STRUKTUR KARBOHIDRATOleh: Toni Partogi Johannes Silaen/ Teknik Kimia/ 1206225870

ABSTRAKKarbohidrat adalah biomolekul yang paling melimpah di bumi. Karbohidrat adalah senyawa

yang bila dihidrolisis akan menghasilkan polihidroksi aldehid atau keton. Tidak semua karbohidrat memiliki rumus empiris (CH2O)n, beberapa juga mengandung nitrogen, fosfor, atau sulfur. Karbohidrat dapat diklasifikasikan dengan berbagai stereotipe. Berdasarkan letak gugus karbonilnya, karbohidrat dibagi menjadi monosakarida, disakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Sedangkan berdasarkan jumlah atom Cnya, karbohidrat dibagi menjadi triosa, tetrosa, pentosa, heksosa, dan heptosa. Kemudian berdasarkan gugus siklik yang terbentuknya, karbohidrat dibagi menjadi piranosa dan furanosa. Pada karbohidrat reaksi yang terjadi adalah reaksi reduksi dan reaksi oksidasi. Kemudian stereokimia pada karbohidrat membentuk isomer seperti contoh proyeksi Haworth, proyeksi Fischer, proyeksi konformasi kursi, dan proyeksi struktur siklik.Kata kunci: Gugus Karbonil, Monosakarida, Disakarida, Oligosakarida, Polisakarida, Atom C, Triosa, Tetrosa, Pentosa, Heksosa, Heptosa, Gugus Siklik, Piranosa, Furanosa, Reaksi Reduksi, Reaksi Oksidasi, Stereokimia. Proyeksi Haworth, Proyeksi Fischer, Proyeksi Konformasi Kursi.

PENDAHULUANKarbohidrat adalah biomolekul yang keberadaannya paling melimpah di bumi. Karbohidrat

tersusun dari karbon, hidrogen, dan oksigen. Secara biokimia, bila dihidrolisis akan menghasilkan senyawa berupa polihidroksi aldehid atau keton. Hal ini disebabkan karena karbohidrat memiliki gugus fungsi karbonil dan banyak gugus hidroksil. Pada awalnya, istilah karbohidrat digunakan untuk golongan senyawa yang mempunyai rumus (CH2O)n, yaitu senyawa-senyawa yang n atom karbonnya tampak terhidrasi oleh n molekul air. Namun demikian, terdapat pula karbohidrat yang tidak memiliki rumus demikian dan ada pula yang mengandung nitrogen, fosforus, atau sulfur.

SUB BAHASAN I: BERDASARKAN LETAK GUGUS KARBONILA. Monosakarida

Monosakarida merupakan gula sederhana yang mengandung gugus polihidroksi aldehid atau keton, yang tidak dapat dihidrolisis lagi. Monosakarida yang paling melimpah jumlahnya di alam adalah six-carbon sugar d-glucose atau yang lebih dikenal dengan nama dekstrosa. Susunan atom pada monosakarida tidak bercabang. Satu atom dari atom karbon membentuk ikatan ganda dengan atom oksigen membentuk gugus karbonil. Bila gugus karbonil ini terbentuk pada ujung rantai karbon, monosakarida ini memiliki aldehid sehingga disebut aldosa, dan apabila gugus karbonil terbentuk pada atom karbon yang lain, monosakarida ini adalah suatu keton dan disebut ketosa. Berdasarkan gugus fungsinya, monosakarida dapat dibagi menjadi dua, yaitu aldosa dan ketosa.

Gambar I.A.1 Perbedaan Struktur Aldosa dan Ketosa Aldosa

Aldosa merupakan monosakarida yang mengandung gugus aldehid pada strukturnya. Pada umumnya penamaan aldosa diawali dengan kata “Aldo” seperti

1

contoh: “Aldoheksosa”. Aldosa dapat diklasifikasikan lebih spesifik lagi berdasarkan jumlah atom C yang terdapat pada strukturnya yaitu; Aldotriosa, merupakan aldosa yang mengandung tiga atom C. Contoh dari

aldotriosa adalah D-Glyceraldehyde dan L-Glyceraldehyde.

Gambar I.A.2 Struktur D-Glyceraldehyde dan L-Glyceraldehyde.

Aldotetrosa, merupakan aldosa yang mengandung empat atom C. Contoh dari aldotetrosa adalah D-Erythrose dan D-Threose.

