karena karbohidrat adalah senyawa gula yang mengandung gugus hidroksil (-OH) dua atau lebih, gugus aldehid atau keton

2. Monosakarida dan disakarida rasanya manis, sedangkan polisakarida tidak berasa, hal ini disebabkan oleh banyaknya rantai karbon (monosakarida) yang panjang sehingga reseptor oleh indra pengecap rasa tidak mampu untuk mengenalinya.

3. Karena glukosida tidak mempunyai atom C asimetrik.

4. Aldosa diubah menjadi asam aldonat; gugus fungsi aldehida gula dioksidasi menjadi karboksilat.

5. Pereaksi ini berupa larutan yang mengandung kuprisulfat natrium karbonat dan natrium sitrat. Glukosa dapat mereduksi ion C^{++ ­}kuprisulfat menjadi ion Cu⁺ yang kemudian mengendap sebagai Cu₂0. Adanya natriumkarbonat dan natriumsitrat 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 Benedic^­ 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.

2.2.4 Rangkuman

Karbohidrat adalah aldehida atau keton dengan dua atau lebih gugus hidroksil. Aldosa adalah karbohidrat dengan gugus aldehida (seperti pada gliseraldehida dan glukosa), sedangkan ketosa mengandung gugus keto (seperti dihidroksiaseton dan fruktosa). Gula termasuk seri D jika konfigurasi absolut karbon asimetriknya yang paling jauh dari gugus aldehida atau gugus ketonya sama seperti yang dari D-gliseraldehida. Sebagian besar gula yang terdapat dalam alam termasuk seri D. Aldehida C-1 pada bentuk rantai-terbuka glukosa bereaksi dengan gugus hidroksil C-5 membentuk cincin enam piranosa. Gugus keto C-2 pada bentuk rantai-terbuka fruktosa bereaksi dengan gugus hidroksil C-5 membentuk cincin lima furanosa. Pentosa seperti ribosa dan deoksiribosa juga membentuk cincin furanosa. Pusat asimetrik tambahan dibentuk pada atom karbon anomer (C-1 pada aldosa dan C-2 pada ketosa) dalam pembentukan cincin ini. Gugus hidroksil yang terikat dengan atom karbon anomer berada di bawah bidang cincin (dilihat menurut orientasi baku) pada anomer a, sedangkan pada ano­mer b di atas cincin. Tidak semua atom pada cincin terletak pada bidang yang sama. Cincin-cincin piranosa biasanya memakai konformasi kursi, dan cincin-cincin furanosa konformasi amplop.

Gula berikatan dengan alkohol dan amina melalui ikatan glikosidik dari atom karbon anomer. Misalnya, ikatan O-glikosidik mengikat gula satu sama lainnya pada disakarida dan polisakarida. Ikatan N-glikosidik mengikat gula dengan purin dan pirimidin pada nukleotida RNA dan DNA. Ester gula-fosfat seperti glukosa 6-fosfat adalah zat antara metabolisme yang penting. Fosforilasi juga menghasilkan zat antara reaktif untuk sintesis ikatan 0- dan N-glikosidik.

Sukrosa, laktosa, dan maltosa adalah disakarida yang umum. Sukrosa (gula pasir), yang didapatkan dari tebu atau bit, terdiri dari -glukosa dan -fruktosa yang berikatan melalui ikatan glikosidik antara karbon-karbon anomernya. Laktosa (gula susu) terdiri dari galaktosa yang berikatan dengan glukosa melalui ikatan -1,4. Maltosa (dari pati) terdiri dari dua glukosa yang berikatan melalui ikatan -1,4.

Pati adalah bentuk polimer glukosa pada tumbuh-tumbuhan, dan glikogen mempunyai peran yang sama pada binatang. Sebagian besar unit glukosa pada pati dan glikogen terdapat dalam ikatan -1,4. Glikogen mempunyai percabangan yang dibentuk oleh ikatan-ikatan -1,6 1ebih banyak dari yang terdapat pada pati, yang membuat glikogen lebih mudah larut. Selulosa, polimer struktural utama dinding sel tumbuh-tumbuhan, terdiri dari unit-unit glukosa yang berikatan melalui ikatan -1,4. Ikatan  ini menimbulkan rantai lurus panjang yang membentuk serat dengan daya rentang tinggi. Sangat berbeda, ikatan-ikatan  pada pati dan glikogen menyebabkan pilinan-pilinan terbuka, sesuai dengan peranannya sebagai simpanan energi yang dapat dimobilisasi. Permukaan sel dan matriks ekstrasel binatang mengandung polimer-polimer disakarida yang berulang disebut glikosaminoglikan. Salah satu unit pada setiap ulangan adalah derivat glukosamin atau galaktosamin. Karbohidrat yang bermuatan sangat negatif ini mempunyai banyak gugus karboksilat atau sulfat. Protein yang berikatan kovalen dengan glikosaminoglikan dinamakan proteoglikan

2. PENUTUP

2.3.1 Tes Formatif

1. Terangkan asal usul istilah karbohidrat.

2. Apakah atom oksigen tang terikat pada C-1 metil-alfa-D-glukopiranosida berasal dari glukosa atau metanol?

3. Glukosa bereaksi perlahan dengan hemoglobin dan protein lainnya membentuk senyawa kovalen. Mengapa glukosa reaktif? Apakah sifat kompleks senyawa yang terbentuk.

