karbohidrat- pak ali

MATERI MATA KULIAH BIOKIMIA

KARBOHIDRAT

Oleh :

Drs. Ali Ridlo, MSi

Jurusan Ilmu kelautan

Fakultas Perikanan dan Ilmu Kelautan

Universitas Diponegoro

2010

I. KARBOHIDRAT 

Sesuai namanya mula2 karbohidrat dianggap sebagai hidrat dari karbon C_n.(H₂O)_m spt Na₂CO₃.10H₂O. Karbohidrat : polihidroksi aldehid/polihidroksi keton atau turunanya dsb juga sakarida.

Di alam karbohidrat mrpk produk dr fotosintesis :

          6CO₂ + 6H₂O                              C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Karbohidrat disusun dari unsur C, H, O beberapa diantaranya terutama yg berasal dari laut juga mengandung S dan N.

Contoh : glukosa (gula darah), fruktosa, sukrosa (gula tebu), karageenan, agar

Sistem D dan L / Konfigurasi Relatif

D dan L merupakan tanda konfigurasi relatif di sekitar atom C kiral, berbeda dengan d/+ dan l/- yg merujuk pada arah pemutaran bidang polarisasi cahaya.

Dlm (+) gliseraldehid dan monosakarida lain dikatakan D jika gogos –OH pd atom C kiral yg terjauh dari C1 (paling teroksidasi, ditulis pada posisi teratas terletak di sebelah kanan dalam proyeksi Fischer. Jika –OH tersebut terletak di sebelah kiri disebut L.

Proyeksi Fischer

Monosakarida ditulis dengan cara tegak, dgn bagian paling teroksidasi (aldehid) di atas. Atom C kiral tidak ditulis, tetapi digambarkan sebagai perpotongan garis vertikal dan horizontal. Gugus yg terikat secara horizontal dianggap mengarah ke pembaca, sedang garis vertikal, menjauhi pembaca.

D-liksosa dan L-Liksosa, D-ribosa dan L-ribosa adl enantiomer (bayangan cermin)

Konfigurasi produk dr reaksi adl sama dgn senyawa asal. Konfigurasi asam gliserat sama dgn D-gliseraldehid meskipuin memutar bidang polarisasi cahaya ke kiri.

D-gliseraldehid direaksikan dgn HCN membentuk sianohidrin, dihidrolisis membentuk 2 jenis asam tartarat.

Meso : memiliki bidang simetri dalam, tidak memutar bidang polarisasi cahaya

Asam meso-tartarat dan asam D-(-) tartarat adalah diastereomer (bukan bayangan cermin)

Konfigurasi aldoheksosa

Misal glukosa (6C, 4 kiral) shg memiliki 2⁴ stereoisomer, 8 D dan dijumpai di alam.

Siklisasi Monosakarida

Alkohol dan aldehid dpt bereaksi membentuk hemiasetal.

Gugus aldehid glukosa dpt bereaksi dgn gugus –OH pd C4 dan C5 membentuk hemiasetal siklik 5 angota (furanosa) atau 6 anggota (piranosa).

C1 dlm struktur siklik mjd C kiral shg membentuk 2 diastereomer baru.

Dlm air hemiasetal berada dlm keseimbangan dgn aldehid.

Hemiasetal siklik 5-angota                     glukosa                   hemiasetal siklil 6-anggota

       2 diastereomer                           rantai terbuka                        2 diastereomer

Umumnya di alam karbohidrat membentuk cincin 6 anggota, lebih stabil karena sudut ikatanya mendekati 105^o sesuai dengan hibridisasi sp³ pada atom karbonya. Cincin 5 anggota yg banyak terdapat di alam adalah ribosa yang merupakan penyusun asam nukleat.

Rumus Haworth dan rumus konformasi

Menurut perjanjian, rumus haworth digambar dengan oksigen berada pada sisi terjauh dr cincin dan C1 digambar di sebelah kanan. Untuk deret D gugus CH2OH ujung ditempatkan di atas bidang cincin, sedang untuk deret L CH2OH ujung ditempatkan di bawah bidang cincin. Gugus yg berada di sebelah kanan dalam proyeksi Fischer diletakkan di bawah cincin sedangkan gugus yg berada di sebelah kiri diletakkan di atas bidang cincin.

Rumus haworth yg datar tidak sepenuhnya benar. Karbohidrat membentuk struktur seperti kursi (chair). Atom/gugus yg terletak di sebelah bawah dlm rumus Haworth juga ditulis di bagian bawah dalam rumus konformasi demikian juga gugus yg terletak di atas dalam rumus Haworth juga ditulis di atas dlm rumus konformasi.