Gambar I.A.3 Struktur D-Erythrose dan D-Threose.

Aldopentosa, merupakan aldosa yang mengandung lima atom C. Contoh dari aldopentosa adalah D-Lyxose, D-Xylose, D-Arabinose, dan D-Ribose.

Gambar I.A.4 Struktur D-Lyxose, D-Xylose, D-Arabinose, dan D-Ribose.

Aldoheksosa, merupakan aldosa yang mengandung enam atom C. Contoh dari aldoheksosa adalah D-Allose, D-Altrose, D-Glucose, D-Mannose, D-Gulose, D-Idose, D-Galactose, dan D-Talose.

2

Gambar I.A.5 Struktur D-Allose, D-Altrose, D-Glucose, D-Mannose, D-Gulose, D-Idose, D-Galactose, dan D-Talose.

KetosaKetosa merupakan monosakarida yang mengandung gugus keton pada strukturnya. Penamaan ketosa ditambah akhiran “-ulosa” seperti contoh “Heksulosa”. Ketosa dapat diklasifikasikan lagi berdasarkan jumlah atom C pada strukturnya menjadi: Ketotriosa, merupakan ketosa yang mengandung tiga atom C. Contoh dari

ketotriosa adalah Dihydroxyacetone.

Gambar I.A.6 Struktur Dihydroxyacetone

Ketotetrosa, merupakan ketosa yang mengandung empat atom C. Contoh dari ketotetrosa adalah D-Erythrulose.

Gambar I.A.7 Struktur D-Erythrulose

Ketopentosa, merupakan ketosa yang mengandung lima atom C. Contoh dari ketopentosa adalah D-Ribulose dan D-Xyulose

Gambar I.A.8 Struktur D-Ribulose dan D-Xyulose

Ketoheksosa, merupakan ketosa yang mengandung enam atom C. Contoh dari ketoheksosa adalah D-Psicose, D-Fructose, D-Tagatose, dan D-Sorbose.

Gambar I.A.9 Struktur D-Psicose, D-Fructose, D-Tagatose, dan D-Sorbose

3

B. OligosakaridaOligosakarida merupakan gabungan dari molekul-molekul monosakarida yang jumlahnya antara 2 (dua) sampai dengan 8 (delapan) molekul monosakarida. Sehingga oligosakarida dapat berupa disakarida, trisakarida dan lainnya. Oligosakarida secara eksperimen banyak dihasilkan dari proses hidrolisa polisakarida dan hanya beberapa oligosakarida yang secara alami terdapat di alam. Oligosakarida yang paling banyak digunakan dan terdapat di alam adalah bentuk disakarida seperti maltosa, laktosa dan sukrosa.

Molekul disakarida yang disusun oleh dua molekul monosakarida yang dihubungkan oleh ikatan glikosida. Ikatan glikosida terjadi dari kondensasi gugus hidroksil dua molekul monosakarida, yaitu berasal dari gugus hidroksil dari atom Carbon yang pertama dengan salah satu gugus hidroksil pada atom karbon nomor 2, 4, atau 6, yang berasal dari monosakarida yang kedua. Kita ambil contoh bagaimana sebuah α–D–Glukosa dan β–D–Glukosa membentuk disakarida, Pada kedua molekul ini ikatan glikosida atom karbon nomor 1 dari α- D-glukosa dan atom karbon nomor 4 dari β-D-glukosa lain. Ikatan yang terbentuk dinamakan ikatan 1- 4 glikosida, perhatikan Gambar I.B.1. Secara umum reaksi ini dapat digambarkan dengan sederhana dengan pola reaksi berikut ini:

Gambar I.B.1 Ikatan Glikosida Pada Molekul Maltosa

Disakarida memiliki beberapa contoh, diantaranya seperti maltosa, laktosa, dan sukrosa. Maltosa

Disakarida yang banyak terdapat di alam seperti maltosa yang terbentuk dari 2 molekul glukosa melalui ikatan glikosida. Pada maltosa, jembatan oksigen terbentuk antara atom karbon nomor 1 dari D-glukosa dan atom karbon nomor 4 dari D-glukosa lain. Ikatan yang terbentuk dinamakan ikatan α (1→4) glikosida, secara lengkap dinyatakan dengan β-D-glukopiranosil (1→4)E-D-glukopiranosa. Dalam bentuk sederhana Glc(α1↔4β)Glc, perhatikan lagi Gambar I.B.1. Maltosa diperoleh dari hasil hidrolisa pati dan banyak dimanfaatkan sebagai pemanis. Bentuk struktur dari contoh Gambar I.B.1 diatas.

