maklumat penulis - upm edutrain interactive learningvodppl.upm.edu.my/uploads/docs/modul...
TRANSCRIPT
1
Maklumat Penulis
Nama : Prof. Madya Dr. Mohd. Arif bin Syed
Alamat : Jabatan Biokimia dan Mikrobiologi
Universiti Putra Malaysia
43400 UPM SERDANG SELANGOR D.E.
No. Telefon : 03-89466704
No. Faks : 03-89430913
Alamat e-mail : [email protected]
Nama : Prof. Dr. Abu Bakar bin Salleh
Alamat : Jabatan Biokimia dan Mikrobiologi
Universiti Putra Malaysia
43400 UPM SERDANG SELANGOR D.E.
No. Telefon : 03-89466695/89468089
No. Faks : 03-89430913
Alamat e-mail : [email protected]
2
UNIT 1
Air
1.1 Pendahuluan
Biokimia adalah bidang kimia semua bentuk hidupan, sama ada tumbuhan atau
haiwan. Yang lebih penting lagi, biokimia melibatkan kajian mengenai tindak
balas kimia yang berlaku di dalam organisma hidup. Istilah biokimia itu sendiri
menggambarkan bahawa biokimia mengandungi komponen biologi dan kimia.
Tujuan utama bidang biokimia ialah untuk menerangkan proses di dalam hidupan
pada tahap molekul. Sebelum kita mengkaji tindak balas yang berlaku di dalam
sel secara terperinci, kita perlu mengetahui mengenai kandungan sebatian
biokimia yang terdapat di dalam sel; kerana sekecil-kecil sel mengandungi ribuan
kimia organik dan tak organik di mana sebahagian besarnya adalah molekul yang
boleh dianggap `besar’ iaitu makromolekul. Kesemua proses biologi termasuk
penglihatan, penghadaman, pergerakan, pembiakan, pertumbuhan, kejadian
penyakit dan keimunan adalah hasil daripada tindakan makromolekul dan
mikromolekul. Oleh itu, untuk menerangkan proses ini, kita perlu pengetahuan
yang mendalam mengenai struktur kimia molekul yang mengambil bahagian di
dalam proses yang disebut di atas. Bukan itu sahaja, kita juga perlu faham
mengenai peranan biologi molekul yang terdapat di dalam sel.
Kursus BIOMOLEKUL ini ditawarkan khas dengan tujuan utamanya iaitu untuk
memberi pengetahuan mengenai kimia air, protein, lipid, karbohidrat, asid
nukleik dan biomolekul penting yang lain. Biomolekul ini bukan sahaja
komponen utama bahan makanan kita, tetapi ia juga adalah konstituen organik
yang penting di dalam badan kita. Biomolekul yang pertama yang akan kita
bincangkan ialah air.
Air merupakan komponen utama di dalam sel. Ianya penting bagi semua bentuk
hidupan. 70 hingga 85% berat sesuatu sel adalah terdiri daripada air. Hampir
semua tindak balas kimia di dalam sel melibatkan air.
Oleh kerana peranannya yang penting di dalam sel, air mempunyai pengaruh yang
besar kepada struktur dan kelakuan semua biomolekul. Air bukan sahaja
penting sebagai solven, bahkan ia juga bertindak sebagai reaktan. Peranannya
sebagai solven biologi membolehkannya mengawalatur keadaan di dalam dan luar
sel seperti suhu dan pH dalam keadaan yang betul.
Selain dari itu, air juga adalah satu agen penurun yang penting. Ianya adalah
sumber elektron untuk menurunkan CO2 bagi menghasilkan glukosa.
3
Jelas di sini bahawa air bukan hanya komponen lengai di dalam sel. Sebaliknya,
ia adalah satu molekul yang reaktif yang mempunyai ciri yang unik yang
mempunyai pengaruh yang besar terhadap biomolekul dan proses biologi. Kita
akan mengkaji ciri-ciri istemewa air dan bagaimana ia mempengaruhi struktur dan
keaktifan biomolekul.
1.2 Tajuk-Tajuk Dalam Unit 1
Tajuk yang akan dibincangkan dalam unit termasuklah
1. Struktur air
2. Ikatan hidrogen
3. Air sebagai solven
4. Elektrolit
5. Asid, bes, pH dan pOH
a) definisi asid dan bes
b) pengionan air
c) Persamaan Henderson-Hasselbalch
d) penimbal dan bagaimana ia berfungsi
Secara ringkas hubungan antara tajuk di atas dengan unit yang di dalam kurs us
ini adalah seperti yang diberikan di dalam nota peta minda berikut
.
BIOKIMIA
BIOMOLEKUL
Lipid
Protein Asid Amino
Asid nukleik
Karbohidrat
Biomolekul pengawalatur
AIR
Struktur
Air sebagai solven
Ikatan Hidrogen
Asid, bes, pH dan pOH
Pengionan air
Persamaan Henderson-
Hasselbalch
Penimbal dan
peranannya
4
1.3 Objektif Pembelajaran Unit 1
Setelah anda mempelajari unit ini adalah diharapkan anda dapat ;
1. Menerangkan struktur dan sifat air serta kepentingan ikatan hidrogen
2. Menerangkan mengenai sebatian hidrofilik, hifdrofobik, amfoterik dan
elektrolit
3. Menjelaskan dan membincangakan mengenai
a) definisi asid, bes dan pH
b) menerangkan kepentingan asid dan bes lemah
c) bagimana anda mendapatkan Persamaan Henderson-Hasselbalch
dan kepentingannya di dalam bidang biokimia
d) larutan penimbal dan kepentingannya dalam sistem biologi.
1.4 Struktur air
Molekul air (H2O) adalah dalam bentuk V dan sudut di antara 2 ikatan kovalen O-
H ialah 104.5o (Rajah 1.1). Ini bermakna bahawa susunan atom –atom hidrogen
dan oksigen di dalam molekul air adalah tidak linear. Keadaan tidak simetrik
ini menghasilkan satu keadaan yang dipanggil electric dipole (Rajah 1.1). Di
dalam susunan ini, kita dapati bahawa 2 atom hidrogen berkongsi elektronnya
dengan pasangan elektron O2 yang tidak berkongsi.
Nilai elektronegativiti O2 yang lebih tinggi daripada atom H menyebabkan atom
O2 mempunyai daya tarikan yang lebih kuat kepada elektron daripada atom H2.
Jadi, agihan elektron tidak terkongsi samarata di dalam ikatan O-H yang
menyebabkan atom O2 mempunyai cas separa negatif sementara atom H
mempunyai cas separa positif (δ- dan δ+
masing-masing). Ini bermakna ikatan
hidrogen adalah ikatan polar. Kehadiran cas-cas ini di dalam molekul air
menyebabkan air bersifat dwipolar atau berkhutub di mana hujung negatifnya
adalah oksigen dan hujung positifnya adalah hidrogen. Molekul seperti air yang
mempunyai hujung positif dan hujung negatif dipanggil dipol
Rajah 1.1: Struktur molekul air. Sudut ikatan hidrogen ialah 104.5o.
Kedua-dua atom hidrogen membawa cas separa positif dan
atom oksigen membawa cas separa negatif menghasilkan
keadaan yang dipanggil dipol.
5
1.5 Ikatan Hidrogen
Ikatan hidrogen terhasil daripada pengikatan antara atom hidrogen yang
terikat secara kovalen dengan satu atom yang elektronegatif dengan atom
elektronegatif yang lain. Kita telah lihat bahawa bahawa molekul air adalah satu
molekul dipol. Ini bermakna ia mengandungi cas separa positif dan cas separa
negatif. Cas separa positif ini boleh berinteraksi dengan satu cas negatif yang lain.
Ini bermakna molekul air boleh berinteraksi sesama sendiri melalui ikatan
hidrogen dengan O2 yang mengandungi cas separa negatif atau dengan molekul
lain yang mengandungi atom yang lebih elektronegatif dari H2 seperti atom
fluorida atau atom nitrogen. Kumpulan berfungsi yang boleh mengambil
bahagian di dalam ikatan hidrogen termasuk (i) kumpulan hidroksil di dalam
alkohol, asid organik dan karbohidrat (ii) kumpulan karbonil di dalam aldehida,
ketone, asid, amida dan ester dan (iii) kumpulan N-H di dalam amina dan amida.
Oleh itu, ikatan hidrogen tidak terhad kepada ikatan antara H2 dan O2 sahaja
Aktiviti 1.1.
Berdasarkan kepada maklumat yang menerangkan kumpulan-kumpulan berfungsi
yang boleh mengambil bahagian di dalam ikatan hidrogen, lukiskan ikatan yang
terbentuk antara
i. alkohol dan air
ii. kumpulan karbonil dengan air
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
....................................................................................................................................
6
Ikatan hidrogen ini disusun dalam susunan yang berlainan dalam sebatian yang
berlainan. Misalnya di dalam air batu (ice), ikatan hidrogen disusun di dalam
bentuk tetrahedral mengelilingi satu molekul air. Hablor yang kita lihat di
dalam air batu adalah sebenarnya hasil pembentukan kekisisi (lattice) tetrahedral
ini (Rajah 2.2). Apabila air batu bertukar menjadi air, sesetengah ikatan hidrogen
akan terurai. Sungguh pun satu molekul air boleh membentuk empat ikatan
hidrogen (Rajah 2.2) dengan jirannya, tetapi ikatan hidrogennya adalah`distorted’
jika dibandingkan dengan struktur air batu. Oleh itu, struktur air adalah tidak
nalar.
Rajah 2.2: (a) Ikatan hidrogen dan satu molekul air. Satu molekul air
boleh membentuk 4 ikatan hidrogen (...) di mana satu atom
oksigen adalah penerima hidrogen bagi dua atom hidrogen dan
setiap kumpulan O-H bertindak sebagai penderma hidrogen.
(b). Struktur air batu. Molekul air dalam air batu adalah kekisi
(lattice) heksagon di mana setiap molekul air diikat dengan
ikatan hidrogen kepada 4 molekul yang lain.
7
Aktiviti 1.2
Cuba tuliskan dalam perkataan anda sendiri mengapa haba penyejatan air tinggi?
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
1.6 Ciri Air Sebagai Solven
Seperti yang telah disebutkan, air mempunyai ciri yang unik, iaitu keadaanya
yang berkhutub dan keupayaan untuk membentuk ikatan hidrogen. Keadaan
berpolar molekul air inilah yang menentukan cirinya sebagai solven. Molekul
polar biasanya mudah terserak atau larut di dalam air. Mengapakah sebatian
sepert NaCl , etil alkohol (CH3CH2OH) dan aseton [(CH3)2C=O] larut di dalam
air sedangkan hidrokarbon tidak?
Natrium klorida adalah sebatian yang mempunyai cas penuh sementara etil
alkohol dan aseton [(CH3)2C=O] mengandungi cas separa (berhutub rendah).
Kelarutan sebatian ini di dalam air adalah berdasarkan kepada prinsisp bahawa
terdapat tarikan elektrostatik antara cas yang berlawanan atau berlainan. Hujung
negatif di dalam dipol air akan menarik ion positif (seperti yang terdapat di dalam
NaCl) atau hujung positif di dalam dipol yang lain (seperti yang terdapat di dalam
etil alkohol dan aseton.). Sebagai contoh, NaCl larut dalam air kerana molekul air
yang polar tertarik kepada ion yang bercas yang terdapat di dalam NaCl.
Penarikan ini menyebabkan ion natrium dan klorida bercerai dari satu sama lain
dan hablor NaCl mula larut. Sebatian-sebatian ionik dan polar yang ada
kecenderungan untuk larut dalam air juga di panggil sebatian hidrofilik.
Satu cara lain yang mudah untuk menerangkan kelarutan sebatian ini di dalam air
ialah kerana tarikan atau saling tindak cas yang terdapat di dalam NaCl kepada
dipol air mengatasi daya elektrostatik di dalam lattice NaCl. Aseton dan etil
alkohol adalah sebatian berkhutub lemah. Kelarutannya di dalam air adalah
disebabkan tarikan kumpulan berfungsi di dalam sebatian ini (OH-) dengan air.
Hidrokarbon adalah sebatian yang tidak berkhutub atau tidak polar. Ianya tidak
larut kerana interaksi antara ion-dipol atau dipol-dipol tidak ujud. Kalau ujud
pun, interaksinya adalah lemah. Oleh kerana itu, larutan seperti hidrokarbon
tidak larut di dalam air. Sebaliknya sebatian ini akan berinteraksi sesama sendiri
untuk menjauhkan diri daripada air, iaitu ia tidak terserak. Sebatian tidak polar
yang tidak larut di dalam air juga dipanggil sebatian hidrofobik.
Terdapat juga sebatian-sebatian yang mempunyai sifat atau ciri kedua-duanya,
iaitu hidrofilik dan hidrofobik. Sebatian ini dipanggil sebatian amfifatik.
Detergen (sabun) misalnya mengandungi rantai hidrokarban panjang yang
hidrofobik serta kumpulan karboksilik yang hidrofilik.
8
1.7 Elektrolit
Sebatian seperti NaCl yang larut di dalam air akan bercerai sepenuhnya untuk
menghasilkan kation (cas positif) dan anion (cas negatif). Oleh itu, cas elektrik
boleh bergerak dalam larutan akuas sebatian seperti NaCl. Larutan akuas sebatian
seperti ini dipanggil elektrolit. Sebaliknya larutan akuas seperti gula atau alkohol,
sungguhpun larut di dalam air tidak bercerai sepenuhnya. Keupayaan untuk
membawa cas bagi sebatian seperti ini adalah rendah. Oleh itu cas elektrik tidak
boleh bergerak di dalam larutan ini. Sebatian-sebatian ini di panggil bukan-
elektrolit. Biasanya, garam logam seperti Li, Na, K pada kepekatan yang rendah
akan larut di dalam air dan akan bercerai sepenuhnya. Pada kepekatan yang
tinggi, kation dan anion daripada garam logam ini ada potensi untuk berinteraksi
sesama sendiri. Walau bagaimanapun terdapat banyak asid organik yang tidak
bercerai sepenuhnya. Ini akan menghasilkan satu keseimbangan diantara
komponen-komponen yang bercerai dengan komponen yang tidak becerai.
Asid laktik dan asid asetik adalah contoh-contoh sebatian yang tidak bercerai
sepenuhnya. Asid laktik misalnya akan bercerai separa untuk menghasilkan ion-
ion laktat dan H+.
CH3-CHOH-COOH CH3-CHOH-COO- + H+
Oleh kerana asid laktik hanya bercerai separa, sebatian sedemikian mempunyai
keupayaan yang rendah untuk membawa cas eletrik bila dibandingkan dengan
sebatian yang bercerai sepenuhnya. Sebatian seperti ini dipanggil elektrolit
lemah. Air adalah satu lagi contoh elektrolit lemah. Kepentingan aspek ini akan
dibincangkan sepenuhnya dalam topik yang berikutnya.
Aktiviti 1.3
Anda telah diberitahu mengenai ciri-ciri sebatian yang berlainan, iaitu hidrofobik,
hidrofilik dan amfifatik. Dengan menggunakan ciri-ciri itu, nyatakan sama ada
sebatian-sebatian berikut adalah hidrofobik, hidrofilik atau amfifatik.
(a) HO−CH2− CH− CH2− OH
| OH
(Gliserol)
(b) CH4
(Metana)
(c) H3N+− CH2−COO
-
(Glisina)
Nyatakan sebab-sebab anda
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
9
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
.................................................................................................................................
1.8 Asid, bes, pH dan pOH
Aktiviti biologi di dalam komponen-komponen sel, terutamanya enzim dan
makromolekul lain seperti protein sangat dipengaruhi oleh pH. Oleh itu anda
perlu faham konsep asas mengenai kimia asid-bes kerana kebanyakan metabolit
kecil dan makromolekul di dalam sel hidupan adalah terdiri daripada asid dan bes.
Ini bermakna sebatian-sebatian ini ada potensi untuk terion atau bercerai.
1.8.1 Definisi Asid dan Bes.
Di dalam biokimia, asid dan bes boleh didefinisikan seperti berikut;
Asid ialah sebatian yang menderma proton (ie ion hidrogen) dan bes
ialah sebatian yang menerima proton.
Konsep yang digunakan ini umumnya dipanggil konsep asid-bes Bronsted.
Pasangan asid awal atau pada permulaan tindak balas dengan bes yang terhasil
dipanggil pasangan konjugat asid-bes.
Persamaan berikut menerangkan mengenai konsep ini.
HA + B- A
- + HB
(Asid konjugat1) (bes konjugat2) (Bes konjugat 1) (Asid konjugat 2)
Umumnya, asid boleh dibahagikan kepada asid kuat dan asid lemah. Begitu
juga dengan bes. Di sini diterangkan apa yang dimaksudkan dengan asid kuat dan
asid lemah. Keterangan mengenai bes juga akan diketengahkan.
Asid kuat adalah sebatian yang bercerai (terion) hampir 100% dalam
larutan akuas.
Contohnya asid HCl (asid hidroklorik) yang pada dasarnya bercerai 100% untuk
menghasilkan H3O+ dan Cl
- , adalah asid kuat.
HCl + H2O � H3O+ + Cl
-
10
H3O+ (ion hidronium) atau asid konjugat bagi air adalah bentuk sebenar ion
hidrogen (proton) dalam larutan. Walau bagaimanapun, penceraian (ionization)
HCl juga boleh ditulis seperti berikut.
HCl � H+ + Cl
-
Oleh itu, pada umumnya, H3O+
atau H+ boleh digunakan untuk ion Hidrogen
Bes yang kuat ialah satu sebatian yang bercerai hampir
sepenuhnya dalam larutan akuas untuk menghasilkan ion OH-
Contohnya adalah kalium dan natrium hidrdoksida.
KOH � K+ + OH
-
1.8.2 Pengionan Air
Seperti yang telah disebut di awal perbincangan, banyak komponen-komponen sel
hidup adalah terdiri daripada sebatian yang ada potensi untuk mengion. Air ialah
salah satu daripadanya. Pengionan air akan menjana ion hidronium (H3O+) dan
ion hidroksida.
H2O + H2O H3O + + OH
-
Kita juga boleh tulis pengionan air sebagai berikut, seperti yang telah
dibincangkan sebelum ini.
H2O H+ + OH
- ............................................ (1)
Kita boleh gunakan Hukum Tindakbalas Jisim (Law of Mass Action) untuk
mendapatkan secara kuantitatif titik keseimbangan bagi tindak balas penceraian
ini.
Keq = [H+] [OH
-] ----------------------------------------------- (2)
[H2O]
Keq = pemalar keseimbangan
[ ] = kepekatan dalam mol/liter (M)
Sekiranya Keq bagi pengionan air tulen boleh ditentukan dari ujikaji di makmal,
kita boleh kira amaun [H+] dan [OH
-]; dengan itu kita boleh anggar berapa banyak
ia terion atau bercerai.
11
Nilai Keq yang telah didapati bagi air tulen ialah 1.8 x 10-16
M dan nilai kepekatan
air ialah 55.5M
Aktiviti 1.4 Tulis secara ringkas bagaimana anda mendapatkan nilai kepekatan air tulen
sebagai 55.5M
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
Berbalik kepada Hukum Tindak Balas Jisim tadi, persamaan (2) menjadi
1.8 x 10-16
= [H+] [OH
-]
55.5M
[H+] [OH
-] = 1.0 x 10
-14M ........................................................(3)
Dari persamaan (1), kita tahu bahawa kepekatan H+
dan OH- adalah sama
∴ [H+] = [OH-] = 1.0 x 10
-14M
= 1.0 x 10-7
M
Kepekatan H+
dan OH- dalam bentuk eksponen (1.0 x 10
-7M) adalah terlalu kecil
dan rumit untuk ditulis. Oleh itu satu kaedah yang lebih mudah untuk
menerangkan kepekatan H+ dan OH
- adalah perlu. Swenson mencadangkan
menggunakan pH bagi menerangkan kepekatan H+ dan pOH
- untuk kepekatan
OH-.
pH dan pOH boleh didefinisikan seperti berikut:
Persamaan (3) menjadi
log [H+] + log [OH
-] = -14
-log [H+] - log [OH-] = 14
ie. pH + pOH = 14 ...................................................... (4)
pH = -log [H+]
pOH = -log [OH-]
12
Oleh kerana [H+] = [OH
-]
pH = pOH = 7 ................................................................... (5)
Daripada persamaan (5), apabila
pH = pOH = 7, keadaan larutan adalah netral
pH = pOH < 7, keadaan larutan adalah berasid
pH = pOH > 7, keadaan larutan adalah beralkali
Aktiviti 1.5
Bincangkan dengan rakan-rakan anda mengenai definisi pH dan pOH dan kaitan
antara kedua-duanya. Dengan menggunakan persamaan yang telah dibincangkan,
kirakan kepekatan ion hidrogen ([H+]) dalam larutan berikut
1. Jus gastrik, pH = 1.80
2. Plasma darah, pH = 7.4
3. Jus tomato, pH = 4.3
4. Kopi, pH = 5.0
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………………
1.8.3 Persamaan Henderson-Hasselbalch
Bagi larutan suatu asid lemah, misalnya asid asetik (CH3COOH) atau ringkasnya
HA, pengionannya ialah seperti berikut
HA H+ + A
-
Dalam keadaan keseimbangan, pengionan asid lemah akan mematuhi persamaan
ini
Ka = [H+][A
-] .................................................................. (6)
[HA]
Di mana Ka ialah pemalar pengionan ketara (apparent ionization constant)
13
Dari persamaan (6), kepekatan H+ atau [H
+] akan menjadi
[H+] = Ka [HA] ..................................................................... (7)
[A-]
Bila ditukarkan dalam ungkapan bentuk log
log [H+] = log Ka + log [HA] ................................................. (8)
[A-]
Persamaan (8) boleh juga ditulis seperti berikut
-log[H+] = - log Ka - log [A
-] .............................................. (9)
[HA]
Ingatkah anda apakah yang dimaksudkan dengan pH? pH boleh didefinisikan
seperti berikut
- log [H+] = pH
dan -log Ka boleh ditulis sebagai pKa
∴ persamaan (9) menjadi pH = pKa + log [A-] …………………(10)
[HA]
Persamaan ini dipanggil persamaan HENDERSON-HASSELBALCH.
Persamaan ini sangat berguna untuk menentukan amaun asid dan bes atau
garamnya yang diperlukan untuk menyediakan larutan penimbal dengan pH yang
kita kehendakki.
1.9 Penimbal Dan Bagaimana Ia Berfungsi
Definisi penimbal adalah seperti berikut
Penimbal adalah satu larutan yang mengandungi satu
sebatian atau campuran sebatian yang menghalang atau
menampan pertukaran yang besar di dalam pH bila di
tambahkan dengan amaun H+ atau OH
- yang sedikit.
Campuran yang terdapat di dalam penimbal biasanya adalah asid konjugat dan
bes konjugat (rujuk kepada penerangan mengenainya sebelum ini). Penimbal
yang berasid mengandungi asid lemah dan garam asid lemah berkenaan,
sementara penimbal basik mengandungi bes lemah dan garam bagi bes lemah
berkenaan. Kehadiran asid konjugat dan bes konjugat boleh menahan pertukaran
yang besar dengan menyerap secara separa ion-ion H+ atau OH
- yang ditambah.
Sebagai contoh, sekiranya ion hidrogen ditambah kepada larutan penimbal, ion-
14
ion ini akan bertindak dengan bes konjugat yang hadir untuk menghasilkan air
dan konjugat asid. Oleh itu, amaun H+ akan berkurangan.
Sekiranya OH-
ditambah, ia akan bertindak dengan konjugat asid untuk
membentuk konjugat bes dan air yang menyebabkan amaun OH- akan terkeluar.
Walau bagaimana pun, perlu diingat bahawa pH di dalam larutan penimbal tetap
bertukar bila H+ atau OH
- ditambah. Cuma, pertukarannya adalah jauh lebih
kecil jika dibandingkan dengan larutan yang tidak berpenimbal.
1.9.1 Julat penimbalan
Julat penimbalan bagi sesuatu pasangan konjugat adalah pada julat pH yang
hampir dengan pK sesuatu asid lemah. Sekiranya kita ambil julat pH antara satu
unit pH di bawah dan satu unit di atas pKa, lebih kurang 82% sesuatu asid lemah
akan bercerai. Ini bermakna amaun bes yang sama iaitu lebih kurang 82% asid
lemah yang asal boleh dineutralkan dengan pertukaran 2 unit pH. Berdasarkan
kepada maklumat ini, julat penimbalan yang maksimum bagi sesuatu pasangan
konjugat boleh diandaikan diantara 1 unit pH di bawah dan satu 1 unit pH di
atas pKa. Misalnya julat penimbalan yang berkesan bagi asid laktik yang nilai
pKanya 3.86 ialah antara pH 3 hingga 5. Asid laktik tidak ada keupayaan untuk
menimbal pada pH 7.0. Pasangan HPO42-
/H2PO4- yang nilai pKanya = 6.7
menimbal dengan berkesan pada pH=7. Itulah sebabnya, di dalam sitosol di mana
pHnya ialah lebih kurang 7.0, pasangan laktat-asid laktik tidak boleh menimbal
dengan berkesn tetapi pasangan fosfat boleh.
Aktiviti 1.6
Anda dikehendaki menyediakan satu penimbal yang mempunyai nilai pH 4.0.
Sebatian yang manakah yang paling sesuai ? Berikan sebab pilihan anda, dan tulis
dalam ruang yang disediakan.
a) asid laktik (pKa = 3.85)
b) Asid asetik (pKa = 4.75)
c) Asid fosforik (pKa = 7.21)
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
15
1.9.2 Kepentingan Penimbal Dalam Sistem Biologi
Pengawalaturan pH adalah salah satu daripada ciri yang penting di dalam sistem
biologi. Sebagai contoh, pH di dalam plasma darah perlu dikawal supaya tidak
kurang atau melebihi 0.2 unit pH normalnya iaitu antara 7.2 hingga 7.3. Nilai pH
yang terkeluar daripada julat ini akan mendatangkan mudarat kepada sistem
biologi organisma berkenaan. Kita akan lihat nanti bahawa enzim, iaitu pemankin
biologi bagi tindak balas di dalam dan luar sel mempamerkan aktivitnya yang
maksimum pada pH yang tertentu; bahkan ada sesetengah tindak balas hanya
dapat berfungsi pada julat pH yang sangat sempit.
Kebanyakan tindak balas biokimia menghasilkan asid dan bes Bronsted yang pada
umumnya dihasilkan pada kuantiti yang tidak seimbang. Ketidakseimbangan ini
akan menganjakkan pH keluar daripad julat yang optimum bagi aktiviti sel . Ini
perlu diperbetulkan, dan di dalam sistem biokimia semula jadi dapat dilakukan
dengan adanya penimbal.
pH di dalam sel dan bendalir badan dikekalkan pada julat pH antara 6.5 hingga
8.0. Terdapat berbagai sistem bagai mengawal pH di dalam sistem biologi.
Sistem dihidrogen fosfat-monohidrogen fosfat di mana nilai pKanya ialah 6.86
adalah sistem yang mengawalatur pH inraselular yang berkesan kerana fosfat
banyak terdapat di dalam sel. Di dalam darah di mana CO2 terlarut adalah hasil
buangan metabolisme, sistem asid karbonik-bikarbonat dengan nilai pKa 6.37
memainkan peranan yang penting untuk mengawal pH darah. Protein juga
memainkan peranan penting sebagai penimbal kerana seperti yang akan kita lihat
nanti, protein banyak mengandungi kumpulan asidik dan basik yang mempunyai
pKa hampir kepada 7.0.
Aktiviti 1.7
Pasangan konjugat asid-bes H2CO3/HCO3- mengekalkan plasma darah pada pH
7.4. Apakah nisbah bikarbonat kepada asid karbonik di dalam darah? (Gunakann
persamaan Henderson-Hasselbalch untuk menyelesaikan masaalah ini)
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
16
1.20 Penutup
Demikian serba ringkas mengenai biomolekul penting yang pertama yang
terdapat di dalam sistem biologi. Maklumat mengenai air adalah sangat penting
kerana banyak tindak balas di dalam sistem biologi memerlukan air. Diharap anda
dapat menghayati sepenuhnya tajuk yang telah dibincangkan dan anda berusaha
untuk mencuba menyelesaikan masalah mengenai asid, bes dan penimbal kerana
dengan menguasai pengiraan mengenainya, anda akan dapati lebih mudah untuk
memahami konsep yang memerlukan asas pengiraan dalam unit yang lain.
1.8 Ringkasan Unit
Ringkasan penting yang anda perlu ketahui selepas mengikuti unit ini adalah
1) Air adalah molekul yang polar yang boleh membentuk ikatan hidrogen
2) Ia boleh membentuk ikatan hidrogen sesama sendiri dan dengan molekul
polar yang lain.
3) Air boleh melarutkan banyak biomolekul termasuk molekul yang ionik,
polar atau neutral.
4) Molekul ionik dan polar boleh berinteraksi dengan air adalah hidrofilik.
Molekul tak polar atau hidrofobik tidak larut di dalam air. Molekul
amfifatik mempunyai ciri polar dan tak polar.
5) Larutan akuas bagi sebatian yang bercerai sepenuhnya di dalam air adalah
elektrolit. Sebatian bukan elektrolit yang tidak bercerai sepenuhnya tidak
berkeupayaan untuk membawa cas elektrik.
6) Banyak asid organik bersifat elektrolit lemah.
7) Asid adalah sebatian yang menderma proton sementara bes adalah
sebatian yang menerima proton. Asid dan bes kuat terion hampir 100%.
8) Air bercerai untuk menghasilkan ion hidronium (H3O+) dan hidroksida.
Pengionan atau penceraian boleh diukur dengan menggunakan pemalar
keseimbangan, K.
9) pH ialah logaritma negatif bagi kepekatan ion hidrogen
10) Persamaan Henderson-Hasselbalch dan bagaimana mendapatkannya
11) Persamaan Henderson-Hasselbalch berguna untuk menyediakan larutan
penimbal dengan pH yang tertentu.
12) Penimbal adalah satu larutan yang mengandungi satu sebatian atau
campuran sebatian yang menghalang atau menampan pertukaran yang
besar di dalam pH bila di tambahkan dengan amaun H+ atau OH
- yang
sedikit
13) Penimbal sangat penting di dalam sistem biologi.
17
Unit 2
2.0 Asid Amino
2.1 Pendahuluan
Protein adalah makromolekul yang terdapat di dalam semua sel dan di dalam
semua bahagian sel. Ia merupakan bahan yang penting dalam struktur dan fungsi
sel. Lebih kurang separuh daripada berat kering tisu haiwan adalah terdiri
daripada protein. Setiap protein merupakan polimer makromolekul yang dibentuk
daripada unit monomer yang dipanggil αααα-asid amino. Bilangan dan turutan atau
jujukan asid-asid amino akan menentukan struktur tiga dimensi dan sifat biologi
protein.
Di dalam bab ini kita akan mengkaji struktur asid amino, kelakuannya di dalam
keadaan berasid dan berbes dan bagimana unit asid amino ini diikat untuk
membena protein. Kita juga akan membincangkan mengenai ikatan yang
menghubungkan asid amino-asid amino ini dan bagaimana ikatan ini menentukan
struktur tiga dimensi protein. Kaedah yang digunakan untuk memisahklan satu
asid daripada yang lain dan penentuan jujukan asid amino dan kepentingannya di
dalam protein juga akan disentuh. 2.2 Tajuk-Tajuk Dalam Unit 1
Unit ini akan membincangkan secara mendalam mengenai tajuk berikut.
1) Struktur dan ciri α-asid amino
2) Streokimia α- asid amino
3) Isomer D dan L asid amino
4) Pengelasan asid amino
5) Kelakuan asid amino sebagai asid dan bes
6) Kelok titratan asid amino
7) Ikatan peptida
8) Struktur α-Heliks
9) Struktur β
10) Kaedah analisis asid amino
a) Kromatografi termasuk pertukaran ion dan penurasan gel
b) Teknik menentukan jujukan asid amino di dalam protein dengan
menggunakan kaedah Edmann
18
Ringkasan hubungan antara tajuk di atas adalah seperti yang terdapat dalam nota peta minda berikut
2.3 Objektif Pembelajaran Unit 1
Setelah anda mengikuti unit ini adalah diharapkan anda dapat
1. Membincangkan mengenai struktur dan ciri asid amino
2. Membincangkan mengenai kelakuan asid amino di dalam keadaan berasid
dan beralkali
3. Menerangkan konsep yang terlibat dalam pembentukan molekul protein
dan ikatan yang terlibat
4. Membincangkan asas teknik bagi pengasingan asid amino dan memahami
kepentingan jujukan asid amino di dalam protein
5. Membincangkan teknik untuk menentukan jujukan asid amino di dalam
protein
BIOMOLEKUL AIR
PROTEN LIPID
OID
KARBOHIDRAT
BIOMOLEKUL
PENGAWALATUR
ASID
AMINO
Struktur
Streokimia
asid amino
Isomer D dan L
Pengelasan asid amino
Kelakuan asid amino sebagai asid dan bes
Titratan asid amino Ikatan
peptida
α-heliks
Helaian-β
Analisis asid amino
Kromatografi
Tindakan Edmann
19
2.4 Simbol untuk asid amino
Terdapat 20 αααα-asid amino yang dikenalpasti sebagai konstituen protein walaupun
sesuatu protein itu boleh mengandungi beratus bahkan beribu asid amino. Set
asid amino ini adalah sama tidak kira jenis atau bentuk hidupan . Ini bermakna
asid amino yang terdapat di dalam bakteria adalah sama dengan asid amino yang
terdapat di dalam kulat, haiwan atau tumbuhan. Senarai asid amino adalah
ditunjukkan di dalam Jadual 1.
Biasanya asid amino diberikan simbol tiga huruf seperti Gly untuk glisina dan
Ala untuk alanina. Walau bagaimanapun, satu set simbol satu huruf juga
digunakan untuk memudahkan bacaan jujukan asid amino di dalam protein yang
homologous. Simbol tiga huruf dan satu huruf ditunjukkan di dalam jadual 1.
Aktiviti 2.1
Tuliskan dengan ayat anda sendiri apa yang dimaksudkan dengan karbon-α dalam
ruang yang disediakan.
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
…………………………………………………………………………………….
2.5 Struktur dan ciri αααα-asid amino
Seperti yang telah disebutkan sebelum ini, sesuatu protein itu dibena daripada
unit-unit ringkas yang dipanggil asid amino. Ciri sesuatu protein itu akan
ditentukan oleh ciri-ciri yang terdapat di dalam setiap asid amino yang membena
protein berkenaan. Oleh itu amatlah perlu kita membincangkan dan memahami
dahulu struktur dan ciri-ciri yang terdapat di dalam setiap asid amino yang
terdapat di dalam sesuatu protein. Telah disebutkan juga sebelum ini bahawa
terdapat 20 asid amino yang berlainan. Kita tidak akan membincangkan ciri yang
terdapat di dalam setiap individu asid amino, sebaliknya kita akan
membincangkan ciri-ciri umum yang terdapat kumplan asid-asid amino yang
tertentu.
2.5.1 Struktur Am αααα- Asid Amino
Setiap molekul α-asid amino tulen mengandungi karbon-α yang terikat kepada
i. satu kumpulan amino (-NH3+)
ii. satu kumpulan karboksil (-COO-)
iii. rantai sisi yang berlainan dalam asid amino yang berlainan
iv. atom hidrogen
20
Struktur umum bagi asid amino adalah seperti berikut
H
R Cα COOH
NH2
2.5.2 Streokimia αααα- Asid Amino
Kalau diteliti struktur di atas, kita akan dapati bahawa formula planar seperti
yang dilukiskan tidak menggambarkan struktur tiga dimensi asid amino
berkenaan. Struktur di atas menunjukkan bahawa di tengah-tengah molekul asid
amino itu terdapat satu atom karbon tetrahedral yang terikat kepada empat (4)
kumpulan atau atom yang berlainan. Apabila satu atom karbon terikat kepada 4
kumpulan atau atom yang berlainan, sebatian yang dihasilkan adalah tidak
simetrik atau asimetrik. Atom karbon berkenaan dipanggil kiral atau karbon
asimeterik. Sekiranya sesuatu molekul itu mengandungi satu karbon asimetrik,
molekul itu boleh wujud dalam bentuk stereisomer, iaitu sebatian yang
mempunyai formula molekul yang sama tetapi susunan atau konfigurasi
yang berlainan.
Dalam senarai asid amino yang telah dibincangkan, 19 daripada 20 asid amino itu
mengandungi atom karbon kiral. Hanya glisina sahaja yang tidak mengandungi
karbon kiral. Oleh yang demikian, ke sembilan belas asid amino ini boleh wujud
dalam bentuk stereoisomer. Dua stereoisomer boleh didapati daripada setiap asid
amino yang mengandungi atom karbon kiral. Stereoisomer ini merupakan
bayangan cermin yang tidak bertindan (Lihat Rajah 2.1 dan 2.2). Isomer ini
juga dipanggil enantiomer. Kalau anda teliti struktur molekul bagi setiap 19 asid
amino kiral, anda akan dapati bahawa asid amino isolesusina dan treonina
mengandungi 2 atom karbon kiral. Oleh itu, asid amino ini boleh wujud dalam 4
bentuk stereoisomer.
21
Jadual 1.1: Asid amino yang terdapat di protein
Struktur
Nama
Simbol
Glisina
Gly
G
Alanina
Ala
A
Valina
Val
V
Leusina
Leu
L
Isoleusina
Ile
I
Serina
Ser
S
Treonina
Thr
T
22
Asparagina
Asn
N
Glutamina
Gln
O
ERROR: undefined
OFFENDING COMMAND: s4I~
STACK: