KARBOHIDRAT: STRUKTUR KIMIAWI, KLASIFIKASI DAN FUNGSI - BIOLOGI - 2024

The karbohidrat , karbohidrat atau sakarida, adalah molekul organik yang menyimpan energi dalam makhluk hidup. Mereka adalah biomolekul paling melimpah dan meliputi: gula, pati dan selulosa, di antara senyawa lain yang ditemukan pada organisme hidup.

Organisme yang melakukan fotosintesis (tumbuhan, alga dan beberapa bakteri) merupakan penghasil utama karbohidrat di alam. Struktur sakarida ini bisa linier atau bercabang, sederhana atau majemuk dan mereka juga bisa berasosiasi dengan biomolekul kelas lain.

Misalnya karbohidrat dapat mengikat protein untuk membentuk glikoprotein. Mereka juga dapat berasosiasi dengan molekul lipid, sehingga membentuk glikolipid, biomolekul yang membentuk struktur membran biologis. Karbohidrat juga ada dalam struktur asam nukleat.

Awalnya, karbohidrat dikenal sebagai molekul penyimpan energi seluler. Selanjutnya, fungsi penting lain yang dipenuhi karbohidrat dalam sistem biologis ditentukan.

Semua makhluk hidup memiliki sel yang ditutupi oleh lapisan padat karbohidrat kompleks. Karbohidrat terdiri dari monosakarida, molekul kecil yang terdiri dari tiga hingga sembilan atom karbon yang terikat pada gugus hidroksil (-OH), yang dapat bervariasi dalam ukuran dan konfigurasinya.

Sifat penting karbohidrat adalah keragaman struktural yang luar biasa dalam kelas molekul ini, yang memungkinkan mereka melakukan berbagai fungsi seperti menghasilkan molekul pemberi sinyal sel, membentuk jaringan, dan menghasilkan identitas berbagai golongan darah pada manusia.

Demikian juga, matriks ekstraseluler pada eukariota yang lebih tinggi kaya akan karbohidrat yang disekresikan, penting untuk kelangsungan hidup sel dan komunikasi. Mekanisme pengenalan sel ini dimanfaatkan oleh berbagai patogen untuk menginfeksi sel inangnya.

Monosakarida dapat dihubungkan oleh ikatan glikosidik untuk membentuk berbagai macam karbohidrat: disakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Ilmu yang mempelajari tentang struktur dan fungsi karbohidrat dalam sistem biologi disebut glikobiologi.

Struktur kimia

Karbohidrat terdiri dari atom karbon, hidrogen, dan oksigen. Sebagian besar dapat diwakili oleh rumus empiris (CH2O) n, di mana n adalah jumlah karbon dalam molekul. Dengan kata lain, perbandingan karbon, hidrogen, dan oksigen adalah 1: 2: 1 dalam molekul karbohidrat.

Rumus ini menjelaskan asal mula istilah "karbohidrat" karena komponennya adalah atom karbon ("karbo") dan atom air (oleh karena itu, "hidrat"). Meskipun karbohidrat sebagian besar terdiri dari ketiga atom ini, ada beberapa karbohidrat dengan nitrogen, fosfor atau belerang.

Dalam bentuk dasarnya, karbohidrat adalah gula sederhana atau monosakarida. Gula sederhana ini dapat bergabung satu sama lain untuk membentuk karbohidrat yang lebih kompleks.

Kombinasi dua gula sederhana adalah disakarida. Oligosakarida mengandung antara dua hingga sepuluh gula sederhana, dan polisakarida adalah karbohidrat terbesar, yang terdiri dari lebih dari sepuluh unit monosakarida.

Struktur karbohidrat menentukan bagaimana energi disimpan dalam ikatannya selama pembentukannya melalui fotosintesis, dan juga bagaimana ikatan ini diputus selama respirasi sel.

Klasifikasi

Monosakarida

Monosakarida adalah unit unsur karbohidrat, itulah sebabnya mereka adalah struktur paling sederhana dari sakarida. Secara fisik, monosakarida adalah padatan kristal tak berwarna. Kebanyakan memiliki rasa yang manis.