LaktosaSecara alami, laktosa terdapat pada air susu dan sering disebut dengan gula susu. Molekul ini tersusun dari satu molekul D-glukosa dan satu molekul D-galaktosa melalui ikatan β(1→4) glikosidik, untuk struktur ikatannya dapat dilihat pada Gambar I.B.2. Laktosa yang terfermentasi akan berubah menjadi asam laktat. Dalam tubuh Laktosa dapat menstimulasi penyerapan kalsium.

4

Gambar I.B.2 Ikatan Glikosida Pada Molekul Laktosa

SukrosaSukrosa (gula pasir) terbentuk dari satu molekul α-D-glukosa dan β-D-fruktosa, yaitu β-D-fruktofuranosil (2→1) α-D-glukopiranosa atau Fru(α2↔1β)Glc seperti yang ditunjukan pada gambar I.B.3  .Sukrosa biasa diperoleh di alam sebagai gula tebu dan gula bit. Khususnya pada pada ekstrak gula dari bit, sukrosa tidak murni melainkan bercampur dengan oligosakarida yang lain seperti rafinosa dan stakiosa.

Gambar I.B.3 Ikatan Glikosida Pada Molekul Sukrosa

C. PolisakaridaPolisakarida adalah karbohidrat yang tersusun dari dua puluh atau lebih hingga ribuan satuan monosakarida yang dihubungkan dengan ikatan glikosidik. Hidrolisis polisakarida secara sempurna akan menghasilkan satu/ beberapa jenis monosakarida. Rumus umum polisakarida adalah C6(H10O5)n. Berdasarkan fungsinya polisakarida dapat digolongkan menjadi dua bagian yaitu polisakarida struktural dan polisakarida nutrien.

Sebagai komponen struktural, polisakarida berperan sebagai pembangun dan penyusun komponen organel sel serta sebagai molekul pendukung intrasel. Polisakarida yang termasuk golongan ini adalah selulosa (ditemukan dalam dinding sel tanaman), kitin yang dibangun oleh turunan glukosa yaitu glukosamin diketemukan pada cangkang udang, kepiting dan lainnya.

Selulosa, sebagai salah satu polisakarida struktural merupakan polimer yang tidak bercabang, terbentuk dari monomer β-D-glukosa yang terikat bersama-sama dengan ikatan β (1 → 4) glikosida. Jumlah rantai atau β-D-glukosa beraneka ragam, untuk beberapa jenis mencapai ribuan unit glukosa. Ikatan β (1→4) glikosida yang dimiliki selulosa membuatnya lebih cenderung membentuk rantai lurus, hal ini disebabkan ikatan glikosida yang terbentuk hanya sejenis yaitu β (1→4) glikosida, perhatikan Gambar I.C.1.

5

Gambar I.C.1 Struktur Selulosa

Polisakarida struktural lainnya seperti glikogen memiliki struktur yang lebih kompleks dan tersusun atas rantai glukosa homopolimer dan memiliki cabang. Setiap rantai glukosa berikatan α (1→ 4) dan ikatan silang α (1→ 6) glikosida pembentuk cabang, dengan adanya cabang bentuk Glikogen menyerupai batang dan ranting pepohonan seperti ditunjukkan Gambar I.C.2

Gambar I.C.2 Struktur Glikogen

Kitin adalah polisakarida struktural yang digunakan untuk menyusun eksoskleton dari artropoda. tersusun atas residu N-asetilglukosamin pada rantai beta dan memiliki monomer berupa molekul glukosa dengan cabang yang mengandung nitrogen.

Gambar I.C.3 Struktur Kitin

SUB BAHASAN II: BERDASARKAN GUGUS SIKLIK YANG TERBENTUKA. Piranosa

Piranosa adalah karbohidrat yang memiliki struktur kimia yang mengandung cincin siklik 6 dimana cincin tersebut mengandung lima atom karbon dan satu atom oksigen. Nama piranosa berasal dari kesamaannya dengan oxygen heterocycle pyran, namun cincin piranosa tidak memiliki ikatan ganda.

