KARBOHIDRAT: STRUKTUR KIMIA, KLASIFIKASI DAN FUNGSI - BIOLOGI - 2025

The karbohidrat , karbohidrat atau saccharides, adalah molekul organik yang menyimpan tenaga dalam makhluk hidup. Mereka adalah biomolekul yang paling banyak dan termasuk: gula, kanji dan selulosa, antara sebatian lain yang terdapat dalam organisma hidup.

Organisma yang menjalankan fotosintesis (tumbuhan, alga dan beberapa bakteria) adalah pengeluar utama karbohidrat di alam. Struktur sakarida ini boleh linier atau bercabang, sederhana atau sebatian, dan mereka juga dapat dikaitkan dengan biomolekul kelas lain.

Contohnya, karbohidrat boleh mengikat protein untuk membentuk glikoprotein. Mereka juga dapat mengaitkan dengan molekul lipid, sehingga membentuk glikolipid, biomolekul yang membentuk struktur membran biologi. Karbohidrat juga terdapat dalam struktur asid nukleik.

Pada mulanya, karbohidrat diakui sebagai molekul penyimpanan tenaga sel. Selepas itu, fungsi penting lain yang dipenuhi karbohidrat dalam sistem biologi telah ditentukan.

Semua makhluk hidup mempunyai sel-selnya yang ditutupi oleh lapisan karbohidrat kompleks. Karbohidrat terdiri dari monosakarida, molekul kecil yang terdiri dari tiga hingga sembilan atom karbon yang melekat pada kumpulan hidroksil (-OH), yang boleh berbeza-beza dalam ukuran dan konfigurasi.

Sifat penting karbohidrat adalah kepelbagaian struktur yang luar biasa dalam kelas molekul ini, yang membolehkan mereka melakukan pelbagai fungsi seperti menghasilkan molekul isyarat sel, membentuk tisu, dan menghasilkan identiti kumpulan darah yang berbeza pada manusia.

Begitu juga, matriks ekstraselular pada eukariota yang lebih tinggi kaya dengan karbohidrat yang dirembeskan, penting untuk kelangsungan hidup sel dan komunikasi. Mekanisme pengenalan sel ini dieksploitasi oleh pelbagai patogen untuk menjangkiti sel inangnya.

Monosakarida dapat dihubungkan oleh ikatan glikosidik untuk membentuk pelbagai karbohidrat: disakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Kajian mengenai struktur dan fungsi karbohidrat dalam sistem biologi dipanggil glikobiologi.

Struktur kimia

Karbohidrat terdiri daripada atom karbon, hidrogen, dan oksigen. Sebilangan besar ini dapat ditunjukkan oleh formula empirik (CH2O) n, di mana n adalah bilangan karbon dalam molekul. Dengan kata lain, nisbah karbon, hidrogen, dan oksigen adalah 1: 2: 1 dalam molekul karbohidrat.

Rumus ini menerangkan asal-usul istilah "karbohidrat" kerana komponennya adalah atom karbon ("karbo") dan atom air (oleh itu, "hidrat"). Walaupun karbohidrat terutama terdiri dari ketiga atom ini, ada beberapa karbohidrat dengan nitrogen, fosforus, atau sulfur.

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

Gabungan dua gula sederhana adalah disakarida. Oligosakarida mengandungi antara dua hingga sepuluh gula sederhana, dan polisakarida adalah karbohidrat terbesar, terdiri daripada lebih dari sepuluh unit monosakarida.

Struktur karbohidrat menentukan bagaimana tenaga disimpan dalam ikatan mereka semasa pembentukannya dengan fotosintesis, dan juga bagaimana ikatan ini dipecahkan semasa respirasi sel.

Pengelasan

Monosakarida

Monosakarida adalah unit unsur karbohidrat, itulah sebabnya ia adalah struktur sakarida yang paling mudah. Secara fizikal, monosakarida adalah pepejal kristal tanpa warna. Sebilangan besar mempunyai rasa manis.

Dari sudut pandang kimia, monosakarida boleh berupa aldehid atau keton, bergantung pada tempat kumpulan karbonil (C = O) berada dalam karbohidrat linear. Secara struktural, monosakarida dapat membentuk rantai lurus atau cincin tertutup.

Kerana monosakarida mempunyai gugus hidroksil, kebanyakan larut dalam air dan tidak larut dalam pelarut bukan polar.

Bergantung pada bilangan karbon dalam strukturnya, monosakarida akan mempunyai nama yang berbeza, contohnya: triose (jika mempunyai atom 3 C), pentosa (jika mempunyai 5C) dan sebagainya.

Disakarida

Disakarida adalah gula ganda yang terbentuk dengan menyatukan dua monosakarida bersama dalam proses kimia yang disebut sintesis dehidrasi, kerana molekul air hilang semasa tindak balas. Ia juga dikenali sebagai tindak balas pemeluwapan.