Soal :

Gambar rumus konformasi a-D-glukopiranosa di mana gugus CH2OH berada dalam posisi aksial !

Anomer

Anomer adl diastereoisomer yg hanya berbeda pd C1. struktur di mana  -OH anomerik diproyeksikan ke bawah (trans thd CH2OH ujung) disebut a-anomer, jika diproyeksikan ke atas (cis thd CH2OH ujung) dsb b-anomer.

Struktur anomer glukosa adalah sbb :

Untuk fruktofuranosa adalah :

Mutarotasi

Kristal a-D-glukosa tl : 146 ^oC, rotasi jenis : + 112^o.  b-D-glukosa tl : 150^o dan rotasi jenis : + 18,7^o. sudut putar spesifik masing-masing akan berubah secara perlahan2 sampai mencapai keseimbangan yaitu : + 52,6^o. perubahan ini dsb mutarotasi.

Mutarotasi tjd krn glukosa mengalami penyeimbangan lambat dgn rantai terbuka dan anomernya yaitu 64% b-D-glukosa, 36% a-D-glukosa dan 0,02% rantai terbuka.

b-D-glukosa lbh banyak drpd a-D-glukosa, krn lebih stabil, krn –OH relatif tidak berdesakan

a-anomer & b-anomer mudah sekali mengalami perubahan maka ikatan –OH sering dinyatakan dgn garis bergelombang.

Glikosida

Jika hemiasetal RCH(OH)(OR) direaksikan dgn alkohol akan membentuk asetal RCH(OR)(OR’). Asetal monosakarida dsb glikosida.

C1 mengikat 2 gugus OR

Asetal bersifat stabil dalam suasana netral atau basa, tdk membentuk keseimbangan dgn rantai terbukanya, tetapi dpt dihidrolisis dgn asam.

Glikosida banyak dijumpai di alam, misalnya vanilin. Bagian bukan gula (vanilin) dsb aglikon

Reaksi-Reaksi Monosakarida

Oksidasi monosakarida

Gugus aldehid sangat mudah dioksidasi mjd karboksil. Gula yg dpt dioksidasi oleh oksidator lembut spt reagen tollens (larutan bsa Ag(NH₂)₂⁺) dsb gula pereduksi (oksidator anorganik direduksi). Hemiasetal siklik mudah dioksidasi krn berada dlm keseimbangan dgn rantai terbukanya

Fruktosa juga merupakan gula pereduksi, krn berada dlm keseimbangan dgn 2 aldehid diastereoisomernya melalui zat antara tautomeri enadiol.

Glikosida tdk dpt mereduksi krn gugus karbonil diblokade oleh R.

Beberapa oksidator lain misalnya adalah Br2 pada pH 5-6 akan membentuk asam aldonat, jika ditambahkan basa akan berubah menjadi lakton (ester sikllik). Oksidasi dengan HNO3 membentuk asam aldarat. Dalam sistem biologis gugus CH2OH ujung dapat dioksidasi  membentuk asam uronat. Untuk D-glukosa produknya adalah asam D-glukoronat yg digunakan untuk biosintesis vitam C (asam L-askorbat)

Reduksi monosakarida

Aldosa maupun ketosa dapat direduksi oleh oleh zat pereduksi karbonil seperti hidrogen dan katalis atau anhidrida logam menjadi polialkohol (alditol). Produk reduksi dari D-glukosa adalah D-glukitol atao sorbitol yang banyak terdapat dalam lumut dan rumput laut. D-glukitol sintetik biasa digunakan sebagai pemanis buatan.

Reaksi-reaksi penting monosakarida

Disakarida

Disakarida : Karbophidrat yg tersusun dr 2 satuan monosakarida, dihubungkan oleh ikatan glikosida antara C1 dgn –OH dr monomer lain. Biasanya a atau b dr monomer pertama ke gugus –OH pd C4 & dsb 1,4’-a atau 1,4’-b.

Monomer 1 (kiri) berikatan b-glikosida dgn monomer 2. dlm air ikatan ini tetap, tetapi pd monomer 2 (kanan) mengandung hemiasetal yg membentuk keseimbangan dgn rantai terbuka.

1. Maltosa

Maltosa merupakan hasil dr hidrolisis pati/amilum oleh enzim a-1,4-glukan 4-glukanohidrolase, terdiri dr 2 monomer D-glukopiranosa. Monomer 1 adalah glikosida yg terikat ke atom O C4’ dlm monomer 2 dgn ikatan 1,4’-a. C anomerik dlm monomer 2 adl hemiasetal shg terdapat 2 bentuk yaitu a-maltosa dan b-maltosa. Maltosa mengalami mutarotasi, dan mereduksi.

2. Selobiosa

Merupakan hasil hidrolisis parsial selulosa, tdr dr 2 glukopiranosa yg dihubungkan dgn ikatan 1,4-b. Hidrolisis kimia menghasilkan a dan b-D-glukosa.

Soal

Mana yang diharapkan lebih stabil, b-maltosa atau b-selobiosa ? mengapa ?

3. Sukrosa

Sukrosa/gula tebu tersusun dr fruktosa dan glukosa. Ikatan glikosida menghubuyngkan C ketal dan asetal dan bersifat a dr fruktosa dan b dr glukosa. Kedua atom C anomerik digunakan utk ikatan glikosida, shg kedua monomernya tdk memiliki ggs hemiasetal. Sukrosa tdk mereduksi dan tdk mengalami mutarotasi.

Gula inversi mrpk campuran D-glukosa dan D-fruktosa yg diperoleh dgn cara hidrolisis asam atau enzim invertase (tdp dlm ragi dan lebah) dr sukrosa. Krn adanya fruktosa (gula termanis), madu lebih manis drpd sukrosa. Dsb gula inversi krn sukrosa mula2 mempunyai rotasi jenis + 66,5^o, tetapi jika dihidrolisis mjd fruktosa [a] = -92,4^o dan glukosa [a] = + 52,7^o mempunyai rotasi netto negatif.

Polisakarida

Polisakarida adl karbohidrat yang terdiri dr banyak monomer yg dihubungkan dgn ikatan glikosida.

Fs polisakarida :

1.     sbg bahan pembangun (architectural) : selulosa, kitin

2.     sbg bahan makanan (nutritional) : pati, glikogen

3.     sbg zat spesifik : heparin utk mencegah koagulasi darah

polisakarida jg dpt terikat dgn molekul lain spt glikoprotein dan glikolipida.

1. selulose

Serlulosa mrpk senyawa organik paling melimpah. 10¹¹ ton dibiosintesis per tahun, mrpk 50% C tdk bebas di bumi. Penyusun dinding sel tumbuhan, kayu 50% selulose, kapas 90% selulose, tersusun dr D-glukosa sampai 14.000 monomer yg terikat melalui 1,4^’-b-D-glukosa. Selulose tdk mempunyai C hemiasetal, tdk mengalami mutarotasi dan tdk mereduksi

2. pati

Pati terdiri dr 2 komponen yaitu amilosa (larut dlm air panas, 20%), amilopektin (tdk larut dlm air panas, 80%)

Amilosa

Polimer linier a-D-glukosa yg dihubungkan secara 1,4’, mengandung 250 monomer permolekul amilosa. Molekul amilose membentuk spiral di sekitar molekul I₂ membentuk warna biru tua.

Amilopektin

Amilopektin mengandung 1000 monomer glukosa permolekul. Rantai utamanya mengandung 1,4’-a-D-glukosa. Setiap 25 monomer glukosa mengalami percabangan melalui ikatan 1,6’-a-D-glukosa.

3. kitin

Kitin adl polisakarida linier yg tersusun dari N-asetil-D-glukosamin, mrpk penyusun rangka luar krustacea & serangga, biosintesis mencapai 10⁹ ton per tahun. Penghilangan gugus asetat (deasetilasi) menghasilkan kitosan yg tersusun dr monomer 2-amino-2-deoksi-D-glukosa.

4. karagenan

Karagenan diperoleh dr ekstraksi alga merah, memiliki struktur double helix, fleksibilitas tinggi, dpt membentuk gel. Berdasarkan kandungan sulfatnya dibedakan menjadi k-karageenan, i-karagenan dan l-karagenan. k-karageenan terdiri atas b-D-galaktosa-4-sulfat dan 3,6-anhidro-a-D-galaktosa yg dihubungkan melalui ikatan 1,4’.

