Biologi sel – beragam struktur dan fungsi sel – pada kenyataannya tidak bisa dilepaskan dari molekul dan reaksi-reaksi kimia. Proses-proses kimia yang terjadi di dalam sel ataupun organisme juga tidak bisa dilepaskan dari hukum-hukum universal fisika. Jadi, pada hakikatnya biologi sel mempelajari reaksi-reaksi kimia yang terjadi dalam suatu sistem (yang memunculkan) kehidupan. Pada kuliah kedua ini, akan dibahas molekul-molekul kimia yang mendominasi kehidupan. Ada dua topik utama kuliah kedua ini, yaitu nilai-nilai penting bahan kimia penyusun organisme dan makromolekul.
Bahan kimia penyusun kehidupan mempunyai lima nilai penting, yaitu
1. rantai karbon
2. air
3. permeabilitas selektif membran
4. polimerasi molekul-molekul kecil
5. self-assembly
Nilai Penting Rantai Karbon
Unsur kimia yang yang paling mendominasi kehidupan adalah karbon. Tanpa kecuali, semua molekul kimia penting kehidupan selalu mengandung unsur karbon. Awalnya, studi tentang molekul yang mengandung karbon ini merupakan domain dari ilmu kimia organik. Sesuai namanya, kimia organik bekerja pada bahan kimia yang ada pada sistem kehidupan (organic = sesuatu yang berasal dari mahluk hidup, organisme). Dalam perkembangannya, berbagai bahan kimia organik bisa disintesis di lab dan tidak tergantung pada mahluk hidup lagi. Selain itu, beragam senyawa organik baru yang tidak pernah ditemukan pada mahluk hidup berhasil disintesis. Sejak itu, muncul cabang ilmu baru, yaitu biological chemistry yang disingkat menjadi biokimia. Dalam hal ini, biokimia mempelajari beragam senyawa kimia, baik yang alami maupun yang berhasil disintesis di lab, yang bisa ditemukan pada mahluk hidup. Sedangkan yang tidak ditemukan dalam mahluk hidup tetap menjadi domain kimia organik.
Unsur utama penyusun molekul biologi adalah karbon. Ragam dan stabilitas molekul yang mengandung unsur karbon disebabkan oleh karakteristiknya yang spesifik, terutama ketika membentuk ikatan dengan unsur-unsur lain. Salah satu sifat yang paling mendasar dari unsur karbon adalah pada orbital elektron terluarnya kekurangan 4 elektron dari seharusnya 8 elektron. Karena orbital elektron terluar merupakan pertanda stabil-tidaknya suatu unsur, maka agar stabil, karbon cenderung berasosiasi dengan 4 unsur lainnya yang juga kekurangan elektron. Dengan kata lain, unsur karbon mempunyai valensi 4. Penggunaan bersama elektron oleh dua unsur atau lebih akan membentuk ikatan yang dikenal dengan ikatan kovalen. Selain itu, semakin kecil BM unsur yang diikat oleh karbon maka ikatan kovalen yang terbentuk stabil. Dengan begitu, untuk satu unsur karbon membutuhkan empat unsur yang lain agar elektron dalam orbit terluarnya menjadi stabil. Pada umumnya, karbon akan membentuk ikatan kovalen dengan 1 karbon yang lain dan dengan oksigen, hidrogen, nitrogen dan sulfur. Metana (satu karbon berikatan dengan 4 hidrogen), etanol (CH3 – CH2OH) dan metilamina(CH3 – NH2) merupakan senyawa karbon sederhana yang mengandung ikatan tunggal. Selain itu, kadangkala dua atau tiga elektron digunakan bersama oleh dua unsur sehingga membentuk ikatan rangkap dua atau ikatan rangkap tiga. Jadi, kombinasi valensi dan BM kecil merupakan karakteristik molekul berunsur karbon menjadi sangat beragam dan stabil yang mendominasi molekul biologis.
Molekul berunsur karbon adalah molekul yang stabil
Kestabilan molekul berunsur karbon bisa dilihat dari energi ikatan, yaitu jumlah energi yang dibutuhkan untuk memutus 1 mol (sekitar 6 x 1023) ikatan. Seringkali, energi ikatan disalahartikan sebagai energi yang tersimpan dalam ikatan. Energi ikatan ini diekspresikan sebagai kalori per mol (kal/mol). Kalori adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu air sebesar 1o C.
Untuk memutus ikatan karbon dan karbon (C – C) dibutuhkan 83 kkal/mol, Energi ikatan karbon dan hidrogen (C – H) = 99 kkal/mol, karbon dan oksigen (C – O) = 84 kkal/mol dan karbon-nitrogen (C – N) = 70 kkal/mol. Energi yang jauh lebih besar dibutuhkan untuk memutus ikatan karbon rangkap dua (C ═ C), yaitu 146 kkal/mol dan ikatan karbon rangkap tiga (C ≡ C), yaitu 212 kkal/mol.
Besarnya energi ikatan molekul berunsur karbon diatas bisa lebih mudah diapresiasi kalau dibandingkan dengan nilai-nilai energi yang sejenis. Misalnya, energi ikatan non-kovalen hanya beberapa kkal/mol, energi gelombang panas sekitar 0.6 kkal/mol, ikatan gugus fosfat dalam molekul ATP = 7.3 kkal/mol.
Jadi bisa dipahami bahwa molekul yang paling penting bagi kehidupan di muka bumi ini adalah yang berbasis rantai karbon. Hal ini karena energi panjang gelombang matahari yang masuk ke permukaan bumi tidak bisa memutus ikatan C – C. Hubungan energi dan panjang gelombang bisa dinotasikan sebagai E = 28.600/lkkal/einstein. Menggunakan notasi tersebut, maka panjang gelombang cahaya matahari yang masuk ke permukaan bumi berada dalam kisaran cahaya tampak, yaitu antara 400-700 nm, mempunyai energi antara 71.5 – 40.8 kkal/einstein. Nilai energi matahari tersebut jauh dibawah energi ikatan C – C. Dari notasi diatas bisa dimengerti bahwa sinar ultraviolet dengan panjang gelombang <400>
problem: mungkinkah kalaupun ada kehidupan di luar bumi akan tersusun oleh molekul berunsur karbon?
Molekul berunsur karbon adalah molekul yang sangat beragam
Valensi 4 dari unsur karbon memungkinkan satu karbon mengikat 4 unsur yang lain, terutama yang berBM rendah yang hanya ada beberapa saja, dan yang paling banyak ditemukan dalam mahluk hidup adalah H. O, N, S dan P. Hal ini menyebabkan molekul berunsur karbon menjadi sangat beragam. Ditambah lagi jika satu valensi karbon membentuk ikatan dengan karbon yang lain.
Jika rantai karbon hanya berikatan dengan hidrogen maka akan membentuk hidrokarbon dengan struktur linear maupun sirkular. Hidrokarbon adalah molekul penting secara ekonomis sebagai bahan bakar minyak, misalnya bensin (octane, C8H18). Molekul ini tidak larut air sehingga di dalam sel fungsi utamanya adalah sebagai penyusun membran sel bagian dalam.
Selain dengan hidrogen dan unsur-unsur tunggal lainnya, rantai karbon berikatan dengan beragam gugus fungsional yang kemudian sangat menentukan kelarutannya dalam air dan reaktifitasnya. Beberapa gugus fungsional yang biasa ditemukan dalam mahluk hidup antara lain yang bermuatan negatif (karboksil dan fosforil), bermuatan positif (amino), dan berpH netral (hidroksil, sulfhidril, karbonil, aldehida).
Molekul berunsur karbon dapat membentuk stereoisomer
Selain kemampuannya berikatan dengan gugus fungsional, keragaman molekul berunsur karbon ditambah lagi dengan kemampuan strukturnya membentuk simetri geometris. Hal ini karena distribusi elektron yang digunakan bersama berada dalam konfigurasi tetrahedral. Jika ada dua molekul karbon dengan struktur bayangan cermin yang satu dengan yang lain maka keduanya disebut stereoisomer. Meskipun begitu, kedua molekul yang saling stereoisomer tidak selalu bisa ditemukan ada dalam mahluk hidup. Misalnya, yang bisa ditemukan ada pada mahluk hidup adalah D-glukosa, sedangkan L-alanin maupun D-alanin keduanya ditemukan sebagai penyusun protein yang ada pada mahluk hidup.
Sifat-sifat Air
1. Molekul Polar
2. Kohesif
3. Mempunyai kapasistas peredam suhu tinggi
4. Pelarut
Permeabilitas Selektif Membran
1. Membran adalah lipid bilayer yang dilengkapi dengan protein integral
2. Membran bersifat permeabel selektif
Sintesis dengan Polimerasi
1. Makromolekul bertanggungjawab dalam struktur dan fungsi sistem kehidupan
2. Ada tiga makromolekul yang menyusun sel
a. karbohidrat
b. protein
c. asam nukleat
3. Sintesis makromolekul dengan polimerasi, tahap-demi-tahap
a. Makromolekul selalu disintesis tahap demi tahap polimerasi dari molekul-molekul kecil yang disebut monomer
b. Pembentukan polimer atau penambahan unit-unit monomer ke polimer terjadi melalui reaksi kondensasi – pembentukan molekul air
c. Sebelum kondensasi terjadi, setiap monomer diaktifkan terlebih dahulu
d. Molekul yang membantu aktifasi monomer adalah ATP
Kemampuan self-assembly
1. Sebagian besar protein mempunyai kemampuan self-assembly
2. Chaperone adalah molekul yang terlibat dalam pembentukan struktur protein
3. Interaksi non-kovalen terlibat dalam pembentukan struktur makromolekul
4. Keterbatasan self-assembly
5. Hirarki assembly memberikan keuntungan tersendiri bagi sel
Makromolekul dan Lipid
1. Protein
a. Asam amino sebagai monomer protein
b. Klasifikasi struktur primer, sekunder, tertier dan kuartener
2. Asam nukleat
a. Jenis-jenis nukleotida
b. Polimer: DNA dan RNA
c. Struktur double heliks
3. Polisakarida
a. Jenis-jenis monosakarida
b. Ikatan glikosida
c. Fungsi penyimpan energi dan struktur
4. Lipid
a. Asam lemak sebagai penyusun lipid
b. Triacilgliserol sebagai lipid penyimpan
c. Fosfolipid sebagai penyusun struktur membran sel
d. Glikolipid sebagai komponen-komponen khusus membran sel
e. Steroid merupakan lipid dengan beragam fungsi
f. Terpena dibentuk dari isoprena
Tidak ada komentar:
Posting Komentar