4. Tunjukkan apakah pasangan gula berikut terdiri dari anomer, epimer, atau pasangan aldosa-ketosa.

   1. D-gliseraldehida dan D-manosa

   2. D-glukosa dan D-manosa

   3. D-glukosa dan D-fruktosa

   4. -D-glukosa dan -D-glukosa

   5. D-ribosa dan D-ribulosa

   6. D-galaktosa dan D-glukosa

5. Sukrosa biasanya dipakai untuk mengawetkan buah-buahan. Mengapa glukosa tidak begitu cocok mengawetkan makanan.

6. Fruktosa pernah digunakan sebagai pengganti glukosa untuk pemberian makan intravena. Mengapa penggunaan fruktosa ini tidak bijaksana.

2.3.2 Umpan Balik

Anda dapat menguasai materi ini dengan baik jika memperhatikan hal-hal berikut:

1. Membuat ringkasan materi pada setiap bab sebelum materi tersebut dibahas dalam diskusi kelas.

2. Aktif dalam diskusi baik kelompok kecil maupun kelompok besar.

3. Mengerjakan latihan.

2.3.3 Tindak Lanjut

1. Apabila mahasiswa dapat menyelesaikan 80% dari test formatif diatas, maka mahasiswa tersebut dapat melanjutkan ke bab selanjutnya, sebab pengetahuan tentang enzim adalah dasar pengetahuan untuk bab-bab selanjutnya.

2. Jika ada diantara mahasiswa belum mencapai penguasaan 80% dianjurkan untuk :

   • mempelajari kembali topik di atas dari awal

   • berdiskusi dengan teman terutama pada hal-hal yang belum dikuasai

   • bertanya kepada dosen jika ada hal-hal yang tidak jelas dalam diskusi.

2.3.4 Kunci Jawaban tes formatif

1. Awalnya karbohidrat dipandang sebagai hidrat dari karbon kerana rumus empiris karbohidrat adalah (CH₂O)n.

2. Dari metanol.

3. Glukosa reaktif karena adanya gugus aldehid pada bentuk rantai terbuka. Gugus aldehid berkondensasi lambat dengan gugus amino membentuk ‘adduct’ basa Schiff (penataan kembali amadori aldimin menjadi ketimin)

4. a. aldosa-ketosa c. aldosa-ketosa

b. epimer d. anomer

e. aldosa-ketosa f. Epimer

5. Glukosa bersifat reaktif karena bentuk rantai terbukanya mengandung gugus aldehida.

6. Infus intravena fruktosa menyebabkan peningkatan kadar asam laktat dalam darah dua sampai lima kali lipat dari infus glukosa. Atau produksi asam laktat yang cepat dan tidak diregulasi dapat mengakibatkan asidosis metabolik.

BUKU SUMBER

1. Lehninger., 1998, Dasar –Dasar Biokimia, Terjemahan Maggi Thenawijaya., Jilid 1,2,3., Erlangga, Jakarta.

2. Murray, Robert (et,al)., 2001, Harper’s Review Of Biochemistry., Edisi 25, EGC., Jakarta.

3. P.Karlson., 1975, Introduktion to Modern Biochemistry., New York., Academic Press.

4. Poedjiadi,A., 1994, Dasar-Dasar Biokimia. Universitas Indonesia-Press.

5. Stryer Lubert., 2000, Biochemistry, volume 1,2,3 edisi 4., EGC Jakarta

SENARAI

Aldehida : Molekul organik dengan gugus karbonil yang terletak pada ujung kerangka karbon.

Gugus karbonil : carbonyl group gugus fungsional yang ditemukan pada aldehida dan keton, terdiri atas suatu atom karbon yang berikatan rangkap dengan suatu atom oksigen.

Metabolisme : totalitas proses kimiawi suatu organisme, yang terdiri atas jalur-jalur katabolik dan anabolik

Enantiomer : Salah satu dari pasangan molekul yang merupakan isomer bayangan cermin satu sama lain.

Pati : (starch) polisakarida cadangan pada tumbuhan yang keseluruhannya terdiri atas glukosa.

Kondensasi : Suatu reaksi dimana dua molekul menjadi berikatan kovalen dengan cara menghilangkan satu molekul kecil (umumnya air), dikenal juga reaksi dehidrasi.

Gerakan Peristaltik : gerak mendorong misalnya gerakan tenggerokan sementara menelan makanan, atau gerakan usus pencernaan.