veronikafoju

Biokimia


BAB 1

AIR

PENDAHULUAN

Air mempunyai sifat fisika, kimia yang sangat mendukung aktivitas kehidupan dan mempunyai peranan yang sangat penting  dalam proses metabolisme, untuk itu diharapkan setelah mengikuti kuliah ini, mahasiswa dapat :

  1. Menjelaskan perbedaan ikatan kovalen dan ikatan hidrogen dalam molekul air.
  2. Menggambarkan dan menjelaskan  bentuk tetra hedron dari molekul air.
  3. Menjelaskan ikatan hidrogen antara pasangan basa pada DNA.
  4. Menggambarkan ikatan hidrogen dengan gugus hidroksil dan gugus karboksil.
  5. Menjelaskan struktur Es.
  6. Menjelaskan sifat larutan.

POKOK MATERI

  1. Kebutuhan Air

Jaringan hidup hewan dan tumbuhan  lebih dari setengahnya terdiri dari air dan reaksi biokimia yang menyertainya berlangsung dalam media air, karena beberapa sifat istimewa ini, maka sifat air perlu dikenal dengan baik.

Air merupakan komponen sangat penting bagi kehidupan organisma dan fungsinya tidak dapat digantikan dengan yang lain. Bila badan manusia dianalisis komposisi kimianya, maka akan diketahui bahwa kandungan airnya rata-rata 65% atau sekitar 47 liter orang dewasa. Setiap hari sekitar 2,5 liter air harus digantikan dengan air yang baru. Diperkirakan dari sejumlah air yang harus diganti tersebut 1,5 liter berasal dari air minum dan sekitar 1,0 liter berasal dari bahan makanan yang dikonsumsi.

  1. Kimia Air

Sebuah molekul air terdiri dari sebuah atom oksigen yang berikatan kovalen dengan dua atom hidrogen. Hidrogen dan oksigen mempunyai daya padu yang sangat besar antara keduanya. Semua atom dalam molekul air terjalin menjadi satu oleh ikatan yang kuat, yang hanya dapat dipecahkan oleh perantara yang paling agresif, misalnya dengan menggunakan energi listrik atau beberapa zat kimia.

Sebuah atom oksigen (O)mempunyai sebuah inti dengan delapan proton yang terletak pada orbital kulit K (2) dan kulit L (6), jadi belum penuh dan membutuhkan 2 elektron untuk kestabilannya. Sedangkan sebuah atom hidrogen (H) mempunyai kulit elektron tunggal disekeliling intinya dengan satu elektron, jadi masih kekurangan satu elektron. Kulit yang belum terisi penuh tersebut tidak mantap sehingga elektron-elektronnya cepat bergabung dengan elektron yang lain untuk mencapai kestabilan dalam kulit, karena kulit yang terisi penuh merupakan bentuk yang mantap (stabil dalam orbital).

Unsur K L
1H 1
8O 2 6

Gambar 1.1. Elektron pada kulit terluar

  1. Ikatan Molekul Air

Dalam sebuah molekul air  dua buah atom hidrogen berikatan  dengan sebuah atom oksigen melalui dua ikatan kovalen, yang masing-masing mempunyai energi sebesar 110,2 kkal/mol sedangkan pada  ikatan hidrogen adalah 4,5 kkal.

Gambar 1.2. Ikatan kovalen

Bila dua atom hidrogen bereaksi dengan sebuah atom oksigen, maka molekul tersebut menghasilkan molekul yang berat sebelah karena kedua atom hidrogen yang melekat membentuk sudut 104,5 0 antara keduanya (Gambar 1.3).

Gambar 1.3. Bentuk Konformasi 104,5 0

Akibat perbedaan elektronegativitas antara hidrogen dengan oksigen, maka sisi molekul hidrogen bermuatan positif dan sisi oksigen bermuatan negatif.

Bentuk tiga dimensi yang terbentuk dari ikatan di atas akan menyerupai sebuah tetrahedron (Gambar 1.4.).

Gambar 1.4. Bentuk Suatu Tetrahedron

Sebuah molekul air dengan kutub-kutub positif dan negatif secara tetap menjadi dwikutub (dipolar) dengan demikian sebuah molekul air dapat ditarik oleh senyawa lain yang bermuatan positif atau yang bermuatan negatif.

Daya tarik menarik di antara kutub positif suatu molekul air dengan kutub negatif molekul air lainnya menyebabkan terjadinya penggabungan molekul-molekul air melalui ikatan hidrogen dimana ikatan ini lebih lemah dibandingkan ikatan kovalen sebelumnya. Ikatan hidrogen tidak hanya mengikat molekul-molekul air satu sama lain, tetapi dapat juga menyebabkan pembentukan hidrat antara air dengan senyawa-senyawa lain yang yang mempunyai kutub O atau N, seperti senyawa metanol atau karbohidrat yang mempunyai gugus OH (hidroksil).

Jika suhu diturunkan, terjadi pelepasan panas akibatnya pergerakan molekul-molekul air menjadi lambat pada waktu suhu menjadi 0 0C, terjadi pengkristalan.

Bila suhu air meningkat, jumlah rata-rata molekul air dalam kerumunan molekul air menurun dan ikatan hidrogen putus dan akan terbentuk lagi secara cepat.

Air berfungsi sebagai   bahan yang dapat mendispersikan berbagai senyawa yang ada dalam bahan, air dapat melarutkan berbagai bahan seperti garam, vitamin yang larut dalam air, mineral, dan senyawa cita rasa seperti yang terkandung dalam teh dan kopi.

Ion H+ dan ion OH sangat menentukan sifat biologis dan strukur molekul yang ada di dalamnya seperti protein, lipid, dan komponen sel lainnya.

Gugus hidroksil 

 

Gugus karboksil
Pada Peptida Pada DNA

Gambar 1.5. Beberapa Ikatan Hidrogen.

Larutan dalam air dapat digolongkan menjadi dua jenis yaitu yang ionik maupun yang molekuler. Sebagai contoh natrium klorida (NaCl), atom Na mendonorkan satu elektron yang berada dilapisan luar kepada atom klorida yang kekurangan satu elektron pada lapisan luarnya yang menghasilkan ion Na+ dan Cl. Keterikatan kedua ion ini karena gaya tarik elektrostatik, dimana molekul air dapat mengurangi gaya tarik menarik ion Na+ dan Cl, ion ini kemudian terhidrasi, sehingga garam dapat larut dalam air.

Ikatan hidrogen dapat terjadi antara gugus hidroksil, gugus karboksil, dalam ikatan peptida, dan antara pasangan basa dalam DNA.

  1. Jenis Air

Isoterm adsorpsi menunjukkan bahwa dalam bahan  mungkin terdapat bentuk air yang berlainan. Terdapat tiga kelompok air dalam bahan yakni  air monolapisan (langmuir), air kapiler, dan air terikat longgar. Air yang terikat dapat  tertarik dengan kuat dan  dapat terlambat dalam tahanan yang kaku dan teratur, dalam bentuk seperti ini  air tidak dapat bertindak sebagai  pelarut dan tidak membeku. Sukar untuk  membuat definisi air terikat yang kaku, karena sebagian besar bergantung pada cara yang digunakan untuk pengukuran. Dua definisi yang biasa dipakai adalah :

  1. Air terikat ialah air yang tetap tidak membeku pada suhu tertentu di bawah     0 0C, dan,
  2. Air terikat ialah banyaknya air dalam suatu sistim yang tidak dapat digunakan  sebagai pelarut.

Banyaknya air yang tidak dapat dibekukan, dihitung terhadap kandungan protein, tampaknya sedikit saja beragam dalam bahan makanan. Sekitar 8 s/d 10 % dari air total pada jaringan hewan tidak dapat dijadikan es. Putih telur, daging, dan ikan  semuanya mengandung kira-kira 0,4 gram air yang tidak dapat dibekukan per gram protein kering. Ini sesuai dengan 11,4 %  dari air total  dalam daging tak berlemak. Sebagian besar buah dan sayuran  mengandung kurang dari 6 % air tak terbekukan.