Dari sudut pandang kimiawi, monosakarida dapat berupa aldehida atau keton, bergantung pada letak gugus karbonil (C = O) dalam karbohidrat linier. Secara struktural, monosakarida dapat membentuk rantai lurus atau cincin tertutup.

Karena monosakarida memiliki gugus hidroksil, sebagian besar larut dalam air dan tidak larut dalam pelarut non-polar.

Bergantung pada jumlah karbon dalam strukturnya, monosakarida akan memiliki nama yang berbeda-beda, misalnya: triosa (jika memiliki 3 atom C), pentosa (jika memiliki 5C) dan sebagainya.

Disakarida

Disakarida adalah gula ganda yang dibentuk dengan menyatukan dua monosakarida dalam proses kimia yang disebut sintesis dehidrasi, karena molekul air hilang selama reaksi. Ini juga dikenal sebagai reaksi kondensasi.

Dengan demikian, disakarida adalah zat apa pun yang terdiri dari dua molekul gula sederhana (monosakarida) yang dihubungkan bersama melalui ikatan glikosidik.

Asam memiliki kemampuan untuk memutus ikatan tersebut, oleh karena itu disakarida dapat dicerna di dalam perut.

Disakarida umumnya larut dalam air dan manis saat tertelan. Tiga disakarida utama adalah sukrosa, laktosa dan maltosa: sukrosa berasal dari penyatuan glukosa dan fruktosa; laktosa berasal dari penyatuan glukosa dan galaktosa; dan maltosa berasal dari penyatuan dua molekul glukosa.

Oligosakarida

Oligosakarida adalah polimer kompleks yang terdiri dari beberapa unit gula sederhana, yaitu antara 3 hingga 9 monosakarida.

Reaksinya sama dengan membentuk disakarida, tetapi juga berasal dari pemecahan molekul gula yang lebih kompleks (polisakarida).

Kebanyakan oligosakarida ditemukan pada tumbuhan dan bertindak sebagai serat larut, yang dapat membantu mencegah sembelit. Namun, kebanyakan manusia tidak memiliki enzim untuk mencernanya, kecuali maltotriosa.

Untuk alasan ini, oligosakarida yang awalnya tidak tercerna di usus kecil dapat diuraikan oleh bakteri yang biasanya menghuni usus besar melalui proses fermentasi. Prebiotik memenuhi fungsi ini, berfungsi sebagai makanan untuk bakteri menguntungkan.

Polisakarida

Polisakarida adalah polimer sakarida terbesar, mereka terdiri dari lebih dari 10 (hingga ribuan) unit monosakarida yang disusun secara linier atau bercabang. Variasi dalam pengaturan spasial inilah yang membuat gula-gula ini memiliki sifat ganda.

Polisakarida dapat terdiri dari monosakarida yang sama atau dengan kombinasi monosakarida yang berbeda. Jika mereka dibentuk dengan unit berulang dari gula yang sama, mereka disebut homopolysaccharides seperti glikogen dan pati, yang masing-masing merupakan karbohidrat penyimpanan hewan dan tumbuhan.

Jika polisakarida terdiri dari unit gula yang berbeda, mereka disebut heteropolisakarida. Sebagian besar hanya mengandung dua unit berbeda dan biasanya berhubungan dengan protein (glikoprotein, seperti gamma globulin dalam plasma darah) atau lipid (glikolipid, seperti gangliosida).

fitur

Empat fungsi utama karbohidrat adalah: menyediakan energi, menyimpan energi, membangun makromolekul, dan mencegah pemecahan protein dan lemak.

Karbohidrat dipecah melalui pencernaan menjadi gula sederhana. Ini diserap oleh sel-sel usus kecil dan diangkut ke semua sel tubuh di mana mereka akan dioksidasi untuk mendapatkan energi dalam bentuk adenosine triphosphate (ATP).

