Karbohidrat: struktur kimia, klasifikasi dan fungsinya

Karbohidrat: struktur kimia, klasifikasi dan fungsinya

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

Organisme yang melakukan fotosintesis ( tumbuhan , alga dan beberapa bakteri) adalah produsen utama karbohidrat di alam. Struktur sakarida ini dapat linier atau bercabang, sederhana atau majemuk, dan mereka juga dapat berasosiasi dengan biomolekul dari 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 terdapat dalam struktur asam nukleat.

Awalnya, karbohidrat dikenal sebagai molekul penyimpan energi seluler. Selanjutnya, fungsi penting lainnya 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 sampai sembilan atom karbon yang terikat pada gugus hidroksil (-OH), yang dapat bervariasi dalam ukuran dan konfigurasi.

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

Demikian juga, matriks ekstraseluler pada eukariota yang lebih tinggi kaya akan karbohidrat yang disekresikan, penting untuk kelangsungan hidup dan komunikasi sel. 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. Studi tentang struktur dan fungsi karbohidrat dalam sistem biologis disebut glikobiologi.

Indeks artikel

Struktur kimia

Karbohidrat tersusun atas 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 usul istilah “karbohidrat” karena komponennya adalah atom karbon (“karbo”) dan atom air (oleh karena itu, “hidrat”). Meskipun karbohidrat terutama terdiri dari tiga 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 sampai sepuluh gula sederhana, dan polisakarida adalah karbohidrat terbesar, 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 seluler .

Klasifikasi

Monosakarida

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

Dari sudut pandang kimia, monosakarida dapat berupa aldehida atau keton, tergantung 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.

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

Disakarida

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

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

Asam memiliki kemampuan untuk memutuskan ikatan ini, oleh karena itu disakarida dapat dicerna di dalam lambung.

Disakarida umumnya larut dalam air dan manis saat dicerna. 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 yang 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.

Oleh karena itu, oligosakarida yang awalnya tidak tercerna di usus halus dapat dipecah oleh bakteri yang biasanya menghuni usus besar melalui proses fermentasi . Prebiotik memenuhi fungsi ini, melayani sebagai makanan bagi bakteri menguntungkan.

Polisakarida

Polisakarida merupakan polimer sakarida terbesar, tersusun lebih dari 10 (sampai ribuan) unit monosakarida yang tersusun secara linier atau bercabang. Variasi dalam pengaturan spasial inilah yang membuat gula ini memiliki banyak sifat.

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

Jika polisakarida terdiri dari unit gula yang berbeda, mereka disebut heteropolisakarida. Kebanyakan hanya mengandung dua unit yang 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 seluruh sel tubuh di mana mereka akan dioksidasi untuk mendapatkan energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP).

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

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

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

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

Karbohidrat tidak larut bergabung untuk membentuk struktur yang lebih kompleks yang berfungsi sebagai perlindungan. Sebagai contoh: selulosa membentuk dinding sel tumbuhan bersama-sama 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 rangka 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 diet sehat, karena merupakan sumber energi utama. Namun, beberapa makanan memiliki karbohidrat sehat yang menawarkan jumlah nutrisi yang lebih tinggi, misalnya:

pati

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

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

Kacang-kacangan dan kacang-kacangan juga mengandung karbohidrat dalam bentuk 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 dicerna dengan lambat.

Buah-buahan dan sayur-sayuran

Buah dan sayur memiliki kandungan karbohidrat yang tinggi. Berbeda dengan pati, buah-buahan dan sayuran mengandung karbohidrat sederhana, yaitu karbohidrat dengan satu atau dua sakarida yang melekat satu sama lain.

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

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

susu

Mirip dengan sayuran dan buah-buahan, susu adalah makanan yang mengandung karbohidrat sederhana. Susu memiliki gula sendiri yang disebut laktosa, disakarida yang rasanya manis. Satu cangkir ini setara dengan sekitar 12 gram karbohidrat.

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

Permen

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

Di sisi lain, 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 ditemukan dalam buah-buahan dan sayuran.

Metabolisme karbohidrat

Metabolisme karbohidrat adalah serangkaian 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 seperti fotosintesis, reaksi pembentukan karbohidrat paling penting di alam.

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

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

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

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 pemecahannya sendiri, seperti beberapa karbohidrat yang lebih kompleks. Laktosa, misalnya, membutuhkan aksi enzim laktase, yang memutuskan ikatannya dan melepaskan monosakarida fundamentalnya, glukosa dan galaktosa.

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

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

Tergantung 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 mempertahankan kontrol kadar gula darah, inilah yang dikenal sebagai homeostasis internal.

Referensi

  1. Alberts, B., Johnson, A., Lewis, J., Morgan, D., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2014). Biologi Molekuler Sel (edisi ke-6). Ilmu Garland.
  2. Berg, J., Tymoczko, J., Gatto, G. & Strayer, L. (2015). Biokimia (edisi ke-8). WH Freeman dan Perusahaan.
  3. Campbell, N. & Reece, J. (2005). Biologi (edisi ke-2.) Pendidikan Pearson.
  4. Dashty, M. (2013). Sekilas tentang biokimia: Metabolisme karbohidrat. Biokimia Klinis , 46 (15), 1339-1352.
  5. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C., Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H., Amon, A. & Martin, K. (2016). Biologi Sel Molekuler (edisi ke-8). WH Freeman dan Perusahaan.
  6. Maughan, R. (2009). Metabolisme karbohidrat. Pembedahan , 27 (1), 6-10.
  7. Nelson, D., Cox, M. & Lehninger, A. (2013). Prinsip Biokimia Lehninger (6 th ). WH Freeman dan Perusahaan.
  8. Solomon, E., Berg, L. & Martin, D. (2004). Biologi (edisi ke-7) Cengage Learning.
  9. Voet, D., Voet, J. & Pratt, C. (2016). Dasar-dasar Biokimia: Kehidupan di Tingkat Molekuler (edisi ke-5). Wiley.