Air bebas kadang-kadang ditentukan  dengan cara  mengempa cuplikan makanan  di antara kertas saring, dengan cara mengencerkan  memakai zat berwarna yang ditambahkan, atau  dengan cara pemusingan. Tidak ada satupun  dari metode ini dapat  membedakan secara akurat  antara air bebas dan air terikat.

Hal ini  tidak mengherankan karena  isoterm adsorpsi menunjukkan bahwa pengelompokkan bentuk air terjadi  secara berangsur-angsur.

  1. Air Sebagai Pelarut

Dalam bentuk dispersi koloid, dimana partikel tidak mengendap maupun membentuk larutan. Protein senyawa yang dapat membentuk dispersi koloid, gelatin akan membentuk dispersi koloid bila ditambahkan air panas. Dalam suspensi, partikel bahan mempunyai ukuran yang besar, sehingga tidak larut dan tidak membentuk koloid, misalnya pati dalam air dingin.

Air mendispersi/melarutkan berbagai zat berdasarkan sifat dwi kutubnya, seperti NaCl (membentuk ion) selanjutnya beberapa zat yang tidak membentuk ion  tapi termasuk dalam senyawa polar seperti aldehida, alkohol, dan gula dapat larut dalam air. Kelarutan dari zat seperti di atas disebabkan oleh adanya gugus hidroksil (alkohol dan gula) dan gugus oksigen karbonil (aldehida dan keton).

  1. Interaksi Hidrofobik

Air dapat mendispersi senyawa amfipatik (senyawa dengan gugus hidrofobik dan gugus hidrofilik) yang mempunyai gugus polar dalam molekulnya misalnya pada asam lemak. Sebagai contoh ialah garam Na-oleat.

Natrium oleat mempunyai rantai hidrokarbon yang panjang, sehingga dapat dikatakan kecenderungan untuk terdispersi dalam air sangat sukar, tetapi kenyataannya bahwa rantai hidrokarbon yang panjang ini akan terdispersi di dalam air membentuk misel (disini air yang bersifat polar tidak melarutkan rantai hidrokarbon nonpolar pada asam oleat, sehingga terbentuklah misel) . Dalam hal ini, gugus karboksilnya yang bermuatan negatif timbul di permukaan sedangkan rantai hidrokarbon yang nonpolar dan tidak larut berada dibagian dalam.

Gambar 1.6. Garam Natrium oleat

Dalam bentuk misel, ada gaya tarik sesamanya melalui suatu interaksi Van der Walls yakni  antara rantai hidrokarbon yang berdekatan, gaya tarik ini dikenal sebagai interaksi hidrofobik. Contoh lain komponen sel yang membentuk struktur nonpolar dengan bagian hidrofobiknya tersembunyi dari air adalah  protein dan asam nukleat.

  1. Pembekuan dan Struktur Es

Molekul air dapat mengikat empat molekul air dan menghasilkan kisi kristal  heksagonal dalam es (gambar 1.7.).

Gambar 1.7. Ikatan Hidrogen dengan molekul air tetangga

Sifat ikatan hidrogen lain yang juga penting ialah bahwa ikatan ini terarah  dengan baik dilihat dari susunan gabungan orbital antara atom hidrogen dan atom oksigen. Panjangnya ikatan hidrogen yang berbeda-beda sangat bergantung pada struktur geometri dan distribusi elektronnya. Bentuk es misalnya, tiap molekul air memiliki ikatan hidrogen dengan panjang 1,77 Å, tiap molekul air berikatan hidrogen dengan 4 tetangganya dengan jarak antara oksigen dengan oksigen    2,76 Å,  sedangkan tiap molekul air akan  berikatan hidrogen  dengan 3 atau 4 molekul air lainnya dengan jarak  oksigen ke oksigen 2,90 Å pada suhu  15 0C, dan 3,05 Å pada suhu 83 0C. Diperkirakan hanya 15 % ikatan hidrogen  rusak jika es mencair pada suhu 0 0C. Ikatan yang kuat  dalam molekul air ini masih ada walaupun air telah dipanaskan  sampai 100 0C, ini dapat dilihat dengan tingginya panas  penguapan air dan ikatan hidrogen ini hanya akan lepas secara tuntas jika air  dipanaskan  sampai 600 0C.