k-karageenan

i-karagenan

Uji Karbohidrat

1. uji yg didasarkan pd sifat mereduksi

Monosakarida & disakarida yg memiliki ggs aldehid bebas akan mereduksi oksidator lembut spt reagen Benedict. Fruktosa juga mereduksi krn adanya tautomeri enadiol. Karbohidrat yg memiliki ggs hemiasetal bersifat mereduksi, sedangkan asetal spt glikosida tdk mereduksi.tdk mereduksi. Disakarida yg terikat secara “kepala ke ekor” (1,4) misalnya selobiosa bersifat mereduksi sedangkan jika ikatannya “kepala ke kepala” (antar C anomerik) seperti trehalosa dan sukrosa tidak mereduksi.

a. uji Benedict

uji benedict dilakukan pd kondisi sedikit basa. Reagen benedict bereaksi dgn semua gula pereduksi (dan gugus aldehid terlarut lainya) membentuk endapan merah bata Cu2O

prosedur :

pembuatan R benedict

173 gr NaSitrat hidrat di tambah 100 gr Na2CO3 anhiodrous, masukan dalam 800 ml akuades, panaskan, lalu disaring. Tambahkan kepadanya 17,3 gr CuSO4.5H2O (yg telah dilarutkan dlm 100 ml akuades). Tambah akuades sampai 1 L.

Masukkan larutah karbohidrat 1% (xylosa, fruktosa, glukosa, laktosa, maltosa, pati, galaktosa dan air) ke dalam tabung reaksi. Tambahkan 2 ml R benedict panaskan dlm waterbath selama 2’ – 3’. Jika tjd warna merah, coklat atau kuning berarti tess positif. Abaikan perubahan warna andai tjd.

b. uji barfoed (utk monosakarida pereduksi)

uji barfoed digunakan utk membedakan monosakarida dan disakarida berdasarkan kecepatan reaksinya.

Prosedur

Pembuatan R barfoed

Larutkan 66,6 gr Cu-asetat dlm 1 L akuades, lalu disaring, tambahkan 9 ml asam asetat glasial

Masukkan larutah karbohidrat 1% (xylosa, fruktosa, glukosa, laktosa, maltosa, pati, galaktosa dan air) ke dalam tabung reaksi. Tambahkan  2 ml R barfoed, panaskan dalam waterbath selama 10’. Jika endapan merah bata terbentuk dalam 2’ berarti dlm cuplikan tdp monosakarida, jika endapan merah bata tjd setelah 10’ berarti disakarida. (endapan terbentuk stl tjd hidrolisis)

c. Uji Tollens

dalam uji ini tjd reduksi perak dr larutan Ag(NH3)2OH menjadi lapisan logam perak dalam dinding tabunbg reaksi.

Prosedur

Pembuatan R Tollens

Larutkan 3 gr AgNO3 dlm 3 ml akuades (lar A) dan 3 gr NaOH dalam 30 ml akuades (larutan B). jika akan digunakan campur lar A dan B (volumenya sama), lalu tambahkan amonia encer tetes demi tetes sampai semua Ag2O larut.

Masukkan larutah karbohidrat 1% (xylosa, fruktosa, glukosa, laktosa, maltosa, pati, galaktosa dan air) ke dalam tabung reaksi. Tambahkan 2-3 ml R Tollens. Jika tdk tjd cermin perak, panaskan larutan tsb.

             O                                                                      O

      R – C – H + 2Ag(NH3)2OH                     2Ag(s) + R – C – ONH4 + H2O + 3NH3

d. uji Fehling

aldosa mereduksi lar fehling membentun endapan merah bata dr Cu2O

Prosedur

Pembuatan larutan Fehling A

Larutkan 34,64 gr kristal CuSO4 ke dlm akuades yg mengandung beberapa tetes H2SO4 encer, lalu tambahkan akuades sampai 500 ml

Pembuatan larutan Fehling B

Larutkan 60 gr NaOH dan 173 gr Na K-tartarat (garam Rochelle) dengan akuades sampai 500 ml. jika akan digunakan, campur volume yg sama dr kedua larutan tsb.

Masukkan larutah karbohidrat 1% (xylosa, fruktosa, glukosa, laktosa, maltosa, pati, galaktosa dan air) ke dalam tabung reaksi. Tambahkan 2 – 3 ml R Fehling. Masukan dlm waterbath air mendidih selama 3 – 4’. Uji positif jika terbentuk endapan.

             O                                                                  O

      R – C – H  + 2Cu²⁺(tartarat) + 5OH^-                   R – C – O^- + Cu2O + 3H2O

2. uji yg didasarkan pd pembentukan furfural

Aldopentosa dan ketopentosa dlm suasana asam akan mengalami dehidrasi membentuk furfural sedangkan ketoheksosa membentuk hidroksimetil furfural. Disakarida dan polisakarida dpt dihidrolisis lebih dulu dgn asam utk membentuk monosakarida 7 selanjutnya membentuk 5-hidroksimetil furfural.

Aldoheksosa terdehidrasi dgn lambat membentuk 5-hidroksimetil furfural. Aldoheksosa mengalami tautomeri enadiol dgn ketosa.

Setelah terbentuk furfural atau 5-hidroksimetil furfural kemudian direaksikan dgn senyawa-senyawa fenol spt a-naftol (uji Molisch), orsinol (uji Bial) dan resolsinol (uji Seliwanoff)

Warna yg tjd digunakan utk mengenali jenis karbohidrat. Pembentukan warna purple (ungu-merah) dr reaksi a-naftol dgn furfural adl sbb :

a. Uji Molisch

Uji Molisch mrpk uji umum utk karbohidrat. Karbohidrat akan terdehidrasi oleh H2SO4 pekat membentuk furfural atau 5-hidroksimetil furfural yg kemudian bereaksi dgn a-naftol membentuk warna purple

Prosedur :

Pembuatan R Molisch :

Larutkan 2,5 gr a-naftol dalam 50 ml etanol 95%.

Masukan 1 ml larutan karbohidrat 1% (xylosa, fruktosa, glukosa, laktosa, maltosa, pati, galaktosa dan air) ke dalam tabung reaksi. Tambahkan 2 tetes R Molisch dan kocok. Miringkan tabung tambahkan H2SO4 pekat pelan-pelan melewati dinding tabung. Lapisan asam akan berada dalam dasar tabung. Amati warna yang terbentuk diantara kedua lapisan. Warna purple berarti positif.

b. Uji Bial

Uji Bial digunakan untuk membedakan pentosa dengan heksosa. Pentosa membentuk furfural dalam larutan asam yg selanjutnya bereaksi dgn orsinol dan FeCl3 membentuk warna biru-hijau. Heksosa yg membentuk 5 hidroksimetil furfural akan membentuk warna hijau, coklat atau coklat kemerahan.

Prosedur :

Pembuatan R Bial :

Larutkan 3 gr orsinol dalam HCl pekat 1 L, tambahkan 3 ml larutan FeCl3 10%

Masukan 1 ml larutan karbohidrat 1% (xylosa, fruktosa, glukosa, laktosa, maltosa, pati, galaktosa dan air) ke dalam tabung reaksi. Tambahkan 1 ml R Bial. Panaskan sampai mendidih. Jika tdk tjd warna tambahkan 2,5 ml air dan 2,5 ml 1-pentanol, lalu kocok. Warna yg tjd akan terpusat dalam larutan 1-pentanol.

c. Uji Seliwanoff

Uji Seliwanoff tgt pd kecepatan relatif dehidrasi  Karbohidrat. Ketoheksosa bereaksi cepat, membentuk 5-hidroksimetil furfural, sedangkan aldoheksosa bereaksi lambat yg masing-masing membentuk warna gelap.

Prosedur :

Pembuatan R Seliwanoff

Larutkan 0,5 gr resolsinol dalam HCl encer (HClp : air = 1 : 2)

Masukan 1 ml larutan karbohidrat 1% (xylosa, fruktosa, glukosa, laktosa, maltosa, pati, galaktosa dan air) ke dalam tabung reaksi. Tambahkan 2 ml R Seliwanoff. Masukkan tabung reaksi ke dalam waterbath air mendidih selama 5 menit. amati warna yg tjd tiap 1 menit.

Pustaka :

Anwar C, B. Purwono, H. D. Pranowo, T. D. Wahyuningsih. 1994. Pengantar Praktikum Kimia Organik. FMIPA UGM. Jogjakarta

Chaplin, M. 2005. Carrageenan. http://www.isbu.ac.uk/water/hycar.html tgl 15 oktober 2005

Fessenden, R. J dan J. S. Fessenden, 1986,. Organic Chemistry. Diterjemahkan oleh A. H. Pudjaakmaka. Erlangga. Jakarta

Pavia, D. L., G. L.  Lampman, G. S. Kriz, R. G. Engel. Organic Laboratory Techniques a Microscale Approach, 2^nd ed. Saunders College Publishing, Philadelphia

Tedder J. M., A. Nechvatal, A. W. Muray, J. Carnduff, 1972, Basic Organic Chemistry part 4. John Wiley &Sons. London