1
Maklumat Penulis Nama Alamat
: :
No. Telefon No. Faks Alamat e-mail
: : :
Nama Alamat
: :
No. Telefon No. Faks Alamat e-mail
: : :
Prof. Madya Dr. Mohd. Arif bin Syed Jabatan Biokimia dan Mikrobiologi Universiti Putra Malaysia 43400 UPM SERDANG SELANGOR D.E. 03-89466704 03-89430913
[email protected] Prof. Dr. Abu Bakar bin Salleh Jabatan Biokimia dan Mikrobiologi Universiti Putra Malaysia 43400 UPM SERDANG SELANGOR D.E. 03-89466695/89468089 03-89430913
[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. 2. 3. 4. 5.
Struktur air Ikatan hidrogen Air sebagai solven Elektrolit 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
. Asid nukleik
Lipid Protein
Karbohidrat
BIOMOLEKUL
Asid Amino
Struktur Biomolekul pengawalatur
AIR
Air sebagai solven
Ikatan Hidrogen Asid, bes, pH dan pOH Pengionan air Persamaan HendersonHasselbalch 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 OH 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 bukanelektrolit. 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 ionion 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) (c)
(b) CH4 (Metana)
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(Asid konjugat1) (bes konjugat2)
A+ HB (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+ + ClOleh 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 OHContohnya 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
+
H3O +
H2O
+ OH-
Kita juga boleh tulis pengionan air sebagai berikut, seperti yang telah dibincangkan sebelum ini. H+
H2O
+ 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-] [H2O]
----------------------------------------------- (2)
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 10-16M 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 10-7M 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: pH = -log [H+] pOH = -log [OH-] Persamaan (3) menjadi log [H+] + log [OH-] = -14 -log [H+] - log [OH-] = 14 ie. pH + pOH
= 14 ...................................................... (4)
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. 2. 3. 4.
Jus gastrik, pH = 1.80 Plasma darah, pH = 7.4 Jus tomato, pH = 4.3 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 H+
HA
+ A-
Dalam keadaan keseimbangan, pengionan asid lemah akan mematuhi persamaan ini Ka
=
[H+][A-] [HA]
.................................................................. (6)
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] [A-]
................................................. (8)
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-] [HA]
…………………(10)
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) 2) 3) 4)
5)
6) 7) 8)
9) 10) 11) 12)
13)
Air adalah molekul yang polar yang boleh membentuk ikatan hidrogen Ia boleh membentuk ikatan hidrogen sesama sendiri dan dengan molekul polar yang lain. Air boleh melarutkan banyak biomolekul termasuk molekul yang ionik, polar atau neutral. 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. 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. Banyak asid organik bersifat elektrolit lemah. Asid adalah sebatian yang menderma proton sementara bes adalah sebatian yang menerima proton. Asid dan bes kuat terion hampir 100%. Air bercerai untuk menghasilkan ion hidronium (H3O+) dan hidroksida. Pengionan atau penceraian boleh diukur dengan menggunakan pemalar keseimbangan, K. pH ialah logaritma negatif bagi kepekatan ion hidrogen Persamaan Henderson-Hasselbalch dan bagaimana mendapatkannya Persamaan Henderson-Hasselbalch berguna untuk menyediakan larutan penimbal dengan pH yang tertentu. 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 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 α-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) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10)
Struktur dan ciri α-asid amino Streokimia α- asid amino Isomer D dan L asid amino Pengelasan asid amino Kelakuan asid amino sebagai asid dan bes Kelok titratan asid amino Ikatan peptida Struktur α-Heliks Struktur β 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
AIR
BIOMOLEKUL
PROTEN
LIPID OID
BIOMOLEKUL PENGAWALATUR KARBOHIDRAT Streokimia asid amino Struktur Isomer D dan L
ASID AMINO
Pengelasan asid amino
Kelakuan asid amino sebagai asid dan bes
Analisis asid amino
Ikatan peptida
Titratan asid amino α-heliks
Kromatografi
Helaian-β
Tindakan Edmann
2.3
Objektif Pembelajaran Unit 1
Setelah anda mengikuti unit ini adalah diharapkan anda dapat 1. 2. 3. 4. 5.
Membincangkan mengenai struktur dan ciri asid amino Membincangkan mengenai kelakuan asid amino di dalam keadaan berasid dan beralkali Menerangkan konsep yang terlibat dalam pembentukan molekul protein dan ikatan yang terlibat Membincangkan asas teknik bagi pengasingan asid amino dan memahami kepentingan jujukan asid amino di dalam protein Membincangkan teknik untuk menentukan jujukan asid amino di dalam protein
19
2.4
Simbol untuk asid amino
Terdapat 20 α-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 α-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 α- Asid Amino Setiap molekul α-asid amino tulen mengandungi karbon-α yang terikat kepada i. ii. iii. iv.
satu kumpulan amino (-NH3+) satu kumpulan karboksil (-COO-) rantai sisi yang berlainan dalam asid amino yang berlainan atom hidrogen
20 Struktur umum bagi asid amino adalah seperti berikut H R Cα COOH NH2
2.5.2 Streokimia α- 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:
