BIOKIMIA
advertisement
1 MODUL PERKULIAHAN BIOKIMIA TIM PENYUSUN Dr. Ir. Syamsuddin,M.Si Dr. Rita Hayati, SP.,M.Si Dr. Ir, Zuyasna, M.Sc Dr. Bakhtiar, SP., M.Si Marai Rahmawati, SP, M.Sc Ir. Agam Ihsan Hereri, MP Logo FAKULTAS PERTANIAN UNIVERSITAS SYIAH KUALA 2012 2 KATA PENGANTAR Biokimia adalah ilmu yang mempelajari tentang peranan berbagai molekul dalam reaksi kimia dan proses yang berlangsung dalam makhluk hidup. Jangkauan ilmu Biokimia sangat luas sesuai dengan kehidupan itu sendiri. Tidak hanya mempelajari proses yang berlangsung dalam tubuh manusia, ilmu Biokimia juga mempelajari berbagai proses pada organisme mulai dari yang sederhana sampai yang kompleks. Ruang lingkup biokimia antara lain meliputi studi tentang susunan kimia sel, sifat-sifat senyawa serta reaksi kimia yang terjadi dalam sel, senyawa-senyawa yang menunjang aktivitas organisme hidup serta energi yang diperlukan atau dihasilkan. Dengan kata lain Biokimia menyangkut dua aspek yaitu struktur senyawa dan reaksi antar senyawa dalam organisme hidup. Reaksi kimia yang terjadi dalam sel disebut metabolisme merupakan bagian penting dan pusat perhatian dalam biokimia. Untuk memberikan pemahaman mengenai konsep-konsep dasar yang terjadi dalam berbagai proses dalam kehidupan, maka diberikanlah modul biokimia yang dibagi menjadi delapan topik utama yaitu: Biomolekul, Air, Karbohidrat, Lemak, Protein, Enzim, Asam Nukleat dan Bioenergetika. Oleh karena itu, pengetahuan tentang ilmu biokimia sangat penting untuk dipahami oleh semua orang, khususnya mahasiswa, sehingga kita mampu memahami proses pada setiap organisme hidup di alam ini. Ucapan terimakasih tim penulis sampaikan kepada tim-tim pengajar Biokimia yang telah berpartisipasi dalam pembentukan outline modul ini, khususnya kepada Prof. Dr. Ir. Zainal Abidin Pian, MS yang telah memberikan masukan pada modul ini. Semoga modul ini bermanfaat bagi kita semua. Amin. Banda Aceh, 26 November 2012 Tim Penyusun 3 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR................................................................................. iii DAFTAR ISI............................................................................................... iv BAB I PENDAHULUAN...................................................................... 1 1.1 Pengertian Biokimia......................................................................... 1 1.2 Komponen kimiawi Sel.................................................................... 4 1.3 Biomolekul dan Dinamisasinya........................................................ 5 BAB II BIOMOLEKUL........................................................................... 9 2.1 Komposisi Benda Hidup: Biomolekul.............................................. 9 2.2 Komposisi Kimiawi Benda Hidup Berbeda dengan Komposisi Kimiawi Kerak Bumi...................................................................... 10 2.3 Kebanyakan Biomolekul Adalah Senyawa Karbon......................... 11 2.4 Biomolekul Organik Mempunyai Bentuk dan Ukuran Spesifik...... 12 2.5 Gugus Fungsionil Biomolekul Organik Menentukan Sifat Kimia... 13 BAB III AIR............................................................................................. 22 3.1 Air dan Ikatan Hidrogennya..................................................... 22 3.2 Air Sebagai Pelarut................................................................. 24 3.3 Interaksi Hidrofobik........................................................... ..... 25 3.4 Beberapa Sifat Larutan.................................................... ........ 26 3.5 Konsentrasi Ion Hidrogen........................................................ 27 3.6 Disosiasi Elektrolit.................................................................. 29 3.7 Bufer........................................................................................ 36 BAB IV KARBOHIDRAT................................................................. 40 4.1 Monosakarida............................................................................ 41 4.2 Oligosakarida............................................................................ 43 4.3 Polisakarida............................................................................... 45 4.4 Derivat dan Gabungan Karbohidrat.................................................... 47 4.5 Fungsi Biologi Karbohidrat................................................................. 48 BAB V LIPID............................................................................................. 49 5.1 Pengertian dan Ciri Khas.................................................................. 49 5.2 Fungsi Biologi dari Lipid.................................................................. 49 BAB VI PROTEIN..................................................................................... 58 6.1 Fungsi Protein.................................................................................... 60 6.2 Komponen penyusun protein............................................................. 60 6.3 Struktur Asam Amino........................................................................ 60 6.4 Macam Asam Amino......................................................................... 61 BAB VII ASAM NUKLEAT..................................................................... 68 7.1 Komposisi Kimia Asam Nukleat....................................................... 68 4 7.2 7.3 Komposisi Basa Penyusun Asam Nukleat......................................... 76 Fungsi Biologi Asam Nukleat........................................................... 79 BAB VIII ENZIM...................................................................................... 82 8.1 Penamaan Dan Klasifikasi Enzim...................................................... 82 8.2 Koenzim, Gugus Prostetik Dan Aktivator......................................... 83 8.3 Kinetika Reaksi.................................................................................. 84 8.4 Kinetika Reaksi Enzim...................................................................... 85 8.5 Mekanisme Reaksi Enzim................................................................. 87 BAB X VITAMIN................................................................................. 89 9.1 Klasifikasi Enzim.............................................................................. 89 9.2 Vitamin Yang Larut Dalam Minyak Atau Pelarut Lemak................ 90 9.3 Vitamin Yang Larut Dalam Air........................................................ 92 BAB IX METABOLISME dan ENERGETIKA.................................... 99 10.1 Metabolisme...................................................................................... 99 10.2 Pola Reaksi Di Dalam Sel Hidup (In Vivo)...................................... 100 10.3 Jalur (Pathways) Metabolisms........................................................... 103 10.4 Bioenergitika..................................................................................... 105 DAFTAR PUSTAKA................................................................................... 120 5 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Pengertian Biokimia Biokimia adalah ilmu yang mempelajari tentang peranan berbagai molekul dalam reaksi kimia dan proses yang berlangsung dalam makhluk hidup. Jangkauan ilmu Biokimia sangat luas sesuai dengan kehidupan itu sendiri. Tidak hanya mempelajari proses yang berlangsung dalam tubuh manusia, ilmu Biokimia juga mempelajari berbagai proses pada organisme mulai dari yang sederhana sampai yang kompleks. Definisi Biokimia Menurut Para Ahli. Biokimia adalah Bios = Yunani, artinya ―hidup‖ ―Kimia mahluk hidup; Kimia yang terjadi dan menjadi ciri kehidupan.‖ (Webster‘s dictionary). Biokimia adalah kimia dari bahan-bahan dan proses-proses yang terjadi dalam tubuh mahluk hidup; sebagai upaya untuk memahami proses kehidupan dari sisi kimia (WebNet dictionary). Fungsi biologis dari sudut pandang kimia. Pemahaman bentuk dan fungsi biologis dari sudut pandang kimia bertujuan untuk memahami interaksi molekulmolekul tak hidup yang menghasilkan fenomena kompleks dan efisien yang menjadi ciri-ciri kehidupan serta menjelaskan keseragaman kimia dari kehidupan yang beragam. Hubungan biokimia dengan ilmu lain: Kimia Organik yang mempelajari sifatsifat biomolekul. Biofisika, yang memanfaatkan teknik-teknik fisika untuk mempelajari struktur biomolekul. Nutrisi, yang memanfaatkan pengetahuan tentang metabolisme untuk menjelaskan kebutuhan makanan bagi mahluk hidup mempertahankan kehidupan normalnya. Kesehatan, yang mencari pemahaman tentang keadaan sakit dari sudut pandang molekular. Mikrobiologi, yang menunjukkan bahwa organisme sel tunggal dan virus cocok untuk digunakan sebagai sarana mempelajari jalur-jalur metabolisme dan mekanisme pengendaliannya. Fisiologi, yang mempelajari proses kehidupan pada tingkat jaringan dan organisme. Biologi sel, yang mempelajari pembagian kerja biokimia dalam sel. Genetika, yang mempelajari mekanisme penyusunan identitas biokimia sel. Jadi ruang lingkup biokimia antara lain meliputi studi tentang susunan kimia sel, sifat-sifat senyawa serta reaksi kimia yang terjadi dalam sel, senyawa-senyawa yang menunjang aktivitas organisme hidup serta energi yang diperlukan atau dihasilkan. Dengan kata lain Biokimia menyangkut dua aspek yaitu struktur senyawa dan reaksi antar senyawa dalam organisme hidup. Reaksi kimia yang terjadi dalam sel disebut metabolisme merupakan bagian penting dan pusat perhatian dalam biokimia. Untuk memberikan pemahaman mengenai konsep-konsep dasar yang terjadi dalam berbagai proses dalam kehidupan, maka diberikanlah modul biokimia yang dibagi 6 menjadi delapan topik utama yaitu: Biomolekul, Air, Karbohidrat, Lemak, Protein, Enzim, Asam Nukleat dan Bioenergetika. Biokimia menarik untuk dipelajari, karena materinya berorientasi pada proses-proses kehidupan yang berlandaskan kimia dan kaidah-kaidahnya, terutama kimia organik. Tidak salah bila dikatakan bahwa biokimia mempelajari dinamisasi komponen-komponen kimia penyusun sel. Bagaimana senyawa kimia penyusun sel yang struktur dan komposisi berbeda dapat berinteraksi dan berintegrasi satu sama lain dan terorganisasi dengan baik dalam wujud/bentuk makhluk hidup atau organisme. Untuk menjawab pertanyaan tersebut, kita mencoba membedakan antara struktur benda mati (abiotik) dengan struktur organisme/benda hdup (biotik atau: sel) terlebih dulu sebagai suatu orientasi untuk memahami biokimia. Bila suatu benda mati, misalnya pasir, batu, tanah, air dan lain-lain dibiarkan di alam terbuka untuk beberapa waktu, akan terlihat perubahan strukturnya, baik struktur eksternal maupun internal. Pada akhirnya, benda tersebut akan hilang menyamakan diri atau menyatu dengan alam sekitarnya atau benda sekelilingnya. Akan tetapi, bila suatu benda hidup atau organisme, misalnya seekor tikus, dibiarkan untuk beberapa lama di alam terbuka, dengan asumsi segala keperluan untuk hidupnya dipenuhi, maka akan terlihat struktur eksternal dan internalnya tetap utuh sebagaimana kodratnya seekor tikus. Mengapa demikian?, sistem apakah yang terjadi pada organisme tersebut sehingga struktur eksternal dan internalnya dapat bertahan? Biokimialah yang akan menerangkan, mengapa seekor tikus itu dapat mempertahankan kodratnya selama ia masih hidup. Dari uraian di atas dapatlah dikaji bahwa benda mati maupun organisme sama-sama dibangun oleh unsur-unsur kimia yang sama, tetapi berbeda dalam struktur dan tatanan. Benda mati tidak memiliki struktur dan tatanan sehingga dapat dikatakan benda mati disusun oleh unsur-unsur kimia yang tidak beraturan atau amburadul. Sedangkan pada organisme, unsur kimia yang membangunnya memiliki srtruktur dan tatanan, bahkan memiliki arsitektur. Perbedaan secara biofisika struktur molekuler yang menyusun benda mati (abiotik) dan struktur molekuler yang menyusun organisme (biotik)dapat diilustrasikan sebagai berikut (Tabel 1.1). 7 Tabel 1.1 Perbedaan Struktur Molukuler yang menusun benda Mati dan struktur molukuler yang menyusun organisme. Struktur Molekuler Benda Mati Struktur Molekuler Organisme Struktur dan susunannya seder- Struktur dan susunannya kom-pleks hana dan tidak terorganisasi, tidak terorganisasi secara sem-purna, baik beraturan dan amburadul eksternal-internal, mikroskopismakroskopis. Setiap bagian atau komponen Setiap bagian atau komponen yang yang membangun benda tidak membangun organisme (sel) memiliki memiliki fungsional. fungsional khusus, baik makroskopis (kulit, daun, akar) jantung, paru-paru, ginjal, dan sebagainya) maupun mikroskopis (membran sel, sitoplasma sel, mitokhondria, intisel). Bahkan, komponen kimiawi sel seperti protein, karbohidrat, lipid, dan asam nukleat dan memiliki fungsional Memiliki lima proses kehidupan. Mampu mengubah/transformasi Tidak memiliki lima proses kehi- bentuk energi lingkungan menjadi dupan : gerak, tumbuh, iritabilitas, energi kimia untuk kehidupan. reproduksi, dan metabolisme. Jika Komponen kimia yang menyusun sel dibiarkan di alam terbuka, cende- senantiasa dinamis (turn-over) setiap rung akan terurai sampai menca-pai saat. Akibat dari semuanya itu, organisme keseimbangan dengan zat di (sel) dapat/mampu mempertahankan sekelilingnya atau sirna kodratnya Cenderung akan mempertahankan keberadaannya (eksis) di alam ini, karena memiliki proses regenerasi/ reproduksi. Tidak memiliki proses regenerasi Untuk melaksanakan lima proses kehidupan oleh organisme, diperlukan suatu kekuatan, yang dalam hal ini ada dalam bentuk energi. Energi di dalam proses kehidupan (biologi) disebut bioenergi. Energi atau bioenergi yang dapat diterima pada sistem biologi ialah energi dalam bentuk energi kimia, sedangkan untuk melaksanakan lima proses kehidupan diperlukan berbagai bentuk energi, seperti kimia, kalor, listrik, mekanik, osmotik, genetik, dan sebagainya. Bagaimanakah energi kimia di dalam sistem biologi (baca: di dalam sel) dapat diubah atau ditransformasi menjadi berbagai bentuk energi lain? 8 Organisme atau sel memiliki sistem transformasi atau sistem konversi, yaitu sistem di mana dari satu bentuk energi dapat diubah menjadi bentuk energi lain. Tabel 1.2 berikut memperlihatkan perubahan bentuk-bentuk energi yang terjadi pada organisme/ sel. Tabel 1.2 Transformasi atau konversi energi yang terjadi di dalam organisme Transformasi Energi: Kimia Suara Radiasi Radiasi Kimia Kimia Kimia Kimia Pada sel/organ listrik listrik kimia listrik osmotik mekanik radiasi listrik otak dan saraf telinga bagian dalam khloroplas mata ginjal otot/muskulus epitel bersilia kunang-kunang indra pencicip (sumber: General Zoologi. G`h. Ed. 1973. oleh Claude A. Villee dkk,). 1.2 Komponen Kimiawi Sel Kebanyakan sel disusun atau dibangun oleh senyawa organik. Sebagai contoh, sel bakteri E. coli terdiri atas lebih 3000 macam molekul protein, lebih 3000 macam molekul asam nukleat, 5 macam molekul karbohidrat, 20 macam molekul lipid, dan molekul-molekul turunan Berta ion-ion inorganik, seperd yang diperlihatkan oleh Tabel 1.3 berikut. Tabel1.3 Molekul yang membangun sel E. coli % bobot Dugaan Macam Komponen Molekul Total Molekul Air, HO 70 1 Protein 15 > 3000 Asam Nukleat : - ADN dan ARN 7 > 3000 Karbohidrat 3 5 Lipid 2 20 2 500 Turunan protein, as, nukleat karbohidrat dan lipid 9 Ion-ion inorganik 1 20 Sumber: Principles of Biochemistry oleh L. Lehninger. 1982 Dari Tabel 1.3 di atas, ternyata sel dibangun oleh empat molekul (makromolekul/polimer) yaitu: protein, asam nukleat, karbohidrat, dan lipid. Keempat makromolekul itu disebut biomolekul, yaitu sebagai materi dasar pembangun sel atau organisms hidup. Biokimia sebenarnya mempelajari dinamisasi (turn-over) beserta dengan perubahan-perubahan yang terjadi di dalam sel hidup. Sebelum mengkaji dinamisasi beserta dengan perubahan-perubahan yang terjadi, termasuk bioenergi, terlebih dulu, perlu mengkaji fungsi biologi, struktur, dan sifatsifat kimiawi dari keempat biomolekul tadi. Suatu keunikan, walaupun keempat biomolekul tadi bervariasi dalam ukuran, struktur, dan fungsionalnya, mereka disusun bersama-sama oleh Senyawa sederhana. Makromolekul protein disusun oleh: dua puluh α-asam amino, makromolekul karbohidrat disusun oleh tiga monosakarida utama, makromolekul lipid disusun oleh tujuh komponen utama, dan asam nukleat disusun oleh delapan komponen utama. Tabel 1.4, berikut, memperlihatkan komponen penyusun keempat biomolekul yang terdiri atas 35 senyawa kimia sederhana. Tabel 1.4 Komponen utama penyusun empat biomolekul: Protein, karbohidrat, lipid, dan asam nukleat Protein Komponen Penyusun Molekul Biomolekul Protein Karbohidrat Lipid 20 (X-asam amino : alanin, valin, leusin, isoleusin, prolin, metionin, fenilalanin, triptofam, glisin, serin, treonin, sistein, tirosin, asparagin, glutamat, lisin, arginin, histidin, as. asparat dan as.glutamat 3 monoksida glukosa, ribosa dan deoksiribosa 2 alkohol gliserol dan kholesterol 2 asam lemak asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh 2 fosfatidil fosfatidilkholin dan fosfatidilinositol 1 asam fosfat Asam nukleat 5 basa N citosin (C), Urasil (U), timin (T), adenin (A) dan guanin (G) 1 asam asam fosfat (H3PO4) 1.3 Biomolekul Dan Dinamisasinya Komponen-komponen senyawa kimia yang membangun sel senantiasa dalam keadaan dinamis, artinya setiap komponen senyawa kimia penyusun 10 biomolekul sel senantiasa diganti, sesuai dengan waktu paruhnya. Jika dimisalkan, satu sel adalah suatu kesatuan substansia kimia yang kompleks maka selalu ada pertukaran ion atau molekul. Berarti, ada ion atau molekul yang masuk (input) dan ion atau molekul yang diganti dan harus keluar (output) mening-galkan substansia (sel). Dengan demikian, sel sebagai unit terkecil kehidupan, selama ia masih hidup, terjadilah proses masuk keluar-nya ion atau molekul. Gambar 1.1 Dinamisasi (turn-over) ion atau molekul penyusun substansia (sel) Di dalam proses kehidupan, ion atau molekul yang masuk ke dalam sel ada dalam wujud/bentuk nutrien, sebagai makanan sehari-hari, dan ion atau molekul yang digantikan atau yang keluar dari sel ada dalam wujud/bentuk limbah. Tergantung kepada kondisi sel, bila sel bersangkutan masih dalam proses pertumbuhan, secara kualitatif dan kuantitatif, ion atau molekul yang masuk (input) lebih banyak dari ion atau molekul yang digantikan (output). Pada sel yang tidak lagi dalam proses pertumbuhan, dimana ukuran dan bentuk bentuk sudah stabil, ion atau molekul yang keluar akan seimbang. Untuk menggambarkan bagaimana masuk keluarnya nutrien dan limbah ke dan dari sel, perlu mengingat ukuran mulai dari atom/ion sampai dengan organisme paling besar yang ada di alam ini. Tabel 4, akan mengingatkan 11 kembali ukuran-ukuran tersebut mulai dari atom sampai organisme terbesar yang masih ada di alam ini. Bagaimanakah bila sel memerlukan molekul protein, sedangkan protein adalah suatu polimer yang berukuran raksasa (raksasanya molekul) yang berstruktur makromolekul? Proses masuk keluarnya ion atau molekul ke dan dari sel tidak terlepas dari proses bongkar pasang. Proses bongkar pasang tersebut di dalam biokimia disebut metabolisma. Bila suatu sel memerlukan suatu protein, misalnya protein ABC (makromolekul), yang disusun oleh molekul-molekul (unit) A, B, dan C, karena ukuran protein ABC ini terlalu besar, maka ia tidak dapat masuk ke dalam sel dan agar kebutuhan sel terhadap protein ABC tersebut terpenuhi, terjadilah proses bongkar-pasang, dimana protein ABC lebih dulu harus dibongkar menjadi unit -unit A, B, dan C. Karena ukurannya memungkinkan, unit-unit A, B, dan C dapat masuk ke dalam sel. Setelah unit-unit A, B, dan C tersebut masuk ke dalam sel maka terjadilah proses pasang atau perakitan unit-unit A, B, dan C menjadi protein ABC kembali. Metabolisms dalam biokimia memiliki pengertian yang lebih luas lagi, bukan sekadar bongkar pasang suatu senyawa kimia, tetapi juga mengandung arti sintesis. Tabel 1.5 Ukuran mulai dari atom sampai organisms terbesar yang pernah ada di alam ini (diambil dari: Bioclwwsin oleh C.K. Matehews dan K.E. van Holds, 1990) Pengertian sintesis ialah membentuk senyawa -senyawa baru, dalam hal ini membentuk molekul protein baru yang diperlukan oleh suatu sel terutama yang berkaitan dengan genetika. Misalnya, sel dalam mempertahankan kodratnya di 12 alam ini harus menyintesis protein khusus, sesuai dengan kodratnya. Metabolisma yang akan dibicarakan hanya sampai pada bongkar pasang, artinya tidak menyintesis protein baru. Metabolisma yang membicarakan pembentukan protein khusus akan dibicarakan khusus pada biokimia genetik. Met abolisma bongkar pasang yang akan dibicarakan dalam bent uk proses reaksi kimia, artinya memenuhi kaidah-kaidah atau fenomena-fenomena reaksi-reaksi kimiawi. Bagairnanakah suatu reaksi kimia itu dapat terjadi di dalam sel? Inilah suatu keunikan atau keajaiban dari sekian banyak rahasia alam. Ilmu pengetahuan, antara lain, memang mempelajari rahasia alam. ini. Marilah, kita membandingkan reaksi-reaksi rang terjadi di dalam tabung atau in vitro (vitro = kaca) dan reaksi yang terjadi di dalam sel atau in vivo (vivo = hidup). Reaksi dalam tabung/invitro Wadah reaksi: tabung reaksi (invitro) Dalam sesaat, hanya dua zat (dua reaktan) yang dapat melakukan reaksi dan dapat diamati serta dirasakan peristiwa-peristiwa: mengeluarkan panas (eksoterm) atau me nyerap panas (endoterm), perubahan warna, mengeluarkan asap atau partikelpartikel, terdengar suara, dan akhirnya tabung dapat pecah Reaksi dalam sel/invivo Wadah reaksi: sel hidup (invivo) Dalam sesaat, dapat terjadi lebih dari dua zat yang bereaksi (simultan) dan tidak dapat diamati dan dirasakan Reaksi dapat terus- menerus, dengan asumsi kebutuhan sel dipenuhi Reaksi tidak dapat terus-menerus Reaksi hanya terjadi pada temperatur (akan berhenti) tubuh atau isoterm. Reaksi dapat terjadi pada berbagai temperatur Bagaimana reaksi di dalam sel dapat terjadi pada kondisi temperatur tetap (isoterm) dan dapat berlangsung terus-menerus selama sel tersebut masih hidup? Apakah ada pola reaksi khusus yang terjadi di dalam sel? Dan siapakah yang mengendalikan jalannya reaksi pada setup saat sehingga reaksireaksi tersebut tidak bertabrakan? Berikut, biokimia akan menjelaskannya. 13 BAB II. BIOMOLEKUL Kira-kira 20 milyar tahun yang lalu jagat raya terbentuk, dengan ledakan dahsyat yang melemparkan partikel-partikel subatom yang panas, dan kaya energi ke ruang angkasa. Lambat-laun, dengan mendinginnya jagat raya, partikel-partikel elementer ini bergabung dan membentuk inti bermuatan positif yang dapat menarik elektron yang bemuatan negatif. Dengan demikian terbentuklah beratus-ratus atau lebih elemen kimiawi. Setiap atom tunggal yang ada di dalam jagat raya sekarang mi, termasuk atom-atom organisme hidup, terbentuk dan ―ledakan dahsyat.‖ Dengan demikian kita ini dan pada dasarnya, semua makhluk hidup terbentuk dari debu bintang. Senyawa-senyawa organik sederhana yang merupakan pembentuk organisme hidup adalah bersifat khas dan tidak ada di bumi sekarang in kecuali sebagai produk aktivitas biologis. Senyawa pembangun mi, yang disebut biomolekul, dipilih selama masa evolusi biologis agar sesuai dalam melaksanakan fungsi-fungsi sel tertentu, senyawa-senyawa tersebut identik dengan semua organisme. Biomolekul dihubungkan satu sama lain dan berinteraksi dalam bentuk ―permainan‖ molekul atau logik. Ukuran, bentuk dan reaktivitas kimiawi biomolekul memungkinkan mereka tidak saja untuk berfungsi sebagai unsur pembentuk struktur sel yang rumit, tetapi juga berperan serta dalam transformasi energi dan materi yang berlangsung secara dinamis dan berkesinambungan. Oleh sebab itu biomolekul haruslah diteliti dan dua pandangan, yakni dari pandangan kimiawan dan dari pandangan biologiwan. Biokimia adalah superkimia (superchemistry). 2.1 Komposisi Benda Hidup: Biomolekul Kita telah melihat banyaknya kesamaan pada komposisi kimiawi spesies hewan dan tumbuhan yang berbeda. Contohnya, semua molekul protein di dalam semua spesies hidup terbuat dari susunan 20 asam amino yang sama. Demikian pula semua asam nukleat di dalam semua spesies terbuat dari susunan nukleotida yang sama. Namun demikian, kita sekarang akan melihat bahwa komposisi kimiawi benda hidup amat berbeda dengan benda tak berjiwa dari kerak bumi. Oleh karena itu, kita dapat menanyakan beberapa pertanyaan dasar, pada awal telaah kita mengenai biomolekul dan interaksinya. Unsur kimia apakah yang ditemukan di dalam sel. Jenis molekul apakah yang ada di dalam benda hidup. Pada proporsi berapa. Bagaimana munculnya molekul tersebut. Dalam hal apakah jenis-jenis molekul yang dijumpai di dalam benda hidup terutama sesuai dengan peranannya. Di dalam mencari jawaban pertanyaan ini, kita perlu meneliti biomolekul seperti yang kita lakukan terhadap molekul nonbiologi, dengan prinsip dan pendekatan yang sama, yang dipergunakan di dalam kimia klasik. Akan tetapi, kita juga harus memandang biomolekul dari sudut biologi, yakni dengan konsep bahwa jenis molekul yang berbeda di dalam benda hidup saling berhubungan dan 14 berinteraksi bersama-sama dalam istilah yang kita sebut sebagai logika molekuler keadaan hidup. 2.2 Komposisi Kimiawi Benda Hidup Berbeda dengan Komposisi Kimiawi Kerak Bumi Hanya 27 dari 92 unsur kimia alami yang penting bagi berbagai bentuk hidup; unsur-unsur ini tersusun di dalam Tabel 2.1. Kebanyakan unsur di dalam benda hidup mempunyai bilangan atom yang relatif rendah; hanya tiga yang mempunyai bilangan atom di atas 34. Terlebih lagi, distribusi unsur yang ditemukan di dalam organisme hidup tidak proporsionil dengan komposisinya di dalam kerak bumi (Tabel 1.2). Keempat unsur yang paling berlimpah di dalam organisme hidup yang dihitung berdasarkan persentase jumlah total atom adalah hidrogen, oksigen, karbon, dan nitrogen; bersama-sama, keempat unsur ini menyusun sampal 99 persen massa pada kebanyakan sel. Tiga di antara unsur ini, hidrogen, nitrogen, dan karbon terdapat dalam jumlah jauh lebih banyak di dalam benda hidup dibandingkan dengan jumlahnya pada kerak bumi. Perbedaan dalam komposisi unsur pada kerak bumi dan benda hidup bahkan lebih nyata lagi jika kita menghitung komposisi ini dalam berat kering atau bagian padat benda hidup, tanpa mengikut-sertakan kandungan airnya yang mencapai lebih dari 75 persen. Tabel 2.1 Bioelemen ( Unsur-unsur berikut ini telah ditemukan sebagai komponen penting bagi benda hidup; akan tetapi, tidak semua unsur kelumit yang terdaftar disini diperlukan oleh tiap spesies Unsur Utama Benda Organik Karbon ( C ) Hidrogen (H) Oksigen (O) Nitrogen (N) Fosfor (P) Sulfur (S) Insur yang terdapat sebagai Ion Sodium ( Na+) Potasium ( K+) Magnesium (Mg2+) Kalsium ( Ca2+) Khlor (Cl-) Unsur kelumit Besi ( Fe) Baja (Cu) Seng (Zn) Mangan (Mn) Kobalt ( Co) Iodium (I) Molibdenum (Mo) Vanadium (V) Unsur Kelumit Nikel (Ni) Khromium (Cr) Fluor (F) Selenium (Se) Silikon (Si) Timah (Sn) Boron (B) Arsenikum (As) Karbon menyusun 50 sampai 60 persen berat kering sel hidup, nitrogen hampir 8 sampai 10 persen, oksigen kira-kira 25 sampai 30 persen, dan hidrogen hampir 3 sampai 4 persen. Sebaliknya, karbon, hidrogen, dan nitrogen bersama-sama hanya menyusun kurang dari 1 persen massa kerak bumi. Tetapi, dalam hal lain, delapan dari sepuluh unsur yang paling berlimpah di dalam tubuh manusia juga termasuk dalam sepuluh unsur utama di dalam air laut. 15 Dua kesimpulan sementara diberikan oleh data ini. Pertama adalah bahwa senyawa kimia yang mengandung karbon, hidrogen, oksigen, dan nitrogen, yakni unsur yang paling utama di dalam organisme hidup, mungkin telah terseleksi selama evolusi karena senyawa ini mempunyai kesesuaian yang unik bagi proses kehidupan. Yang kedua adalah bahwa air laut mungkin merupakan media cair tempat organisme hidup yang pertama muncul pada awal sejarah bumi. Tabel 2.2 Kedelapan unsur yang paling banyak dalam kerak bumi dan dalam tubuh manusia sebagai presentase total jumlah atom Kerak Bumi Unsur O Si Al Fe Ca Na K Mg Tubuh Manusia % 47 28 7,9 4,5 3,5 2,5 2,5 2,2 Unsur H O C N Ca P Cl K % 63 25,5 9,5 1,4 0,31 0,22 0,08 0,06 2.3 Kebanyakan Biomolekul Adalah Senyawa Karbon Kimiawi organisme hidup terorganisasi disekitar unsur karbon, yang mencapai lebih dan setengah berat keringnya. Karbon, seperti hidrogen. oksigen, dan nitrogen, mampu membentuk ikatan kovalen, yakni ikatan yang terbentuk oleh pemakaian bersama pasangan elektron. Atom hidrogen memerlukan satu elektron, oksigen memerlukan dua, nitrogen tiga, dan atom karbon empat untuk mengisi kulit luar masing-masing. Jadi, atom karbon dapat memakai bersama empat pasangan elektron dengan empat atom hidrogen untuk membentuk senyawa metana (CH4). Di sini, tiaptiap elektron yang dipakai bersama ini merupakan ikatan tunggal. Karbon juga dapat membentuk ikatan tunggal dengan atom oksigen dan nitrogen. Tetapi, yang paling nyata di dalam biologi adalah kemampuan atom karbon untuk memakai bersama pasangan elektron dengan sesama karbon, membentuk ikatan tunggal karbon-karbon yang stabil. Tiap atom karbon dapat membentuk ikatan tunggal dengan satu, dua, tiga atau empat atom karbon lain. Bahkan, dua atom karbon dapat memakai bersama dua pasang elektron dengan sesamanya, membentuk ikatan ganda karbon-karbon. Dengan adanya sifat ini, atom karbon yang terikat secara kovalen dapat disambung membentuk berbagai jenis struktur rantai linear, rantai bercabang, struktur siklik dan sangkar, dan kombinasi struktur-struktur ini untuk membentuk kerangka berbagai jenis molekul organik. Pada kerangka karbon ini berbagai gugus atom lain dapat diikat, karena karbon dapat juga membentuk ikatan kovalen dengan oksigen, hidrogen, dan nitrogen serta sulfur. Molekul yang mengandung kerangka karbon yang berikatan kovalen seperti itu, kita kenal sebagai senyawa organik, yang dapat dijumpai dalam jenis-jenis yang hampir tidak terbatas. Karena kebanyakan 16 biomolekul adalah senyawa karbon organik, kita dapat menyimpulkan bahwa kemampuan unsur karbon yang demikian bervariasi dalam membentuk ikatan, mungkin merupakan faktor utama dalam seleksi senyawa karbon bagi mesin molekuler sel selama muncul dan berevolusinya organisme hidup. 2.4 Biomolekul Organik Mempunyai Bentuk dan Ukuran Spesifik Keempat ikatan kovalen tunggal atom karbon terpisah di dalam suatu susunan tetrahedral dengan sudut kira-kira 109,5° di antara dua ikatannya. Sudut ini bervariasi sedikit dari satu atom karbon ke atom karbon lainnya pada molekul organik yang berbeda. Karena sifat ini, senyawa karbon organik yang berbeda dapat berbeda pula struktur tiga dimensinya. Tidak ada unsur kimiawi lain yang dapat membentuk molekul yang amat berbeda ukuran dan bentuknya, atau dengan keragaman yang tinggi pada kandungan rantai samping dan gugus fungsionilnya. Banyak dan kompleksitas yang demikian tinggi pada struktur di dalam sel yang merupakan pencerminan dari molekul organik penyusun yang berbeda ukuran dan bentuknya. Sifat kedua yang penting dari senyawa organik adalah adanya kebebasan sempurna dalam rotasi terhadap setiap ikatan tunggal karbon, kecuali jika ada gugus berukuran besar atau bermuatan tinggi yang terikat pada kedua atom karbon, yang dapat menghambat rotasi. Jadi, molekul organik dengan banyak ikatan tunggal dapat mempunyai bentuk yang berbeda-beda, disebut konformasi, tergantung pada tingkat rotasi ikatan tunggalnya. Ciri penting ketiga dari ikatan kovalen karbon adalah bahwa ikatan ini mempunyaj panjang yang khas. Ikatan tunggal karbon-karbon mempunyai panjang rata-rata 0,154 nm (atau 1,54 Ᾰ, satuan yang lebih tua ini dipergunakan di dalam kimia struktur), ikatan ganda karbon-karbon lebih pendek, kira-kira 0,134 nm. Berlainan dengan ikatan tunggal, ikatan ganda karbon-karbon bersifat kaku dan tidak membiarkan rotasi sempurna. Ikatan ganda juga membuat sudut yang lebih besar dengan ikatan tunggal lain pada atom karbon yang sama. Sudut ikatan dan panjang antar pusat ikatan dalam molekul organik diperlihatkan paling jelas oleh model bola dan tongkat, sedangkan keseluruhan bagian luar molekul organik diperlihatkan dengan baik oleh model ruang yang bersifat proporsional dalam ukuran sampai pada jari-jari atom yang berbeda. Dari pembahasan di atas kita lihat bahwa biomolekul organik mempunyai ukuran dan sifat mengisi ruang tiga dimensi yang khas, tergantung pada struktur kerangka dasar dan gugus subtitusinya. Konformasi tiga dimensi biomolekul organik merupakan hal yang paling penting dalam banyak aspek biokimia, contohnya, di dalam reaksi antara sisi katalitik suatu enzim dan substratnya. Kedua molekul harus sesuai satu dengan lainnya secara tepat, saling mengisi, untuk menjalankan fungsi biologi secara tepat. Sifat saling mengisi yang tepat ini juga diperlukan di dalam pengikatan molekul hormon oleh reseptornya pada permukaan sel dan dalam replikasi DNA serta banyak aktivitas sel lainnya. Untuk alasan ini, telaah struktur tiga dimensi biomolekul dengan metode fisik 17 yang tepat merupakan bagian penting dari penelitian modern struktur sel dan fungsi biokimiawi. 2.5 Gugus Fungsionil Biomolekul Organik Menentukan Sifat Kimia Hampir semua biomolekul organik dapat dipandang sebagai turunan hidrokarbon, yaitu senyawa karbon dan hidrogen yang mempunyai kerangka dasar yang tersusun dari atom karbon, yang dipersatukan oleh ikatan kovalen. Ikatan lain atom karbon ini dipergunakan oleh atom hidrogen. Kerangka dasar hidrokarbon bersifat sangat stabil, karena ikatan tunggal dan ganda karbon-karbon mempergunakan pasangan elektron bersama-sama secara merata. Satu atau lebih atom hidrogen pada hidrokarbon dapat digantikan oleh berbagai jenis gugus fungsionil untuk menghasilkan berbagai golongan senyawa organik. Golongan istimewa senyawa organik dengan gugus fungsional khas masingmasing adalah alkohol, yang mempunyai satu atau lebih gugus hidroksil; amina yang mempunyai gugus amino, keton yang mempunyai gugus karbonil; dan asam yang mempunyai gugus karboksil. Beberapa gugus fungsionil umum lain juga penting di dalam biomolekul. Gugus fungsionil pada biomolekul organik tersebut bersifat lebih kimiawireaktif dibandingkan dengan kerangka hidrokarbon jenuh, yang tidak mudah bereaksi dengan kebanyakan pereaksi kimia. Gugus fungsionil dapat mengubah distribusi elektron dan geometris atom-atom tetangganya dan karenanya, mempengaruhi reaktivitas kimiawi molekul organik secara keseluruhan. Dengan melihat adanya gugus fungsionil tertentu pada biomolekul organik, reaksi dan tingkahlaku kimiawi molekul tersebut dapat dianalisa dan diramalkan. Seperti akan kita lihat, enzim, katalisator sel hidup berfungsi dengan mengenali gugus fungsionil spesifik pada suatu biomolekul dan mengkatalisa perubahan kimia yang spesifik pada strukturnya. Kebanyakan biomolekul yang akan kita amati bersifat polifungsionil, mengandung dua atau lebih jenis gugus fungsionil yang berbeda. Pada molekul tersebut, tiap jenis gugus mempunyai sifat dan reaksi kimia sendiri-sendiri. Sebagai gambaran, dapat kita gunakan asam amino, suatu golongan biomolekul penting yang terutama berfungsi sebagai unit pembangun protein. Semua asam amino mengandung sedikitnya dua jenis gugus fungsionil yang berbeda, suatu golongan amino dan golongan karboksil, seperti diperlihatkan bagi alanin. Sifat-sifat kimia asam amino ini terutama tergantung pada sifat-sifat kimia gugus amino dan karboksilnya. Di antara contoh lain, biomolekul polifungsional yang biasa kita jumpai adalah gula sederhana giukosa, yang mengandung dua jenis gugus fungsionil, hidroksil dan aldehida. Berkali-kali lagi akan kita lihat bahwa gugus fungsionil pada biomolekul memegang peranan penting dalam aktivitas biologinya. Banyak Biomolekul Bersifat Asimetris Susunan tetrahedral ikatan tunggal pada atom karbon memberikan sifat penting lain pada beberapa molekul organik yang amat penting didalam biologi. Bila 18 mana terdapat empat atom atau gugus fungsionil yang berbeda, yang berikatan tunggal pada atom karbon tertentu dalam suatu molekul organik, atom karbon mi disebut asimetris, karena dapat berbentuk dua isomer yang dinamakan enansiomer yang mempunyai konfigurasi yang berbeda di dalam ruang. Seperti dapat terlihat pada, enansiomer bersifat bayangan cermin yang tidak saling menutupi (tidak identik) terhadap sesamanya. Enansiomer juga disebut isomer optik atau stereo isomer, bersifat identik dalam reaksi-reaksi kimianya, tetapi berbeda dalam sifat fisik yang amat khas, yakni kemampuan memutar bidang cahaya terpolarisasi. Jika larutan dan suatu bentuk enansiomer memutar bidang cahaya tersebut ke kanan, maka larutan enansiomer pasang memutar bidang cahaya ke kiri; sifat ini dapat diukur dengan suatu polarimeter. Senyawa yang tidak mempunyai atom karbon asimetrik tidak memutar bidang cahaya terpolarisasi. Asam amino alanin merupakan molekul asimetrik, karena atom karbon pusatnya mengandung empat golongan substituen yang berbeda: golongan metil, amino, karboksil, dan atom hidrogen. Lebih jauh lagi, kita lihat bahwa kedua enansiomer yang berbeda dari alanin bersifat bayangan cermin yang tidak saling menutupi satu terhadap Iainnya. Kedua bentuk alanin mempunyai hubungan satu terhadap lainnya, sama seperti tangan kanan dan tangan kiri; kita mengetahui dari pengalaman bahwa sarung tangan sebelah kanan tidak dapat dipakai untuk tangan kiri. Karena senyawa yang mempunyai atom karbon asimetrik dapat dianggap mempunyai bentuk ―kanan‖ dan ―kiri‖, senyawa-senyawa ini disebut senyawa ―khiral‖ (bahasa Yunani chiros, artinya tangan). Dengan demikian, atom asimetrik atau pusat senyawa khiral disebut atom khiral atau pusat. Banyak biomolekul organik, di samping asam amino bersifat ―khiral‖ dan mengandung satu atau lebih atom karbon asimetrik. Gula yang umum dijumpai, glukosa merupakan contoh lain, molekul ini mengandung tidak kurang dari lima karbon asimetrik. Lebih jauh lagi, molekul ―khiral‖ di dalam organisme hidup biasanya berada dalam salah satu bentuk ―khiral‖nya. Contohnya, asam amino pada molekul protein, seperti alanin, berada hanya dalam satu bentuk khiral. Demikian pula glukosa, unit penyusun pasti secara biologi berada hanya dalam satu dari sejumlah bentuk khiralnya. Kebalikannya, jika seorang ahli kimia organik di dalam laboratorium melakukan sintesa suatu senyawa organik yang melibatkan atom karbon asimetrik, reaksi nonbiologi yang umum membentuk kedua kemungkinan bentuk khiral pada kecepatan yang sama, menghasilkan campuran dengan konsentrasi yang sama. Kedua bentuk khiral di dalam campuran tersebut dapat dipisahkan satu dengan lainnya, hanya dengan mempergunakan metode fisik yang amat sulit. Di dalam sel hidup, biomolekul khiral dibuat oleh enzim dengan cara sedemikian rupa sehingga hanya satu diantara kedua enansiomer yang terbentuk. Hal ini terjadi, karena molekul enzim sendiri merupakan struktur khiral. Spesifisitas ruang banyak biomolekul merupakan ciri khas logika molekuler sel hidup, dan sifat ini juga mendukung secara kuat bahwa bentuk tiga dimensi biomolekul amat penting dalam fungsi biologinya. Kita akan mengamati molekul 19 khiral dan stereoisomereisme secara lebih terinci, pada saat kita mempelajari asam amino dan gula. Golongan Utama Biomolekul Di dalam Sel Adalah Molekul Berukuran Besar Tabel 2.3 memperlihatkan golongan utama biomolekul yang ditemukan di dalam bakteri Escherichia coli, persentasi berat tiap golongan dari berat total sel, dan suatu dugaan berbagai jenis biomolekul dalam tiap golongan. Air merupakan senyawa yang paling berlimpah di dalam E. coli, dan di dalam hampir semua jenis sel dan organisme. Garam anorganik dan unsur mineral sebaliknya merupakan bagian yang amat kecil dari total padatan, tetapi banyak di antaranya yang mempunyai proporsi yang sama dengan distribusinya di dalam air laut. Hampir semua benda padat dalam sel E. coli dan untuk hal ini dalam semua jenis sel merupakan senyawa onganik, dan dikenal dalam empat bentuk: protein, asam nukleat, polisakarida, dan lipid. Protein merupakan bagian terbesar dari benda hidup, tidak hanya di dalam E. coil, tetapi di dalam semua jenis sel. Memang, nama protein (bahasa Yunani, proteios) berarti ―pertama‖ atau ―utama.‖ Protein adalah produk langsung dan efektor aksi gen di dalam semua bentuk kehidupan. Banyak protein yang mempunyai aktivitas katalitik spesifik dan berfungsi sebagai enzim. Protein lain berfungsi sebagai unsur struktural di dalam sel dan jaringan. Yang lain ada di dalam membran sel dan menjalankan transport senyawa tertentu ke dalam atau ke luar sel. Banyak fungsi biologi lain yang dijalankan oleh protein yang mungkin merupakan biomolekul yang paling ―serbaguna.‖ Asam nukleat DNA dan RNA mempunyai fungsi universil yang sama pada semua sel, yakni berpartisipasi dalam penyimpanan, transmisi dan translasi informasi genetik. DNA berfungsi sebagai informasi genetik repositori, berbagai jenis RNA membantu proses translasi informasi ini menjadi struktur protein. Tabel 2.3 Komponen Molekuler Sel E.Coli Air Protein Asam Nukleat DNA RNA Polisakarida Lipid Molekul unit penyusun dan perantara Ion anorganik Persen Berat Total 70 15 Dengan Jumlah Jenis Molekul 1 3000 1 6 3 2 1 >3000 5 20 2 500 1 20 Polisakarida mempunyai dua fungsi utama. Beberapa, seperti pati, merupakan penyimp an bahan bakar penghasil energi, dan yang lain seperti selulosa, berfungsi sebagai unsur struktural pada bagian luar sel. Lipid, senyawa berlemak atau berminyak memegang dua peranan utama. Sebagai komponen struktural utama pada membran dan sebagai penyimpan bahan bakar kaya energi. 20 Keempat golongan utama biomolekul mempunyai sifat umum: senyawasenyawa ini mempunyai struktur yang relatif besar, dengan berat molekul tinggi, dan karenanya disebut makromolekul. Berat molekul protein berkisar antara 5000 sampai lebih dari 1 juta; berat molekul berbagai jenis asam nukleat berkisar sampai beberapa milyar; polisakarida seperti pati sampai jutaan. Molekul lipid jauh lebih kecil (BM 750 sampai 1500), tetapi karena lipid biasanya bersatu bersama-sama dalam jumlah ribuan untuk membentuk struktur berukuran besar yang berfungsi seperti sistem makromolekular, terutama pada ―pusat‖ membran sel, kita dapat menyimpulkan bahwa struktur lipid tersebut adalah salah satu makromolekul. Makromolekul dibangun dari Molekul Unit Pembangun yang Kecil Walaupun organisme hidup mengandung sejumlah besar protein dan asam nukleat yang berbeda, adanya kesederhanaan mendasar pada struktur tersebut. Molekul unit pembangun semua protein dan asam nukleat tidak berjumlah banyak dan bersifat identik di dalam semua spesies hidup. Protein semua spesies terbuat hanya dari 20 jenis asam amino, yang tersusun dalam berbagai urutan linier untuk membentuk rantai panjang. Demikian pula, asam nukleat yang panjang serupa rantai pada semua organisme dibangun dari sejumlah kecil nuk1eotida juga tersusun daiam berbagai urutan yang berbeda. Protein dan asam nukleat merupakan makromolekul informasi: tiap protein dan tiap asam nukleat mempunyai urutan unit pembangun yang kaya akan informasi yang khas. Polisakarida juga disusun dari berbagai unit pembangun. Pati dan selulosa, contohnya, terdiri dari rantai panjang, hanya dari sejenis unit pembangun, yakni gula glukosa. Karena polisakarida terbuat hanya dari sejenis unit, atau, dari dua unit berbeda secara bergantian, molekul ini tidak dapat membawa informasi genetik. Lebih dari 90 persen senyawa padat organik pada organisme hidup yang mengandung ribuan makromolekul, yang berbeda, dibangun dari hanya kira-kira tiga lusin jenis molekul organik kecil, sederhana yang berbeda. Jadi, kita perlu mengetahui struktur dan sifat dari relatif hanya beberapa senyawa organik, untuk memahami struktur makromolekul biologi dan beberapa pninsip pengaturan biokimia. Molekul Unit pembangun Berstruktur Sederhana Unit pembangun protein adalah 20 jenis asam amino, semua mempunyai gugus amino dan karboksil yang terikat pada atom karbon yang sama. Asam amino ini berbeda satu dengan lainnya hanya pada bagian molekul yang disebut gugus R. Unit struktural berulang dari semua asam nukleat adalah delapan jenis nukleotida: empat jenis nukleotida menyusun DNA, dan empat lainnya merupakan unit struktural RNA. Masing-masing nukleotida seterusnya mengandung tiga unit yang lebih kecil: (1) suatu basa nitrogen organik, (2) suatu gula 5-karbon, dan (3) asam fosfat. Kita telah melihat bahwa polisakarida alami yang paling banyak dijumpai, pati dan selulosa tersusun atas unit berulang dari D-glukosa. Lipid juga tersusun dari relatif hanya sedikit jenis molekul unit pembangun organik. Kebanyakan molekul 21 lipid mengandung satu atau lebih asam lemak berantai panjang, diantaranya, asam palmitat dan asam oleat adalah senyawa induknya. Banyak lipid juga mengandung suatu alkohol, contohnya gliserol, dan beberapa mengandung asam fosfat. Jadi, hanya kira-kira tiga lusin senyawa organik yang berbeda, diperlihatkan dalam Gambar 3.11 yang merupakan induk hampir semua biomolekul. Biomolekul unit pembangun mempunyai fungsi ganda di dalam organisme hidup. Sebagai contoh, Gambar 1. Memperlihatkan bahwa D-glukosa berperan bukan hanya sebagai unit pembangun karbohidrat penyimpan seperti pati, dan karbohidrat struktural selulosa, tetapi juga merupakan prekursor gula-gula lain seperti D-fruktosa, D-manosa, dan sukrosa atau gula tebu. Asam lemak berperan bukan hanya sebagai komponen lipid kompleks dalam struktur membran sel, tetapi juga sebagai komponen lemak, molekul berenergi tinggi yang berfungsi sebagai depot penyimpan bahan bakar. Asam lemak juga merupakan komponen mantel lilin pelindung pada daun dan buah tumbuhan, dan berfungsi sebagai prekursor molekul-molekul lain. Asam amino tidak hanya merupakan unit pembangun protein, tetapi beberapa juga berfungsi sebagai senyawa neurotransmiter dan sebagai prekursor beberapa hormon dan alkaloid beracun pada beberapa tumbuhan. Adenin berperan sebagai unit pembangun di dalam struktur asam nukleat, beberapa koenzim, dan ATP sebagai pembawa energi sel. Jadi, biomolekul unit pembangun merupakan asal mula atau induk kebanyakan biomolekul lain. Kita dapat menganggapnya sebagai molekul ABC benda hidup. Golongan senyawa organik sederhana di atas patut dipandang dengan kagum dan takjub, karena senyawa tersebut terseleksi selama proses evolusi dan saling bekerja sama di dalam suatu hubungan unik dan istimewa, sehingga kita menyebutnya sebagai logika molekuler organisme hidup. Terdapat Tingkatan Di dalam Struktur Sel Biomolekul unit pembangun yang telah kita amati merupakan molekul yang amat kecil dib andingkan dengan makro-molekul biologi. Sebagai contoh, suatu molekul asam amino seperti alanin berukuran lebih kecil dari 0,7 nm (panjang), sedangkan protein seperti hemoglobin, yaitu protein berwarna merah pembawa oksigen pada sel darah merah, terdiri dari sejumlah 600 unit asam amino, tersusun menjadi rantai panjang yang berlipat menjadi bentuk bulat. Molekul protein, sebaliknya kecil dibandingkan dengan contohnya ribosom jaringan hewan yang mengandung sejumlah 70 protein yang berbeda dan 4 asam nukleat. Dan ribosom, 22 sebaliknya berukuran kecil dibandingkan dengan organel seperti mitokhondria. Jadi, merupakan suatu lompatan jauh dari biomolekul sederhana sampai kepada aspek makroskopik yang lebih besar dari struktur sel. Terdapat tingkatan (hirarki) di dalam organisasi seluler. Organel, subdivisi terbesar pada sel eukaryotik terdiri dari substruktur yang lebih kecil, yang disebut sebagai susunan supramolekuler dan substruktur ini terdiri dari makromolekul. Sebagai contoh,inti sel, suatu organel, mengandung beberapa jenis susunan supramolekuler, seperti membran, khromatin dan ribosom. Tiap Supramolekuler tersebut terdiri dari makromolekul; contoh, khromatin terdiri dari DNA, RNA dan berbagai jenis protein. Tiap makromolekul sebaliknya disusun oleh unit pembangun yang lebih kecil. Pada protein asam nukleat dan polisakarida, unit pembangun masing-masing diikat satu dengan lainnya oleh ikatan kovalen, tetapi dalam susunan supramolekuler sel, contohnya ribosom, membran, atau khromatin, makromolekul diikat bersamasama oleh interaksi yang lebih lemah. Di antara jenis interaksi ini, terdapat ikatan hidrogen, yang mempunyai energi ikatan hanya beberapa kilokalori dibandingkan dengan ikatan kovalen yang mempunyai energi ikatan 80 sampai 100 kkal/mol. Berbagai protein dan molekul RNA pada ribosom juga disatukan bersama-sama dalam suatu susunan tiga dimensi yang khas dan spesifik oleh struktur masing-masing yang saling menempatkan diri secara tepat dan oleh gaya tarik yang secara individu bersifat lemah, tetapi secara kolektif bersifat kuat, misalnya seperti ikatan hidrogen. Walaupun molekul unit pembangun berukuran amat kecil dibandingkan dengan ukuran sel dan organelnya, molekul-molekul ini dapat mempengaruhi bentuk dan fungsi struktur yang lebih besar tersebut. Sebagai contoh, pada penyakit keturunan pada manusia: anemi “sel sabit,‖ molekul hemoglobin pembawa oksigen pada sel darah merah mengalami kelainan karena adanya kerusakan pada sintesa 2 dan hampir 600 unit asam amino yang menyusun hemoglobin. Perbedaan amat kecil dalam bagian yang juga amat kecil dari struktur keseluruhan molekul tersebut menghalangi hemoglobin yang bersangkutan untuk berfungsi secara normal: sel darah merahnya tidak berbentuk dan tidak berfungsi secara normal. Jadi, kita lihat bahwa ukuran, bentuk, dan fungsi biologi tidak hanya pada makromolekul, tetapi juga pada keseluruhan sel, mungkin tergantung kepada ukuran dan bentuk komponen unit pembangun sederhananya. Biomolekul Pertama-tama Timbul oleh Evolusi Kimia Karena makromolekul dalam semua spesies organisme hidup secara universal terbuat hanya dari beberapa lusin molekul unit pembangun, mungkin semua organisme hidup berasal dari keturunan sel induk yang sama. Jadi, sel yang pertamatama muncul di muka bumi dan dapat bertahan, mungkin hanya dibangun oleh beberapa lusin dari berbagai molekul organik yang kebetulan secara sendiri-sendiri dan bersama-sama mempunyai kombinasi sifat kimia dan fisik yang paling sesuãi bagi fungsinya, sebagai unit pembangun makromolekul dan untuk menjalankan fungsi 23 pengetahuan energi dasar dan fungsi berkembang biak dari sel hidup. Kelompok biomolekul utama ini mungkin telah dipertahankan dalam evolusi biologi selama bermilliun tahun karena sifat kesesuaiannya yang khas. Tetapi di sini kita menghadapi suatu dilema. Di samping kehadirannya di dalam organisme hidup, senyawa organik, termasuk biomolekul dasar, hanya terdapat dalam jumlah kecil pada kerak bumi dewasa ini. Lalu, bagaimana caranya organisme hidup pertama memperoleh unit pembangun organik masing-masing. Pada tahun 1920 A.I. Opanin mengemukakan pendapat bahwa pada awal sejarah bumi kita, berbagai senyawa organik berada pada permukaan air, mungkin pada konsentrasi tinggi. Dari ―sop‖ senyawa organik yang ―hangat‖ inilah munculnya sel hidup primitif yang pertama, pada lebih dari 3000 juta tahun yang lalu. Oparin berpendapat bahwa proses kimia dan fisik alamiah yang terjadi pada bumi kita pada saat tersebut dapat menyebabkan pembentukan senyawa organik sederhana seperti asam amino dan gula secara spontan, dari komponen atmosfir primitif yang komposisinya amat berbeda dengan udara yang kita kenal sekarang ini. Menurut teori ini, energi listrik dan pembebasan kilat, atau panas yang dibentuk selama aktivitas volkanik dapat mengaktifkan metana, amonia, uap air, dan komponen lain dari atmosfir primitif untuk bereaksi satu dengan yang lain membentuk senyawa organik sederhana. Senyawa-senyawa ini berkondensasi dan melarut ke dalam laut, yang kemudian, setelah beberapa abad secara perlahan-lahan menjadi kaya akan berbagai senyawa organik sederhana. Di dalam larutan hangat ini, beberapa molekul organik mempunyai kecenderungan yang lebih besar dari molekul lain, untuk bersatu bersama-sama menjadi struktur dan kompleks yang lebih besar. Molekul ini, seterusnya secara perlahan-lahan dan setahap demi setahap selama lebih dari jutaan tahun, akhirnya bergabung secara spontan memb entuk membran, protein dan katalisator, yang bersama-sama menjadi prekursor sel pertama primitif, dapat bertahan dan membelah diri selama beberapa tahun, pandangan Oparin tetap bersifat spekulatif dan tampaknya tidak dapat diuji. Evolusi Kimia dapat Ditiru Sekarang, konsep asal biomolekul dapat ditunjukkan oleh penyelidikan laboratorium. Percobaan klasik mengenai asal mula abiotik (non-biologi) biomolekul organik dilakukan pada tahun 1953 oleh Stanley Miller. Beliau mempertemukan campuran gas metana, amonia, uap air, dan hidrogen dengan bunga api listrik melalui sepasang elektroda, untuk meniru proses kilat alamiah, selama beberapa minggu. Lalu, beliau mendinginkan isi bejana dan menganalisis produk yang dihasilkan. Miller menemukan bahwa fase gas mengandung karbon monooksida, karbon dioksida, dan nitrogen yang tampaknya terbentuk dari gas yang dimasukkan pada awal percobaan. Di dalam kondensat yang berwarna gelap, ditemukan senyawa organik terlarut dalam jumlah yang cukup nyata. Di antara senyawa yang diidentifikasi di dalam campuran ini ditemukan asam α-amino, termasuk beberapa yang diketahui merupakan 24 komponen protein. Beliau juga menemukan beberapa asam organik sederhana yang diketahui terdapat di dalam organisme hidup, seperti asam asetat. Miller berpendapat bahwa hidrogen sianida (HCN), suatu senyawa yang amat reaktif dapat dibentuk dari metana dan amonia, lalu bereaksi dengan komponen lain dari campuran gas tersebut untuk menghasilkan asam-asam amino tertentu. Peneliti lain sejak itu telah melakukan berbagai percobaan sejenis, dengan berbagai campuran gas, termasuk juga nitrogen, hidrogen, karbon monooksida, dan karbon dioksida, juga menemukan bahwa asam amino dan biomole ulorganik lain dengan mudah dapat dibentuk jika dipergunakan sumber energi untuk merangsang proses tersebut. Kesemua bentuk energi atau radiasi yang dicoba dan ditemukan mampu mengaktifkan pembentukan molekul organik sederhana, termasuk panas, sinar tampak, sinar ultra violet, sinar-x, sinar-γ, bunga api listrik dan energi listrik diam, geIombang ultrasonik, gelombang ―shock‖ dan partikel α serta β. Beberapa ratus senyawa organik yang berbeda telah dapat dibentuk dengan mudah pada percobaan simulasi bumi primitif ini, termasuk contob semua jenis molekul penting yang ditemukan didalam sel, dan juga molekul yang tidak ditemukan di dalam sel. Di antara molekul-molekul ini terdapat berbagai asam amino yang ditemukan pada protein, basa nitrogen yang berfungsi sebagai unit pembangun asam nukleat, dan banyak asam organik dan gula yang dijumpai di dalam benda biologi. Jadi, tampaknya dapat dipercaya bahwa laut primitif menjadi kaya akan senyawa organik terlarut, yang mungkin meliputi berbagai atau semua molekul unit pembangun yang kita kenal di dalam sel hidup sekarang ini. Molekul organik sederhana yang dapat dibentuk secara non-biologi ini telah menarik perhatian penting dengan penemuan bahwa ratusan jenis molekul organik telah ditemukan di dalam ruang angkasa, oleh penggunaan metode spektroskopik. Pengamatan mi telah membangkitkan kemungkinan, bahwa kehidupan mungkin telah muncul pada bagian lain jagad raya. Istilah evolusi kimia digunakan untuk menunjukkan asal-usul dan perkembang molekul organik dari prekursor anorganik dengan bantuan energi. Kita sekarang mengetahui bahwa bumi pertama-tama ditemukan kira-kira 4800 juta tahun yang lalu. Kita percaya bahwa evolusi kimia berlangsung pada muka bumi selama sedikitnya bagian pertama dari waktu 1000 juta tahun hidupnya. Sel pertama muncul, mungkin kira-kira 3500 juta tahun yang lalu. Kemudian mulailah proses evolusi biologi, yang tetap terus berlangsung. Lautan sekarang ini tidak lagi mengandung konsentrasi yang tinggi dan senyawa organik; memang benar biomolekul ditemukan hanya dalam jumlah kecil di luar organisme hidup. Apa yang terjadi dengan ―sop‖ yang kaya bahan organik ini Kita percaya bahwa sel hidup yang paling tua secara perlahan-lahan menggunakan semua senyawa organik di lautan ini, tidak hanya sebagai unit pembangun bagi strukturnya sendiri, tetapi juga sebagai nutrien atau bahan bakar, untuk menyediakan baginya energi untuk bertumbuh. Secara perlahan-lahan, selama berabad-abad, senyawa organik dari laut primitif ini dihabiskan, lebih cepat dari pembentukannya oleh tenaga alam. Pemikiran ini, dan tentunya seluruh konsep evolusi kimia telah dijadikan bahan pertimbangan lebih dari 100 tahun yang lalu oleh Charles Darwin, 25 seperti yang ditunjukkan dalam kutipan berikut ini dari surat yang ditulisnya pada tahun 1871 kepada Sir Joseph Hooker: Sering dikatakan bahwa semua kondisi bagi produksi pertama organisme hidup ada pada masa ini, yang mungkin juga telah lama ada. Tetapi jika (dan oh betapa jika) kita dapat menemukan di dalam sebuah kolam kecil hangat, dengan adanya semua jenis amonia dan garam asam fosfat, sinar, panas, listrik dan lain-lain bahwa senyawa protein dapat dibentuk secara kimia, siap untuk mengalami perubahan yang tetap kompleks, pada saat ini, senyawa tersebut tentu akan segera dihabiskan atau diserap. Hal ini tentulah tidak demikian sebelum mahluk hidup diciptakan. Karena molekul organik lenyap dari laut, organisme hidup mulai ―mempelajari‖ bagaimana membuat biomolekul organiknya sendiri. Organisme hidup belajar menggunakan energi sinar matahari melalui fotosintesa untuk membuat gula dan molekul organik lainnya dari karbon dioksida; mereka belajar mengikat nitrogen atmosfir dan mengubahnya menjadi biomolekul yang mengandung nitrogen, seperti asam amino. Dengan berlanjutnya proses evolusi, berbagai jenis organisme lambat laun mulai berinteraksi satu dengan lainnya, saling bertukaran nutrien dan energi. Jadi, membentuk sistem ekologi yang semakin kompleks. Dengan bab-bab pedoman mengenai sel dan komponen biomolekul yang bermnteraksi di dalam sel ini, kita sekarang siap menganalisis komponen molekuler sel secara terinci, selalu dengan pandangan bahwa komponen tersebut berpartisipasi dalam suatu logika yang telah mendasar. Kita akan mulai dengan air, matriks cair dari semua organisme hidup. 26 BAB III AIR Air merupakan senyawa anorganik yang memenuhi hampir setengah dari jaringan hidup manusia, hewan dan tumbuhan, dan semua reaksi biokimia yang melandasi kehidupan jaringan tersebut berlangsung dalam air. Karena itu, beberapa sifat istimewa yang dimiliki air perlu dipela jari terlebih dahulu supaya pengertian reaksi biokimia yang berlangsung dalam sel dan jaringan hidup tersebut dimengerti dengan baik. Dalam bab ini akan dibahas pula tentang "buffer" atau sering disebut "dapar". Seluk-beluk mengenai dapar ini penting pula diketahui karena menyangkut segala sesuatu mengenai keasaman dan kebasaan. Selama reaksi biokimia yang sangat kompleks dalam sel atau jaringan makhluk hidup berlangsung, konsentrasi H + berubah sangat sedikit sekali sehingga pH cairan jaringan normal hampir selalu dalam keadaan mantap. 3.1. Air dan Ikatan Hidrogennya Air adalah suatu senyawa yang mempunyai sifat istimewa. Ion OH - dan ion H+ air sangat menentukan sifat biologis dan struktur molekul senyawa yang ada di dalamnya, seperti protein, lipida, dan banyak lagi komponen lain dalam sel. Air mempunyai titik didih, titik cair, panas penguapan, clan tegangan permukaan yang tinggi (Tabel 3.1). Tabel 3.1 Perbandingan beberapa sifat fisik air dan senyawa lain (°C) Senyawa Titik Cair Titik Didih Panas Penguapan H2 0 0 100 540 Etanol Metanol Aseton Etil asetat -114 -98 -95 -84 78 65 56 77 204 263 125 102 Kloroform NH3 H2 S HF -63 -78 -83 -92 61 -33 -60 19 59 327 132 360 Hal ini menunjukkan bahwa gaya tarik antara molekul dalam cairan air sangat kuat, begitu juga kohesi internalnya: Kekuatan antar molekul ini disebabkan oleh sifat alami molekul air yang berkutub dua (dwi kutub), yaitu tarikan elektrostatik kutub negatif atom oksigen sebuah molekul air dengan kutub positif atom hidrogen molekul air tetangganya. Interaksi elektrostatik ini membentuk ikatan hidrogen 27 dengan molekul air tetangganya (lihat Gambar 3.1), tetapi ikatan hidrogen ini lebih lemah jika dibandingkan dengan ikatan kovalen. Energi ikatan hidrogen dalam air hanya 4.5 kkal per mol sedangkan energi ikatan pasangan H ─ O dalam molekul air sebesar 110 kkal per mol. Gambar 3.1. Ikatan hidrogen pada air. Perhatikan kecenderungan tiap molekul air untuk membentuk 4 ikatan hidrogen dengan molekul tetangganya Sifat ikatan hidrogen lain yang juga penting ialah bahwa ikatan ini terarah dengan baik yang ditunjukkan oleh susunan istimewa gabungan orbital antara atom hidrogen dan atom oksigen. Selain itu panjang ikatan hidrogen juga berbeda-beda, bergantung pada struktur geometri dan distribusi elektron yang bersangkutan. Pada es misalnya, tiap molekul air memiliki ikatan hidrogen dengan panjang 1.77 A o. Pada bentuk kristal es, tiap molekul air berikatan hidrogen dengan 4 tetangganya dengan jarak antara oksigen dengan oksigen 2.76 Ao. Sedangkan tiap molekul air akan berikatan hidrogen dengan 3 atau 4 molekul air lainnya dengan jarak oksigen ke oksigen 2.90 Ao pada suhu 15oC, dan 3.05 Ao pada suhu 83°C. Diperkirakan hanya 15% ikatan hidrogen rusak jika es mencair pada suhu 0°C. Ikatan yang kuat dalam molekul air ini masih ada walaupun air telah dipanaskan sampai 100°C, ini dapat dilihat dengan tingginya panas penguapan air. Dan ikatan hidrogen air ini hanya lepas secara tuntas jika air dipanaskan sampai 600 oC. Kecenderungan untuk membentuk ikatan hidrogen terdapat juga antara tiap atom yang bermuatan negatif (misalnya oksigen, nitrogen, atau fluor) dengan hidrogen yang terikat kovalen pada atom bermuatan negatif lainnya. Pada Gambar 3.2 diberikan beberapa contoh ikatan hidrogen yang penting dalam makhluk hidup. Ikatan hidrogen bisa terbentuk antara 2 molekul tetapi dapat juga antara 2 bagian yang berlainan dalam 1 molekul. Jika di dalam air hanya terdapat 1 ikatan hidrogen antara 2 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 tertinggi untuk melepaskannya. Karena itu struktur tersebut sangat stabil dalam air. Contohnya ialah molekul protein atau asam nukIeat dimana di dalam molekulnya terdapat beratus-ratus bahkan beribu-ribu ikatan hidrogen. 28 Ikatan H antara gugus hidroksil dengan H2 O Ikatan H antara gugus karboksil dengan H2O Ikatan H antara dua rantai Ikatan peptida Ikatan H antara pasangan basa pada DNA Gambar 3.2. Beberapa jenis ikatan hidrogen 3.2. Air Sebagai Pelarut Dibandingkan dengan cairan lain, air adalah pelarut yang paling baik. Air melarutkan atau mendispersi berbagai zat berdasarkan sifat dwi kutub yang dimilikinya. Berbagai zat berupa kristal mudah larut dalam air, tetapi tidak larut dalam pelarut nonpolar seperti kloroform atau benzena. Misalnya air dengan mudah melarutkan kristal natrium klorida walaupun ikatan elektrostatik antara ion Na+ dan Cl- sangat kuat. Untuk memisahkan kedua ion ini sebenarnya diperlukan sejumlah energi yang cukup tinggi, namun karena sifat dwi kutub air, daya tarik antara kutubkutub air dengan ion Na+ dan Cl- mengalahkan daya tarik antara kedua ion tersebut sehingga garam ini larut dalam air dengan stabilitas yang tinggi. Beberapa zat yang tidak membentuk ion tapi termasuk dalam senyawa polar seperti gula, alkohol, aldehida juga larut dalam air. Kelarutannya dalam air disebabkan oleh adanya gugus hidroksil (gula dan alkohol) dan gugus oksigen karbonil (aldehida dan keton) yang cenderung membentuk ikatan hidrogen dengari air. Air juga mempunyai "tetapan dielektrik" yang tiriggi, sehingga daya tarik antara ion yang bermuatan dari zat yang dilarutkan di dalamnnya lebih kecil dibandingkari dengan pelarut air. Hubungan ini. dapat - dilihat pada rumus berikut ini: Dimana: F = daya tarik antara ion yang berlawanan e1 dan e2 = muatan ion r = jarak antara ion D = Konstanta dielektrik 29 Dari rumus ini dapat dimengerti bahwa jika tetapan dielektrik suatu larutan lebih tinggi, maka daya tarik antara 2 ion yang .berlawanan dalam pelarut itu menjadi lebih rendah. Telah dibuktikan bahwa daya tarik ion Na+ dan ion CI- dalam air dengan jarak tertentu hanya seperempat puluh dari daya tariknya dalam benzena. 3.3. Interaksi Hidrofobik Air dapat pula mendispersi senyawa amfipatik (amphipathic), yaitu senyawa yang sekaligus mengandung gugus hidrofobik dan gugus hidrofilik (gugus polar) dalam molekulnya, misalnya asam lemak. Pada gambar 3.3. dapat dilihat sebuah contoh molekul yang bersifat demikian, yaitu garam Na asam oleat. Karena rantai hidrokarbonnya panjang, maka kecenderungan untuk membentuk "larutan sebenarnya" sangat kecil. Tetapi rantai hidrokarbon, tersebut akan berdispersi di dalam air membentuk misel. Dalam hal ini gugus karboksil yang bermuatan negatif timbul di permukaan, sedangkan rantai hidrokarbon yang nonpolar dan tidak larut bersembunyi disebelah dalam. Gambar 3.3. Garam Na yang mengandung gugus polar dan gugus hidrofobik Misel, terdiri atas beberapa molekul seperti yang terdapat dalam molekul natrium oleat Gambar 3.4. Misel dengan gugus karboksil. Gugus yang bermuatan negatif timbul di permukaan, sedangkan rantai hidrokarbonnya berada di bagian dalam. 30 Pada kenyataannya misel bisa dibangun oleh ratusan atau bahkan ribuan senyawa amfipatik. Senyawa yang bersifat polar akan melarutkan senyawa yang bersifat polar pula (like dissolve like) oleh karena itu air yang bersifat polar tidak melarutkan rantai hidrokarbon nonpolar pada asam oleat, sehingga terbentuklah misel. Untuk memasukkan struktur nonpolar seperti rantai hidrokarbon diperlukan energi yang besar` karena dalam hal ini molekul air seakan-akan dipaksa untuk lebih mengatur diri. Dalam misel sendiri terdapat pula suatu daya tarik sesamanya melalui interaksi van der Waals yaitu antara hidrokarbon yang bertetangga. Daya tarik ini disebut juga interaksi hidrofobik. Stabilitas sistem yang dibentuk oleh ikatan ini sangat baik. Contoh lain komponen sel yang membentuk struktur nonpolar dengan bagian hidrofobiknya tersembunyi dari air ialah protein dan asam nukleat. 3.4. Beberapa Sifat Larutan Berikut ini akan diterangkan beberapa sifat larutan yang akan menunjang pengetahuan mengenai reaksi kimia dan pemindahan zat nutrisi dari sel ke sel atau dari larutan dan jaringan sekitarnya ke sel. Pada hakikatnya sel makhluk hidup diisi oleh sejumlah cairan. Dinding sel berfungsi sebagai membran. a. Difusi Difusi adalah suatu proses di mana molekul-molekul dalam larutan mendistribusikan dirinya secara merata di seluruh larutan. Derajat distribusi ini bergantung pada beberapa faktor seperti suhu dan besar partikel. b. Osmotik dan Tekanan Osmostik Jika suatu larutan dipisahkan dari air dengan suatu membran semipermeabel, maka air akan merembes masuk kedalam larutan tersebut. Perpindahan air melalui membran semipermeabel ini disebut dengan osmosis. Jika perembesan cairan tidak diinginkan, maka terhadap larutan harus diberikan sejumlah tekanan. Tekanan ini disebut dengan 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 semipermeabel. Jika tekanan osmotik larutan di luar sel lebih besar dibandingkan dengan di dalam sel, maka tekanan di luar sel tersebut dikatakan hipertonik terhadap sel. Perpindahan air dari dalam ke luar sel mengakibatkan sel berkeriput, ini disebut plasmolisis. Sebaliknya cairan di luar sel bisa juga hipotonik, terhadap cairan sel. Air akan pindah ke dalam sel dan menyebabkan sel itu menyembab, proses ini disebut plasmotisis. Tentu saja pada suatu keadaan, cairan di dalam dan di luar sel mempunyai tekanan osmotik yang sama sehingga tidak memungkinkan terjadinya perpindahan cairan. Cairan tersebut dikatakan isotonik: 31 Sebagai contoh umum adalah mengenai larutan garam fisiologis NaCI. Dalam ilmu kedokteran, cairan ini digunakan untuk menolong penderita yang kekurangan cairan. Sel darah manusia bertekanan osmotik kira-kira 6,6 .atm pada suhu 0°C. Larutan fisiologis NaCl 0,9% juga bertekanan osmotik 6,6 atm pada 0 °C. Larutan yang isotonik dengan cairan dalam sel darah merah ini tidak merusak sel darah merah jika dimasukkan kedalam pembuluh darah penderita. c. Dialisis Jika membran sel dapat meloloskan beberapa molekul atau ion lain . (bukan hanya air saja), maka molekul-molekul kompleks yang besar dapat dipisahkan dari molekul atau ion yang sederhana yang lebih kecil. Misalnya larutan garam NaCI dan albumin. Jika larutan ini dipisahkan dari air oleh membran yang dapat meloloskan ion Na+ dan Cl-, tapi tidak meloloskan molekul albumin, maka garam NaCl dapat dipisahkan dengan albumin. Supaya larutan albumin bebas dari NaCI, maka air di sebelahnya harus sering ditukar. Proses pemisahan. Yang membiarkan molekul sederhana berdifusi melalui membran dinamakan dialisis. Penurunan Titik Beku. Tekanan osmotik darah, penurunan titik beku berhubungan erat satu sama lain, sebab 1 gram molekul suatu senyawa yang tidak membentuk ion jika dilarutkan dalam 1 liter air akan menurunkan titik bekunya 1.86°C. Jadi titik beku suatu larutan turun sebanding dengan jumlah senyawa yang larut di dalamnya. Sifat penurunan titik beku ini dapat menjawab pertanyaan mengapa kita tidak ikut membeku sebagaimana salju pada muslin dingin. Senyawa-senyawa yang larut dalam protoplasma mempengaruhi terhadap penurunan titik bekunya. Peningkatan Titik Didih. Peningkatan titik didih ini jarang digunakan untuk materi biologis, sebab protoplasma sel hidup akan berubah jika dipanaskan, umpamanya albumin. 3.5. Konsentrasi Ion Hidrogen Kadar asam suatu larutan bisa berarti faktor kuantitas keasaman atau faktor intensitas keasaman. Faktor kuantitas keasaman ialah jumlah asam yang ada dalam satuan volume tertentu, tidak peduli apakah asam itu dalam larutan berbentuk ion atau berupa molekul. Sebagai contoh pengertian terhadap normalitas (N), molaritas (M), dan molalitas (m). Sedangkan, faktor intensitas keasaman cenderung untuk menunjukkan derajat disosiasinya, jadi bukan konsentrasi hidrogen yang sebenarnya. Kesanggupan untuk mempertahankan konsentrasi ion H+ ini sangat penting dalam sistem.biologis, karena itu akan dibahas secara mendasar mengenai faktor intensitas keasaman. a. Faktor Kuantitas Keasaman: Jika kita ingin mengukur jumlah asam yang ada dalam suatu cairan biologis; misalnya asam yang dikeluarkan selama 24 jam dalam air seni maka: sampel air seni tersebut kita titrasi dengan basa yang sudah diketahui normalitasnya. Dengan memakai buret, cairan basa ini ditambahkan ke dalam sampel air. seni . yang sudah 32 dibubuhkan indikator (fenolftalin). Indikator diperlukan sebagai petunjuk untuk menentukan perubahan warna pada saat larutan sampel mencapai titik akhir titrasi. Banyaknya basa yang digunakan dapat dibaca dari banyaknya asam -yang dikeluarkan bersama air seni selama 24 jam dapat dihitung. Faktor Intensitas Keasaman Faktor intensitas keasaman lebih bergantung pada derajat disosiasi dibandingkan jumlah kadar hidrogen larutan. Untuk memahami hal tersebut, . coba perhatikan reaksi di bawah ini: . A+B C+D Reaksi A dan B membentuk 2 macam produk C dan D. Menurut hukum aksi massa yang diperkenalkan oleh Guldberg dan Waage; pada saat keseimbangan tercapai, konseatrasi hasil reaksi yang terbentuk dibagi dengan konsentrasi pereaksi sebelumnya, merupakan bilangan yang tetap . disebut tetapan keseimbangan. [C] [D] Kek = [A] [B] b. K ek = tetapan keseimbangan. [A], [B], [C], [D] = konsentrasi A , B , C , D (mol/liter) Apabila konsentrasi salah satu komponen dalam reaksi berubah, konsentrasi komponen lainnya akan menggeser pula supaya keseimbangan tetap terjadi. Hukum aksi massa tersebut dapat diterapkan untuk disosiasi air. H2 0 H+ + OHAir termasuk elektrolit lemah karena itu berdisosiasi sangat sedikit. Pada 25°C tetapan keseimbangannya 1.8 x 1 0 -16 mol/liter -. Jadi Kek = [H ] [OH - ] = 1,8 x 10 -16 [H 2 O] Konsentrasi H20 dalam 1 liter air murni pada 25°C sebanyak = 1000 mol = 55,56 mol. Karenanya 18 [H+] [OH-] = 1.8 x 10-16 x 55.56 = 1.00 x 10 -14 Kw = 1-.00 x 10 -14, Kw menunjukkan hubungan antara ion H+ dengan OH- yang dibentuk dalam air murni. Jika konsentrasi H + sama dengan x, kadar ion OH - harus sama.pula dengan x, sebab dalam air murni hanya terbentuk 1 ion H + dan 1 ion OH - dari dissosiasi satu molekul H20. χ x χ = 1.00 x 10-16 χ 2 = 1.00 x 10-14 33 χ = [H+] = [OH-] = 1.00 x 10-7 Untuk menunjukkan konsentrasi ion H+, Sorensen (1909) memberikan istilah pH. 1 pH = log = -.log a H aH Sebenarnya yang dimaksud aH ialah aktivitas [H +], namun untuk tidak meragukan a H dianggap saja kadar [H +], Jadi: pH = log 1 = - log [H+] [H ] Perbedaan antara aktivitas dan konsentrasi ion [H +] dapat dilihat pada contoh di bawah. Jika larutan 0.1 mol HCl diukur pH-nya, maka pH meter menunjukkan 1.09. Kalau dimasukkan dalam persamaan, .maka akan didapat: 1 1.09 = log aH a H = 10 -1,09 a H = antilog 2,91 a H = 8,1 x 10 -2 mol liter Kadar H+ dalam 0.1 M HCl sama dengan 0.1 mol/liter. Koefisien aktivitas (γ) dapat dihitung sebagai berikut: γ = aH [H ] = 0,081 = 0,81 0,1 Jika sekarang pH turun dari 5 menjadi 4, sebenarnya bermakna konsentrasi ion H + naik 10 kali lipat, yaitu dari 10 -5 menjadi 1,0-4 . Kalau misalnya pH naik dari 6 menjadi 6.3 berarti konsentrasi ion H + menurun dari I0 -6 menjadi 5 x 10 -7 M. Bila persamaan untuk air murni diperhatikan maka: [H +] x [OH -] = 1.0 x 10 -1 4 Jika dilogaritmakan: log [H+] + log [OH -] = log (1.0 x 10 -' 4) = - 14 atau -log [H +] - log [OH -] = 14 Kalau -log [OH -] disebut sebagai pOH, maka: pH + pOH = 14 3.6. Dissosiasi Elektrolit Menurut definisi Bronsted: asam ialah suatu senyawa yang dapat memberikan proton (donor) dan basa ialah senyawa yang dapat menerima proton (akseptor). Reaksi asam-basa menurut definisi tersebut melibatkan pasangan asam-basa konjugasi. 34 Contoh asam Bronsted: HCl H + + Cl NH 4 + H + + NH 3 CH 3 COOH H + + CH3C00 Secara umum ditulis: HA [H +] + [A - ] Dari contoh di atas, tampak bahwa asam asetat (CH 3 COOH) merupakan donor proton (asam) dan anion asetat (CH 3 C00 -) merupakan akseptor proton. a. Disosiasi Elektrolit Kuat. Contoh elektrolit kuat ialah NaCI. Garam ini disebut elektrolit kuat karena didalam air berdisosiasi hampir sempurna membentuk partikel-partikel bermuatan yang disebut ion. NaCI . Na + + ClJadi asam dan basa kuat adalah elektrolit-elektrolit yang berdisosiasi hampir sempurna dalam air membentuk ion-ion bermuatan. HCI misalnya berdisosiasi sebagai berikut: HCI H + + CI Reaksi HCl dalam air sebenarnya dapat ditulis : HCl + H 2 O H 3 O + + Cl Disini terlihat bahwa ionisasi HCl (asam Bronsted) memberi proton pada H 2 O (basa konjugasinya) guna membentuk asam Bronsted baru H 3 O + dan basa konjugasi dari HCl yaitu Cl - . Keadaan ini dapat diperjelas sebagai berikut: HCl + H2O H 3 O+ + Cl (a sa m k onju ga si 1 ) (a sa m k on ju gasi 2 ) (a sam k onju ga si 2 ) (asa m k o nju ga si 1 ) Akan tetapi untuk memudahkan pengertian, biasanya cukup ditulis dengan: HCl H + + Cl b. Disosiasi Asam Lemah Berlainan dengan asam kuat, asam lemah hanya sedikit sekali ber-disosiasi di dalam air. HA + H 20 H30+ + A(asam konjugasi 1) (basa konjugasi 2) (asam konjugasi 2) (basa konjugasi 1) Di sini proton yang diberikan oleh HA, diterima oleh H 2 0 dan me mbentuk ion hidronium (H30+). Tetapan keseimbangan reaksi disosiasi ini dikenal juga sebagai konstanta ionisasi (K ion ). K ek = K ion = [ H 3O ][ A ] [ HA][ H 2 O] 35 Karena konsentrasi H2O dalam larutan air juga konstan yaitu 55.5 mol/liter, maka K ion dan [H 20] dapat dikombinasikan untuk membuat tetapan baru: [ H 3O ][ A ] ; Ka = tetapan disosiasi asam [ HA] Selanjutnya karena [H30+] sama dengan konsentrasi ion hidrogen maka persamaan menjadi: Ka = Kion [H20] = Ka = [ H ][ A ] [ HA] Persamaan ini menyatakan tetapan keseimbangan asam lemah yang hanya berdisosiasi sangat sedikit dalam reaksi: [H+] HA Kek = + [A-] [ H ][ A ] [ HA] c. Disosiasi Basa Lemah. Disosiasi basa lemah dapat digambarkan sebagai berikut: BOH B+ + OHKek = kb = [ B ][OH ] ; [ BOH ] Kb = tetapan disosiasi basa Di dalam buku petunjuk kimia dibaca bahwa Kb NH4 0H 1,8 x 10 -5 . Berbeda dengan asam asetat, NH 40H berdisosiasi membentuk ion hidroksil (OH -) sedangkan asam asetat membentuk proton (H +). Salah satu basa yang sering ditemui dalam biokimia ialah kelompok amina organik (misalnya gugus amina dari asam amino). Jika diperhatikan forrnulanya R-NH2, senyawa itu tidak mengandung gugus hidroksil, tetapi dalam air Ia dapat berioriisasi sebagai berikut: RNH2 + H2 O RNH 3 + + OH Dalam reaksi ini H 2 O bertindak sebagai asam dengan memberikan proton kepada basa R-NH2 . Menurut definisi Bronsted, basa ialah senyawa yang dapat menerima proton. Jadi: B - + H2 0 HB + OH (B - = basa) Tetapan keseimbangan K ion menjadi: [ HB][OH ] Kion .= [ B ][ H 2 O] Jika Kion dikombinasikan dengan H 2 0, persamaan dapat ditulis sebagai berikut: Kb = [ HB][OH ] [B ] 36 Hubungan antara Kb basa lemah dengan Ka asam konjugasinya dapat digunakan secara langsung untuk menghitung pH campuran basa lemah dan garamnya. Dari persamaan terdahulu dapat diturunkan berbagai persamaan sebagai . berikut: Untuk disosiasi air didapatkan: [K w] = [H +] [OH] Jika disederhanakan : K aK b = K w Apabila harga K w pada 25°C dimasukkan dalam persamaan maka: KaKb = 10 -14 Jika dilogaritmakan dan kemudian dikalikan dengan -1 akan diperoleh log Ka + log Kb = log Kw -log Ka - log K b = -log K w Karena pH adalah -log [H+] maka pKa dan pK b dapat didefinisikan sebagai dan -log Ka dan -log Kb . Karena itu persamaan dapat ditulis sebagai berikut: pK a + pKb = -logK w = 0,14 d. Persamaan Henderson-Hasselbalch. Henderson dan Hasselbalch menerapkan hukum-massa untuk ionisasi asam lemah dengan persamaan yang terkenal sebagai persamaan HendersonHasselbalch. Secara umum ionisasi asam lemah dapat dituliskan sebagai berikut: HA H + + ADari persamaan ini dapat diturunkan persamaan: [ HA] [H +] = K a [ A ] Jika dilogaritmakan maka log [H +] = log K a + log [ HA] [ A ] Dikalikan dengan -1: -log [H +] = -log Ka -log pH = pK a [ A ] + log [ HA] [ HA] [ A ] 37 Persamaan Henderson-Hasselbalch dapat pula ditulis dalam bentuk yang lebih umum yaitu dengan mengubah A - menjadi basa konjugasi dan HA menjadi asam konjugasi. basakonjugasi pH = pKa + log asamkonjugasi Persamaan ini dapat dipakai bukan saja untuk asam lemah seperti asam asetat, tetapi juga untuk ionisasi ion amonium dan gugus amina yang terdapat dalam asam amino. Dalam hal ini ion NH4+ dan gugus amino yang berproton RNH3+ adalah asam konjugasi, yang berdisosiasi membentuk proton dan basa konjugasi NH3 dan RNHz. NH4+ NH3 + H+ RNH3+ RNH2 + H+ Persamaan untuk menghitung pH amina yang berproton ialah sebagai berikut: pH = pKa + log RNH 2 RNH 3 e. Beberapa Contoh Perhitungan Sekarang kita coba menghitung konsentrasi H + dalam 1.0 M asam asetat dan kemudian ditentukan derajat disosiasi dalam konsentrasi ini. Apabila asam asetat adalah asam kuat seperti HCl maka ia akan berdisosiasi secara sempurna dengan [H +]nya 1.0 mol./liter. Tetapi karena asam asetat adalah asam lemah maka harus dilihat kembali persamaan keseimbangannya. KA = [ H ][ A ] [ HA] Misalkan χ adalah kansentrasi H+ yang dibentuk karena ionisasi asam asetat, maka konsentrasi CH3COOH- juga χ sebab kedua ion ini terbentuk dalam jumlah yang sama. Asam asetat yang tidak berdisosiasi setelah keseimbangan tercapai menjadi (1 - χ). Hal ini dijelaskan sebagai berikut: Konsentrasi awal mol/liter Konsentrasi keseimbangan mol/liter CH3COOH = 1.00 CH3COOH H+ = 0.00 CH3C00- = 0.00 = (1,00 - χ ) H+ = χ CH3C00- = χ Pada 25°C Ka asam asetat = 1.8 x 10-5 mol/liter, maka: Jika dicari nilai χ pada persamaan kuadratik ini akan didapat angka 0.0042. Jadi konsentrasi H+ dan konsentrasi CH3COOH- = 0.0042 M. Konsentrasi asam yang tidak berdisosiasi ialah (1.00 - 0.0042) M atau 0.9958 M. Kesimpulannya, pada 38 25oC, 1 M asam asetat berdisosiasi hanya 0.4%. Sedangkan pH larutan yang mengandung 0.0042 M ion hidrogen ini dapat dicari sebagai berikut: pH = - log 0.0042 = -log (4.2 x 10-3) = - log 4.2-log 10-3 = - 0,62 + 3 = 2.38 Soal ini dapat juga dicari dengan menyederhanakan (1 - χ). Dalam hal ini dianggap χ sangat kecil (0.04%) sehingga dapat ditiadakan, maka (1 - χ) menjadi 1. Kalau disubstitusikan pada persamaan terdahulu maka: χ 2 = 1.8 x 10 -5 χ = 1.8 x 10 -5 χ = 4.2 x 10 -3 H+ = CH3 C00- = 0.0042 Apabila dalam suatu campuran didapat konsentrasi anion sama dengan konsentrasi asam lemah yang tidak berdisosiasi, maka H+ = Ka. Untuk membuktikan hal ini kita coba menghitung konsentrasi H+ dalam campuran yang terdiri dari natrium asetat (8.2 g) dan larutan asam asetat anhidrat (6 g) yang dimasukkan dalam air sampai isinya 1 liter, jadi dalam hal ini [CH3C00-] = [CH3COOH] = 0.1 M. [ H ][CH 3COO ] = 1,8 X 10 -5 [CH 3COOH ] [ H ] 0,1 0,1 [H+] pH pH = 1,8 X 10-5 = 1,8 X 10 -5 = 5 - log 1,8 = 4,74 Jelas dibuktikan di sini bahwa pada pH 4.74 (yang sama dengan harga pKa untuk asam asetat), konsentrasi anion sama dengan konsentrasi asam lemah yang tidak berdisosiasi. Untuk menghitung pH larutan ini dapat pula dipakai persamaan HendersonHasselbalch. pH = pKa + log [CH 3COOH ] [CH 3COOH ] Konsentrasi asam asetat dalam campuran ini ialah 0.1 M dikurangi dengan asam asetat yang berdisosiasi (χ), dan konsentrasi CH 3 C00- adalah 0.1 M ditambah dengan ion asetat hasil disosiasi asam asetat (χ). Persamaan menjadi: [0,1 x] pH = pKa + log [0,1 x] 39 Dalam hal ini χ dapat diabaikan karena sangat kecil, walaupun sebenarnya masih dapat dihitung: Ka asam asetat = 1.8 x 10-5 mol/liter; pKa = - log (1.8 x 10-5) = 4.74. 0,1 Jika χ ditiadakan maka: pH = 4.74 + log = 4.74 0,1 f. Kurva Titrasi Pada Gambar 3.5. dapat dilihat 3 macam kurva titrasi yaitu: (1) titrasi 100 ml 0.1N CH3COOH dengan 0.1N NaOH; (2) titrasi 100 ml 0,1N NHCl- dengan 0.1N NaOH; dan (3) titrasi 100 ml 0,1N NH4 Cl dengan 0.1N NaOH Kurva titrasi ini diperoleh di laboratorium dengan mengukur pH 0,1N CH 3COOH; 0.1N HCI; dan 0.1N NH 4 Cl sebelum dan sesudah ditambahkan berbagai ml 0,1N NaOH. Dari kurva titrasi 0.1 N CH 3COOH dapat dilihat bahwa dengan penambahan tiap satuan basa, terdapat perubahan pH paling besar pada awal dan akhir titrasi, sedangkan perubahan paling kecil didapatkan pada saat titrasi setengah jalan. Dengan kata lain, dapat disimpulkan bahwa perubahan pH paling kecil didapat pada campuran equivalen Natrium asetat dan Asam asetat. Perubahan pH yang sangat kecil dengan penambahan asam atau basa ini dihubungkan dengan kesanggupan mempertahankan pH oleh larutan yang disebut bufer: Larutan bufer mempunyai aktivitas tertinggi jika titrasi berlangsung setengah jalan atau jika pH sama dengan pKa. Dalam gambar dapat dilihat bahwa aktivitas bufer maksimum pada pH 4,1 (pKa asam asetat ). Pada pKa ini setengah dari asam asetat: berdisosiasi sedangkan setengah lainnya tidak berdisosiasi. pH 0,1N NaOH (ml) Gambar 3.5. Kurva Titrasi 100 ml 0,1N CH3COOH (1); 100 ml 0,1N HCl (2); 100ml 0,1N NH4Cl (3) dengan 0,1N NaOH 40 Pada tirasi 0,1n HCl, persamaan Henderson-Henselbalch tidak dapat digunakan, karena persamaan tersebut hanya dapat dipakai untuk elektrolit lemah. Tetapi dengan menghitung equivalen HCl yang tersisa, pH ditiap kurva titrasi dapat dihitung . Jika 30 ml 0,1N NaOH sudah ditambahkan, 7,0 milliequivalen HCl tersisa dalam 130 ml campuran. Konsentrasi H+ menjadi 7,0/130 atau 0.054 M. Dengan mengabaikan koefisien aktivitas, pH larutan diperoleh sebesar 1.27. Kurva titrasi 100 ml 0.1N NH4Cl memperlihatkan titrasi dimana ion NH4+ dinetralkan oleh ion OH - -yang berasal dari NaOH. NH4+ + OHNH3 + H2O Persamaan Henderson-Hasselbalch hanya dapat dipakai jika sudah ada NH 4 Cl yang dinetralkan. g. Dissosiasi Asam Poliprotik Asam poliprotik ialah asam yang menghasilkan lebih dari satu proton per molekul asam. Misalnya H3PO4 menghasilkan 3 proton jika mengalami dissosiasi sempurna. H3PO4 H+ + H2PO4 Ka1 = 7,5 x 10-3 pKa1 = 2,12 + 2-8 H2PO4 H + H2PO4 Ka2 = 6,23 x 10 pKa2 = 7,21 2+ 3HPO4 H + H2PO4 Ka3 = 4,8 x 10-13 pKa3 = 12,32 Ini berarti pada pH 2.12 disosiasi pertama H3P04 berlangsung setengah sempurna. Supaya disosiasi terakhir bisa setengah sempurna, pH harus 12.32. Pada pH 7.0, yaitu pH yang biasanya terdapat dalam sel, proton yang kedua dari asam fosfat hampir setengahnya berdisosiasi. Pada pH ini konsentrasi mono dan dianion asam fosfat atau ester fosfat kurang lebih sama. Daftar pKa beberapa asam organik disajikan pada Tabel 3.2. Tabel 3.2. Daftar pKa beberapa asam organik. Asam pKa1 Asam asetat 4.74 Asam aseto asetat 3.58 Asam sitrat 3.09 Asam format 3.62 Asam fumarat 3.03 Asam DL. gliserat 3.55 Asam DL. laktat 3.86 Asam DL. malat 3.40 Asam piruvat Asam suksinat 3.7. 2.50 4.18 pKa2 4.75 4.54 5.26 pKa3 5.41 - 5.56 - Bufer Bufer merupakan suatu sistem dalam larutan yang terdiri dari asam dan basa konjugasi yang pH-nya dipertahankan tidak berubah walaupun dengan penambahan 41 ion-ion OH- atau H+. Biasanya larutan bufer terdiri dari campuran asam Bronsted lemah dan basa konjugasinya, misalnya campuran asam asetat dengan natrium asetat atau campuran amonium hidroksida dengan amonium klorida. Pada Gambar 3.5 dapat dilihat bahwa kurva titrasi asam asetat mempunyai daerah yang agak rata sekitar 1 unit pH di kiri kanan titik tengah. Daerah ini adalah daerah di mana asam dan basa konjugasi berfungsi sebagai bufer. Kapasitas bufer paling tinggi berada pada titik tengah, dengan perbandingan donor proton/penerima proton = 1, dan di sini pH = pK a. Tiap pasangan asam dan basa konjugasi mempunyai pH atau pK a yang berlainan sesuai dengan kapasitas bufer yang paling efektif. Cairan yang terdapat dalam ruang ekstra dan intra sel dari suatu makhluk hidup mengandung asam dan basa konjugasi yang berfungsi sebagai bufer pada pH normal cairan tersebut. Bufer utama dalam cairan intraseluiar adaiah pasangan asam dan basa konjugasi H 2 P04 - dan HPO4 2- (pKa = 7.2). Selain itu fosfat arganik seperti glukosa-6P dan ATP juga ikut sebagai bufer dalam sel. Di dalam cairan ekstraselular dan pada cairan intertisial vertebrata, sistem bufer yang memegang peranan iaian H 2 C03 . Plasma darah mempunyai kapasitas bufer sangat baik, cairan ini dapat mempertahankan pH demikian rupa hingga perubahan pH yang terjadi hanya 0.2 unit saja untuk aktivitas pertukaran zat-zat. Sebagai contoh, jika 1 ml 1.0N HCl ditambahkan pada 1 liter larutan fisiologis NaCI (misalnya 0.15 mol NaCI), pH larutan garam akan turun dari 7.4 jadi 2.0 karena larutan NaCI bukan larutan bufer. Tetapi jika 1 ml 1.0N HCl dimasukkan ke dalam 1 liter larutan plasma darah, pH hanya turun dari 7.4 jadi 7.2. Perlu diketahui bahwa pH di luar daerah ini sudah kurang baik untuk kehidupan, bahkan bisa membawa kematian. Dalam makhluk hidup banyak metabolit (hasil reaksi) yang diproduksi dan digunakan dalam sel, di samping itu enzim yang bertindak sebagai katalisator untuk segala reaksi dalam sel membutuhkan pH tertentu pula untuk aktivitas maksimumnya. Semua ini menunjukkan bagaimana pentingnya kestabilan pH dalam jaringan hidup yang diatur oleh kapasitas bufernya. Dalam laboratorium para peneliti biokimia mengikuti reaksi in vitro dengan kondisi pH yang hanya berubah sekecil mungkin, sehingga diperlukan larutan bufer yang efisien dan sesuai. Asam yang sering dipakai yakni asam lemah seperti asam fosfat, asam asetat, asam glutarat, dan asam tartrat, sedangkan basa yang sering digunakan yakni piridin, dan tris (hidroksimetil) amino metan. Bagaimana cara kerja bufer?. Sebagai contoh bila larutan NaOH ditambahkan ke dalam campuran asam asetat dan kalium asetat, reaksi yang terjadi ialah: OH - + CH3 COOH CH 3 COO - + H2 O OHCH3COOH CH 3COO - + H+ H2 O 42 Dalam reaksi ini dapat dilihat bahwa ion OH - bereaksi dengan proton hasil disosiasi CH 3 COOH dan membentuk H 2 O. Dengan penambahan larutan basa lagi, disosiasi terus berlanjut sehingga konsentrasi ion H + dan pH tetap konstan. Kalau proton yang ditambahkan misalnya dari larutan HCl maka proton ini segera berkombinasi dengan CH 3 COO - yang ada dalam bufer (sebagai kalium asetat) sehingga menekan terjadinya disosiasi asam asetat. Dengan demikian, perubahan pH dapat ditekan sekecil mungkin. Kalau ditinjau aspek kuantitatifnya, ada 2 faktor yang menentukan efektivitas atau kapasitas suatu larutan bufer, yakni molaritas dan perbandingan konsentrasi basa konjugasi dengan asam lemahnya. Faktor pertama berkaitan dengan kapasitas bufer yang berbanding lurus dengan konsentrasi komponenkomponen bufer. Konsentrasi suatu bufer ialah jumlah konsentrasi asam lemah dan basa konjugasinya. Jadi 0.1 M bufer asetat dapat terdiri dari 0.05 mol asam asetat dan 0.05 mol natrium asetat per liter air. Tetapi bisa juga terdiri dari 0.065 mol asam asetat dan 0.035 mol natrium asetat dalam 1 liter air. Faktor kedua yang menentukan efektivitas bufer ialah perbandingan konsentrasi basa konjugasi dan asam lemahnya. Lihat Gambar 3.5 di mana efektivitas pH paling tinggi pada pKa yang menunjukkan perbandingan konsentrasi CH3 COO- dan CH3COOH sama dengan 1. Jadi sebelum kita menentukan bufer apa yang bisa dipakai dalam penelitian, terlebih dahulu harus diperhatikan pH yang diinginkan. Misalnya pH 5, maka paling baik bila memakai asam lemah yang mempunyai pKa 5 atau kalau tidak ada, pakailah asam yang mempunyai pKa paling dekat dengan angka itu. Di samping itu, jenis asam yang dipakai harus sesuai dengan seluruh sistem, sebab akibat tingginya konsentrasi garam sering menghalangi kerja enzim atau sistem fisiologis. Dalam Tabel 3.3. dapat dibaca pKa beberapa bufer yang sering digunakan dalam biokimia. Tabel 3.3. Daftar pKa beberapa bufer. Senyawa pKa1 pKa2 pKa3 pKa4 Asam asetat Amonium klorida Asam karbonat Asam sitrat Dietanolamin Etanolamin Asam fumarat Glisin Glisiglisin Histidin Asam maleat Asam fosfat Asam;pirofosfat Trietanolamin Tris (hidroksimetii) I 4.7 9.3 6.4 3.1 8.9 9.5 3.0 2.3 3.1 1.8 2.0 2.1 0.9 7.8 10.3 4.7 4.5 9.6 8.1 6.0 6.3 7.2 2.0 - 5.4 9.2 12.3 6.7 - ~9.4 - 43 amino metan Veronal (natrium dietil barbiturat) Versene (asam etilendi aminotetraasetat) 8.0 - - 8.0 I - - 2.0 2.7 6.2 - I 10.3 44 BAB IV KARBOHIDRAT Karbohidrat atau biasa dikenal secara awam sebagai gula merupakan bagian utama dari kalori yang sangat dibutuhkan makhluk hidup termasuk mikroorganisme. Karbohidrat adalah zat organik utama yang terdapat dalam tumbuh-tumbuhan dan biasanya mewakili 50 sampai 75 persen dari jumlah bahan kering dalam bahan makanan ternak. Karbohidrat sebagian besar terdapat dalam biji, buah dan akar tumbuhan. Karbohidrat terbentuk dari proses fotosintesis yang melibatkan sinar matahari terhadap hijauan daun. Secara sederhana proses fotosintesis pada tanaman adalah sebagai berikut: 6 CO2 + 6 H2O Sinar matahari C6H12O6 + 6 O2 Klorofil Hasil fotosintesis ini menjadi sumber energi pokok bagi proses metabolisme manusia, hewan, tumbuhan dan mikroorganisme.Karbohidrat tidak hanya sebagai sumber energi. Polimer karbohidrat dapat berperan sebagai unsur struktural dan penyangga dalam dinding sel bakteri dan tanaman serta jaringan pengikat pada sel hewan. Nama karbohidrat berasal dari unsur penyusun utamanya yaitu karbon dan hidrat (hidrogen dan oksigen). Karbohidrat umum juga dikenal sebagai sakarida (berarti gula dalam bahasa Yunani). Ratio penyusun karbohidrat yang terdiri dari karbon, hidrogen dan oksigen yaitu 1:2:1. Secara umum rumus empiris karbohidrat dikenal sebagai (CH2O)n. Karbohidrat adalah polihidroksi aldehida atau keton atau senyawa yang menghasilkan senyawa-senyawa ini bila dihidrolisa. Unsur utama pembentuk karbohidrat adalah karbon, hidrogen dan oksigen dengan rumus umum C n(H2O)m. Suatu senyawa digolongkan sebagai karbohidrat bukan hanya berdasarkan rumus empiris saja melainkan juga karena memiliki 3 gugus fungsi. Ketiga gugus fungsi tersebut adalah: 1. Gugus alkohol : -OH 2. Gugus Aldehida : -CHO 3. Gugus Keton : -CH2OH Struktur karbohidrat yang ditentukan gugus fungsi akan terkait dengan sifat kimia dan sifat fisikanya (aktivitas optik). Terdapat tiga golongan utama karbohidrat yaitu monosakarida, oligosakarida dan polisakarida yang akan diuraikan berikut ini. 45 4.1 Monosakarida Monosakarida adalah karbohidrat yang terdiri dari satu unit polihidroksi aldehida atau keton. Monosakarida yang paling banyak dialam D-glukosa 6-karbon. Monosakarida disebut juga gula sederhana. Monosakarida dikenal dengan rumus empiris (CH2O)n, n>=3 a. Struktur Kimia Kerangka monosakarida adalah rantai karbon berikatan tunggal yang tidak bercabang. Satu diantara atom karbon berikatan ganda terhadap suatu atom oksigen membentuk gugus karbonil. Terdapat 2 golongan monosakarida yaitu aldosa dan ketosa. Jika gugus karbonil berada pada ujung rantai karbon maka monosakarida tersebut adalah suatu aldehida atau disebut aldosa (Gb.4.1). Jika gugus karbonil berada pada posisi lain di rantai karbon maka monosakarida tersebut adalah suatu keton atau disebut ketosa (Gb.4.1). Golongan heksosa (6 atom karbon) mencakup D-glukosa dan D-fruktosa adalah monosakarida yang banyak dijumpai di alam (Gb.4.2). Sementara jenis aldopentosa D-ribosa dan 2-deoksi-D-ribosa merupakan komponen asam nukleat (Gb.4.3). Gambar 4.1. Contoh aldosa dan ketosa Gambar 4.2 Dua jenis heksosa yang umum dijumpai 46 Gambar 4.3. Komponen pentosa dari asam nukleat Struktur monosakarida yang terdiri dari lima atau lebih atom karbon dalam larutan berbentuk siklik atau lingkaran. Gula heksosa membentuk lingkaran disebut piranosa karena senyawa ini menyerupai senyawa cincin dengan 6 anggota yang disebut piran (Gb.4.3). Aldoheksosa yang terdapat dalam bentuk cincin yang mempunyai 5 anggota disebut furanosa karena menyerupai bentuk cincin 5 anggota (furan (Gb.4.4)). Hanya aldosa yang dapat membentuk cincin piran stabil dibandingkan furan. Bentuk isomer dari monosakarida yang berbeda satu dengan lainnya, hanya dalam konfigurasi di sekitar atom karbon hemiasetal/hemiketal, seperti α-D-Glukosa dan β-D-glukosa disebut anomer (Gb.4). Gambar 4.4 Komponen pentosa dari asam nukleat Rumus struktur cincin monosakarida secara tiga dimensi dapat ditunjukkan dengan dua cara yaitu rumus proyeksi Haworth dan rumus konformasi. Sebagai contoh pada maltosa (Gb.4.5). Konformasi tiga dimensi spesifik gula sederhana 6 47 karbon penting dalam menentukan sifat-sifat biologi dan fungsi beberapa polisakarida. Gambar 4.5. Perbandingan rumus struktur maltosa dengan menggunakan rumus proyeksi Haworth dan rumus konformasi b. Sifat Kimia Monosakarida tidak berwarna dan berbentuk kristal padat yang larut dalam air namun tidak larut dalam pelarut non-polar. Umumnya monosakarida memiliki rasa manis dan bersifat optik aktif. Monosakarida bersifat mereduksi senyawa-senyawa pengoksidasi seperti ferisianida, hidrogen peroksida atau ion kupri (Cu 2+). Glukosa dan gula-gula lain yang mampu mereduksi senyawa pengoksidasi disebut gula pereduksi. Sifat ini akan berguna dalam analisis gula. 4.2 Oligosakarida Oligosakarida adalah rantai pendek yang terbentuk dari unit-unit monosakarida yang digabungkan bersama-sama oleh ikatan kovalen. Oligosakarida yang paling sederhana adalah disakarida yang memiliki 2 unit monosakarida. 48 Contoh-contoh oligosakarida: a. Disakarida Sukrosa = Glukosa + Fruktosa Laktosa = Glukosa + Galaktosa Maltosa = Glukosa + Glukosa b. Trisakarida Rafinosa = Galaktosa + Glukosa + Fruktosa Manotriosa = Galaktosa + Galaktosa + Glukosa c. Tetrasakarida Stakiosa = 2 Galaktosa + 1 Glukosa + 1 Fruktosa a. Struktur kimia Disakarida terdiri dari 2 molekul monosakarida yang berikatan kovalen terhadap sesamanya. Ikatan kimia yang menggabungkan kedua unit monosakarida disebut ikatan glikosida dan dibentuk jika gugus hidroksil pada salah satu gula bereaksi dengan karbon anomer pada gula yang kedua. Ikatan glikosida dapat segera terhidrolisa oleh asam namun tahan terhadap basa. Disakarida yang banyak terdapat di alam yang paling umum adalah sukrosa, laktosa dan maltosa. Maltosa adalah disakarida yang paling sederhana, merupakan gabungan dari dua molekul glukosa (Gb.4.5). Sedangkan laktosa meruakan disakarida hasil gabungan dari molekul glukosa dan galaktosa (Gb.4.6). Jenis disakarida ini hanya terdapat pada susu. Hidrolisis laktosa dapat dilakukan oleh enzim laktose. Gambar 4.6 Laktosa dan Sukrosa Sukrosa atau gula tebu adalah disakarida dari glukosa dan fruktosa. Sukrosa dibentuk oleh banyak tanaman, tetapi tidak terdapat pada hewan tingkat tinggi. Hewan tidaka dapat menyerap sukrosa seperti pada tanaman, tetapi dapat menyerap molekul tersebut dengan bantuan enzim suknosa. Sukrosa merupakan produk 49 fotosintesis antara yang utama. Pada banyak tanaman sukrosa merupakan bentuk utama dalam transport gula dari daun ke bagian lain tanaman melalui sistem vaskular. Sukrosa merupakan disakarida yang paling manis diantara ketiga jenis disakarida yang umum dijumpai. b. Sifat Kimia Maltosa dan laktosa adalah gula pereduksi karena gula ini memiliki gugus karbonil yang berpotensi bebas, yang dapat dioksidasi. Sedangkan sukrosa tidak bersifat pereduksi karena tidak mengandung atom karbon anomer bebas. 4.3 Polisakarida Kebanyakan karbohidrat yang ditemukan di alam terdapat sebagai polisakarida dengan berat molekul tinggi. Hidrolisis sempurna oleh asam atau enzim spesifik terhadap polisakarida menghasilkan monosakarida atau senyawa turunannya. Gabungan lebih dari 10 unit monosakarida disebut sebagai polisakarida. a. Struktur kimia Polisakarida, disebut juga glikan, berbeda dalam kandungan unit monosakarida, panjang rantainya, dan dalam tingkat percabangannya. Terdapat dua jenis polisakarida, yaitu homopolisakarida, yang mengandung hanya satu jenis unit monomer dan heteropolisakarida, yang mengandung dua atau lebih jenis unit monosakarida yang berbeda. Contoh homopolisakarida adalah pati yang berasal dari unit-unit D-glukosa dan contoh heterosakarida adalah asam hialuronat yang berasal dari 2 jenis monosakarida. Polisakarida yang penting di alam yaitu pati pada tumbuhan dan glikogen pada hewan. Pati terutama terdapat alam jumlah tinggi pada golongan umbi seperti kentang dan biji-bijian seperti jagung. Pati mengandung dua jenis polimer glukosa yaitu αamilosa dan amilopektin. Amilosa memiliki struktur tidak bercabang sementara amilopektin memiliki struktur bercabang tingkat tinggi (Gb.4.7). 50 Gambar 4.7 (a) amilosa; (b) amilopektin; (c) struktur suatu titik cabang Glikogen merupakan polisakarida utama pada hewan dan memiliki struktur bercabang dari gabungan D-glukosa dalam ikatan α(1->4). Pada glikogen percabangannya lebih banyak dan strukturnya lebih kompak daripada amilopektin. Selulosa merupakan homopolisakarida linear yang tidak bercabang, terdiri dari 10.000 atau lebih unit D-glukosa yang dihubungkan oleh ikatan 1-> 4 glikosida. Contoh karbohidrat yang terdiri dari banyak polisakarida (lebih dari 10). Amilum Glikogen Selulosa Pati Dekomposisi pati: Pati →dekstrin → maltosa → glukosa b. Sifat Kimia Pati dan glikogen dihidrolisa dalam saluran pencernaan oleh enzim amilase. Enzim α-amilase menguraikan ikatan α-(1-> 4) dan α-(1-> 6) diuraikan oleh enzim α(1-> 6)-glukosidase. Pada sel hewan, glikogen terdegradasi oleh jenis enzim lain, glikogen terdegradasi oleh jenis enzim lain, glikogen fosforilase, yang memecah glikogen menjadi glukosa-1-fosfat. Ikatan B selulosa pada rantai D-glukosa membentuk konformasi yang melebar dan mengalami pengelompokan antar sisi menjadi serat yang tidak larut. Ruminansia 51 mampu mencerna selulosa karena memiliki enzim selulose yang dikeluarkan oleh mikroorganisme dalam rumen ruminansia. 4.4 Derivat dan Gabungan Karbohidrat Monosakarida mempunyai gugus fungsi yang dapat dioksidasi menjadi gugus karboksilat. Asam yang terbentuk dapat dipandang sebagai derivat monosakarida. Disamping itu dikenal pula gula amino, yaitu monosakarida yang mengandung gugus –NH2. Selain dapat dioksidasi gugus aldehida dan keton dapat pula direduksi menjadi gugus alkohol. Oksidasi terhadap monosakarida dapat menghasilkan beberapa macam asam dan senyawa lainnya, misalnya : asam-asam, gula amino dan alkohol. Gambar 4.8. Reaksi reduksi-oksidasi (redoks) dari D-glukosa Glikoprotein adalah protein yang mengandung karbohidrat yang terikat secara kovalen yang merupakan monosakarida tunggal atau oligosakarida yang relatif pendek. Bagian karbohidrat dapat mencapai 30% karbohidrat atau lebih. Hampir semua protein pada permukaan sebelah luar hewan adalah glikoprotein.Glikoprotein ekstraselular paling menonjol adalah protein anti-beku pada beberapa spesies ikan di kutub. Contoh glikoprotein pada membran diantaranya adalah glikoforin dan fibronektin.Proteoglikan merupakan derivat karbohidrat dengan komponen utamanya adalah karbohidrat. 52 4.5 Fungsi Biologi Karbohidrat Beberapa polisakarida berfungsi sebagai bentuk penyimpanan bagi monosakarida, sedangkan yang lain berfungsi sebagai unsur struktural di dalam dinding sel dan jaringan pengikat. Polisakarida penyimpan yang paling penting di alam adalah pati, yang khas pada sel tanaman dan glikogen pada sel hewan. Banyak polisakarida yang berfungsi sebagaui unsur struktural ekstra selular pada dinding sel mikroorganisme bersel tunggal dan tumbuhan dan permukaan sebelah luar sel hewan. Polisakarida sstruktural memberikan perlindungan, bentuk dan daya penyangga terhadap sel, jaringan atau organ. Contonya selulosa. Kayu terbuat dari selulosa dan polimer lain sedangkan katun merupakan selulosa murni. Selulosa merupakan senyawa yang amat berguna. Kayu, katun, kertas dan papan sebagian besar merupakan selulosa. Lebih jauh, selulosa adalah bahan dasar dari banyak produk lain, seperti rayon, genteng isulasi dan bahan-bahan pembungkus dan pembangun lainnya. Polisakarida pada kulit udang, kepiting dan banyak insekta terbentuk dari polisakarida khitin. 53 BAB V LIPID 5.1 Pengertian dan Ciri Khas Lipid (dari kata Yunani, Lipos, lemak) dikenal oleh masyarakat awam sebagai minyak (organik, bukan minyak mineral atau minyak bumi), lemak, dan lilin. Tersusun dari Karbon, Hidrogen, dan Oksigen (C,H,O), Lipida memiliki lebih banyak atom karbon dan hidrogen dibandingkan atom oksigen, dengan nisbah H : O > 2:1. Istilah "lipida" mengacu pada golongan senyawa hidrokarbon alifatik nonpolar (tidak bisa atau susah larut dalam air) dan hidrofobik, yang esensial dalam menyusun struktur dan menjalankan fungsi sel hidup. Karena nonpolar, lipida tidak larut dalam pelarut polar, seperti air atau alkohol, tetapi larut dalam pelarut nonpolar (organik) seperti dalam eter, metanol, aseton, kloroform, dan benzen, Tabel 5.1 Penggunaan Asam Lemak dari Minyak Sayur 5.2 Fungsi Biologi dari Lipid Fungsi biologi dari lipid sesuai dengan jenisnya. Lemak dan minyak merupakan penyimpan energi utama pada kebanyakan organism Fofolipid dan sterol merupakan komponen struktural dari membrane biologi. Lilin merupakan penutup permukaan pada tanaman (kutikula) bertindak sebagai penolak air dan sebagai pengkonsistensi lapisan, Kilapan pada daun keladi dilapisi dengan lapisan lilin, yang dapat menghambat evaporasi berlebihan dan melindungi tanaman dari parasit.. Lipid lainnya, walaupun berada dalam jumlah sedikit tetapi mempunyai peranan yang sangat penting seperti kofaktor reaksi enzimatik (vitamin K), pembawa sinyal electron (steroid), pigmen pengabsobsi cahaya (klorofil), jangkar hidrofobik untuk 54 protein, khaperon untuk membantu pelipatan protein membran, hormon dan penyampai pesan intraselular. Tabel 5.2. Komposisi Asam Lemak Penghasil Minyak dan Daun pada Beberapa Tanaman Komposisi asam lemak pada beberapa tanaman penghasil minyak Komposisi asm lemak dalam daun beberapa tanaman Ada beberapa golongan lipid: Gliserida dan asam lemak, termasuk di dalamnya minyak dan lemak; Lilin, Fosfolipid; Sfingolipid; Glikolipid; Terpenoid, termasuk di dalamnya getah dan steroid. Gambar 5.1 Struktur Lipid 55 Gliserida Gliserida dikenal pula sebagai adalah ester dari gliserol dan asam lemak. Minyak nabati serta lemak hewani adalah gliserida yang tersusun dari gliserol dan asam lemak. Gliserol memiliki tiga gugus hidroksil fungsional (-OH) yang dapat teresterifikasi oleh asam lemak. Jika hanya satu gugus hidroksil teresterifikasi dinamakan monogliserida, jika dua yang teresterifikasi dinamakan digliserida, dan jika ketiga gugus hidroksilnya teresterifikasi disebut trigliserida. Trigliserida disebut juga triasilgliserol atau triasilgliserida. Dalam kondisi alami, semua kombinasi tercampur dalam sel. Asam lemak Asam lemak adalah asam karboksilat dengan jumlah atom karbon banyak. Biasanya asam lemak mengandung 4 – 24 atom karbon, dan mempunyai satu gugus karboksil (COOH). Bagian alkil dari asam lemak bersifat nonpolar, sedangkan gugus karboksil bersifat polar. Bila bagian alkil asam lemak mengandung paling sedikit satu ikatan rangkap, dinamakan asam lemak tak jenuh. Contohnya asam oleat, asam linoleat. Sebaliknya, bila tidak memiliki ikatan rangkap (hanya satu ikatan antar karbon) dinamakan asam lemak jenuh, seperti pada asam stearat dan asam palmitat. Ester gliserol yang terbentuk dari asam lemak tak jenuh dinamakan minyak, sedangkan yang berasal dari asam lemak jenuh dinamakan lemak. Titik leleh lemak lebih tinggi daripada minyak, sehingga minyak cenderung mencair pada suhu kamar. Gambar 5.2 Contoh Asam lemak tak jenuh 56 Gambar 5.3 Contoh Asam lemak jenuh Trigliserida Lemak tersusun tersusun dari gliserol (alkohol) dan tiga rantai asam lemak. Sub unit ini disebut trigliserida (atau lebih tepatnya triasilgliserol atau triasilgliserida) adalah sebuah gliserida, yaitu ester dari gliserol dan tiga asam lemak. Trigliserida merupakan penyusun utama minyak nabati dan lemak hewani. Gliserol merupakan senyawa larut dalam air dengan tiga gugus hidroksil. Rumus kimia trigliserida adalah CH2COOR-CHCOOR'-CH2-COOR", dimana R, R' dan R" masing-masing adalah sebuah rantai alkil yang panjang. Ketiga asam lemak RCOOH, R'COOH and R"COOH bisa jadi semuanya sama, semuanya berbeda ataupun hanya dua diantaranya yang sama. Lemak merupakan trigliserida yang mengandung asam lemak jenuh (butter, margarine, shortening padat pada suhu ruangan). Sedangkan minyak merupakan trigliserida dengan asam lemak tak jenuh (minyak jagung cair pada suhu ruangan) 57 Gliserol Rantai asam Lemak Gambar 5.4 Struktur umum trigliserida Lilin Lilin merupakan rantai panjang asam lemak disambungkan ke rantai panjang alkohol. Lilin bersifat nonpolar. Padat pada suhu ruangan; mempunyai titik leleh tinggi ; kedap air dan tahan degradasi. Membentuk lapisan pelindung yang menahan kehilangan air pada tanaman; menjaga kulit dan bulu pada hewan. Fosfolipid Fosfolipid mirip dengan lemak netral, yaitu merupakan suatu ester gliserol, tetapi, fosfolipid hanya mengandung dua asam lemak, yang terikat pada atom C nomor 1 dan nomor 2 dari gliserol, sedangkan atom C nomor tiga diesterkan oleh asam fosfat atau sebuah gugus gabungan fosfat dan nitrogen, yang telah mengikat gugus alkohol jenis lain, seperti kolin, etanolamin, serin, dan inositol. Karena itu, fosfolipid diberi nama menurut gugus alkohol yang terikat pada asam fosfatnya, misalnya fosfatidilkolin (gugus alkohol mengikat kolin), fosfatidil etanolamin (mengikat etanolamin), fosfatidil serin, dan nama lainnya. Fosfolipid membantu menyusun membrane sel. Dua lapisan fosfolipid menyusun membran. Fosfolipid memiliki sebuah kepala "suka air" hidrofilik dan dua ekor "takut air" hidrofobik. 58 Gambar 5.5 Fosfolipid Sfingolipid Sfingolipid merupakan salah satu penyusun utama dari membrane plasma. Sfingolipid berada dalam plasma dan membran Retikulum Endoplasma (ER). Sfingolipids terdiri basa sfingo. Rantai hidrokarbon ini mengandung ikatan ganda,sebuah gugus amino pada posisi 2, dan dua sampai tiga gugus hidroksil pada posisi 1, 3,dan 4. Basa sfingo dihubungkan oleh sebuah ikatan amide ke asam lemak (C16–24, denngan ikatan rangkap). Salah satu contoh, sfingolipid adalah, ceramide,dengan sfinganin sebagai basa (lihat Gambar dibawah ini). Pada glukosilsfingolipid, gugus terminal hidroksil terikat ke residu glukosa (lihat Gambar dibawah ini). Metabolit sfingolipid bisa terlibat sebagai sinyal dalam program pematian sel (programmed cell death). 59 Gambar 5.6 Sfingolipid Steroid Steroid berbeda dengan asam lemak neutral. Steroid memiliki cincin karbon ,yaitu memilik rangka yang merupakan penyatuan 4 buah cincin karbon yang bervariasi tergantung pada gugus fungsional yang melekat padanya. Rangka karbon dari steroid adalah rangka benzen merupakan gabungan 4 buah cincin benzene. Kolesterol adalah ―basa steroid‖ tempat badan kita menghasilkan steroid. Kolesterol merupakan prekursor dari steroid lainnya, termasuk aldosteron dan hormon sex. Estrogen dan testosteron (merupakan hormon sex jantan) juga steroid. Sintesis Asam Lemak Pada tanaman sintesis asam lemak de novo selalu terjadi dalam plastida Karbon terfiksasi yang merupakan hasil assimilasi CO2 dalam kloroplas bukan hanya merupakan precursor untuk sintesis karbohidrat dan asam amino, tetapi juga untuk sintesis asam lemak dan berbagai metabolit sekunder lainnya. Tanaman tidak mampu memindahkan asam lemak jarak jauh di dalam tanaman. Padahal asam lemak ada di setiap sel sebagai constituen dari lipid membrane, dengan demikian setiap sel seharusnya memiliki enzim untuk mesintesis lipid membran dan juga untuk mensintesis asam lemak. 60 Kolestrol Estrogen Testosteron Gambar 5.7 Contoh Steroid Pada tanaman sintesis asam lemak de novo selalu terjadi dalam plastida: dalam kloroplas dari sel hijau dan leukoplast dan kromoplas dari sel-sel yang tidak hijau. Walaupun enzim pensisntesis asam lemak pada sel tanaman dijumpai juga dalam membrane ER, tetapi enzim tersebut nampaknya hanya terlibat dalam memodifikasi asam lemak yang telah disintesis, sebelumnya dalam plastida. Modifikasi tersebut termasuk pemanjangan rantai asam lemak dan introduksi ikatan rangkap berikutnya oleh desaturases. Acetil CoA merupakan precursor untuk sintesis asam lemak Plastida mengandung piruvat dehidrogenase, di mana piruvat dioksidasi menjadi acetil CoA, yang disertai dengan reduksi NAD (Gambar 5.8 di bawah ini). 61 Gambar 5.8 sintesis asam lemak 62 BAB VI PROTEIN Protein adalah makromolekul polipeptida yang tersusun dari sejumlah L-asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida, berbobot molekul tinggi dari 5000 samapi berjuta-juta. Suatu molekul protein disusun oleh sejumlah asam amino tertentu dengan susunan yang sudah tertentu pula dan bersifat turunan. Protein (akar kata protos dari bahasa Yunani yang berarti "yang paling utama") adalah senyawa organik kompleks berbobot molekul tinggi yang merupakan polimer dari monomer-monomer asam amino yang dihubungkan satu sama lain dengan ikatan peptida. Molekul protein mengandung karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen dan kadang kala sulfur serta fosfor. Protein berperan penting dalam struktur dan fungsi semua sel makhluk hidup dan virus. Kebanyakan protein merupakan enzim atau subunit enzim. Jenis protein lain berperan dalam fungsi struktural atau mekanis, seperti misalnya protein yang membentuk batang dan sendi sitoskeleton. Protein terlibat dalam sistem kekebalan (imun) sebagai antibodi, sistem kendali dalam bentuk hormon, sebagai komponen penyimpanan (dalam biji) dan juga dalam transportasi hara. Sebagai salah satu sumber gizi, protein berperan sebagai sumber asam amino bagi organisme yang tidak mampu membentuk asam amino tersebut (heterotrof). Protein merupakan salah satu dari biomolekul raksasa, selain polisakarida, lipid, dan polinukleotida, yang merupakan penyusun utama makhluk hidup. Selain itu, protein merupakan salah satu molekul yang paling banyak diteliti dalam biokimia. Protein ditemukan oleh Jöns Jakob Berzelius pada tahun 1838. Biosintesis protein alami sama dengan ekspresi genetik. Kode genetik yang dibawa DNA ditranskripsi menjadi RNA, yang berperan sebagai cetakan bagi translasi yang dilakukan ribosom. Sampai tahap ini, protein masih "mentah", hanya tersusun dari asam amino proteinogenik. Melalui mekanisme pascatranslasi, terbentuklah protein yang memiliki fungsi penuh secara biologi. Gambar 6.1 Struktur Protein 63 Struktur tersier protein. Protein ini memiliki banyak struktur sekunder betasheet dan alpha-helix yang sangat pendek. Model dibuat dengan menggunakan koordinat dari Bank Data Protein (nomor 1EDH). Struktur protein dapat dilihat sebagai hirarki, yaitu berupa struktur primer (tingkat satu), sekunder (tingkat dua), tersier (tingkat tiga), dan kuartener (tingkat empat). Struktur primer protein merupakan urutan asam amino penyusun protein yang dihubungkan melalui ikatan peptida (amida). Sementara itu, struktur sekunder protein adalah struktur tiga dimensi lokal dari berbagai rangkaian asam amino pada protein yang distabilkan oleh ikatan hidrogen. Berbagai bentuk struktur sekunder misalnya ialah sebagai berikut: alpha helix (α-helix, "puntiran-alfa"), berupa pilinan rantai asam-asam amino berbentuk seperti spiral; beta-sheet (β-sheet, "lempeng-beta"), berupa lembaran-lembaran lebar yang tersusun dari sejumlah rantai asam amino yang saling terikat melalui ikatan hidrogen atau ikatan tiol (S-H); beta-turn, (β-turn, "lekukan-beta"); dan gamma-turn, (γ-turn, "lekukan-gamma"). Gabungan dari aneka ragam dari struktur sekunder akan menghasilkan struktur tiga dimensi yang dinamakan struktur tersier. Struktur tersier biasanya berupa gumpalan. Beberapa molekul protein dapat berinteraksi secara fisik tanpa ikatan kovalen membentuk oligomer yang stabil (misalnya dimer, trimer, atau kuartomer) dan membentuk struktur kuartener. Contoh struktur kuartener yang terkenal adalah enzim Rubisco dan insulin. Struktur primer protein bisa ditentukan dengan beberapa metode: (1) hidrolisis protein dengan asam kuat (misalnya, 6N HCl) dan kemudian komposisi asam amino ditentukan dengan instrumen amino acid analyzer, (2) analisis sekuens dari ujung-N dengan menggunakan degradasi Edman, (3) kombinasi dari digesti dengan tripsin dan spektrometri massa, dan (4) penentuan massa molekular dengan spektrometri massa. Struktur sekunder bisa ditentukan dengan menggunakan spektroskopi circular dichroism (CD) dan Fourier Transform Infra Red (FTIR). Spektrum CD dari puntiran-alfa menunjukkan dua absorbans negatif pada 208 dan 220 nm dan lempengbeta menunjukkan satu puncak negatif sekitar 210-216 nm. Estimasi dari komposisi struktur sekunder dari protein bisa dikalkulasi dari spektrum CD. Pada spektrum FTIR, pita amida-I dari puntiran-alfa berbeda dibandingkan dengan pita amida-I dari lempeng-beta. Jadi, komposisi struktur sekunder dari protein juga bisa diestimasi dari spektrum inframerah. Struktur protein lainnya yang juga dikenal adalah domain. Struktur ini terdiri dari 40-350 asam amino. Protein sederhana umumnya hanya memiliki satu domain. Pada protein yang lebih kompleks, ada beberapa domain yang terlibat di dalamnya. Hubungan rantai polipeptida yang berperan di dalamnya akan menimbulkan sebuah fungsi baru berbeda dengan komponen penyusunnya. Bila struktur domain pada 64 struktur kompleks ini berpisah, maka fungsi biologis masing-masing komponen domain penyusunnya tidak hilang. Inilah yang membedakan struktur domain dengan struktur kuartener. Pada struktur kuartener, setelah struktur kompleksnya berpisah, protein tersebut tidak fungsional. 6.1 Fungsi protein Protein memegang peranan penting dalam berbagai proses biologi. Peran-peran tersebut antara lain: 1. Katalisis enzimatik Hampir semua reaksi kimia dalam sistem biologi dikatalisis oleh enzim dan hampir semua enzim adalah protein. 2. Transportasi dan penyimpanan Berbagai molekul kecil dan ion-ion ditansport oleh protein spesifik. Misalnya transportasi oksigen di dalam eritrosit oleh hemoglobin dan transportasi oksigen di dalam otot oleh mioglobin. 3. Koordinasi gerak Kontraksi otot dapat terjadi karena pergeseran dua filamen protein. Contoh lainnya adalah pergerakan kromosom saat proses mitosis dan pergerakan sperma oleh flagela. 4. Penunjang mekanis Ketegangan kulit dan tulang disebabkan oleh kolagen yang merupakan protein fibrosa 5. Proteksi imun Antibodi merupakan protein yang sangat spesifik dan dapat mengenal serta berkombinasi dengan benda asing seperti virus, bakteri dan sel dari organisma lain. 6. Membangkitkan dan menghantarkan impuls saraf Respon sel saraf terhadap rangsang spesifik diperantarai oleh oleh protein reseptor. Misalnya rodopsin adalah protein yang sensitif terhadap cahaya ditemukan pada sel batang retina. Contoh lainnya adalah protein reseptor pada sinapsis 7. Pengaturan pertumbuhan dan diferensiasi Pada organisme tingkat tinggi, pertumbuhan dan diferensiasi diatur oleh protein faktor pertumbuhan. Misalnya faktor pertumbuhan saraf mengendalikan pertumbuhan jaringan saraf. Selain itu, banyak hormon merupakan protein. 6.2 Komponen penyusun protein Unit dasar penyusun struktur protein adalah asam amino. Dengan kata lain protein tersusun atas asam-asam amino yang saling berikatan. 6.3 Struktur asam amino Suatu asam amino-α terdiri atas: 65 1. 2. 3. 4. 5. Atom C α. Disebut α karena bersebelahan dengan gugus karboksil (asam). Atom H yang terikat pada atom C α. Gugus karboksil yang terikat pada atom C α. Gugus amino yang terikat pada atom C α. Gugus R yang juga terikat pada atom C α. Agar lebih jelas dapat Anda cermati Gambar 6.2 berikut. Gambar 6.2 Struktur asam amino α 6.4 Macam asam amino Ada 20 macam asam amino, yang masing-masing ditentukan oleh jenis gugus R atau rantai samping dari asam amino. Jika gugus R berbeda maka jenis asam amino berbeda. Contohnya ada pada Gambar 2.2. Dari gambar tersebut tampak bahwa asam amino serin, asam aspartat dan leusin memiliki perbedaan hanya pada jenis gugus R saja. Gambar 6.3 Contoh struktur dari beberapa asam amino Gugus R dari asam amino bervariasi dalam hal ukuran, bentuk, muatan, kapasitas pengikatan hidrogen serta reaktivitas kimia. Keduapuluh macam asam amino ini tidak pernah berubah. Asam amino yang paling sederhana adalah glisin 66 dengan atom H sebagai rantai samping. Berikutnya adalah alanin dengan gugus metil (-CH3) sebagai rantai samping. Struktur dari 20 macam asam amino pada Tabel 6.1. Tabel 6.1 Nama-nama asam amino No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Nama Alanin (alanine) Arginin (arginine) Asparagin (asparagine) Asam aspartat (aspartic acid) Sistein (cystine) Glutamin (Glutamine) Asam glutamat (glutamic acid) Glisin (Glycine) Histidin (histidine) Isoleusin (isoleucine) Leusin (leucine) Lisin (Lysine) Metionin (methionine) Fenilalanin (phenilalanine) Prolin (proline) Serin (Serine) Treonin (Threonine) Triptofan (Tryptophan) Tirosin (tyrosine) Valin (valine) Singkatan Ala Arg Asn Asp Cys Gln Glu Gly His Ile Leu Lys Met Phe Pro Ser Thr Trp Tyr Val Kekurangan Protein Protein sendiri mempunyai banyak sekali fungsi di tubuh kita. Pada dasarnya protein menunjang keberadaan setiap sel tubuh, proses kekebalan tubuh. Setiap orang dewasa harus sedikitnya mengkonsumsi 1 g protein pro kg berat tubuhnya. Kebutuhan akan protein bertambah pada perempuan yang mengandung dan atlet-atlet. Kekurangan Protein bisa berakibat fatal: Kerontokan rambut (Rambut terdiri dari 97-100% dari Protein -Keratin) Yang paling buruk ada yang disebut dengan Kwasiorkor, penyakit kekurangan protein. Biasanya pada anak-anak kecil yang menderitanya, dapat dilihat dari yang namanya busung lapar, yang disebabkan oleh filtrasi air di dalam pembuluh darah sehingga menimbulkan odem.Simptom yang lain dapat dikenali adalah hipotonus, gangguan pertumbuhan, hati lemak. Kekurangan yang terus menerus menyebabkan marasmus dan berkibat kematian. 67 Sintese protein Dari makanan kita memperoleh Protein. Di sistem pencernaan protein akan diuraikan menjadi peptid peptid yang strukturnya lebih sederhana terdiri dari asam amino. Hal ini dilakukan dengan bantuan enzim. Tubuh manusia memerlukan 9 asam amino. Artinya kesembilan asam amino ini tidak dapat disintesa sendiri oleh tubuh esensiil, sedangkan sebagian asam amino dapat disintesa sendiri atau tidak esensiil oleh tubuh. Keseluruhan berjumlah 21 asam amino. Setelah penyerapan di usus maka akan diberikan ke darah. Darah membawa asam amino itu ke setiap sel tubuh. Kode untuk asam amino tidak esensiil dapat disintesa oleh DNA. Ini disebut dengan DNAtranskripsi. Kemudian mRNA hasil transkripsi di proses lebih lanjut di ribosom atau retikulum endoplasma, disebut sebagai translasi. Sumber Peotein terdapat dalam Daging, Ikan, Telur, Susu, dan produk sejenis Quark, Tumbuhan berbji, Suku polong-polongan dan Kentang. Keuntungan Protein adalah Sumber energi, Pembetukan dan perbaikan sel dan jaringan, Sebagai sintesis hormon,enzim, dan antibodi, Pengatur keseimbangan kadar asam basa dalam sel Gambar 6.4 Alanin 68 Gambar 6.4 Arginin Gambar 6.5 Asparagin (asparagine) 69 Gambar 6.6 Asam Aspartat Gambar 6.7. Sistein (cystine) 70 Gambar 6.8 Glutamine Gambar 6.9 Asam glutamat 71 Gambar 6.10 Glisin (Glycine) Gambar 6.11 Histidin (histidine) Gambar 6.11 Leucine 72 BAB. VII ASAM NUKLEAT Molekul asam nukleat merupakan satu-satunya molekul yang membawa informasi genetik organisme hidup. Asam nukleat ditemukan pada tahun 1879 oleh Albrecht Kossel. Terdapat 2 golongan besar asam nukleat yaitu asam deoksiribonukleat (DNA) dan asam ribonukleat (RNA). Kedua asam ini adalah polimer linier yang tidak bercabang, dengan nukleotida sebagai monomernya. Satu nukleotida tersusun atas 3 bagian yaitu: (a). Sebuah gula berkarbon 5 (pentosa) yaitu ribosa atau deoksiribosa (b) Suatu basa yang berstruktur cincin dan mengandung nitrogen. Basa ini adalah adenin, guanin, sitosin, dan timin atau urasil (c). Satu, dua, atau tiga gugus fosfat yang terikat pada atom karbon gula pentosa. 7.1 Komposisi Kimia Asam Nukleat Hasil analisis kimia asam nukleat menunjukkan bahwa makromolekul ini tersusun dari subunit-subunit berulang (monomer) yang disebut nukleotida sehingga asam nukleat dapat juga dikatakan sebagai polinukleotida. Nukleotida yang satu dengan nukleotida berikutnya dihubungkan oleh ikatan fosfodiester yang sangat kuat. Tiap nukleotida terdiri atas tiga komponen, yaitu gugus fosfat, gula pentosa (gula dengan lima atom karbon), dan basa nukleotida atau basa nitrogen (basa siklik yang mengandung nitrogen). Pada DNA basa nitrogen berikatan secara kimia dengan gula pentosa membentuk molekul yang disebut nukleosida sehingga setiap nukleotida pada DNA dapat disebut juga sebagai nukleosida monofosfat. Gula pentosa pada DNA adalah 2-deoksiribosa, sedangkan pada RNA adalah ribosa. Menurut kebiasaan, penomoran atom C pada gula pentosa dilakukan menggunakan tanda aksen (‘) untuk membedakannya dengan penomoran atom C pada basa nitrogen. Atom C pada gula pentosa yang berikatan dengan basa nitrogen ditentukan sebagai atom C pertama (1‘). Atom C nomor 2‘ pada DNA tidak mengikat gugus OH seperti halnya pada RNA, tetapi mengikat gugus H sehingga gula pentosanya dinamakan deoksiribosa. Sementara itu, basa nitrogen ada dua macam, yakni basa dengan cincin rangkap atau disebut purin dan basa dengan cincin tunggal atau disebut pirimidin. Basa purin, baik pada DNA maupun RNA, dapat berupa adenin (A) atau guanin (G), sedangkan basa pirimidin pada DNA dapat berupa sitosin (C) atau timin (T). Pada RNA tidak terdapat basa timin, tetapi diganti dengan urasil (U). Biasanya DNA mempunyai struktur sebagai molekul polinukleotida untai ganda, sedangkan RNA adalah polinukleotida untai tunggal. Ini merupakan perbedaan lain di antara kedua macam asam nukleat tersebut. 73 O O P=O gugus fosfat O 5‘CH2OH O 5‘CH2OH O OH 4‘ H OH 1‘ H 3‘ OH H 2‘ H gula 2-deoksiribosa H 4‘ H 1‘ H H 3‘ 2‘ OH OH gula ribosa Gambar 7.1 Gula 2-deoksiribosa dan gula ribosa Gambar 7.2 Cincin Purin dan Pirimidin H 74 Gambar 7.3 Komponen kimia basa penyusun asam nukleat Gambar 7.4 Nukleosida 75 Gambar 7.5 Nukleotida Monomer nukleotida dapat berikatan satu sama lain melalui ikatan fosfodiester antara -OH di atom C nomor 3‗nya dengan gugus fosfat dari nukleotida berikutnya. Kedua ujung poli- atau oligonukleotida yang dihasilkan menyisakan gugus fosfat di atom karbon nomor 5' nukleotida pertama dan gugus hidroksil di atom karbon nomor 3' nukleotida terakhir. Gambar 7.6 Ujung poli- atau oligonukleotida menyisakan gugus fosfat di atom karbon nomor 5' nukleotida pertama dan gugus hidroksil di atom karbon nomor 3' nukleotida terakhir. 76 Ribonukleotida • Gula ribosa yang berikatan dengan basa nitrogen (dalam contoh di bawah adalah suatu pirimidin, urasil dan sitosin) pada atom karbon nomor 1‗nya disebut ribonukleosida (dalam contoh di samping adalah uridin dan sitidin). • Ribonukleosida yang terfosforilasi pada atom karbon nomor 5‗nya disebut ribonukleotida (dalam contoh di bawah adalah uridilat atau sitidilat) Gambar 7.7 Ribonucleotides 77 Keragaman Ikatan Fosfat Gambar 7.8 Hidrolisis RNA oleh enzim menghasilkan ribonukleosida 5‘- mono-fosfat atau ribonukleosida 3'-monofosfat. Keragaman Jumlah Fosfat Gambar 7.9 Keragaan Jumlah Fosfat 78 Kerangka Gula Fosfat Gambar 7.10 Kerangka Gula Fosfat • Kerangka dasar polinukleotida atau asam nukleat tersusun atas residu fosfat dan ribosa yang berselang-seling. • Urutan basa dalam polinukleotida ditulis dari ujung yang memiliki gugus fosfat di atom karbon nomor 5' ke ujung yang memiliki gugus hidroksil di atom karbon nomor 3‗, atau biasa disebut ujung 5' ke 3': 5'-ATGCTAGC-3' • Perhatikan bahwa kerangka dasar polinukleotida memiliki muatan negatif. Basa Nitrogen Dapat Berposisi Syn- Atau Anti- Gambar 7.11 Basa Nitrogen Dapat Berposisi Syn- Atau Anti- 79 Konformasi Kerangka Dasar Gula-Fosfat Gambar 7.12 Konformasi Kerangka Dasar Gula-Fosfat Polinukleotida memiliki kebebasan berotasi tak terbatas, kecuali pada kerangka cincin ribosanya. Nukleotida Dan Asam Nukleat Ribonukleotida adalah penyusun RNA Gambar 7.13 Nukleotida Dan Asam Nukleat 80 7.2 Komposisi Basa Penyusun Asam Nukleat Tabel 7.1 Komposisi Basa Penyusun Asam Nukleat Organisme A G C T Escherichia coli 24,7 26,0 25,7 23,6 Khamir 31,3 18,7 17,1 32,9 Gandum 27,3 22,7 22,8 27,1 Salmon 29,7 20,8 20,4 29,1 Ayam 28,8 20,5 21,5 29,3 Model Struktur DNA Watson-Crick Model struktur fisik molekul DNA pertama kali diajukan pada tahun 1953 oleh J.D. Watson dan F.H.C. Crick. Ada dua dasar yang digunakan dalam melakukan deduksi terhadap model tersebut, yaitu: 1. Hasil analisis kimia yang dilakukan oleh E. Chargaff terhadap kandungan basa nitrogen molekul DNA dari berbagai organisme selalu menunjukkan bahwa konsentrasi adenin sama dengan timin, sedangkan guanin sama dengan sitosin. Dengan sendirinya, konsentrasi basa purin total menjadi sama dengan konsentrasi basa pirimidin total. Akan tetapi, nisbah konsentrasi adenin + timin terhadap konsentrasi guanin + sitosin sangat bervariasi dari spesies ke spesies. 2. Pola difraksi yang diperoleh dari hasil pemotretan molekul DNA menggunakan sinar X oleh M.H.F. Wilkins, R. Franklin, dan para koleganya menunjukkan bahwa basa-basa nitrogen tersusun vertikal di sepanjang sumbu molekul dengan interval 3,4 Å. Dari data kimia Chargaff serta difraksi sinar X Wilkins dan Franklin tersebut Watson dan Crick mengusulkan model struktur DNA yang dikenal sebagai model tangga berpilin (double helix). Menurut model ini kedua untai polinukleotida saling memilin di sepanjang sumbu yang sama. Satu sama lain arahnya sejajar tetapi berlawanan (antiparalel). Basa-basa nitrogen menghadap ke arah dalam sumbu, dan terjadi ikatan hidrogen antara basa A pada satu untai dan basa T pada untai lainnya. Begitu pula, basa G pada satu untai selalu berpasangan dengan basa C pada untai lainnya melalui ikatan hidrogen. Oleh karena itu, begitu urutan basa pada satu untai 81 polinukleotida diketahui, maka urutan basa pada untai lainnya dapat ditentukan pula. Adanya perpasangan yang khas di antara basa-basa nitrogen itu menyebabkan kedua untai polinukleotida komplementer satu sama lain. Setiap pasangan basa berjarak 3,4 Å dengan pasangan basa berikutnya. Di dalam satu kali pilinan (360°) terdapat 10 pasangan basa. Antara basa A dan T yang berpasangan terdapat ikatan hidrogen rangkap dua, sedangkan antara basa G dan C yang berpasangan terdapat ikatan hidrogen rangkap tiga. Hal ini menyebabkan nisbah A+T terhadap G+C mempengaruhi stabilitas molekul DNA. Makin tinggi nisbah tersebut, makin rendah stabilitas molekul DNAnya, dan begitu pula sebaliknya. Gugus fosfat dan gula terletak di sebelah luar sumbu. Seperti telah disebutkan di atas, nukleotida-nukleotida yang berurutan dihubungkan oleh ikatan fosfodiester. Ikatan ini menghubungkan atom C nomor 3‘ dengan atom C nomor 5‘ pada gula deoksiribosa. Di salah satu ujung untai polinukleotida, atom C nomor 3‘ tidak lagi dihubungkan oleh ikatan fosfodiester dengan nukleotida berikutnya, tetapi akan mengikat gugus OH. Oleh karena itu, ujung ini dinamakan ujung 3’ atau ujung OH. Di ujung lainnya atom C nomor 5‘ akan mengikat gugus fosfat sehingga ujung ini dinamakan ujung 5’ atau ujung P. Kedudukan antiparalel di antara kedua untai polinukleotida sebenarnya dilihat dari ujung-ujung ini. Jika untai yang satu mempunyai arah dari ujung 5‘ ke 3‘, maka untai komplementernya mempunyai arah dari ujung 3‘ ke 5‘. Ribosa Dan Deoksiribosa • Turunan penting dari ribosa adalah 2'-deoksiribosa, sering hanya disebut deoksiribosa, yang pada karbon nomor 2‗nya OH digantikan oleh H. • Deoksiribosa ditemukan di DNA (deoxyribonucleic acid) • Ribosa ditemukan di RNA (ribonucleic acid). • Penggantian –OH oleh H di atom C nomor 2 mempengaruhi struktur Deoksiribonukleotida – Penyusun DNA • Gula 2'-deoksiribosa yang berikatan dengan basa nitrogen (dalam contoh di samping adalah purin - adenin dan guanin) pada atom karbon nomor 1‗nya disebut deoksiribonukleosida (dalam contoh di samping adalah deoksiadenosin dan deoksiguanosine). • Deoksiribonukleosida yang terfosforilasi pada atom karbon nomor 5‗nya disebut Deoksiribonukleotida (dalam contoh di samping adalah deoksiadenilat dan deoksiguanilat). 82 Gambar 7. 14 Deoksiribonukleotida Deoksiribonukleotida Utama Gambar 7. 15 Deoksiribonukleotida Utama Penamaan Nukleotida Tabel 7.2 Nucleotida dan Nomenclature Asam Nukleat 83 Gambar 7. 16 Penamaan Nukleotida 7.3 Fungsi Biologi Asam Nukleat Asam Nukleat (Nucleic acid) merupakan substansi yang sungguh amat sangat penting. Asam ini terdapat pada hampir setiap sel tubuh kita. Perlu diketahui, tubuh kita tersusun atas ribuan, jutaan bahkan miliaran sel. Asam nukleat ini terletak dalam kromosom yang ada pada inti sel. Asam nukleat terdiri atas 2 jenis: DNA(Deoxiribo Nucleic Acid) dan RNA(Ribonucleic Acid). Kedua asam nukleat ini mempunyai peran yang sangat penting bagi kita (dan semua 84 organisme). RNA ada tiga tipe yaitu Ribosomal RNA (rRNA), Messenger RNA (mRNA), Transfer RNA (tRNA). Peranan Asam Nukleat dalam sel antara lain: • DNA mengandung gen, informasi yang mengatur sintesis protein dan RNA. • DNA mengandung bagian-bagian yang menentukan pengaturan ekspresi gen (promoter, operator, dll.) • Ribosomal RNA (rRNA) merupakan komponen dari ribosom, mesin biologis pembuat protein • Messenger RNAs (mRNA) merupakan bahan pembawa informasi genetik dari gen ke ribosom • Transfer RNAs (tRNAs) merupakan bahan yang menterjemahkan informasi dalam mRNA menjadi urutan asam amino • RNAs memiliki fungsi-fungsi yang lain, di antaranya fungsi-fungsi katalis Dalam ilmu Genetika peranan DNA dan RNA dikelompokkan menjadi dua fungsi yang sangat penting yaitu: 1. Sebagai penentu hereditas (faktor sifat keturunan) DNA/ADN mempunyai andil sangat besar dalam mewariskan sifat. Sebab, DNA (juga RNA Genetik) mempunyai ―kode khusus‖ untuk tiap sifat. Misal: pada manusia kode/gen B (sifatnya dominan) menunjukkan sifat gigi coklat. Sedangkan gigi normal oleh huruf b (resesif) pada bunga sifat merah dilambangkan dengan M; putih m. pada Drosophila melanogaster (lalat buah) Cu menunjukkan sayap normal;cu sayap keriput(tak bisa terbang). Dan masih sangat banyak lagi kode lainnya. Kode huruf tersebut hanya merupakan kesepakatan para ahli. Di dalam kromosom tidak terdapat/tercantum huruf-huruf tersebut. Sebagai contoh adalah persilangan ercis (Pisum sativum) batang tinggi dan batang pendek. Jika gen (boleh juga disebut gamet) T (dominan) menunjukkan sifat batang tinggi, maka batang pendek ditunjukkan oleh gen t(resesif). P (Parental/induk): TT >< tt Gamet : T t Batang tinggi batang pendek F1(fillial/ Keturunan pertama: Tt (batang tinggi) Jika F2: F1 >< F1 Tt >< Tt Menghasilkan 25% (kemungkinan) TT (batang tinggi) 50% Tt (batang tinggi) 85 25% tt (batang pendek) 3. Sebagai sintesis protein (asam amino) Asam nukleat yang tersusun atas basa nitrogen tersebut dapat membentuk protein. Misal susunan kode pada rantai/pita antisense DNA adalah ATG GGC CTA TCG. Protein yang akan disintesa adalah AUG GGC GUA ACG. Maka asam amino yang dihasilkan adalah AUG menunjukkan kode untuk protein Metionin GGC adalah Glisin GUA adalah Valin ACG adalah Threonin Sungguh betapa Maha Agungnya Allah. Dalam satu molekul yang ukurannya sangat kecil itu terdapat miliaran informasi genetik/sifat. Kalau saja informasi dalam satu molekul tersebut kita tulis di atas kertas, butuh jutaan lembar.Informasi dengan jumlah luar biasa banyaknya hanya ―tersimpan‖ pada satu kromosom.Kromosom berada dalam inti sel. Sel mempunyai organel selain inti(nukleus), yaitu: membran sel, ribosom, lisosom, RE,vakuola dan mitokondria. Pada hewan ditambah sentriol. Tumbuhan, dinding sel dan plastid. Semua informasi sejumlah sangat banyaknya itu ―tersimpan‖ hanya dalam satu sel. 86 BAB VIII ENZIM Enzim adalah golongan protein yang paling banyak terdapat dalam sel hidup. Asal kata adalah en-zyme yang berarti dalam ragi. Pada tahun 1860, Pasteur menunjukkan bahwa proses fermentasi dikatalisis oleh enzim yang secara struktural terikat di dalam sel ragi. Enzim merupakan suatu biokatalis, artinya suatu katalisator yang disintesis oleh organisme hidup. Secara struktural, semua enzim tanpa kecuali berupa protein, sehingga sifat-sifat protein dimiliki enzim misalnya sifat termolabil, dirusak oleh logam berat. Ekstraksi enzim pertama kali dilakukan oleh Buchner pada tahun 1897 terhadap enzim sel ragi yang berperan dalam fermentasi alkohol. Pada tahun 1926 Summer untuk pertama kali mengisolasi enzim urease dari kacang-kacangan ke dalam bentuk kristal. Hal yang sama dilakukan oleh Northrop dalam tahun 1930-1936 terhadap enzim pepsin, tripsin, dan kemotripsin. Enzim aktif bukan semata-mata di dalam organisme hidup tetapi juga di dalam tabung reaksi, asalkan kondisinya disesuaikan dengan kondisi di mana enzim tersebut diisolasi. Penelitan tentang enzim kini secara lebih jelas telah memberikan pemahaman tentang peranan enzim dalam biologi sel, sifat pengaturan sendiri system enzim, peranan enzim dalam berbagai proses pertumbuhan , differensiasi atau pembelahan sel. 8.1 Penamaan Dan Klasifikasi Enzim Aktivitas enzim umumnya bersifat spesifik. Pemberian nama (nomenklatur) yang mula-mula digunakan sangat sederhana yaitu dengan mencantumkan akhiran – ase pada nama substrat di mana enzim itu bekerja. Misalnya proteinase yaitu enzim yang bekerja pada protein, karbohidrase yaitu enzim yang bekerja pada karbohidrat, lipase yaitu enzim yang bekerja pada lipid atau lemak. Ada pula yang mencantumkan akiran –ase pada jenis reaksinya misalnya oksidase yaitu enzim yang beraksi secara oksidasi, reduktase yaitu enzim yang bereaksi secara reduksi. Sistem ini menimbulkan kesimpangsiuran penamaan enzim, sehingga IUB (International Union of Biochemistry) melalui sutau badan yang bernama CEIUB ( Commission on Enzyme of the International Union of Biochemistry) membuat satu aturan kode dengan cara membagi enzim ke dalam enam golongan utama, dan setiap golongan dibagi lagi menjadi sub-golongan. Sistem kode CEIUB terdiri atas empat digit, dengan ketentuan digit 1 merupakan kode kelas enzim, digit 2 kode untuk sub- 87 klas enzim, digit 3 untuk sub-sub klas enzim, dan digit 4 untuk nama enzim tertentu. Keenam golongan enzim tersebut adalah sebagai berikut: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Oksido-reduktase : berparan dalam reaksi oksidasi-reduksi Transferase: berperan dalam reaksi pemindahan gugus tertentu Hidolase: berperan dalam reaksi hidrolisis Liase : mengkatalisis reaksi adisi atau pemecahan ikatan rangkap dua Isomerase: berperan dalam mengkatalisis reaksi isomerisasi Ligase: mengkatalisis reaksi pembentukan ikatan dengan bantuan pemecahan ikatan dalam ATP. Contoh penamaan untuk golongan 1 (oksidoreduktase) : enzim yang menyerang gugus –CH-OH pada alcohol diberi nama NAD oksidoreduktase (penamaan sistematik CEIUB) atau alcohol dehidrogenase (nama trivial); golongan 3 (hidrolase): enzim yang menyerang ikatan peptide diberi nama peptide peptidohidrolase (penamaan sistematik CEIUB) atau pepsin (hidrolisis peptida, terhadap iakatan yang bertetangga dengan sisa asam amino aromatic atau dikarboksilat), dan papain (hidrolisis peptida, terhadap ikatan dari asam amino basa: lesin atau glisin ) (nama trivial). 8.2 Koenzim, Gugus Prostetik Dan Aktivator Berkaitan dengan enzim (senyawa protein) terdapat pula kofaktor (non protein) yaitu senyawa organic atau ion-ion logam yang diperlukan untuk aktivitas sesuatu enzim. Kofaktor dapat dibagi dalam tiga kelompok yaitu koenzim, gugus prostetik, dan activator. Gabungan enzim dan kofaktor dinamakan holoenzim. Kofaktor diklasifikasikan menjadi dua yaitu (1) kofaktor yang turut dalam pemindahan suatu gugus yang bukan hydrogen misalnya Koenzim A-SH, Tiamin Piro Posfat (TPP), Biotin, Lipoat, dan (2) kofaktor yang turut dalam pemindahan hydrogen misalnya NAD, NADP, FMN, FAD, L(SH)2, dan Koenzim Q. Gugus prostetik ialah kelompok kofaktor yang terikat pada enzim dan tidak mudah terlepas dari enzimnya. Sebagai contoh flavin adenine dinukleotida (FAD) adalah gugus prostetik yang terikat pada enzim suksinat dehidrogenase. Koenzim adalah molekul organic kecil, tahan terhadap panas, yang mudah terdisosiasi dan dapat dipisahkan dari enzimnya dengan cara dialysis, misalnya NAD, NADP, asam tetrahidroposfat, tiamin piroposfat, dan ATP. Aktivator pada umumnya ialah ion-ion logam yang dapat terikat atau mudah terlepas dari enzim, misalnya K+, Mn+. Mg++, Cu++, atau Zn++. Dari ketiga kofaktor tersebut, koenzim dan gugus prostetik mempunyai struktur yang mirip dengan vitamin tertentu. Sebagai contoh niasin adalah nama vitamin yang berupa molekul nikotinamida yang terdapat sebagai magian dari molekul koenzim NAD atau NADP+, riboflaflavin atau vitamin B2 merupakan bagian 88 dari molekul FAD atau FADH2, asam lipoat sebagai kofaktor pada enzim piruvat dehidrogenase dan ketoglutarat dehidrogenase, biotin sebagai koenzim pada reaksi karboksilasi, tiamin atau vitamin B1 dalam bentuk tiaminpiroposfat merupakan koenzim pada enzim alpha-ketodekarboksilase, vitamin B6 (piridoksal, piridoksin, dan piridoksamin) dalam bentuk piridoksalposfat dan piridoksaminaposfat merupakan koenzim pada enzim yang mengkatalisis reaksi metabolisme asam amino seperti transaminasi, dekarboksilase, dan rasemisasi antara lain enzim glutamate dekarboksilase, asam folat dalam bentuk asam tetrahidrofolat (FH4) merupakan koenzim dalam biosintesis purin, serin, dan glisin, vitamin B12 merupakan bagian dari koenzim B12 yang bekerja pada beberapa reaksi antara lain pemecahan ikatan CC, ikatan C-O, dan ikatan C-N dengan enzim mutase dan dehidrase, dan asam pantotenat sebagai komponen dalam molekul koenzim A atau koASH yang memegang peranan penting sebagai pembawa gugus asetil, terutama dalam biosintesis asam lemak. Koenzim yang tidak mempunyai hubungan structural dengan vitamin adalah adenosine triposfat atu ATP. Koenzim ini adalah senyawa berenergi tinggi dan berfungsi sebagai koenzim yang memindahkan gugus posfat yang sekaligus melepaskan sejumlah energi. Bila melepaskan satu gugus posfat, ATP akan berubah menjadi adenine diposfat (ADP). ATP memegang peranan penting dalam metabolisme karbohidrat dan bertindak sebagai koenzim yang menyertai enzim kinase, misalnya heksokinase dan piruvat kinase. 8.3 Kinetika Reaksi Tingkat Reaksi Suatu reaksi kimia dapat berlangsung karena molekul-molekul reaktan, A pada suatu waktu tertentu mengalami keadaan aktif, yaitu apabila energi molekul tersebut dalam keadaan energi pengaktifan. Dalam keadaan demikian ikatan kimia dalam molekul tersebut dapat pecah sehingga memungkinkan terbentuknya produk, P. Keadaan ketika molekul A dalam keadaan aktif disebut keadaan transisi, dan energi pengaktifan diartikan sebagai sejumlah energi (dalam kalori) yang dibutuhkan oleh satu mol zat, pada tempratur tertentu untuk membawa semua molekul (dari satu mol zat) ke keadaan aktifnya. Laju reaksi berbanding lurus dengan konsentrasi senyawa keadaan transisi. Dengan manaikkan tempratur jumlah molekul yang dapat masuk ke keadaan transisi bertambah. Dalam banyak reaksi kimia pertambahan suhu 10C menyebabkan berlipat gandanya laju reaksi. Katalisis Fungsi katalisator adalah mempercepat reaksi kimia dengan cara menurunkan energi bebas pengaktifan. Katalisator bergabung dengan reaktan sedemikian rupa sehingga dihasilkan keadaan transisi yang mempunyai energi bebas lebih rendah 89 daripada keadaan transisi reaksi tanpa katalisator. Setelah hasil raksi terbentuk (produk), katalisator dibebaskan kembali ke keadaan semula. Dalam system bilogi, katalisator reaksi tersebut adalah enzim. Kecepatan reaksi enzimatis dipengaruhi oleh beberapa factor yaitu (1) suhu, (2) keasaman atau pH, (3) ada atau tidaknya senyawa inhibitor, (4) ada atau tidaknya senyawa perusak enzim, (5) kadar enzim, dan (6) kadar substrat. Kenaikan suhu 10C menaikkan kecepatan reaksi enzimatis dua kali lipat dan ini berlangsung sampai dicapai suhu optimal enzim bersangkutan. Di atas suhu optimal kecepatan reaksi mulai menurun apabila suhu terus dinaikkan sampai suatu saat enzim mengalami denaturasi dan tidak aktif. Kenaikan dua kali lipat kecepatan reaksi akibat kenaikan cuhu 10C dinamakan “quotient 10”. Enzim pada umumnya memiliki pH optimum antara pH 5-9, dengan beberapa pengecualian misalnya pepsin (pH sangat asam). Adanya inhibitor dapat menghambat reaksi enzimatis. Berdasarkan daya kerjanya inhibitor dibedakan menjadi dua macam yaitu inhibitor kompetitif dan inhibitor non-kompetitif. Inhibitor kompetitif mempunyai bentuk molekul yang mirip dengan substrat yang sebenarnya bagi enzim tersebut. Akibatnya enzim salah tangkap atau salah menangani molekul substrat. Sebagai contoh asam malonat (inhibitor) dan asam suksinat (substrat). Inhibitor non kompetetif pada umumnya bersifat irriversibel karena inhibitor menimbulkan kerusakan pada molekul enzim khususnya terhadap protein enzim. Contoh inhibitor non kompetitif adalah logam berat yang berpengaruh terhadap sifat protein molekul enzim. Selain inhibitor, factor perusak enzim seperti sinar ultra violet, oksidator dapat empengaruhi reaksi enzim. Reaksi Enzimatis Reaksi enzimatis dapat digambarkan sebagai beriktut: Reaksi : E + S = ES ------------- E + P E: enzim, S: substrat, ES: kompleks enzim-substrat, P: produk atau hasil akhir. Mekanisme reaksi enzim-substrat tersebut dapat digambarkan dengan menggunakan model Fisher (model kaku) dan model Koschland (model konformasi, model fleksibel). Model Fisher digunakan untuk menerangkan mekanisme kerja ―inhibitor kompetitif‖ dan sulit untuk menerangkan ―inhibitor non-kompetitif‖. Model Koschland menggambarkan molekul enzim yang lentur (fleksibel), karena ditempat tertentu molekul enzim terdapat unsure-unsur pengatur kelenturan molekul. 8.4 Kinetika Reaksi Enzim Pendekatan Asas Keseimbangan Michaelis-Menten Kadar enzim berbanding lurus dengan kecepatan reaksi enzim. Ditinjau dari kerja enzim pada substrat tunggal, meningkatnya kadar substrat akan meningkatkan 90 kecepatan reaksi enzim dan pada kadar substrat tertentu kecepatan reaksi enzim menjadi maksimal (V maks) Setelah Vmaks tercapai penambahan kadar substrat tidak lagi meningkatkan kecepatan reaksi enzim. Berkaitan dengan kadar substrat, dikenal Konstante Mickhaelis (Km) yaitu besarnya kadar substrat pada kecepatan reaksi enzim sebesar 1/2V maks. Persamaan ini adalah persamaan Michaelis-Menten yang menggambarkan hubungan kuantitatif antara laju reaksi enzim dan konsentrasi substrat, bila Vmaks dan Km diketahui. Harga Km akan sama dengan konsentrasi substrat pada waktu laju reaksi sama dengan seperdua laju reaksi maksimum. Satuan Km adalah mol per liter. Pendekatan ‘Steady State Theory” Briggs-Halden Prinsip teori keadaan tunak (steady state theory) adalah bahwa laju reaksi pembentukan kompleks Enzim-Substrat (ES) sama dengan laju reaksi penguraian ES menjadi produk (P) dan E. Dalam keadaan tunak, bertambahnya ES persatuan waktu adalah nol. Transformasi Persamaan Michaelis-Menten Yang disebut persamaan Eadie-Hofstee, yang tidak saja mengasilkan Vmaks dan Km secara sederhana tetapi juga memperbesar sifat kelinieran yang mungkin terlihat kurang jelas pada persamaan Lineweaver-Burk. Analisis Kuantitatif Aktivitas Enzim Jumlah enzim dalam ekstrak suatu jaringan ditentukan secara kuantitatif berdasarkan efek katalisisnya. Dengan kata lain bahwa aktivitas enzim dapat dianalisis berdasarkan produk reaksi yang dikatalisisnya. Sebagai contoh aktivitas enzim dehidrogenase pada benih yang berkecambah dapat diketahui dengan menganalisis secara kuantitatif jumlah formazan yang terbentuk apabila benih tersebut diperlakukan dengan 2,3,5-trimetil tetrazolium chloride. Untuk penentuan secara kuantitatif akktivitas enzim perlu diketahui beberapa factor sebagai berikut: 1. persamaan reaksi yang dikatalisi oleh enzim tersebut 2. perlu tidaknya kofaktor tertentu (misalnya ion logam atau koenzim) 3. pengaruh konsentrasi substrat dan ko-faktor 4. pH optimum reaksi 5. daerah temperatur saat enzim mantap dan mempunyai aktivitas yang tinggi 6. cara-cara analisis untuk penentuan berkurangnya substrat atau bertambahnya hasil reaksi. Inhibisi Reaksi Enzim Sebagaimana telah dikemukakan terdahulu bahwa reaksi enzimatis dapat mengalami inhibisi. Pada umumnya proses inhibisi merupakan suatu cara kontrol reaksi enzim di dalam sel. Proses inhibisi dapat reversible atau irriversibel. Inhibisi 91 irriversibel biasanya berlangsung dalam proses destruksi atau modifikasi suatu gugus fungsional dalam molekul enzim. Inhibisi reversibel dikelompokkan ke dalam dua macam yaitu bersaing (kompetitif) dan tidak bersaing. Inhibisi bersaing dapat dihilangkan dengan memperbesar konsentrasi substrat, sedangkan inhibisi tidak bersaing tak dapat dihilangkan dengan cara tersebut. Pada jenis inibisi ini substrat dan inhibitor masingmasing berikatan dengan enzim pada lokasi/tempat yang berbeda. Pengaruh Temperatur terhadap K Temperatur berpengaruh terhadap reaksi enzim. Sebagaimana telah dikemukakan bahwa sampai dengan tingkat tempratur tertentu laju reaksi enzim akan meningkat, kemudian stabil dan akan menurun dan bahkan terhenti apabila tempratur terus dinaikkan. Persamaan ini biasanya digunakan untuk mencari entalpi, H, suatu reaksi keseimbangan yaitu dengan menghitung harga K pada berbagai temperatur tertentu. 8.5 Mekanisme Reaksi Enzim Suatu bagian yang sangat kecil dari satu molekul protein enzim berperan dalam mengkatalisis reaksi. Bagian kecil ini disebut bagian aktif (active site) enzim. Aktivitas katalitik enzim ditentukan pula oleh struktur tiga dimensi molekul enzim tersebut. Kekhususaan Substrat Suatu molekul substrat berikatan dengan bagian aktif enzim melalui suatu mekanisme khas dan selektif yang disebut lock and key. Sebagian enzim mempunyai kekhususan mutlak terhadap sustrat dan tidak akan menyerang substrat lain meskipun struksurnya hampir sama. Sebagian lainnya mempunyai kekhususan yang kurang dan dapat bereaksi dengan suatu golongan substrat tertentu atau kelompok molekul sejenis. Mekanisme Enzim Pada beberapa enzim gugus fungsional yang terdapat pada bagian aktifnya berperan dalam reaksi ketalitik. Gugus –SH yang terdapat pada bagian aktif enzim peptidase berperan sebagai katalisator proses hidrolisis ikatan peptida tertentu. Gugus hidroksi pada bagian aktif esterase berperan dalam hidrolisis ester. Pada ribonuklease, gugus imidazol dari histidinnya berfungsi dalam mekanisme reaksi katalitik. Hubungan antara konformasi molekul enzim dengan aktifitas katalitik Selain dari bagian aktif enzim, bagian sisanya yang merupakan molekul protein juga dibutuhkan untuk berlangsungnya reaksi katalitik. Dengan kata lain bahwa aktivitas enzim juga ditentukan oleh strauktur tiga dimensinya. 92 Sebagian enzim akan hilang aktivitasnya dengan pemecahan satu atau lebih ikatan peptida dari rantai polipeptidanya. Tetapi sebagian enzim lainnya akan dapat mempertahankan aktivitasnya meskipun beberapa ikatan peptidanya telah pecah, atau malahan dapat menjadi lebih aktif. Ada dua teori yang menerangkan mekanisme pengikatan substrat oleh enzim. Teori pertama disebut teori kunci dan anak kunci (lock and key) yang menyatakan bahwa bentuk ruang dan konformasi bagian aktif enzim adalah khusus sedemikian rupa shingga molekul substrat dengan bentuk yang khusus pula yang dapat masuk pada bagian aktif tersebut, sebagaimana halnya kunci dan anak kuncinya. Teori kedua disebut teori ―induced fit‖ yang menyatakan bahwa perubahan konformasi molekul enzim terjadi untuk menyesuaikan dirinya dengan bentuk molekul substrat. Jadi kompleks yang terjadi antara enzim-substrat disebabkan oleh induksi substrat terhadap konformasi enzim. Dengan demikian fleksibilitas konformasi enzim merupakan fungsi dari proses katalitik. 93 BAB X VITAMIN Vitamin berasal dari kata vita dan amina yang berarti senyawa-senyawa amina yang vital, sangat diperlukan untuk mempertahankan hidup. Akan tetapi dalam kenyataannya tidak semua vitamin mengandung gugus amina. Eijkman pertama kali mengemukakan adanya zat yang bertindak sebagai faktor diet esensial dalam kasus penyakit beri-beri. Pada tahun 1897 ia menemukan adanya suatu penyakit yang diderita oleh unggas yang serupa dengan gejala beri-beri pada manusia. Gejala penyakit tersebut timbul setelah unggas diberi makanan yang terdiri atas beras giling murni. Ternyata penyakit ini dapat disembuhkan dengan memberi makanan sisa gilingan beras yang berupa serbuk. Temuan yang menyatakan bahwa dalam makanan ada faktor lain yang penting selain karbohidrat, lemak dan protein sebagai energi, mendorong para ahli untuk meneliti lebih lanjut tentang vitamin, sehingga diperoleh konsep mengenai vitamin yang kita kenal sekarang. Istilah ―vitamin‖ untuk faktor diet esensial tersebut pertama kali diperkenalkan oleh Polish. Selanjutnya hasil penelitian Warburg tentang koenzim (1923-1935) dan kemudian penelitian Kuhn dan Kerrer menunjukkan adanya hubungan antara struktur kimia vitamin dengan koenzim. Selanjutnya Kodicek (1971) menyebut kelompok vitamin yang larut dalam air dengan nama prakoenzim (procoenzym) sedangkan yang larut dalam lemak disebutnya alosterin. Tumbuhan mensintesis/menghasilkan vitamin atau precursor vitamin. Beberapa vitamin dapat disintesis dalam tubuh manusia dengan menggunakan precursor tersebut misalnya vitamin A dari karoten, niasin dari triptopan, dan vitamin D dari 7-dehidrokolesterol. Kekurangan vitamin pada manusia tetapi belum menunjukkan gejala klinis disebut hipovitaminosis, dan apabila kekurangan tersebut telah menunjukkan gejala klinis disebut avitaminosis. Sebaliknya kelebihan vitamin disebut hipervitaminosis Pengolahan makanan sering menyebabkan rusaknya keutuhan vitamin. Oleh karena itu vitamin perlu ditambahkan kembali ke dalam makanan. Penambahan ini disebut suplemasi. Bila penambahannya melebihi kondungan vitamin bahan makanan secara alamiah disebut fortifikasi. Bahan makanan yang ditambah dengan sejumlah vitamin disebut carrier. 9.1 Klasifikasi Vitamin Klasifikasi vitamin berdasarkan struktur dan spesifik kimianya sulit dilakukan. Oleh karena itu diambil sutau kesepakatan mengenai klasifikasi vitamin berdasarkan 94 sifat kelarutan vitamin di dalam dua jenis pelarut, yaitu (1) air, dan (2) minyak atau pelarut lemak. Berdasarkan sifat kelarutan dalam dua jenis pelarut tersebut maka vitamin dikelompokkan menjadi dua kelompok yaitu kelompok vitamin yang larut dalam lemak atau pelarut lemak yaitu vitamin A, D, E, dan K serta kelompok vitamin yang larut dalam air yaitu Vitamin C dan vitamin B kompleks yang terdiri dari 11 macam vitamin yaitu tiamin, riboflavin, niacin, piridoksin, asam pantotenat, asam lipoat, biotin, asam folat, inositol, asam para aminobensoat, dan vitamnin B12.. 9.2 Vitamin Yang Larut Dalam Minyak Atau Pelarut Lemak Vitamin A Vitamin A adalah senyawa-senyawa organik dengan cincin ionon-beta, diantaranya vitamin A alcohol (retinol), vitamin A aldehid (retinal), dan vitamin A asam (retinoat). Di dalam tumbuhan vitamin A terdapat sebagai provitamin A atau precursor vitamin A yaitu senyawa karoten. Pada hidrolisis karoten terjadi vitamin A. Struktur vitamin A (retinal) adalah sebagai berikut: Gambar 9.1 Struktur Vitamin A Kebutuhan vitamin A pada diet diukur dalam satuan internasional (IU=International Unit). 1 IU vitamin A ekivalen dengan 0.344 mikrogram (ug) retinol-asetat atau 0.6 ug beta karoten. Vitamin A relative stabil terhadap panas sehingga tidak banyak yang hilang selama proses pemasakan makanan. Makanan dalam kaleng masih bisa menahan vitamin A selama sembilan bulan. 95 Vitamin D Merupakan sekumpulan senyawa yamg mengandung inti sterol. Vitamin D dihasilkan dari provitamin D yaitu ergosterol yang berasal dari ergot. Bila ditinjau dari strukturnya, pada vitamin D dikenal beberapa senyawa yakni D1, D2, D3, dan seterusnya. Vitamin D2 dikenal sebagai ergokalsiferol berasal dari tumbuhan sedangkan D3 atau kolekalsiferol berasal dari hewan. Sumber vitamin D adalah susu, minyak ikan. 1 IU vitamin D sama dengan aktivitas 0.025 ug kristal murni vitamin D. Struktur vitamin D2=kalsiferol adalah sebagai berikut: Gambar 9.2 Struktur vitamin D2=kalsiferol Vitamin E Vitamin E atau Tokoferol ( asal kata tokos=kelainan, dan pherein=mengandung) dihubungkan dengan fertilitas. Di alam didapatkan enam macam vitamin E berturut-turut dinamakan Tokoferol alfa, beta, gamma, delta, eta, dan zeta. Semuanya berupa minyak, tidak dapat dikristalkan, viskositasnya tinggi, tahan terhadap suhu, alkali dan asam. Ia merupakan reduktor alamiah yang sangat kuat (antioksidan). 96 Sumber vitamin E terutama berasal dari jaringan tumbuhan seperti minyak tumbuhan, sayuran hijau, kacang-kacangan.1 IU vitamin E setara dengan aktivitas 1 mg tokoferol-alfa. Struktur vitamin E adalah sebagai berikut: Gambar 9.3 Struktur vitamin E Vitamin K Vitamin K adalah sekumpulan senyawa dengan inti quinon. Vitamin ini terdapat pada jaringan tumbuhan hijau (Vit. K1), berasal dari ikan dan daging (Vit.K2), dan berasal dari bakteri (Vit. K3). Vitamin K berperan pada proses fosforilasi oksidatif dalam metabolisme sel. Struktur vitamin K adalah sebagai berikut: Gambar 9.4 Struktur vitamin K 9.3 Vitamin Yang Larut Dalam Air Vitamin C Vitamin C atau Asam Askorbat berupa kristal putih, mempunyai rasa asam, dan tidak berbau. Dalam bentuk kristal kering lebih stabil sedangkan dalam larutan vitamin C mudah rusak. Vitamin C bersifat reduktor, sehingga dapat berperan sebagai antioksidan. Sumber vitamin C yang baik adalah buah-buahan dan sayuran segar. Rasa asam pada buah tidak selalu sejalan dengan kadar vitamin C dalam buah, karena rasa asam dapat disebabkan oleh asam-asam lain yang terdapat dalam buah bersama dengan vitamin C. 97 Tiamin Tiamin dikenal sebagai antineuretik, digunakan untuk membuat normal kembali susunan syaraf. Larut dalam air, termostabil pada pH asam, tetapi termolabil pada pH alkali. Mengandung inti pirimidin dan inti tiasol. Bentuk aktif derivat tiamin adalah ko-enzim berbentuk Tiamin Piro Posfat (TPP) misalnya koenzim piruvat dekarboksilase dan transketolase. TPP berfungsi dalam reaksi-reaksi dekarboksilasi asam alfa-keto, dan transketolasi. Bagian aktif koenzim TPP adalah gugus tiazolnya. Struktur Tiamin adalah sebagai berikut: Gambar 9.5 Struktur Tiamin Riboflavin Merupakan bagian dari molekul koenzim dehidrogenase, berbentuk Flavin Adenin Dinukleotida (FAD) dan Flavin Mono Nukleotida (FMN). Dapat berbentuk kristal warna kuning, sedikit larut dalam air memberikan flouresensi kuning kehijauan. Termostabil dalam larutan asam mineral, tahan terhadap pengaruh radiasi tetapi sensitif terhadap alkali, diuraikan oleh sinar ultraviolet bahkan oleh sinar biasa. Struktur Riboflavin adalah sebagai berikut: Gambar 9.6 Struktur Riboflavin 98 Niasin Larut dalam air, berbentuk kristal putih, termostabil, tahan terhadap alkohol, sinar u.v., sinar matahari. Triptofan adalah provitamin Niasin, setiap 60 mg triptofan menghasilkan 1 mg niasin. Bentuk aktif niasin adalah niasinamid, merupakan komponen dari dua macam koenzim dehidrogenase yaitu sebagai Niasinamid Adenin Dinukleotida (NAD) dan Niasinamid Adenin Dinukleotida Posfat (NADP). Keduanya berperan dalam reaksireaksi glikolisis, yaitu parombakan glukosa sebelum memasuki siklus Krebs. Struktur NAD dan NADP adalah sebagai berikut: Nikotinamida adenin dinukleotida (NAD') Nikotinamida adenin dinukleotida fosfat (NADP') Gambar 9.7 Bentuk NAD dan NADP Piridoksin Ada dua derivat piridoksin dengan aktivitas piridoksin yaitu (1) piridoksal, dan (2) piridoksamin. Aktif sebagai koenzim adalah piridoksal dan piridoksamin posfat. Piridoksal posfat berperan sebagi koenzim dari enzim pada metabolisme protein, asam amino misalnya enzim transferase (transaminase, transmetilase, glukosil transferase), pada dekarboksilasi dan rasemisasi. Vitamin ini dikenal sebagai Vitamin B6, sumbernya adalah daging, unggas, ragi, leguminosa, serealia, kentang, ubi jalar. Struktur Piridoksin adalah sebagai berikut: 99 Gambar 9.8 Struktur Piridoksin Biotin Biotin berperan sebagai kofaktor yang terikat kuat pada bagian protein enzim. Biotin larut dalam air panas dan larutan alkali, tetapi kurang larut dalam larutan asam dan air dingin. Ia merupakan derivate dari imidazol. Sebagai molekul koenzim, biotin terikat pada L-lisin terminal molekul apoenzim dan berperan pada fiksasi CO2. Bahan makanan asal nabati umumnya lebih banyak mengandung biotin dibandingkan dengan makanan asal hewan, misalnya dedak beras dan kacang kedele. Asam Pantotenat Vitamin ini merupakan pembentuk koenzim A. Gugus aktif pada koenzim A adalah gugus –S-H. Dalam reaksi kimia biasanya ditulis KoA-SH atau HS-KoA. Berperan sebagai pengaktif gugus asil misalnya asetil-KoA.Berparan penting pada oksidasi lemak dan karbohidrat. Semua makanan berasal dari hewan merupakan sumber asam pantotenat. Selain itu biji-bijian dan kacang polong juga banyak mengandung asam pantotenat. Buah dan sayuran mengandung asam pantotenat dengan kadar yang rendah. Struktur asam pantotenat adalah sebagai berikut: Gambar 9.9 Struktur Asam Pantotenat Asam Folat Berupa kristal oranye kekuningan, tidak mempunyai rasa, tidak berbau, larut dalam air. Hati, sayuran berwarna hijau tua terutama bayam, asparagus, dan kacangan merupakan sumber asam folat. Bentuk aktif asam folat, Tetrahidrofolat (FH4) merupakan koenzim yang berperan dalam transfer gugus hidroksi metal, metilen, . Terkait erat dengan sintesis purin, metionin, dan serin juga dengan katabolisme histidin. FH4 berperan penting dalam pembelahan sel dan reproduksi. 100 Struktur asam folat terdiri atas tiga bagian yaitu pteridin, paba (p-aminobenzoic acid) dan asam glutamate dengan struktur sebagai berikut: Gambar 9.10 Struktur Asam Folat Vitamin B12 Beberapa senyawa kobalamin mempunyai bioaktivitas Vitamin B12. Di alam ditemukan banyak senyawa kobalamin, tetapi sianokobalamin tidak alamiah karena ia merupakan hasil ekstraksi dengan KCN. Vitamin B12 dalam bentuk kristal berwarna gelap (hitam), larut dalam air, paling stabil dalam larutan pH 4-7, dan mengandung Co dalam molekulnya. Berperan aktif sebagai koenzim reaksi-reaksi mutasi misalnya glutamate mutase, metilmalonil-SKoA mutase, dehidrase, dan enzim-enzim yang mengkatalisis fermentasi lisin, pembentukan metan oleh bakteri, dan sintesis nucleoprotein. Sumber vitamin B12 umumnya dari hewan. Struktur Vitamin B12 sangat kompleks. Mengandung inti corin yaitu cincin yang mengandung inti pirol dengan Co sebagai pusat. Sianokobalamin mempunyai struktur sebagai berikut: 101 Gambar 9.11 Struktur Vitamin B12 Asam Lipoat Dinamakan pula sebagai ―Acetate Replacement Factor‖ karena awal ditemukannya asam lipoat dapat menggantikan asam asetat merangsang pertumbuhan. Vitamin ini merupakan unsur penting dalam pertumbuhan. Dekarboksilasi asam piruvat dan asam alfa-ketoglutarat selain memerlukan koenzim lainnya juga memerlukan koenzim lipoat. Struktur asam lipoat Suatu derivat asam lipoat dinamakan 6,8-ditiooktanat (asam tioktat) dengan struktur sebagai berikut: 102 Gambar 9.12 Struktur Asam Lipoat Inositol Terdapat sembilan isomer inositol, diantaranya meso-inositol/mio-inositol, yang paling penting dari sembilan isomer tersebut. Inositol memiliki enam gugus hidroksil. Kalau enam gugus hidroksil tersebut membentuk ester dengan gugus posfat maka terbentuklan asam fitat. Para Amino Bensoat Para Amino Benzoat atau disingkat Paba masih dipandang sebagi vitamin pada mikroba, tetapi tidak pada manusia. Para merupakan komponen asam folat dan amigdalin (vitamin B17). 103 BAB X METABOLISME DAN BIOENERGITIKA 10.1 METABOLISME Sebelum membicatakan metabolisme dan pola reaksi invivo, terlebih dulu, perlu dibicarakan pengertian senyawa-senyawa kimia berenergi tinggi. Senyawa kimia berenergi ,tinggi yang banyak terlibat pada reaksi invivo atau metabolisme (baca: reaksi-reaksi biokimia) tergolong senyawa organik yang biasa dilambangkan -P. Bila senyawa berenergi tinggi itu mengalami degradasi atau destruksi atau perombakan atau terurai, akan terjadi senyawa yang lebih sederhana dan terjadi pelepasan sejumlah energi. . Reaksi seperti itu, di dalam biokimia, disebut reaksi eksergonik.. Senyawa berenergi tinggi Senyawa sederhana + Energi bebas BM tinggi BM rendah ΔGO Sebaliknya, bila senyawa sederhana mengalami penyusunan atau pembentukan kembali atau anabolisme akan terjadi senyawa kompleks berenergi lebih tinggi yang akan membutuhkan sejumlah energi. Reaksi seperti itu, di dalam biokimia, disebut reaksi endergonik. J adi, hanya ada dua bentuk akfivitas metabolisms, yaitu: Senyawa sederhana + Energi bebas Senyawa kompleks O BM rendah AG BM tinggi 1 Katabolisme atau perombakan senyawa kompleks (BM tinggi) menjadi senyawa yang lebih sederhana (BM rendah) sambil melepaskan sejumlah energi bebas. 2. Anabolisme atau penyusunan atau pembentukan atau sint esis dari senyawa sederhana (BM rendah) menjadi senyawa kompleks (BM tinggi) dan memerlukan sejumlah energi bebas. Dari uraian di atas, pengertian metabohme dapat diikhtisarkan seperti berikut. 104 Jadi metabolisme merupakan reaksi-reaksi katalitik proses katabolisme dan anabolisme. Beberapa senyawa fosfat organik berenergi tinggi yang sudah diketahui dengan baik keterlibatannya pada proses metabolisme diperlihatkan oleh Tabel 10.1 berikut. Tabel 10.1. Daftar baku energi bebas (AG') yang dibebaskan dari beberapa senyawa organik berenergi tinggi ( —P) jika mengalami katabolisme Senyawa-senyawa fosfat berenergi tinggi pada Tabel 10.1 selalu ada di dalam sel hidup karena ia merupakan bioenergi yang selalu tersedia di dalam sel, layaknya bank energi. Energi kimia yang terbentuk pada proses metabolisme akan ditransformasikan ' dikonversi dalam bentuk energi bebas panas l kalor. Akan tetapi, pada sistem biologi, energi panas tersebut tidak dapat langsung ditransformasikan menjadi energi mekanik atau dalam bentuk energi kehidupan lainnya karena pada sistem biologi berlaku sistem isotermal. Dengan adanya dug bentuk aktivitas metabolisme, yaitu katabolisme clan anabolisme yang masing-masing melepaskan dan membutuhkan sejumlah energi bebas, dimana pada satu pihak ada kelebihan energi dan di pihak lain ada kekurangan energi maka pada proses metabolisme ada mekanisme take and give untuk mencapai keseimbangan dinamis internal. 10.2 Pola Reaksi Di Dalam Sel Hidup (In Vivo) Pola reaksi di dalam set hidup bila dicampur zat A dan zat B dalam satu tabung reaksi (reaksi invitro) maka secara umum dapat dicatat bahwa: 1. pada waktu berlangsungnya reaksi dapat diamati timbulnya panas atau dingin pada 105 dinding tabung, keluarnya asap atau gas dari tabung, clan kadang-kadang dapat terdengar suara ledakan, timbul aroma/bau, dan timbul perubahan warna; 2. pada suatu saat, reaksi akan berhenti, bila zat A dan zat B habis. Pada proses metabolisme di dalam set (reaksi in vivo), secara umum, dapat dicatat: 1. pada waktu berlangsungnya reaksi, tidak terlihat atau dirasakan adanya perubahan suhu, keluarnya asap atau gas, suara-suara gemercik atau ledakan, keluarnya aroma/bau, dan timbulnya perubahan warna, seolah-olah tidak terjadi reaksi di dalam set tersebut; 2. selama set atau organisms itu masih hidup, proses metabolisme senantiasa akan berjalan terus, berarti reaksi-reaksi kimia pada proses metabolisme berjalan terus atau berkelanjutan atau lestari. Dan kedua pengamatan di atas, dapat disimpulkan bahwa reaksi-reaksi metabolisme tertata dan terkoordinasi dengan baik. Siapakah yang mengatur atau mengkoordinasi reaksireaksi tersebut? Jawabnya enzim. Enzimlah yang mengatur dan mengkoordinasi jalannya reaksi-reaksi metabolisme tersebut sesuai dengan organismenya. Dengan kata lain, kespesifikan reaksi-reaksi yang terjadi memiliki keunikan tersendiri yang dikendalikan oleh suatu sistem. Sistem yang dimaksud ialah sistem reaksi berangkai atau coupling reactions. Bagaimana mekanisme enzim sebagi biokatalis dapat mengatur dan mengkoordinasi reaksireaksi metabolisme tersebut, akan dibicarakan secara khusus pada pokok bahasan tentang enzim. Pada proses metabolisme, senantiasa, terjadi transformasi energi, di mana energi bebas dari katabolisme dalam bentuk energi kalor ditransformasi menjadi energi kimia yang akan dimanfaatkan antara lain oleh reaksi-reaksi anabolisma. Pada sistem tersebut, seperti sudah dikemukakan, terjadilah take and give energi, antara katabolisme dan anabolisme. Uniknya, energi bebas tersebut tidak langsung diberikan kepada yang memerlukannya, akan tetapi melalui/via orang ketiga sebagai pengemban energi/karier yaitu koenzim. Koenzim adalah bagian dari kompleks molekul enzim. Untuk menjelaskan mekanisme sistem reaksi berangkai tersebut, perlu dicontohkan sebagai berikut: A+B C + D - ΔG Reaksi di atas dapat berlangsung dengan persyaratan sebagai berikut: 1. dari A menjadi C harus reaksi eksergonik, reaksi yang melepaskan sejumlah energi bebas, yaitu mengalami proses katabolisme.; 2. dari B menjadi D harus reaksi endergonik, reaksi yang memerlukan sejumlah energi bebas, yaitu mengalami proses anabolisme; 3. energi bebas yang dikeluarkan sewaktu A menjadi C akan diberikan kepada reaksi B menjadi D, bila tingkat energi A > tingkat energi B (lihat Tabel 5) Bila tingkat energi A = atau < tingkat energi B 106 maka reaksi di atas tidak akan berlangsung/tidak terjadi. Bila ketiga persyaratan di atas terpenuhi maka reaksi akan berlangsung dan dapat dilukiskan sebagai berikut: Mekanisme reaksi berangkai di atas dapat pula aukiskan sebagai berikut: Sebagai telaah, Tabel 10.1 dapat dikaji sebagai berikut. Energi bebas yang berasal dari molekul ATP tidak dapat memasok pembentukan/anabolisme senyawa-senvawa di atasnya (nomor 6 dan seterusnva), tetapi dapat memasok pembentukan/anabolisme senyawa-senyawa di bawahnya (nomor 8 dan seterusnya). Walaupun, sel merupakan unit atau satuan terkecil kehidupan, tidak dapat dikatakan bahwa metabolisms dalam satu sel terisolasi dari metabolisms sel-sel lainnva. Walaupun sel dibungkus dan dikelilingi oleh membran, namun interaksi metabolisms antarsel tetap terjadi, terutama pada organisme sel uniseluler. Pada organisme multiseluler, sel senantiasa berhubungan dengan sekelilingnya. Pada hakikatnya, metabolisme merupakan aktivitas kehidupan, balk kehidupan uniseluler maupun multiseluler yang super terkoordinasi sekalipun. Hakikat dari suatu metabolisme dalam mencapai tujuan dapat dilukiskan sebagai berikut. 1. Untuk mendapatkan bioenergi yang berasal dari proses katabolisme (pencernaan secara luas), bahan makanan yang berasal dari lingkungan organisms dalam bentuk energi kimia. 2. Untuk mengubah zat nutrien dari bahan makanan melalui proses anabolisme atau blosintesis dari zat prekursor menjadi molekul- 107 molekul unit atau monomer pembentuk makromolekul atau polimer pembangun sel. 3. Untuk membentuk atau menyintesis biomolekul dari unit atau monomer makromolekul atau polimer, yaitu protein, karbohidrat, lipid, dan asam nukleat. 4. Terjadinya proses dinamisasi komponen kimia yang membangun sel, proses katabolisme dan anabolisme yang terjadi secara seimbang sebagai suatu fenomena kehidupan. 10.3 Jalur (Pathways) Metabolisms Zat atau senyawa yang mengalarni proses metabolisme disebut metabolit, katabolit, dan anabolit. Suatu kat abolit at au anabolist dala m perjalanannya mencapai pembentukan senyawa yang diingini atau senyawa target selalu tidak langsung, , akan tetapi berliku-liku dan panjang serta bertahap. Jalan panjang dan berliku-liku tersebut adakalanya memproduksi senyawa antara atau sampingan yang disebut senyawa intermedier atau antara atau senyawa sekunder / metabolit sekunder. Senyawa sekunder tersebut adakalanya, dapat dimanfaatkan bagi kehidupan organisme bersangkutan atau organisme lain dan itu belum terungkap secara pasti. Senyawa sekunder itu banyak dimanfaatkan bagi kehidupan manusia dan merupakan bahan komoditi yang bernilai ekonomi tinggi. Beberapa contoh senyawa sekunder atau metabolit sekunder ialah lateks, antibiotik, dan sebagainya. Suatu reaksi metabolisme sering dikatakan birokrasi, akan tetapi disiplin birokrasi inilah justru yang dapat mengatur dan mengarahkan reaksi-reaksi invivo. Hampir semua aktivitas metabolisme melibatkan enzim. Enzim tersebut patuh kepada birokrasi, artinva setiap enzim memiliki spesifikas i yang dipatuhi. Aktivitas metabolisme melibatkan ratusan bahkan ribuan enzim yang mampu bekerja secara simultan. Dapat dibayangkan bila tidak ada yang mengatur (oleh enzim) tidak mungkin ratusan bahkan ribuan reaksi dapat terjadi dalam satu saat (simultan). Sebagai contoh, dari satu molekul glukosa akan disintesis molekul asam amino. Untuk mencapai pembentukan asam amino, ternyata harus membentuk 108 lebih dulu puluhan senyawa lain sebagai senyawa intermediet atau metabolit sekunder. Berikut akan diskemakan jalur metabolisme pembentukan molekul asam amino dari molekul glukosa. Metabolisme dengan birokrasi Setiap proses metabolisme dalam mencapai tujuan produknya, masing-masing mempunyai jalan atau pathway. Pola atau bentuk jalur bebaerapa metabolisme dapat digolongkan sebagai berikut: 1. Jalur lurus a. Produk reaksi pertama yang berfungsi sebagai prazat/prekursor senyawa target X. b. A prazat P, P prazat X. 2. Jalur melingkar a. Metabolisme atau lingkar Senyawa A menjadi X (target) dengan bantuan prazat P yang menjadi M lagi. b. Metabolisme dua lingkar atau lebih Dari prazat A dan Q, diproduksi X dan S. Dari A, tidak dapat menjadi X tanpa jalur lingkar QS, dan sebaliknya. 109 3. Jalur bercabang a. Dapat bercabang 2 atau lebih b. Dari A menjadi X dan Y (salah satu target) dengan membentuk dulu P sebagai zat intermedier. 4. Jalur tangga 10.4 Bioenergitika Bioenergetika (bioenergetics) adalah transformasi energi dan perubahan energi biologis (sebagaimana terjadi pada proses fotosintesis dan respirasi) di dalam dan 110 diantara makhluk hidup dan dengan lingkungannya. Sumber energi primer untuk semua kehidupan di bumi adalah matahari. Tumbuhan hijau (berklorofil) mengubah energi matahari menjadi energi kimia melalui proses fotosintesis dan mensintesis semua komponen molekuler tubuhnya dari bahan-bahan anorganik yang diperoleh dari lingkungannya. Kelompok tumbuhan ini disebut autotrop, yang di dalam ekosistem menyediakan energi serta bahan anorganik bagi makhluk lain yang hidup heterotrop seperti herbivora. Kajian bioenergetika mencakup kajian tentang konversi energi cahaya menjadi energi kimia, seperi dalam proses fotosintesis, serta ektraksi energi kimia hasil fotosintesis dalam proses respirasi. Proses fotosintesis terjadi pada tumbuhan hijau dan melibatkan klorofil, sedangkan respirasi melibatkan mitokondria di dalam sel semua makhluk hidup. Energi yang dihasilkan disimpan dalam senyawa kimia berenergi tinggi yaitu Adenosin Tri-Posfat (ATP) dan digunakan sebagai sumber energi untuk aktivitas hidup. Reaksi Oksidasi-Reduksi (Redoks) Reaksi oksidasi-reduksi atau dikenal sebagai reaksi redoks merupakan reaksi kimia yang mengubah keadaan aksidasi beberapa atom senyawa yang terlibat dalam reaksi tersebut. Banyak reaksi kunci dalam industri kimia, kehidupan makhluk (biologi), dan geologi merupakan reaksi oksidasi-reduksi. Sebagai contoh pembakaran, korosi (seperti pengaratan pada besi), pengambilan logam dari bijihnya, melarutkan logam, proses elektrokimia pada baterai, pemasakan buah, respirasi dan fotosintesis. Latar Belakang Sejarah Reaksi pertama yang digolongkan ke dalam kelompok reaksi oksidasi-reduksi ialah pembakaran. Pada tahun 1967 fisikawan Jerman Georg Ernst Stahl mengajukan teori flogiston tentang pembakaran. Teori ini menegaskan bahwa pembakaran sesuatu bahan akan melepaskan flogiston, suatu unsur pokok/dasar, selama pembakaran. Akan tetapi pada akhir abad ke 18 filosof dan ilmuwan Perancis Antoine-Leurent Lavoisier menepis teori flogiston. Sebagai penggantinya Lavoisier menyatakan bahwa pembakaran adalah suatu reaksi kimia antara suatu bahan dengan gas oksigen dari udara. Pandangan Lavoisier didukung oleh percobaan Joseph Priestley, seorang kimiawan Inggeris, yang berhasil mengisolasi oksigen pada tahun 1774. Menurut sejarah, suatu reaksi dinyatakan sebagai reaksi oksidasi jika gas oksigen digunakan (dikonsumsi). Suatu reaksi dikatakan reduksi apabila gas oksigen dikeluarkan. Akan tetapi, ahli kimia belakangan mengetahui bahwa unsura lain bereaksi dengan cara yang secara umum sama dengan oksigen, dan konsep oksidasi dan reduksi diperluas mecakup reaksi tersebut. Pada abad ke 19 perkembangan bidang 111 baru elektrokimia menyebabkan perluasan definisi reaksi oksidasi-reduksi. Peneliti mengamati bahwa ion ferri (Fe3+) dapat dibentuk dari ion ferro (Fe2+) oleh aktivitas gas oksigen. Konsumsi gan oksigen ini (―oksidasi‖) menyebabkan hilangnya electron pada Fe2+. Oleh karena itu reaksi oksidasi disebut juga sebagai transfer electron. Pertimbangan Umum Rekasi oksidasi-reduksi, dalam pemahaman yang lebih umum, disertai oleh perubahan kondisi oksidatif pada beberapa unsur. Perubahan kondisi oksidatif dapat dihasilkan dari transfer atom oksigen, atom hydrogen, atau electron. Transfer atom oksigen atau atom hydrogen adalah sebanding dengan transfer lektron antara kedua reaktan. Jadi setiap reaksi oksidasi-reduksi dapat dianggap sebagai suatu reaksi transfer electron. Suatu proses oksdidasi hanya dapat terjadi jika disertai oleh suatu proses reduksi pengimbang; dan keduanya terjadi secara simultan (bersamaan). Definisi yang lebih umum mengenai oksidasi ialah proses dimana kondisi oksidasi suatu unsur, baik bebas maupun terikat, meningkat. Reduksi adalah proses pengurangan kondisi oksidasi suatu unsur. Ada dua ―agen‖ yang terlibat dalam setiap reaksi oksidasi-reduksi. Yang pertama disebut agen pengoksidasi atau oksidan, yang menyebabkan oksidasi pada agen kedua. Pada saat yang bersamaan, yang ke dua disebut agen pereduksi atau reduktan, menyebabkan reduksi pada reaktan pertama. Pada setiap reaksi redoks, oksidan akan mengalami reduksi sedangkan reduktan akan mengalami oksidasi. Apabila agen pengoksidasi kuat bereaksi, ia mereduksi agen tersebut menjadi suatu agen pereduksi lemah. Dengan cara yang sama, setelah suatu reaksi, suatu agen pereduksi kuat mejadi suatu agen pengoksidasi lemah. Non metal aktif seperti nonmetal dan oksigen adalah agen-agen pengoksidasi yang baik sehubungan dengan kecenderungannya yang besar untuk membentuk ion-ion negatif. Agen pengoksidasi yang paling aktif diantara unsur-unsur adalah gas flourin (F2). Ion florida (F-) adalah agen pereduksi yang paling lemah. Ozon (O3) juga adalah agen pengoksidasi yang kuat. Alkali aktif dan metal alkali adalah agen pereduksi yang kuat sehubungan dengan kemampuannya untuk senantiasa siap membentuk ion positif. Litium adalah agen pereduksi terkuat diantara semua unsur dan ion litium (Li+) adalah agen pengoksidasi terlemah. Contoh-Contoh Reaksi Redoks Transfer Elektron Jika metal Zn dimasukkan ke dalam larutan ion Cu2+, maka akan terbentuk ion Zn dan metal Cu, sesuai reaksi berikut: Zn (solid) + Cu2+ (larutan) ------ Zn2+(larutan) + Cu (solid) 112 Pada reaksi ini ion Cu adalah oksidan, dan Zn metal adalah reduktan. Zn dioksidasi dari suatu keadaan teroksidasi 0 menjadi +2; sedangkan ion Cu direduksi dari keadaan teroksidasi +2 menjadi 0.Dalam proses ini Zn keghilangan dua elektron dan ion Cu memperoleh dua electron. Contoh berikut lebih lanjut menunjukkan prinsip-prinsip transfer elektron pada reaksi redoks. MnO4- + 5Fe2+ + 8H+ -------- Mn2+ + 5Fe3+ + 4H2O Dalam suatu larutan asam ion permanganat (MnO4-) direduksi oleh ion Ferro (Fe2+) , sebagai agen pereduksi, reduktan) menjadi ion Mn2+. Ion ferro dioksidasi oleh ion permanganate ( sebagai agen pengoksidasi, oksidan) menjadi ion ferri (Fe3+). Proses in hasil dari transfer 5 elektron dari lima ion ferro ke ion permanganate. Kondisi teroksidasi dari mangan mengalami perubahan dari +7 menjadi +2, sedangkan setiap ion dari lima ion ferro mengalami perubahan dari +2 menjadi +3. Transfer Atom Hidrogen Reaksi : FeO + CO --- Fe + CO2 hasil dari transfer dari satu atom oksigen dari ferro-oksida (FeO) ke karbon-monoksida (CO), yang menghasilkan Fe dan karbondioksida. Ferro-oksida kehilangan satu atom oksigen dan berarti tereduksi, sedangkan karbon-monoksida memperoleh satu atom oksigen dan berarti teroksidasi. Sebagai oksidan adalah ferro-oksida, dan reduktan adalah karbon-monoksida. Transfer atom oksigen tersebut adalah seimbang dengan proses transfer satu electron yang menghasilkan perubahan dalam keadaan teroksidasi Fe dan C, yaitu : Fe (II) + C(II) ---------- Fe(0) + C(IV) Fe mangalami perubahan kondisi teroksidasi dari +2 (dalam ferro-oksida) menjadi 0 (dalam logam Fe). Karbon mengalami perubahan dari +2 (karbonmonoksida) menjadi +4 (karbon dioksida). Ini sebanding dengan hilangnya dua electron oleh karbon. Transfer Atom Hidrogen Reaktan yang kehilangan atom hidrogen menjadi teroksidasi dan yang memperoleh hidrogen menjadi tereduksi. Hidrogenasi gas etilen (H2CCH2) menjadi gas etan (H3CCH3) merupakan salah satu contoh reaksi ini: H2 + H2C=CH2 -------------- H3CCH3 Molekul etilen mendapatkan atom hidrogen dan mengalami reduksi oleh molekul gas hidrogen, yang berubah menjadi teroksidasi. Transfer atom hydrogen ini 113 sebanding dengan transfer electron yang dihasilkan dalam perubahan kondisi teroksidasi berikut: 2H(0) + 2C(-II)---------------- 2H(I) + 2C (-3) Dua atom hidrogen pada molekul hidrogen mengalami suatu perubahan kondisi teroksidasi dari 0 menjadi +1 karena kehilangan total dua electron. Sama halnya, dua atom karbon mengalami perubahan dari -2 menjadi -3 oleh karena mendapatkan dua electron. Jadi molekul hidrogen adalah reduktan dan etilen adalah oksidan. Reaksi-paruh Setiap reaksi redoks dapat dinyatakan langsung atau tidak langsung sebagai hilangnya electron dari agen pereduksi ke agen pengoksidasi. Oleh karena itu suatu rekasi redoks dapat ditulis sebagai dua ―reaksi-paruh‖, satu untuk proses oksidasi dan lainnya untuk proses reduksi. Sel elektrokimia, dimana reaksi redoks terjadi, dapat difahami melalui konsep reaksi-paruh tersebut. Kedua reaksi paruh terjadi pada lokasi yang berbeda di dalam sel. Oksidasi terjadi pada anoda dan reduksi terjadi pada katoda. Arus listrik terjadi sebagai bagian dari transfer electron dari anoda ke katoda melalui kabel penghubung eksternal. Arus tersebut dilengkapi oleh perpindahan ion antara lokasi pengoksidasi dan lokasi pereduksi melalui larutan. Baterai pembangkit listrik yang biasa digunakan untuk mobil terdiri atas sejumlah sel-sel elektrokimia yang dihubungkan dalam bentuk seri. Plat anoda baterai ini adalah kisi-kisi timbel yang diisi dengan campuran timbel (Pb) yang bebentuk bunga karang yang mempunyai kondisi pengoksidasi pada nol (0). Plat katoda adalah kisi-kisi timbel yang diisi dengan timbel (IV) oksida (PbO2). Kedua elektroda dihubungkan dengan larutan asam sulfat (H2SO4), suatu elektrolit yang berperan dalam reaksi. Larutan asli mempunyai berat jenis 1.3 gr/cc, dan mengandung sekitar 38% asam sulfat. Reaksi redoks yang terjadi di dalam baterai adalah: Pb + PbO2 + 2SO42- +4H+ ------------2PbSO4 + 2H2O. Reaksi ini dipecah menjadi dua reaksi paruh : Oksidasi pada anoda : Pb(s) + SO4 2- ------------PbSO4 + 2eBersamaan dengan itu terjadi reaksi paruh reduksi di katode: PbO2+ SO4 2- + 4H+ + 2e- ----------------------PbSO4 + 2H2O Oksidasi melibatkan Pb, dengan kondisi oksidasi , kehilangan 2 elektron, dan menjadi kondisi oksidasi +2 pada timbel (II)sulfat (PbSO4), suatu garam putih yang 114 tidak larut. Reduksi melibatkan perolehan dua electron oleh timbel pada timbel (IV) oksida, sebagaimana terjadi pada timbel(II) sulfat. Jika dua reaksi paruh tersebut digabungkan , maka dihasilkan reaksi redoks secara keseluruhan. Apabila sel-sel tersebut dihubungkan, energi kimia diubah menjadi energi listrik dan reaksi redoks sebagaimana diuraikan di atas terjadi. Konsekuensinya timbel sulfat yang tidak larut ditimbun baik di plat anoda maupun plat katoda. Bila sel di isi, energi listrik diubah menjadi energi kimia, dan terjadi reaksi sebaliknya dari reaksi yang dikemukakan di atas. Bahan Bakar Metabolik Bahan bakar metabolik pada dasarnya adalah senyawa organik di dalam sel baik senyawa organik cadangan maupun pembentuk sel. Namun demikian pada umumnya bahan bakar yang digunakan adalah karbohidrat, terutama glukosa. Hanya dalam keadaan tertentu senyawa organic lain digunakan sebagai bahan bakar metabolic, misalnya keadaan defisit karbohidrat atau metabolisme benih yang cadangan makanannya dominant bukan karbohidrat misalnya lemak atau protein. Dalam keadaan yang sangat ekstrim, senyawa organic penyusun sel digunakan sebagai bahan bakar metabolic guna mempertahankan proses hidup. Bahan bakar yang digunakan menentukan jumlah energi yang dihasilkan. Bahan bakar lemak akan menghasilkan energi lebih besar dari bahan bakar karbohidrat. Pada proses respirasi jenis bahan bakar yang digunakan dapat di ketahui dari besarnya nilai kuosien respirasi (RQ) yaitu perbandingan antara oksigen yang digunakan dengan CO2 yang dihasilkan dalam proses respirasi tersebut. Glikolisis Metabolisme karbohidrat dapat dibagi dalam dua bagian yaitu yang tidak menggunakan oksigen atau anaerob, dan yang menggunakan oksigen atau aerob. Reaksi anaerob terdiri atas rangkaian reaksi yang mengubah glukosa menjadi asam piruvat. Proses ini disebut glikolisis. Asam piruvat dalam kondisi anaerob akan berubah menjdai asam laktat, dan pada proses peragian (fermentasi) asam piruvat dapat berubah menjadi etanol dan CO2. Reaksi aerob terjadi bila sel menyerap eksigen, dan karbohidrat akan diubah menjadi CO2, air dan energi. Proses ini disebut pernafasan atau respirasi. Proses penguraian karbohidrat menjadi asam piruvat sering disebut jalur metabolisme Embden-Meyerhoff. Proses ini terjadi di dalam sitoplasma dan tiap reaksi dalam proses glikolisis ini menggunakan enzim tertentu. Proses glikolisis terdiri atas sembilan rangkaian reaksi yang melibatkan enzim-enzim yang secara berurutan adalah sebagai berikut: heksokinase, fosfoheksoisomerase, fosfofruktokinase, aldolase, triosafosfat isomerase, gliseralldehid-3-posfat 115 dehidrogenase, posfogliseril kinase, posfogliseril mutase, enolase, dan piruvat kinase. Secara rinci masing-masing reaksi tersebut adalah sebagai berikut: Heksokinase Merupakan tahap pertama proses glikolisis adalah pengubahan glukosa menjadi glukosa-6-posfat dengan reaksi posforilasi, dengan katalis enzim heksokinase, dibantu ion Mg++ sebagai kofaktor. Enzim ini ditemukan oleh Meyerhoff pada tahun 1927 dan telah dapat dikristalkan dari ragi. Gugus posfat diterima dari ATP, yang kemudian berubah menjadi ADP, sebagaimana terlihat pada reaksi berikut: C6H12O6 + ATP --------------------C6H12O(H2PO3) + ADP Glukosa glukosa-6-posfat Posfoheksoisomerase Tahap kedua adalah isomerasi yaitu perubahan glukosa-6-posfat menjadi fruktosa-6-posfat dengan enzim posfokglukoisomerase. Enzim ini tidak memerlukan kofaktor dan dapat dikristalkan dari ragi. Glukosa-6-posfat ------------------- Fruktosa-6-posfat Posfofruktokinase Reaksi tahap ketiga adalah pemasukan gugus posfat dari ATP ke fruktosa-6posfat menjadi fruktosa-1,6-diposfat , dikatalisis oleh enzim posfofruktokinase dengan ion Mg++ sebagai kofaktor. Pemindahan gugus posfat dari ATP menyebabkan ATP berubah menjadi ADP. ATP yang berlebihan dan asam sitrat dapat menghambat aktivitas enzim posfofruktokinase. Fruktosa-6-posfat + ATP ---------- Fruktosa-1,6-diposfat + ADP Aldolase Reaksi tahap keempat merupakan pemecahan senyawa karbohidrat beratom C enam menjadi dua senyawa beratom C tiga berupa dua molekul triosaposfat yaitu gliseraldehid-3-posfat dan dehidroksi aseton posfat. Pada tahap ini enzim yang menjadi katalisator reaksi adalah aldolase, yang ditemukan dan berhasil dimurnikan oleh Warburg. Selain mengkatalisis penguraian fruktosa-1,6-diposfat, enzim ini juga dapat menguraikan beberapa ketosa dan monoposfat lain seperti sedoheptulosa-1,7diposfat, fruktosa-1-posfat, dan eritrulosa-1-posfat; yang juga menghasilkan dehidroksi aseton posfat. 116 Triosaposfatisomerase Reaksi penguraian glukosa oleh aldolase membentuk dua macam senyawa yaitu gliseraldehid-3-posfat dan dehidroksiasetonposfat. Yang mengalami reaksi lebih lanjut dalam proses glikolisis adalah gliseraldehid-3-posfat. Dehidroksi aseton posfat diubah menjadi gliseraldehid-3-posfat oleh enzim triosaposfatisomerase sehingga tidak terjadi penimbunan dehidoksiasetonposfat didalam sel. Menurut Meyerhoff kedua senyawa tersebut berada dalam keseimbangan dengan dehidroksiasetonposfat terdapat dalam jumlah 90%. Gliseraldehid-3-posfat dehidrogenase Reaksi tahap kelima adalah perubahan gliseraldehid-3-posfat menjadi asam 1,3-diposfogliserat, yang melibatkan pemasukan satu gugus posfat dari asam posfat (bukan dari ATP) dan oksidasi molekul aldehid menghasilkan molekul asam karboksilat. Reaksi ini dikatalisis olah enzim gliseraldehid-3-posfat dehidrogenase dengan koenzim NAD+ yang mengalami reduksi membentuk NADH. Gliseraldehid-3-posfat + NAD+ + H3PO4 -----------asam-1,3-diposfogliserat + NADH Telah diketahui bahwa oksidasi satu molekul NADH dalam proses fosforilasi bersifat oksidasi melalui rantai pengangkutan electron (rantai pernafasan) menghasilkan tiga molekul ATP. Oleh karena itu reaksi tahap kelima ini dapat diartikan sebagai reaksi yang menghasilkan tiga molekul ATP untuk tiap satu molekul asam-1,3-diposfogliserat yang terbentuk dari satu molekul gliseraldehid-3-posfat. Satu dari dua ikatan antara asam posfat dengan asam gliserat dalam molekul asam 1,3-diposfogliserat adalah suatu ikatan anhidrida yang dalam proses pemecahannya menghasilkan energi untuk pembentukan ATP dari ADP dan Pi. Posfogliseril Kinase Reaksi tahap keenam merupakan reaksi pengubahan asam 1,3-diposfogliserat menjadi asam 3-posfogliserat yang dikatalisis oleh enzim posfogliserilkinase, dan ion Mg++ sebagai kofaktor. Dalam reaksi ini terbentuk satu moleul ATP dari ADP. Oleh karena ATP adalah senyawa posfat berenergi tinggi, maka reaksi ini mempunyai fungsi untuk menyimpan energi yang dihasilkan oleh proses glikolisis dalam bentuk ATP. Asam 1,3-diposfogliserat + ADP +Mg++ -------------asam 3-posfogliserat + ATP Posfogliseril Mutase Pada tahap ini terjadi reaksi pengubahan asam 3-posfogliserat menjadi asam 2posfogliserat yang dikatalisis oleh enzim posfogliserilmutase. Enzim ini berfungsi 117 memindahkan gugus posfat dari atom C yang satu ke atom C lainnya dalam satu molekul. Asam 3-posfogliserat ---------------- asam 2-posfogliserat Enolase Reaksi tahap kedelapan adalah lepasnya satu molekul H2O dari asam 2posfogliserat, yang kemudian membentuk asam posfoenolpiruvat yang dikatalisis oleh enzim enolase dan ion Mg++ sebagai kofaktor. Reaksi ini adalah reaksi dehidrasi karena lepasnya satu molekul H2O. Asam 2-posfogliserat --------------------- asam posfoenol piruvat Piruvat Kinase Reaksi tahap kesembilan atau tahap akhir adalah pembentukan asam piruvat dari posfoenolpiruvat, melalui senyawa antara enolpiruvat. Reaksi ini merupakan pemindahan gugus posfat dari asam posfoenolpiruvat kepada ADP sehingga terbentuk molekul ATP dan molekul asam piruvat, dan dikatalisis oleh enzim piruvat kinase dengan ion Mg++ dan K+ sebagai activator. Perubahan enolpiruvat menjadi asam piruvat terjadi secara spontan. Asam posfoenol piruvat +ADP -----------enolpiruvat-----asam piruvat + ATP Mg++,K+ Laktat dehidrogenase Dalam kondisi anaerob, asam piruvat akan mengalami reduksi dan membentuk asam laktat. Reaksi ini dikatalisis oleh enzim laktat dehidrogenase dengan NADH sebagai koenzim. Asam piruvat + NADH + H+ --------------- asam laktat + NAD+ Pada proses fermentasi atau peragian, yang juga berlangsung dalam kondisi anaerob, asam piruvat akan diubah menjadi asetaldehid dan CO2. Reaksi ini merupakan reaksi dekarboksilase yang dikatalisis oleh piruvat dekarboksilase dengan tiamin piroposfat sebagai koenzimnya. Asam piruvat ----------------------------------- asetaldehid + CO2 piruvat dekarboksilase Selanjutnya asetaldehid akan direduksi oleh NADH dengan enzim alcohol dehidrogenase sebagai katalisator, dan menghasilkan alcohol (etanol). Dengan demikian alkohol dan CO2 merupakan hasil akhir fermentasi alcohol. 118 Asetaldehid + NADH + H+ ------------------- etanol Energi dari Proses Glikolisis Secara keseluruhan glikolisis terbagi menjadi dua bagian. Bagian pertama meliputi tahap reaksi enzim yang memerlukan ATP, yaitu tahap reaksi dari glukosa sampai terbentuknya fruktosa-6-posfat yang menggunakan dua molekul ATP untuk tiap satu molekul glukosa yand dioksidasi. Bagian kedua meliputi tahapan reaksi yang menghasilkan energi (ATP dan NADH), yaitu dari gliseraldehid 3-posfat sampai dengan asam piruvat. Dari bagian ini dihasilkan dua molekul NADH dan empat molekul ATP untuk tiap molekul glukosa yang dioksidasi. Karena satu molekul NADH yang masuk rantai pengangkutan electron dapat menghasilkan tiga molekul ATP, maka tahap reaksi bagian kedua ini menghasilkan 10 molekul ATP (2 mol. NADH setara dengan 2 x 3 mol. ATP = 6 mol ATP , dan ditambah dengan 4 mol ATP yang terbentuk). Dengan demikian keseluruhan proses glikolisis (dari glukosa menjadi asam piruvat) menghasilkan 10 – 2 = 8 mol ATP untuk tiap molekul glukosa yang dioksidasi. Tiap mol ATP setara dengan 8.000-10.000 kal sehingga keseluruhan proses glikolisis menghasilkan 64-80 ribu kalori. Dalam keadaan tanpa oksigen (anaerob), respirasi terhenti karena proses pengangkutan electron yang terangkai dengan posforilasi bersifat oksidasi (posforilasi oksidatif) yang menggunakan oksigen sebagai penerima electron terakhir, tidak berjalan. Akibatnya jalan metabolisme lingkar (siklus) asam trikarboksilat (siklus asam sitrat atau suklus Krebs) akan terhenti pula sehingga asam piruvat tidak masuk ke dalam siklus asam trikarboksilat melainkan dialihkan pemakaiannya yaitu diubah menjadi asam laktat oleh laktat dehidrogenase dengan NADH sebagai sumber energinya. Dengan demikian maka 2 mol NADH yang dihasilkan oleh reaksi tahap kelima dalam glikolisis tidak dipakai untuk membentuk ATP melainkan digunakan untuk reaksi reduksi 2 mol asam piruvat menjadi 2 mol asam laktat. Dengan demikian maka pada glikolisis anaerob, energi yang dihasilkan hanya 2 mol ATP saja atau setara dengan 16-20 ribu kalori, jauh lebih rendah dibandingakan dengan glikolisis aerob (64-80 ribu kalori). Hal yang sama juga terjadi pada fermentasi alcohol yang berlangsung dalam keadaan anaerob. Asam piruvat tidak masuk ke dalam siklus asam trikarboksilat, melainkan diubah menjadi alcohol dan CO2, dengan enzim alcohol dehidrogenase sebagai katalisator. Jumlah energi yang dihasilkan adalah 2 mol ATP sebagaimana terjadi pada respirasi anaerob pembentukan asam laktat. Siklus Asam Sitrat Siklus asam sitrat dinamakan juga siklus asam trikarboksilat atau siklus Krebs. Dinamakan siklus Krebs karena rangkaian lingkar reaksi kimia ini diajukan oleh Hans A. Krebs, seorang ahli biokimia Inggeris yang berjasa dalam penelitian metabolisme karbohidrat. Proses ini adalah proses oksidasi dengan menggunakan 119 oksigen atau aerob. Reaksi kimia yang berhubungan dengan siklus Krebs dapat dibagi ke dalam sembilan tahap yaitu: tahap pembentukan asetil koenzim A (Asetil Ko-A), pembentukan asam sitrat, pembentukan asam iso sitrat, pembentukan asam alphaketoglutarat, pembentukan suksinil KoA, pembentukan asam suksinat, pembentukan asam fumarat, pembentukan asam malat, dan pembentukan asam oksaloasetat. Secara rinci masing-masing tahap tersebut diuraikan sebagai berikut: Pembentukan Asetil Koenzim A (Asetil Ko-A) Reaksi oksidasi piruvat (hasil glikolisis) menjadi asetilkoenzim A, merupakan tahap reaksi penghubung antara glikolisis dengan jalur metabolisme lingkar asam trikarboksilat (asam sitrat, siklus Krebs). Asetilkoenzim A dibentuk oleh reaksi antara asam piruvat dengan koenzim A yang dikatalisis oleh enzim kompleks piruvatdehidrogenase (melibatkan tiga macam enzim piruvat dehidrogenase, dehidrolipoil transasetilase, dan dehidrolipoil dehidrogenase), lima macam koenzim (tiamin piro posfat, asam lipoat, koenzim A, flavin adenine dinukleotida, dan nikotinamid adenine dinukleotida). Reaksi ini berlangsung dalam lima tahap reaksi dan bersifat irriversibel. Asam piruvat + NAD+ + koenzim A------------- asetil koenzim A + NADH + CO2 Asetilkoenzim-A adalah senyawa berenergi tinggi dan dapat berfungsi sebagai pemberi gugus asetil atau dapat ikut dalam reaksi kondensasi. Pembentukan asam sitrat Asam sitrat dibentuk oleh asetilkoenzim-A dan asam oksaloasetat dengan cara kondensasi dan dikatalisis oleh enzim sitrat sintase. Reaksi ini menghasilkan energi dan merupakan reaksi pendorong pertama untuk siklus Krebs. Laju reaksi ditentukan oleh jumlah asetilkoenzim-A yang tersedia, oksaloasetat, dan kadar suksinil koenzimA. Asetilkoenzim-A + asam oksaloasetat ---------------asam sitrat + KoASH (koenzim-A) Pembentukan Asam Isositrat Asam isositrat dibentuk dari asam sitrat melalui cisakonitat, dikatalisis secara reversible oleh enzim akonitase. Asam sitrat -------------------cisakonitat -----------------------asam isositrat akonitase akonitase Dalam keadaan seimbang terdapat 90% asam sitrat, 4% asam akonitat, dan 6% asam isositrat. Walaupun dalam keseimbangan ini asam isositrat terdapat dalam jumlah sedikit, tetapi asam isositrat akan segera diubah menjadi asam ketoglutarat sehingga keseimbangan akan bergeser ke kanan. 120 Pembentukan Asam Alpha-ketoglutarat Dalam reaksi ini asam isositrat diubah menjadi asam oksalosuksinat, kemudian diubah lebih lanjut menjadi asam alpha-ketoglutarat. Pembentukan asam oksalosuksinat dikatalisis oleh enzim isositratdehidrogenase dengan koenzim NADP+, dan pengubahan eksalosuksinat menjadi asam alpha-ketoglutarat + CO2 dikatalisis oleh enzim karboksilase dan koenzim NADP, dan NAD. Untuk tiap molekul asam isositrat yang diubah menjadi asam alpha-ketoglutarat dihasilkan 1 mol NADPH dan 1 mol CO2. Asam isositrat ketoglutarat NADP ----------------asam oksalosuksinat NADPH ------------------asam alpha- CO2 Pembentukan Suksinilkoenzim-A Pembentukan suksinilkoenzim-A dari alpha-ketoglutarat adalah reaksi yang irriversibel dan dikatalisis oleh enzim kompleks alpha-ketoglutarat dehidrogenase. Reaksi ini berlangsung dengan mekanisme yang sama seperti proses oksidasi piruvat menjadi asetilkoenzim-A dan CO2, yaitu dengan melibatkan tiaminpiroposfat (TPP), asam lipoat, koenzim-A, FAD dan NAD. Suksinilkoenzim-A adalah suatu senyawa tioester berenergi tinggi dan akan diubah menjadi asam suksinat. Suksinilkoenzim-A terbentuk dari reaksi antara asam alpha-ketoglutarat dengan koenzim-A. Dalam reaksi ini dilepaskan CO2 dan dihasilkan pula NADH.. Sebagaimana telah dikemukakan bahwa reaksi ini tidak riversibel sehingga secara keseluruhan siklus asam trikarboksilat (siklus asam sitrat) tidak bersifat riversibel. Asam alpha-ketoglutarat + KoASH ---------------------------suksinilkoenzim-A + CO2 NAD NADH Pembentukan Asam Suksinat Asam suksinat terbentuk dari suksinil KoA dengan cara melepaskan koenzimA dan dirangkaikan dengan reaksi pembentukan senyawa guanosintriposfat (GTP) dari guanosin diposfat (GDP) dan posfat. Reaksi ini bersifat riversibel dan dikatalisis oleh enzim suksinil KoA sintetase. GDP yang terbentuk dari reaksi ini segera dipakai untuk sintesis ATP dari ADP dengan katalis enzim nukleosida diposfat kinase. Suksinil KoA---------------------------------------- asam suksinat GDP + Pi GTP GTP + ADP ----------------------------GDP + ATP 121 Pembentukan GTP (ATP) yang terkait dengan reaksi deasilasi suksinil koenzim-A sebagaimana tercantum di atas disebut fosforilasi tingkat substrat, dan ini berbeda dari fosforilasi yang terkait dengan rantai pernafasan (fosforilasi oksidatif). Pembentukan Asam Fumarat Asam suksinat dioksidasi menjadi asam fumarat yang dikatalisis oleh enzim dehidrogenase yang berikatan dengan flavin adenine dinukleotida (FAD)sebagai koenzimnya. Dalam reaksi ini FAD bertindak sebagai gugus aseptor hydrogen. Asam suksinat ----------------------------------------- asam fumarat FAD FADH2 Pembentukan Asam Malat Asam malat terbentuk dari asam fumarat dengan cara adisi molekul air ke ikatan rangkap asam fumarat, yang dikatalisis oleh enzim fumarase. Reaksi ini bersifat riversibel. Asam fumarat ---------------------------- asam malat +/-H2O, fumarase Pembentukan Asam Oksaloasetat Pembentukan asam oksaloasetat merupakan reaksi tahap akhir siklus asam trikarboksilat. Asam malat mengalami dehidrogenasi yang dikatalisis oleh enzim malat dehirogenase (berikatan dengan NAD sebagai koenzim) dan membentuk asam oksaloasetat. Dalam reaksi ini dahasilkan NADH. Asam malat ----------------------------- asam oksaloasetat NAD- NADH + H+ Asam oksaloasetat yang terbentuk akan beraksi dengan asetilkoenzim-A dan asam sitrat yang terbentuk bereaksi lebih lanjut dalam siklus asam trikarboksilat (siklus asam sitrat, siklus Krebs), dengan reaksi sebagaimana tersebut di atas berlangsung terus menerus dan berulangkali. Energi dari Siklus Asam Trikarboksilat (Siklus Asam Sitrat, Siklus Krebs) Siklus asam trikarboksilat (asam sitrat) merupakan kelanjutan dari proses glikolisis. Reaksi-reaksi dalam siklus asam sitrat juga menghasilkan energi yang tersimpan dalam bentuk molekul ATP. Reaksi-reaksi yang menghasilkan molekul ATP adalah sebagai berikut: 122 Tabel 10.1 Reaksi-reaksi yang menghasilkan molekul ATP Reaksi Pemindahan electron: Piruvat ------- asetil KoA Isositrat ----------- alpha ketoglutarat Alpha ketoglutarat ----- suksinil KoA Suksinat ---------------fumarat Malat --------------- oksaloasetat Pemindahan electron: Suksinil koenzim A---------- suksinat Koenzim NAD NADP NAD FAD NAD Jumlah ATP Permol glukosa 6 6 6 4 6 2 Tabel di atas menunjukkan bahwa proses oksidasi dimulai dari asam piruvat menghasilkan molekul ATP sebanyak 15 molekul untuk setiap satu molekul asam piruvat atau 30 molekul ATP untuk setiap molekul glukosa ( satu molekul glukosa pada proses glikolisis menghasilkan dua molekul asam piruvat. Seperti telah dibahas pada bagian terdahulu, oksidasi satu molekul glukosa melalui glikolisis menjadi dua molekul asam piruvat, menghasilkan 8 ATP. Dengan demikian oksidasi sempurna (glikolisis dan siklus asam sitrat) satu molekul glukosa menjadi CO2 + H2O, menghasilkan 2 x 15 + 8 = 38 molekul ATP atau setara dengan 304 – 380 ribu kalori. Pembakaran bebas satu molekul glukosa di dalam bom calorimeter akan menghasilkan energi sebesar 790 ribu kalori. Jadi efisiensi oksidasi satu molekul glukosa melalui proses respirasi aerob adalah (304 – 380 ribu kalori)/790 ribu kalori dikalikan 100% = 38.4 – 48.1 %. Tingkat efisiensi ini jauh lebih tinggi dari efisiensi energi yang dihasilkan oleh mesin berbahan bakar bensin yang hanya mencapai sekitar 10-15% saja. Fosforilasi Oksidatif Pengangkutan electron yang dirangkaikan dengan posforilasi yang bersifat oksidasi (posforilasi oksidatif) merupakan tahap akhir dari proses respirasi, yaitu oksidasi glukosa menghasilkan CO2 + H2O dan ATP. Rantai pengangkutan electron disebut juga rantai respirasi (rantai pernafasan), terdapat dalam membran mitokondria. Urutan reaksi pengangkutan electron dalam rantai respirasi berlangsung dalam delapan tahap reaksi oksidasi reduksi, sebagai berikut: 123 NAD ---- FMN ---- FeS --- Q --- Cyt.b --- Cyt.C --- Cyt.a ---Cyt.a3 --- O Proses reaksi eksergonik mengalirkan electron dari NADH ke O2 dirangkaikan dengan proses posforilasi yang bersifat oksidasi (pembentukan ATP dari ADP + Pi) pada tiga tahap reaksi pengangkutan electron, yaitu (1) dari NAD ke FMN; (2) dari sitokrom b ke sitokrom c1, dan (3) dari sitokrom a3 ke O2. Dengan demikian pasangan electron dari senyawa substrat respirasi yang masuk rantai respirasi melalui NAD akan menghasilkan tiga molekul ATP persatu atom O (atau ½ O2) yang dipakai. Sedangkan yang masuknya melalui koenzim Q menghasilkan 2 ATP. Malat, isositrat dan alpha-ketoglutarat adalah senyawa-senyawa siklus asam trikarboksilat yang memasukkan elektronnya melalui NAD, sedangkan suksinat melalui koenzim-Q. Tiap substrut yang melepaskan elektronnya ke NADH akan menghasilkan 3 ATP dan mereduksi satu atom oksigen, sehingga nisbah (perbandingan) P terhadap O (P/O) untuk substrat tersebut adalah 3. Nisbah P/O untuk tahap reaksi : piruvat ---asetil-KoA; isositrat --- alpha-ketoglutarat; alpha-ketoglutarat----- suksinil-KoA; dan malat ---- akksaloasetat masing-masing adalah 3, sedangkan reaksi malat --oksaloasetat bernilai 2. Proses pengangkutan electron dalam rantai respirasi berlokasi di dalam membrane mitokondria, menghasilkan energi yang digunakan untuk membentuk ATP dari ADP dan Pi. Proses inilah yang disebut posforilasi oksidatif (atau posforilasi bersifat oksidatif atau posforilasi rantai respirasi). Persamaan reaksi keseluruhan proses posforilasi oksidatif adalah: NADH + H+ + 3 ADP + 3 Pi + ½ O2 ------- NAD+ + 4 H2O + 3 ATP Reaksi ini dapat dibagi ke dalam dua bagian yaitu: Reaksi eksergonik : NADH + H+ + O2 -------------- NAD+ + H2O Reaksi endergonik : 3 ADP + 3 Pi --------------------- 3 ATP 124 DAFTAR PUSTAKA Girindra, A. 1990. Biokimia I. Penerbit PT. Gramedia. Jakarta. Lehniger, A.L. 1982. Dasar-dasar Biokimia Jilid I. Terjemahan Maggy Thenawidjaya. Penerbit Gelora Aksara Pertama, Erlangga. Poedjiadi, A ., Supriyanti, T., , Soemodimedjo, P. 2006. Dasar-dasar Biokimia. Penerbit Universitas Indonesia. Jakarta. Stryer, L. 2000. Biokimia Volume 1 Edisi 4. Terjemahan: Bagian Biokimia FKUI. Edisi Syahbanar Soebianto & Evisetiadi. Penerbit Buku Kedokteran EGC. Jakarta.