Kecenderungan untuk membentuk ikatan hidrogen terdapat juga  antara tiap atom yang bermuatan negatif (misalnya oksigen, nitrogen, dan fluor) dengan hidrogen yang terikat kovalen pada atom bermuatan negatif lainnya.

Ikatan hidrogen dapat terbentuk antara dua molekul tetapi dapat juga antara dua bagian  yang berlainan dalam satu molekul. Jika di dalam air hanya terdapat satu ikatan hidrogen antara dua molekul zat yang larut, ikatan ini akan kalah bersaing dengan air sekelilingnya. Tetapi apabila antara dua struktur dalam air terdapat banyak ikatan hidrogen, maka diperlukan energi yang tinggi untuk melepaskannya, karena itu struktur tersebut sangat stabil dalam air, misalnya molekul protein atau asam nukleat dimana dalam molekulnya terdapat beratus-ratus bahkan beribu-ribu ikatan hidrogen.

  1. Beberapa Sifat Larutan

Sifat larutan dibutuhkan untuk menunjang pengetahuan mengenai reaksi kimia dan pemindahan zat nutrisi dari sel ke sel atau dari larutan dan jaringan sekitarnya ke sel. Pada umumnya sel makhluk hidup diisi oleh sejumlah cairan dan dinding sel berfungsi sebagai membran.

  1. Difusi, adalah suatu proses di mana molekul-molekul dalam larutan didistribusikan dirinya secara merata di seluruh larutan. Derajat distribusi ini bergantung pada beberapa faktor seperti suhu dan besar partikel.
  2. Osmosis dan tekanan osmotik, jika suatu larutan dipisahkan  dari air dengan suatu membran semipermiabel, maka air akan merembes masuk ke dalam larutan dan mengencerkan larutan tersebut. Perpindahan air melalui membran semipermabel disebut osmosis.jika perembesan cairan tidak diinginkan, maka terhadap larutan harus diberikan sejumlah tekanan yang disebut tekanan osmotik. Jadi tekanan osmotik suatu larutan ialah sejumlah tekanan yang harus diberikan kepada larutan tersebut untuk mencegah penambahan isinya jika ia dipisahkan oleh membran.

Jika tekanan osmotik larutan di luar sel lebih besar dibandingkan dengan di dalam sel, maka tekanan di luar sel tersebut adalah hipertonik terhadap sel. Perpindahan air dari dalam keluar sel mengakibatkan sel keriput, ini disebut plasmolisis. Sebalikya cairan di luar sel bisa juga hipotonik terhadap cairan sel. Air akan pindah ke dalam sel dan menyebabkan sel itu menyembab disebut plasmotisis. Jika tidak terjadi pemindahan  cairan dari luar ke dalam maupun sebaliknya disebut isotonik.

  1. Dialisis, jika membran sel dapat meloloskan beberapa molekul atau ion lain, maka molekul kompleks yang besar dapat dipisahkan dari molekul atau ion yang sederhana yang lebih kecil, misalnya larutan NaCl dan Albumin. Jika larutan ini dipisahkan dari air oleh membran yang dapat meloloskan ion Na+ dan ion Cl, tapi tidak meloloskan molekul albumin, maka NaCl dapat dipisahkan dengan albumin. Agar albumin bebas dari larutan garam, maka air disebelahnya harus sering ditukar. Jadi proses pemisahan yang membiarkan molekul sederhana berdifusi melalui membran disebut dialisis.
  2. Penurunan Titik Beku, tekanan osmotik dan penurunan titik beku sangat berhubungan. titik beku suatu larutan turun sebanding dengan jumlah senyawa yang larut di dalamnya.
  3. Peningkatan Titik Didih, peningkatan titik didih jarang digunakan untuk material biologi, sebab dalam protoplasma sel hidup akan berubah jika dipanaskan, misalnya albumin.