Gambar II.A.1 Struktur Piranosa

B. FuranosaFuranosa adalah karbohidrat yang memiliki struktur kimia yang mengandung cincin siklik 5 dimana cincin tersebut mengandung empat atom karbon dan satu atom oksigen. Nama furanosa berasal dari kesamaannya dengan oxygen heterocycle pyran, namun cincin piranosa tidak memiliki ikatan ganda.

6

Sebuah struktur cincin furanosa terdiri dari empat atom karbon dan satu atom oksigen dengan karbon anomeric di sebelah kanan oksigen. Karbon kiral tertinggi (biasanya di sebelah kiri oksigen dalam proyeksi Haworth) menentukan apakah struktur memiliki D-konfigurasi atau L-konfigurasi. Dalam furanose L-konfigurasi, substituen pada karbon kiral bernomor tertinggi menunjuk ke bawah keluar dari cincin, dan dalam furanosa D-konfigurasi, karbon kiral bernomor tertinggi menghadap ke atas.

Gambar II.B.1 Struktur Furanosa

SUB BAHASAN III: REAKSI PADA KARBOHIDRATA. Reaksi Reduksi

Aldosa dan ketosa yang direaksikan dengan NaBH4 akan mereduksi mereka menjadi polialkohol yang disebut dengan alditol. Reduksi ini akan menyebabkan pemutusan bentuk siklik dan membuatnya menjadi rangkaian terbuka.

Gambar III.A.1 Reaksi Reduksi D-Glucose dengan NaBH4

B. Reaksi OksidasiSeperti aldehida lainnya, aldosa mudah teroksidasi karena sifat asam karboksilat yang dia miliki yang disebut asam aldonik. Sifat sebagai reduktor ini digunakan untuk keperluan identifikasi karbohidrat maupun analisis kuantitatif.

SUB BAHASAN IV: STEREOKIMIA PADA KARBOHIDRATA. Proyeksi Fischer

Proyeksi Fischer dilakukan dengan penggambaran bentuk molekul dalam bantuk garis vertikal. Kemudian gugus karbonil diletakkan di paling atas. Proyeksi ini banyak digunakan pada sistem molekul karbohidrat. Pada dasarnya ketika kita menuliskan senyawa organic jenuh rantai terbuka, secara tidak langsung kita telah menggunakan proyeksi ruang Fischer. Dalam hal ini posisi molekul tidak ditegakkan, akan tetapi direbahkan. Pada proyeksi ruang ini, biasanya gugus atau substituent yang besar diletakkan pada posisi ujung-ujung molekul (di sebelah atas atau disebelah bawah). Garis ikatan yang tegak (vertical), terutama yang terletak pada ujung-ujung rantai, posisinya adalah menjauhi pengamat, sedangkan garis ikatan yang mendatar atau horizontal, posisinya adalah mendekati pengamat.

Gambar IV.A.1 Proyeksi Fischer

B. Proyeksi Haworth

7

Proyeksi Haworth digunakan pada karbohidrat dalam bentuk siklik. Gugus pada posisi kanan proyeksi Fischer, maka akan menjadi posisi bawah pada proyeksi Haworth. Sedangkan gugus pada posisi kiri proyeksi Fischer, maka akan menjadi posisi atas pada proyeksi Haworth.

Gambar IV.B.1 Perbedaan Proyeksi Fischer dan Proyeksi Haworth

C. Proyeksi Konformasi Kursi/ NewmanPada proyeksi konformasi kursi, dua buah atom karbon yang bertetangga menjadi pusat perhatian , sedangkan molekul yang akan digambarkan diamati dari sisi depan atau dari sisi belakang. Atom karbon yang terletak di depan pengamat digambarkan sebagai bulatan, dan pada bulatan tersebut haruslah digambar tangan-tangan sesuai dengan kaidah sp3. Di lain sisi, posisi atom karbon yang menjadi tetangga akan ditutupi oleh atom karbon yang terletak didepan pengamat. Atom karbon yang bertetangga tersebut juga harus dilengkapi dengan tangan yang sesuai dengan kaidah sp3. Sebagai contoh, n-butana akan digambar dengan menggunakan proyeksi konformasi kursi. Berdasarkan gambaran, akan dihasilkan tiga bentuk molekul yaitu bentuk staggered, eclipsed, dan gauge. Bentuk staggered merupakan bentuk yang paling stabil karena gugus yang besar (gugus metal) letaknya saling berjauhan. Bentuk eclipsed adalah bentuk yang paling tidak stabil karena kedua gugus metal terletak saling menutupi. Bentuk gauge memiliki kestabilan diantara bentuk staggered dan bentuk eclipsed.

