Monosakarida dan Penentuan Stereokimianya

Apa itu karbohidrat?
Kata karbohidrat berasal dari kata karbon dan air. Secara sederhana karbohidrat didefinisikan sebagai polimer gula. Karbohidrat adalah senyawa karbon yang mengandung sejumlah besar gugus hidroksil. Karbohidrat paling sederhana bisa berupa aldehid (disebut polihidroksialdehid atau aldosa) atau berupa keton (disebut polihidroksiketon atau ketosa). Berdasarkan pengertian di atas berarti diketahui bahwa karbohidrat terdiri atas atom C, H dan O. Adapun rumus umum dari karbohidrat adalah:
Cn(H2O)n atau CnH2nOn

Klasifikasi karbohidrat
A.  Berdasarkan jumlah unit gula dalam rantai, karbohidrat digolongkan menjadi 4 golongan utama yaitu:
1.      Monosakarida (terdiri atas 1 unit gula)
2.      Disakarida (terdiri atas 2 unit gula)
3.      Oligosakarida (terdiri atas 3-10 unit gula)
4.      Polisakarida (terdiri atas lebih dari 10 unit gula)

B.  Berdasarkan lokasi gugus –C=O, monosakarida digolongkan menjadi 2 yaitu:
Aldosa (berupa aldehid) dan Ketosa (berupa keton)
               
  Aldose       Ketose

C.  Berdasarkan jumlah atom C pada rantai, monosakarida digolongkan menjadi:
1.         Triosa (tersusun atas 3 atom C)
2.         Tetrosa (tersusun atas 4 atom C)
3.         Pentosa (tersusun atas 5 atom C)
4.         Heksosa (tersusun atas 6 atom C)
5.         Heptosa (tersusun atas 7 atom C)
6.         Oktosa (tersusun atas 3 atom C)

Monosakarida triosa (memiliki 3 atom C), aldosa (berstruktur aldehid/-COH) sehingga dinamakan gula aldotriosa. Monosakarida heksosa (memiliki 6 atom C), ketosa (berstruktur keton/R-CO-R) sehingga dinamakan gula ketoheksosa.

D.  Berdasarkan stereokimia, monosakarida terbagi menjadi beberapa golongan.
Stereokimia adalah studi mengenai molekul-molekul dalam ruang tiga dimensi, artinya bagaimana atom-atom dalam sebuah molekul diatur dalam ruang satu terhadap ruang yang lainnya. Stereokimia ini sangat penting. Karena sterokimia ini, sebuah struktur yang memiliki rumus molekul sama hanya karena susunannya berbeda akan mengakibatkan fungsi yang berbeda pula.

Salah satu bagian dari stereokimia adalah stereoisomer. Stereoisomer mengandung pengertian:
1.    memiliki kesamaan order dan jenis ikatan
2.    memiliki perbedaan susunan spasial
3.    memiliki perbedaan properti (sifat).
Enantiomer merupakan pasangan dari stereoisomer. Dalam hal ini terdapat aturan yaitu:
1.    Diberi awalan D dan L
2.    Keduanya merupakan gambar cermin yang tak mungkin saling tumpang tindih



Contoh enantiomer dari gula triosa

Monosakarida mengandung atom C asimetris sehingga mempunyai isomeri optis. Perhatikan contoh golongan aldoheksosa, semuanya memiliki rumus molekul dan gugus fungsional yang sama. Akan tetapi, karena posisi –OH pada atom C nomor 2, 3 dan 4 berbeda, senyawanya menjadi bermacam-macam. Senyawa D – glukosa dan D – galaktosa , D – glukosa dan D – manosa, masing-masing merupakan isomeri optis, tetapi bukan merupakan bayangan cerminnya. Hal ini disebut diastereoisomeri. Semua contoh tersebut merupakan bentuk perputaran D (dekstro) yang berarti perputaran kearah kanan. Penetapan bentuk perputaran ini didasarkan pada arah gugus – OH yang terikat pada atom C asimetris dengan nomor atom terbesar. Apabila gugus – OH ini mengarah ke kanan disebut bentuk D (dekstro). Jika mengarah ke kiri disebut bentuk L (levo)

Stereokimia Monosakarida
Struktur Haworth
Jika senyawa D – glukosa dilarutkan dalam air, strukturnya akan terbentuk cincin. Struktur yang terbentuk karena adanya ikatan antara gugus karbonil dan atom C asimetris dengan nomor terbesar ini dikenal sebagai siklohemiasetal. Jika posisi gugus –OH mengarah ke bawah disebut α (alfa). Jika posisi gugus – OH mengarah ke atas disebut  (beta). Struktur ini dikemukakan oleh Sir Norman Haworth. Glukosa memiliki struktur cincin dengan bentuk segi enam yang disebut piran. Maka karbohidrat yang membentuk struktur cincin segi enam disebut piranosa. Dengan cara yang sama dari senyawa D – fruktosa diperoleh struktur Haworth dengan b
Cincin segilima disebut furan. Karbohidrat yang membentuk struktur cincin segilima disebut furanosa.









1.   D-glukosa (karbohidrat terpenting dalam diet) glukosa merupakan aldoheksosa, yang sering kita sebut sebagai dekstrosa, gula anggur ataupun gula darah. Gula ini terbanyak ditemukan di alam.
 




D-glukosa
 (perhatikan bahwa glukosa mengalami siklisasi membentuk struktur cincin)

2.   D-fruktosa (termanis dari semua gula)
Gula ini berbeda dengan gula yang lain karena merupakan ketoheksosa.




D-fruktosa
(perhatikan bahwa fruktosa mengalami siklisasi membentuk struktur cincin)

3.   D-galaktosa (bagian dari susu)
Gula ini tidak ditemukan tersendiri pada sistem biologis, namun merupakan bagian dari disakarida laktosa.


D-galaktosa
(perhatikan bahwa galaktosa mengalami siklisasi membentuk struktur cincin)


Perbedaan pokok antara D-glukosa dan D-galaktosa
(perhatikan daerah berarsis lingkaran)

4.   D-ribosa (digunakan dalam pembentukan RNA)
Karena merupakan penyusun kerangka RNA maka ribosa penting artinya bagi genetika bukan merupakan sumber energi. Jika atom C nomor 2 dari ribosa kehilangan atom O, maka akan menjadi deoksiribosa yang merupakan penyusuna kerangka DNA.

D-ribosa (perhatikan gula ini memiliki 5 atom C)

Struktur proyeksi Fischer
Emil Fischer (1852-1919) seorang ahli kimia organik bangsa jerman yang yang memperoleh hadiah nobel untuk ilmu kimia pada tahun 1902 atas hasil karyanya tentang kimia ruang (stereokimia) dan umus srtuktur karbohidrat, menggunakan rumus proyeksi untuk menuliskan rumus struktur karbohidrat.
Proyeksi fischer digunakan untuk mengutamakan konfigurasi (R) dan (S) dari karbon chiral. Pada proyeksi fischer dari suatu karbohidrat, rantai karbon digambarkan secara vertical (tegak) dengan gugusan aldehid atau keto berada pada puncak dari rumus.

Karbon nomor dua dari gliseraldehid berbentuk chiral dengan demikian glisheraldehid berbentuk sepasang enansiomer (bayangan cermin yang tidak dapat ditaruh diatasnya). Enansiomer ini dinamakan (R)-2,3 dihidroksipropanal dan (S)-2,3 dihidroksipropanal. Biasanya senyawa ini ditunjukkan dengan nama klasikalnya, D-gliseraldehid digambarkan dengan gugus hidroksil pada karbon chiral, sedangkan dari L-enansiomernya digambarkan dengan gugus hidroksil diproyeksikan kekiri.
Dua dari aldotetrosa, D-eritrosa dan D-tereosa mempunyai gugusan chiral yang terakhir (gugus hidroksil pada atom karbon 3) diproyeksikan kekanan. Karbon chiral ini mempunyai konfigurasi yang sama seperti karbon dalam D-gliseraldehid.
Dua aldotetrosa yang lain mempunyai gugus hidroksil pada atom karbon 3 diproyeksikan kekiri, konfigurasinya sama seperti pada L-gliseraldehid. Dengan dasar konfigurasi dari karbon chiral, semua karbohidrat dapat digolongkan kedalam satu dari dua subdivisi utama atau keluarga, keluarga D atau keluarga L. Semua golongan D monoskarida mempunyai gugusan hidoksil dari atomkarbon chiral paling bawah diproyeksi kekanan pada proyeksi fischer. Gula L justru berlawanan, gugus hidroksil pada hidroksil atom karbon chiral paling bawah diproyeksikan kekiri.

            Di alam lebih banyak ditemukan monosakarida yang berisomer D, maka semua monosakarida yang ada di alam dianggap berasal dari D-Gliseraldehida. Dengan sistematis ditemukan cara menentukan rumus struktur kimia monosakarida yang banyak ditemukan di alam ini. Dengan cara menyisipkan gugus H-C-OH dan gugus HO-C-H berganti-ganti diantara atom C nomor 1 dan nomor 2 pada D-Gliseraldehida. Dengan demikian maka didapatlah 4 aldopentosa dan 8 aldoheksosa.


Permasalahan:

1. Apa yang menyebabkan monosakarida bersifat gula pereduksi?
2. Mengapa Haworth menuliskan rumus struktur karbohidrat sebagai bentuk cincin furan dan piran?
3. Apa yang dimaksud dengan monosakarida bersifat aktif-optika?