Oleh itu, disakarida adalah bahan yang terdiri daripada dua molekul gula sederhana (monosakarida) yang dihubungkan bersama melalui ikatan glikosidik.

Asid mempunyai keupayaan untuk memutuskan ikatan ini, kerana alasan ini disakarida dapat dicerna di dalam perut.

Disakarida umumnya larut dalam air dan manis ketika dimakan. 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, antara 3 hingga 9 monosakarida.

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

Sebilangan besar oligosakarida terdapat di tumbuh-tumbuhan dan bertindak sebagai serat larut, yang dapat membantu mencegah sembelit. Namun, kebanyakan manusia tidak mempunyai enzim untuk mencernanya, kecuali maltotriose.

Atas sebab ini, oligosakarida yang awalnya tidak dicerna dalam usus kecil dapat dipecah oleh bakteria yang biasanya menghuni usus besar melalui proses fermentasi. Prebiotik memenuhi fungsi ini, berfungsi sebagai makanan untuk bakteria bermanfaat.

Polisakarida

Polisakarida adalah polimer sakarida terbesar, ia terdiri daripada lebih dari 10 (hingga ribuan) unit monosakarida yang disusun secara linear atau bercabang. Variasi dalam susunan spasial inilah yang memberikan pelbagai sifat gula kepada mereka.

Polisakarida boleh terdiri daripada monosakarida yang sama atau dengan gabungan monosakarida yang berbeza. Sekiranya mereka terbentuk dengan mengulangi unit gula yang sama, mereka dipanggil homopolysaccharides seperti glycogen dan pati, yang merupakan karbohidrat simpanan haiwan dan tumbuhan.

Sekiranya polisakarida terdiri dari unit gula yang berlainan, mereka disebut heteropolysaccharides. Sebilangan besar hanya mengandungi dua unit yang berlainan dan biasanya dikaitkan dengan protein (glikoprotein, seperti gamma globulin dalam plasma darah) atau lipid (glikolipid, seperti gangliosida).

ciri-ciri

Empat fungsi utama karbohidrat adalah: membekalkan tenaga, menyimpan tenaga, membina makromolekul, dan mencegah pemecahan protein dan lemak.

Karbohidrat dipecahkan melalui pencernaan menjadi gula sederhana. Ini diserap oleh sel-sel usus kecil dan diangkut ke semua sel-sel tubuh di mana ia akan teroksidasi untuk mendapatkan tenaga dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP).

Molekul gula yang tidak digunakan dalam penghasilan tenaga pada waktu tertentu disimpan sebagai sebahagian daripada polimer simpanan seperti glikogen dan kanji.

Nukleotida, unit asas asid nukleik, mempunyai molekul glukosa dalam strukturnya. Beberapa protein penting dikaitkan dengan molekul karbohidrat, misalnya: hormon perangsang folikel (FSH), yang terlibat dalam proses ovulasi.

Oleh kerana karbohidrat adalah sumber tenaga utama, degradasi yang cepat menghalang biomolekul lain daripada terdegradasi untuk tenaga. Oleh itu, apabila tahap gula normal, protein dan lipid dilindungi daripada penurunan.

Sebilangan karbohidrat larut dalam air, mereka berfungsi sebagai makanan ruji bagi hampir semua orang, dan pengoksidaan molekul-molekul ini adalah jalan utama penghasilan tenaga di kebanyakan sel bukan fotosintetik.

Karbohidrat tidak larut bergabung untuk membentuk struktur yang lebih kompleks yang berfungsi sebagai perlindungan. Contohnya: selulosa membentuk dinding sel tumbuhan bersama dengan hemiselulosa dan pektin. Chitin membentuk dinding sel kulat dan exoskeleton arthropoda.

Juga, peptidoglikan membentuk dinding sel bakteria dan cyanobacteria. Tisu penghubung haiwan dan sendi rangka terdiri daripada polisakarida.

Banyak karbohidrat terikat secara kovalen kepada protein atau lipid yang membentuk struktur yang lebih kompleks, yang secara kolektif disebut glikokonjugat. Kompleks ini bertindak sebagai tanda yang menentukan lokasi intraselular atau nasib metabolik molekul ini.

Makanan yang mengandungi karbohidrat

Karbohidrat adalah komponen penting dalam diet yang sihat, kerana mereka adalah sumber tenaga utama. Walau bagaimanapun, beberapa makanan mempunyai karbohidrat yang lebih sihat yang menawarkan jumlah nutrien yang lebih tinggi, seperti:

Kanji

Makanan berkanji adalah sumber karbohidrat utama. Pati ini umumnya karbohidrat kompleks, iaitu, terdiri daripada banyak gula yang digabungkan untuk membentuk rantai molekul panjang. Atas sebab ini, pati memerlukan lebih lama untuk dicerna.