Gambar IV.C.1 Proyeksi Konformasi Kursi

D. Proyeksi Ruang Wedge LinePada stereokimia terdapat proyeksi ruang wedge line. Proyeksi ruang wedge line ialah apabila  suatu molekul atau senyawa organik yang diamati atau dilihat  dari arah samping molekul dengan pusat patokan utama yang kita lihat adalah dua atom carbon yang

8

bertetangga  atau berdekatan  dan ikatannya diletakan sejajar atau sama pada bidang datar tersebut. Selanjutnya dua atom carbon yang bertetangga atau berdekatan tersebut dilengkapi dengan tangan-tangannya masing-masing. Misalnya pada 1-butana :

CH3 (1) -CH2 (2) -CH2 (3) -CH3 (4)Atom carbon yang bernomor C-2 dan C-3 atau yang berdekatan tersebut menjadi atom carbon patokan utama atau pusat perhatian dalam menentukan proyeksi ruang wedge line.

Gambar IV.D.1 Proyeksi Ruang Wedge Line

SUB BAHASAN V: PENAMAAN KARBOHIDRATBerdasarkan penggolongan monosakarida, maka penamaan golongan monosakarida dilakukan dengan tiga cara yaitu:

• Dengan menyebutkan gugus karbonil yang dimilikinya dengan memberikan akhiran –osa. • Atau dengan menyebutkan jumlah atom karbon penyusunnya dengan memberikan

akhiran –osa. • Atau dengan menggabungkan kedua cara penamaan tersebut dengan memberikan

akhiran –osa. Akan tetapi, nama lazim dari masing-masing monosakarida lebih sering digunakan

Penamaan Monosakarida D,LMonosakarida diberi nama D jika gugus -OH pada atom C* yang letaknya paling jauh dari gugus atau terletak disebelah kanan.

Gambar V.1 Penamaan Monosakarida D,LMonosakarida diberi nama L jika gugus OH pada atom C* tersebut berada disebelah kiri.

Enantiomer dan Diastereomer

Enantiomer: bentuk D atau L dengan nama yang berbeda (dua stereoisomer yang tidak dapat dihimpitkan terhadap bayangan cerminnya)

Diastereomer: bentuk D atau L dengan nama yang sama (mempunyai konfigurasi yang sama tetapi bukan merupakan bayangan cerminnya)

9

Gambar V.2 Enantiomer dan Diastereomer

DAFTAR PUSTAKAANONIMUS. (2009) Bahan Ajar Kuliah Karbohidrat. [Online] Available from: http://kimia.upi.edu/utama/bahanajar/kuliah_web/2009/0606811/disakarida.html/. [Accesed: 13rd Mei 2014 06.12 WIB GMT+7]

ZULFIKAR. (2010) Materi Kimia Kesehatan Biomolekul Oligosakarida. [Online] Available from: http://kimia.upi.edu/utama/bahanajar/kuliah_web/2009/0606811/disakarida.html/. [Accessed: 13rd Mei 2014 06.24 WIB GMT+7]

ZULFIKAR. (2010) Materi Kimia Kesehatan Biomolekul Polisakarida.[Online] Available from: http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-kesehatan/biomolekul/polisakarida/. [Accessed: 13rd Mei 2014 2014 09.27 WIB GMT+7]

ANONIMUS. (2010) Stereokimia Pada Karbohidrat. [Online] Available form: http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/Stereokimia-010.pdf. [Accessed: 13rd Mei 2014 09.47 WIB GMT+7]

10

IQBAL MUSTHAPA. (2011) Konformasi Dan Keisomeran. [Online] Available form: http://file.upi.edu/Direktori/FPMIPA/JUR._PEND._KIMIA/197512232001121-IQBAL_MUSTHAPA/Kuliah_Konformasi.pdf. [Accessed: 13rd Mei 2014 10.09 WIB GMT+7]

11