Molekul gula yang tidak digunakan dalam produksi energi pada saat tertentu disimpan sebagai bagian dari polimer cadangan seperti glikogen dan pati.

Nukleotida, unit dasar asam nukleat, memiliki molekul glukosa dalam strukturnya. Beberapa protein penting yang berhubungan dengan molekul karbohidrat, misalnya: follicle stimulating hormone (FSH), yang berperan dalam proses ovulasi.

Karena karbohidrat adalah sumber energi utama, degradasinya yang cepat mencegah biomolekul lain terdegradasi menjadi energi. Jadi, ketika kadar gula normal, protein dan lipid terlindungi dari degradasi.

Beberapa karbohidrat dapat larut dalam air, berfungsi sebagai makanan pokok di hampir semua orang, dan oksidasi molekul ini adalah jalur utama produksi energi di sebagian besar sel non-fotosintetik.

Karbohidrat tak larut berasosiasi untuk membentuk struktur yang lebih kompleks yang berfungsi sebagai perlindungan. Misalnya: selulosa membentuk dinding sel tumbuhan bersama dengan hemiselulosa dan pektin. Kitin membentuk dinding sel jamur dan eksoskeleton arthropoda.

Juga, peptidoglikan membentuk dinding sel bakteri dan cyanobacteria. Jaringan ikat hewan dan sendi kerangka terdiri dari polisakarida.

Banyak karbohidrat yang terikat secara kovalen dengan protein atau lipid membentuk struktur yang lebih kompleks, yang secara kolektif disebut glikokonjugat. Kompleks ini bertindak sebagai tag yang menentukan lokasi intraseluler atau nasib metabolisme molekul-molekul ini.

Makanan yang mengandung karbohidrat

Karbohidrat adalah komponen penting dari makanan sehat, karena merupakan sumber energi utama. Namun, beberapa makanan memiliki karbohidrat lebih sehat yang menawarkan jumlah nutrisi lebih tinggi, misalnya:

Pati

Makanan bertepung adalah sumber utama karbohidrat. Pati ini umumnya merupakan karbohidrat kompleks, yaitu terdiri dari banyak gula yang bergabung membentuk rantai molekul panjang. Untuk alasan ini, pati membutuhkan waktu lebih lama untuk dicerna.

Ada berbagai macam makanan yang mengandung pati. Biji-bijian termasuk makanan yang tinggi pati, misalnya: kacang-kacangan, miju-miju, dan nasi. Sereal juga mengandung karbohidrat tersebut, misalnya: oat, barley, gandum dan turunannya (tepung dan pasta).

Kacang-kacangan dan kacang-kacangan juga mengandung karbohidrat berupa pati. Selain itu, sayuran seperti: kentang, ubi jalar, jagung, dan labu siam juga kaya akan kandungan pati.

Yang penting, banyak karbohidrat merupakan sumber serat. Dengan kata lain, serat pada dasarnya adalah jenis karbohidrat yang hanya dapat dicerna sebagian oleh tubuh.

Mirip dengan karbohidrat kompleks, serat karbohidrat cenderung lambat dicerna.

Buah-buahan dan sayur-sayuran

Buah dan sayur kaya akan karbohidrat. Berbeda dengan pati, buah dan sayur mengandung karbohidrat sederhana, yaitu karbohidrat dengan satu atau dua sakarida yang saling menempel.

Karbohidrat ini, karena struktur molekulnya yang sederhana, dicerna lebih mudah dan lebih cepat daripada karbohidrat kompleks. Ini memberi gambaran tentang berbagai tingkat dan jenis karbohidrat dalam makanan.

Dengan demikian, beberapa buah memiliki kandungan karbohidrat yang lebih banyak per porsi, misalnya: pisang, apel, jeruk, melon dan anggur memiliki lebih banyak karbohidrat dibandingkan beberapa sayuran seperti bayam, brokoli dan kangkung, wortel, jamur dan terong.

susu

Mirip dengan sayuran dan buah-buahan, produk olahan susu merupakan makanan yang mengandung karbohidrat sederhana. Susu memiliki gula tersendiri yang disebut laktosa, disakarida dengan rasa manis. Satu cangkir ini setara dengan sekitar 12 gram karbohidrat.

Ada banyak versi susu dan yogurt yang beredar di pasaran. Terlepas dari apakah Anda mengonsumsi produk susu tertentu versi utuh atau rendah lemak, jumlah karbohidratnya akan sama.

Permen

Permen adalah sumber karbohidrat terkenal lainnya. Ini termasuk gula, madu, permen, minuman buatan, kue, es krim, di antara banyak makanan penutup lainnya. Semua produk ini mengandung konsentrasi gula yang tinggi.

Sebaliknya, beberapa makanan olahan dan olahan mengandung karbohidrat kompleks, misalnya: roti, nasi, dan pasta putih. Penting untuk dicatat bahwa karbohidrat olahan tidak bergizi seperti karbohidrat yang terdapat pada buah dan sayuran.

Metabolisme karbohidrat

Metabolisme karbohidrat adalah sekumpulan reaksi metabolisme yang melibatkan pembentukan, degradasi, dan konversi karbohidrat dalam sel.

Metabolisme karbohidrat sangat terjaga dan dapat diamati bahkan dari bakteri, contoh utamanya adalah Lac Operon dari E. coli.

Karbohidrat penting dalam banyak jalur metabolisme termasuk fotosintesis, reaksi pembentukan karbohidrat terpenting di alam.

Dari karbon dioksida dan air, tumbuhan menggunakan energi dari matahari untuk mensintesis molekul karbohidrat.

Sel hewan dan jamur memecah karbohidrat, dikonsumsi dalam jaringan tumbuhan, untuk mendapatkan energi dalam bentuk ATP melalui proses yang disebut respirasi sel.

Pada vertebrata, glukosa diangkut ke seluruh tubuh melalui darah. Jika simpanan energi seluler rendah, glukosa dipecah melalui reaksi metabolik yang disebut glikolisis untuk menghasilkan beberapa energi dan beberapa zat antara metabolik.

Molekul glukosa yang tidak diperlukan untuk produksi energi segera disimpan sebagai glikogen di hati dan otot, melalui proses yang disebut glikogenesis.

Beberapa karbohidrat sederhana memiliki jalur degradasinya sendiri, seperti beberapa karbohidrat yang lebih kompleks. Laktosa, misalnya, membutuhkan aksi enzim laktase, yang memutuskan ikatannya dan melepaskan monosakarida fundamentalnya, glukosa dan galaktosa.

Glukosa merupakan karbohidrat utama yang dikonsumsi oleh sel, yang merupakan sekitar 80% dari sumber energi.

Glukosa didistribusikan ke sel, di mana ia dapat masuk melalui transporter tertentu untuk didegradasi atau disimpan sebagai glikogen.

Bergantung pada kebutuhan metabolisme sel, glukosa juga dapat digunakan untuk mensintesis monosakarida lain, asam lemak, asam nukleat, dan asam amino tertentu.

Fungsi utama metabolisme karbohidrat adalah untuk menjaga kendali kadar gula darah, inilah yang disebut homeostasis internal.

Referensi

1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Molecular Biology of the Cell (edisi ke-6th). Ilmu Garland.
2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biochemistry (edisi ke-8th). WH Freeman dan Perusahaan.
3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biology (2nd ed.) Pearson Education.
4. Dashty, M. (2013). Sekilas tentang biokimia: Metabolisme karbohidrat. Biokimia Klinik, 46 (15), 1339-1352.
5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Molecular Cell Biology (edisi ke-8th). WH Freeman dan Perusahaan.
6. Maughan, R. (2009). Metabolisme karbohidrat. Bedah, 27 (1), 6-10.
7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Prinsip Lehninger Biokimia (6 ^th ). WH Freeman dan Perusahaan.
8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biology (edisi ke-7) Cengage Learning.
9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Fundamentals of Biochemistry: Life at the Molecular Level (edisi ke-5). Wiley.