Terdapat pelbagai jenis makanan yang mengandungi pati. Biji-bijian termasuk makanan yang tinggi kanji, misalnya: kacang, lentil, dan beras. Bijirin juga mengandungi karbohidrat ini, misalnya: gandum, barli, gandum dan turunannya (tepung dan pasta).

Kekacang dan kacang juga mengandungi karbohidrat dalam bentuk kanji. Selain itu, sayur-sayuran seperti: kentang, ubi jalar, jagung, dan labu juga kaya dengan kandungan kanji.

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

Sama seperti karbohidrat kompleks, serat karbohidrat cenderung dicerna dengan perlahan.

Buah-buahan dan sayur-sayuran

Buah-buahan dan sayur-sayuran tinggi karbohidrat. Berbeza dengan pati, buah dan sayur mengandungi karbohidrat sederhana, iaitu karbohidrat dengan satu atau dua sakarida yang saling melekat.

Karbohidrat ini, sederhana dalam struktur molekulnya, dicerna dengan lebih mudah dan cepat daripada yang kompleks. Ini memberi idea mengenai tahap dan jenis karbohidrat yang berbeza dalam makanan.

Oleh itu, sebilangan buah mempunyai lebih banyak kandungan karbohidrat setiap hidangan, misalnya: pisang, epal, jeruk, tembikai dan anggur mempunyai lebih banyak karbohidrat daripada beberapa sayur-sayuran seperti bayam, brokoli dan kangkung, wortel, cendawan dan aubergin.

Susu

Sama seperti sayur-sayuran dan buah-buahan, tenusu adalah makanan yang mengandungi karbohidrat sederhana. Susu mempunyai gula tersendiri yang disebut laktosa, disakarida yang terasa manis. Satu cawan ini bersamaan dengan kira-kira 12 gram karbohidrat.

Terdapat banyak versi susu dan yogurt di pasaran. Tidak kira sama ada anda menggunakan versi tenusu tertentu atau lemak rendah, jumlah karbohidrat akan sama.

Gula-gula

Gula-gula adalah sumber karbohidrat lain yang terkenal. Ini termasuk gula, madu, gula-gula, minuman buatan, biskut, ais krim, di antara banyak pencuci mulut yang lain. Semua produk ini mengandungi kepekatan gula yang tinggi.

Sebaliknya, beberapa makanan yang diproses dan ditapis mengandungi karbohidrat kompleks, misalnya: roti, beras dan pasta putih. Penting untuk diperhatikan bahawa karbohidrat halus tidak berkhasiat seperti karbohidrat yang terdapat dalam buah-buahan dan sayur-sayuran.

Metabolisme karbohidrat

Metabolisme karbohidrat adalah kumpulan tindak balas metabolik yang melibatkan pembentukan, penurunan dan penukaran karbohidrat dalam sel.

Metabolisme karbohidrat sangat terpelihara dan dapat dilihat walaupun dari bakteria, contoh utamanya ialah Lac Operon E. coli.

Karbohidrat penting dalam banyak jalan metabolik termasuk fotosintesis, reaksi pembentukan karbohidrat terpenting alam.

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

Sebaliknya, sel haiwan dan jamur memecah karbohidrat, yang dikonsumsi dalam tisu tumbuhan, untuk mendapatkan tenaga dalam bentuk ATP melalui proses yang disebut respirasi selular.

Di vertebrata, glukosa diangkut ke seluruh badan melalui darah. Sekiranya simpanan tenaga selular rendah, glukosa dipecah melalui reaksi metabolik yang disebut glikolisis untuk menghasilkan sedikit tenaga dan beberapa perantaraan metabolik.

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

Sebilangan karbohidrat sederhana mempunyai jalan penurunan mereka sendiri, seperti beberapa karbohidrat yang lebih kompleks. Laktosa, misalnya, memerlukan tindakan enzim laktase, yang memutuskan ikatannya dan melepaskan monosakarida asasnya, glukosa dan galaktosa.

Glukosa adalah karbohidrat utama yang dimakan oleh sel, ia merupakan kira-kira 80% sumber tenaga.

Glukosa diedarkan ke sel, di mana ia dapat masuk melalui alat pengangkutan tertentu untuk dihancurkan atau disimpan sebagai glikogen.

Bergantung pada keperluan metabolisme sel, glukosa juga dapat digunakan untuk mensintesis monosakarida, asam lemak, asid nukleik, dan asam amino tertentu.

Fungsi utama metabolisme karbohidrat adalah untuk mengekalkan kawalan kadar gula dalam darah, inilah yang dikenali sebagai homeostasis dalaman.

Rujukan

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