LATIHAN

  1. Diskusikan ikatan kovalen dan ikatan hidrogen pada molekul air
  2. Diskusikan, mengapa bentuk es  dapat mengapung dalam air.
  3. Diskusikan ikatan hidrogen antara pasangan basa pada DNA.
  4. Mendiskusikan terbentuknya struktur es.
  5. Mendiskusikan sifat larutan.

RANGKUMAN

Air Sebagai Pelarut Biologis.

Kehidupan yang dimulai 3 milyard tahun yang lalu di dalam air terus dipertahankan. Air adalah material yang terbanyak jumlahnya di dalam tubuh organisma. Air begitu banyak dan memiliki titik beku yang rendah  serta titik didih yang tinggi. Di dalam kehidupan, peranan air adalah menyediakan sistim fluida dimana proses biokimia dapat berlangsung.

Ikatan Hidrogen.

Air mempunyai perilaku lain yang berperan penting dalam biologi, karena kalor penguapan yang tinggi. Suatu organisma dapat melepaskan kalor hanya dengan menguapkan sejumlah kecil air. Karena kapasitas kalornya tinggi, suatu organisma dapat menyerap sejumlah besar air tanpa terjadi perubahan besar dari suhu tubuhnya.

Sifat seperti di atas merupakan hasil interaksi antara molekul air melalui interaksi gaya dari dipol permanen disebut ikatan hidrogen. Hal ini dapat terjadi apabila dipol mengandung atom hidrogen dengan muatan positif parsial sedangkan dipol yang lain mengandung oksigen atau nitrogen bermuatan negatif parsial.

Hidrofobik.

Senyawa nonpolar dan polar tidak cocok dan tidak dapat ada bersamaan dalam fase tunggal. Salah satu yang dapat tersebar dalam pelarut bebas yaitu senyawa ampifatik yang memiliki karakter non polar dari polar gaya penggerak dalam penyebaran (dispersi) umum disebut ikatan apolar/hidrofobik jika pelarut polarnya adalah air.

Misel seperti contoh oleat dan air, pada suhu ruang asam, oleat berbentuk cair dan tidak larut dalam air. Dari rumus oleat bahwa bagian terbesar oleat adalah nonpolar (bagian yang tidak larut dalam air) tetapi karena ada gugus  karboksilat –COOH, berarti memiliki karakter polar yang walaupun cukup kecil

EVALUASI

  1. Jelaskan mengapa ikatan hidrogen lebih lemah dibandingkan ikatan kovalen dalam larutan air.
  2. Jelaskan mengapa es dapat mengapung dalam larutan air.
  3. Gambarkan dan jelaskan ikatan hidrogen dengan gugus hidroksil dan gugus karboksil.
  4. Gambarkan dan jelaskan struktur es yang terbentuk dari 4 molekul air.

DAFTAR PUSTAKA

De Man, J.M. 1997. Kimia Makanan. Terjemahan. ITB. Bandung.

Girindra, A. 1986. Biokimia 1. Gramedia. Jakarta.

Lehninger, A..L., et al. 1997. Principles of Biochemistry. 2nd .Worth Publisher.    New York.

Kay, E.R.M. 1966. Biochemistry : An Introduction to Dynamic Biology. Collier-Macmillan.Canada.

Nur, M. A. 1990. Konsep Modern Biokimia I. PAU-Ilmu Hayat IPB. Bogor.

Winarno, F,G. 1989. Kimia Pangan dan Gizi. Gramedia. Jakarta.

SENARAI

Hidrofobik : Tidak suka air
Dispersi : Melarutkan
Tetrahedron : Bentuk 3D dari air

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

Veronika

Flickr Photos

The Aged and the Ageless

Photonic Symphony

Kuifmees / Crested Tit / Mésange huppée

More Photos
%d bloggers like this: