Biology · AP Biology
Kimia kehidupan
molekul-molekul yang menjalankannya
Makhluk hidup tersusun dari beberapa jenis atom, yang tertata menjadi beberapa jenis molekul besar, semuanya berada dalam air.
Gambar ini menunjukkan air cair. Setiap molekul terdiri dari satu oksigen (merah) dan dua hidrogen (putih). Garis biru adalah ikatan hidrogen: tarikan lemah antara hidrogen satu molekul dan oksigen molekul di sebelahnya. Ikatan ini terus terbentuk dan putus saat molekul-molekul bergerak.
Ikatan itulah yang menjelaskan mengapa air melekat pada dirinya sendiri dan pada permukaan lain, dan mengapa air tahan terhadap perubahan suhu.
Bab ini dimulai dengan air, lalu unsur-unsur kehidupan, kemudian reaksi yang menggabungkan molekul kecil menjadi molekul besar. Bab ini ditutup dengan empat golongan makromolekul biologis: karbohidrat, lipid, asam nukleat, dan protein. Pada masing-masing, urutan dan bentuk bagian-bagiannya menentukan fungsi molekul.
dan ikatan hidrogen menyatukannya
Oksigen menarik elektron yang digunakan bersama lebih kuat daripada hidrogen. Pembagian yang tidak merata itu membuat air bersifat polar, dan kepolaran menghasilkan ikatan hidrogen.
Setiap ikatan O–H dalam air adalah ikatan kovalen: atom-atom berbagi sepasang elektron. Oksigen lebih elektronegatif (3.44 pada skala Pauling, dibandingkan 2.2 untuk hidrogen), sehingga elektron yang dipakai bersama lebih lama berada di dekat oksigen. Ikatan ini disebut ikatan kovalen polar.
Hasilnya adalah muatan parsial negatif (δ−) pada oksigen dan muatan parsial positif (δ+) pada setiap hidrogen. Molekulnya membengkok, dengan sudut 104.5°, sehingga muatan-muatan itu tidak saling meniadakan: air adalah molekul polar.
Ikatan hidrogen adalah tarikan antara hidrogen δ+ dan atom δ− (oksigen atau nitrogen) dari molekul lain, atau dari bagian lain pada molekul besar yang sama. Ikatan ini jauh lebih lemah daripada ikatan kovalen. Setiap molekul air dapat membentuk ikatan hidrogen dengan hingga empat tetangga; dalam cairan, ikatan hanya bertahan sepersekian nanodetik, lalu terbentuk lagi.
| H2O | NH3 | H2S | CH4 |
|---|
| massa molar (g/mol) | 18.02 | 17.03 | 34.08 | 16.04 |
|---|
| titik didih (°C) | 100.0 | −33.3 | −60.3 | −161.5 |
|---|
Molekul berukuran mirip, titik didih sangat berbeda. Air mendidih 261.5 °C lebih tinggi daripada metana karena proses mendidih harus memutus ikatan hidrogennya. Ikatan hidrogen juga menyatukan dua untai DNA dan membantu pelipatan protein.
air menarik air, dan menarik permukaan
Ikatan hidrogen antarmolekul air yang bertetangga memberi air sifat kohesi, adhesi, dan tegangan permukaan.
Kohesi adalah air yang menempel pada air: ikatan hidrogen menyatukan molekul-molekulnya. Adhesi adalah air yang menempel pada permukaan polar atau bermuatan lain, seperti kaca atau dinding sel tumbuhan. Tegangan permukaan adalah kohesi pada permukaan: lapisan molekul paling atas ditarik ke dalam dan ke samping, sehingga permukaan bekerja seperti selaput yang teregang. Itulah yang menopang seekor pemukul air (water strider).
Pada gambar, tiga tabung kaca berdiri di dalam air. Adhesi menarik air naik pada kaca dan melengkungkan permukaannya (meniskus); kohesi menarik sisa kolom air naik di belakangnya. Semakin sempit tabung, semakin banyak dinding untuk setiap gram air, dan semakin tinggi air naik:
| jari-jari tabung (mm) | 1 | 0.5 | 0.25 |
|---|
| tinggi kenaikan (mm) | 14.9 | 29.7 | 59.5 |
|---|
Jika jari-jari dibagi dua, tingginya menjadi dua kali lipat. Kenaikan ini disebut aksi kapiler.
Pada tumbuhan. Air menguap dari daun, dan kolom air di xilem tertarik naik di belakangnya. Kolom itu tetap utuh karena kohesi dan melekat pada dinding xilem karena adhesi, sehingga pohon dapat mengangkat air puluhan meter tanpa pompa.
kalor jenis tinggi, kalor penguapan tinggi
Kalor harus memutus ikatan hidrogen sebelum dapat mempercepat gerak molekul air. Karena itu air menghangat dengan lambat dan menguap hanya dengan membawa pergi banyak kalor.
Kalor jenis adalah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g zat sebesar 1 °C. Kalor jenis air adalah 4.18 J/(g·°C), tinggi untuk suatu cairan. Pada gambar, pemanas 50 W yang sama dinyalakan selama 120 s di bawah 100 g air dan 100 g etanol, masing-masing dimulai dari 20 °C:
| kalor jenis (J/(g·°C)) | setelah 120 s (°C) |
|---|
| air | 4.18 | 34.4 |
| etanol | 2.44 | 44.6 |
Contoh soal. Setiap cairan menerima 50 W × 120 s = 6000 J. Untuk air, ΔT = q/(mc) = 6000/(100 × 4.18) = 14.4 °C. Kalor yang sama menaikkan suhu etanol sebesar 24.6 °C.
Kalor jenis yang tinggi memungkinkan organisme, danau, atau garis pantai mempertahankan suhu yang stabil saat udara di sekitarnya berubah-ubah: bagian dari menjaga homeostasis.
Kalor penguapan adalah energi yang diperlukan untuk menguapkan 1 g cairan. Kalor penguapan air adalah 2.41 kJ/g pada suhu tubuh (etanol, 0.84 kJ/g). Molekul yang lepas membawa kalor itu bersamanya: pendinginan evaporatif. Jika seseorang bermassa 70 kg menguapkan 100 g keringat, keringat itu membawa pergi 100 × 2.41 = 241 kJ, cukup untuk mendinginkan tubuh sekitar 1.0 °C.
atom dari lingkungan, disusun menjadi molekul baru
Organisme menyusun molekulnya dari atom yang diambilnya. Karbon, hidrogen, dan oksigen menyusun sebagian besar setiap molekul biologis; nitrogen, fosfor, dan belerang terdapat pada beberapa golongan saja.
| karbohidrat | lipid | protein | asam nukleat |
|---|
| C | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| H | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| O | ✓ | ✓ | ✓ | ✓ |
| N | | | ✓ | ✓ |
| P | | ✓* | | ✓ |
| S | | | ✓ | |
* Fosfor terdapat pada fosfolipid, lipid penyusun membran (yang kepalanya sering juga mengandung nitrogen); lemak dan steroid hanya terdiri atas C, H, dan O.
- Nitrogen terdapat pada protein (setiap asam amino memiliki gugus amina) dan pada asam nukleat (setiap basa).
- Fosfor terdapat pada asam nukleat (fosfat pada setiap nukleotida) dan fosfolipid. Protein dan karbohidrat tidak memilikinya.
- Belerang terdapat pada protein (pada gugus R dua asam amino) tetapi tidak pada asam nukleat.
Perbedaan itu berguna. Perunut belerang radioaktif menandai protein sel tetapi bukan DNA-nya; fosfor radioaktif menandai DNA dan RNA-nya tetapi bukan proteinnya.
Atom-atom itu berasal dari lingkungan: tumbuhan mengambil karbon dari CO2, hidrogen dan oksigen dari air, serta nitrogen, fosfor, dan belerang dari ion di dalam tanah. Hewan memperolehnya dari makanan. Berdasarkan massa, tubuh manusia terdiri atas 65% O, 18.5% C, 9.5% H, 3.3% N.
sintesis dehidrasi dan hidrolisis
Molekul biologis besar adalah polimer: rantai subunit kecil, yaitu monomer, yang dihubungkan oleh ikatan kovalen. Setiap ikatan dibentuk dengan melepaskan satu molekul air dan diputus dengan menambahkannya kembali.
Sintesis dehidrasi. Gugus hidroksil (–OH) dilepaskan dari satu monomer dan hidrogen dari monomer lainnya. Kedua monomer berikatan secara kovalen, dan OH serta H keluar bersama sebagai satu H2O. Menggabungkan banyak monomer dengan cara ini disebut polimerisasi.
Hidrolisis (“pemecahan oleh air”) adalah kebalikannya. Air ditambahkan pada ikatan antara dua monomer: H menuju satu monomer, OH menuju monomer lainnya, dan ikatan kovalen terputus. Pencernaan adalah hidrolisis.
Gambar memutar film yang sama maju (air keluar) dan mundur (air masuk). Rantai dengan n monomer memiliki n − 1 ikatan, sehingga rantai itu melepaskan n − 1 molekul air saat terbentuk, dan menyerap n − 1 molekul air saat terurai.
Contoh soal. Glukosa memiliki massa molar 180.16 g/mol; air, 18.02. Dua glukosa yang bergabung: 2 × 180.16 − 18.02 = 342.30 g/mol. Rantai 6 pada gambar: 6 × 180.16 − 5 × 18.02 = 990.86 g/mol.
Sel memakai enzim untuk mempercepat kedua reaksi. Membangun polimer memerlukan energi; hidrolisis melepaskannya.
gula, dan rantai gula
Monosakarida, gula sederhana seperti glukosa dan fruktosa, adalah monomer karbohidrat. Ikatan kovalen menggabungkannya menjadi polisakarida, karbohidrat kompleks yang dapat berbentuk linear atau bercabang.
Dua monosakarida membentuk disakarida (sukrosa, laktosa, maltosa); ratusan hingga ribuan membentuk polisakarida. Karbohidrat hanya tersusun dari C, H, dan O.
Bentuk mengikuti fungsi:
| polisakarida | bentuk | fungsi |
|---|
| selulosa | linear | dinding sel tumbuhan: rantai tersusun berdampingan, terikat oleh ikatan hidrogen menjadi serat yang kuat |
| pati | linear dan bercabang | cadangan energi pada tumbuhan |
| glikogen | sangat bercabang | cadangan energi pada hewan (hati, otot) |
| kitin | linear | dinding sel jamur, eksoskeleton serangga |
Pada gambar, kedua rantai menambah satu gula pada setiap ujung yang tumbuh dalam tiap langkah. Rantai linear hanya punya satu ujung. Rantai bercabang punya ujung pada setiap cabang, sehingga dalam waktu yang sama rantai itu menambah jauh lebih banyak gula, dan enzim dapat melepaskannya secepat itu pula. Itulah sebabnya glikogen, yang sangat bercabang, menjadi cadangan yang dipakai hewan saat perlu cepat.
Perubahan kecil pada cara monomer dihubungkan pun mengubah molekulnya: manusia mencerna pati, tetapi tidak ada enzim manusia yang menghidrolisis selulosa.
bagaimana tekukan pada ekor melelehkan lemak
Lipid sebagian besar adalah molekul nonpolar dan hidrofobik: tidak bercampur dengan air. Fungsi suatu lipid bergantung pada cara bagian-bagiannya tersusun.
Banyak lipid tersusun dari asam lemak: rantai hidrokarbon panjang dengan gugus karboksil pada salah satu ujungnya. Lemak (trigliserida) adalah tiga asam lemak yang terikat pada gliserol melalui sintesis dehidrasi.
Asam lemak jenuh hanya memiliki ikatan tunggal antaratom karbonnya: mengikat hidrogen sebanyak mungkin, dan rantainya lurus. Asam lemak tak jenuh memiliki setidaknya satu ikatan rangkap karbon–karbon, yang membuat rantai menekuk. Makin banyak ikatan rangkap, makin tak jenuh asam lemak itu.
Rantai lurus tersusun rapat dan saling tarik-menarik di sepanjang rantainya, sehingga lemak jenuh padat pada suhu ruang (mentega, lemak babi). Rantai yang menekuk tidak dapat tersusun rapat, sehingga lemak tak jenuh berwujud cair (minyak zaitun). Empat asam lemak dengan 18 karbon:
| asam lemak | ikatan C=C | titik leleh (°C) |
|---|
| asam stearat | 0 | 69.3 |
| asam oleat | 1 | 13.4 |
| asam linoleat | 2 | −5.0 |
| asam α-linolenat | 3 | −11.0 |
Makin tak jenuh suatu lipid, makin cair lipid itu pada suhu tertentu. Membran yang kaya ekor tak jenuh tetap cair saat dingin.
menyimpan energi, memberi sinyal, dan membangun membran
Lemak, steroid, dan fosfolipid semuanya adalah lipid, dan masing-masing memiliki fungsi berbeda.
Lemak menyimpan energi dan menunjang fungsi sel; di bawah kulit mamalia, lemak juga menjadi penyekat. Satu gram lemak menghasilkan sekitar 37 kJ, lebih dari dua kali 17 kJ dari satu gram karbohidrat. Untuk menyimpan 1000 kJ diperlukan 27 g lemak tetapi 59 g karbohidrat.
Steroid adalah lipid yang tersusun dari empat cincin karbon yang menyatu. Banyak di antaranya adalah hormon (testosteron, estrogen, kortisol) yang mengatur pertumbuhan dan perkembangan, metabolisme energi, dan homeostasis.
Kolesterol adalah steroid yang terletak di antara ekor-ekor membran sel hewan (biru pada gambar) dan memberi kestabilan struktural pada membran itu.
Fosfolipid memiliki dua ekor asam lemak dan kepala yang membawa gugus fosfat. Kepalanya polar dan hidrofilik; ekornya nonpolar dan hidrofobik. Molekul yang memiliki kedua jenis ujung disebut amfipatik.
Dalam air, fosfolipid berkumpul membentuk lapisan ganda lipid: dua lembar, dengan kepala menghadap air di kedua sisi dan ekor tersembunyi di tengah. Membran plasma setiap sel, dan membran organelnya, adalah lapisan ganda seperti ini. Molekul nonpolar kecil dapat menyelip melewati bagian dalamnya; ion dan molekul polar besar tidak dapat.
untai nukleotida, dengan dua ujung yang berbeda
DNA dan RNA menyimpan informasi biologis sebagai urutan monomer yang disebut nukleotida.
Setiap nukleotida memiliki tiga bagian:
- gula berkarbon lima: deoksiribosa pada DNA, ribosa pada RNA;
- gugus fosfat;
- basa nitrogen: adenin (A), guanin (G), sitosin (C), dan timin (T) pada DNA atau urasil (U) pada RNA.
Ikatan kovalen menghubungkan fosfat satu nukleotida dengan gula nukleotida berikutnya, membentuk tulang punggung gula–fosfat dengan basa yang mencuat keluar. Urutan basa di sepanjang tulang punggung itulah informasinya.
Untai memiliki arah. Karbon-karbon pada gulanya diberi nomor, dan kedua ujungnya berbeda: ujung 5′ (“lima prima”) memiliki fosfat bebas pada karbon 5′ gula; ujung 3′ memiliki gugus hidroksil bebas pada karbon 3′ gula.
Saat asam nukleat dibuat, setiap nukleotida baru digabungkan pada ujung 3′ untai yang memanjang, seperti pada gambar. Jadi untai selalu memanjang 5′ → 3′, dan urutan ditulis dengan arah itu: 5′-ATGCCGTA-3′.
untai antiparalel, basa berpasangan
DNA adalah dua untai yang terpilin menjadi heliks ganda, berarah berlawanan dan disatukan oleh ikatan hidrogen antarbasanya.
Kedua untai bersifat antiparalel: satu berarah 5′ → 3′ naik sepanjang heliks, yang lain 5′ → 3′ turun. Tulang punggung gula–fosfat berada di luar; basa berpasangan di tengah.
Pemasangannya spesifik. Adenin berpasangan dengan timin (A–T) dengan dua ikatan hidrogen; guanin berpasangan dengan sitosin (G–C) dengan tiga. Jadi setiap untai menentukan urutan untai lainnya: keduanya komplementer. Pada RNA, adenin berpasangan dengan urasil (A–U).
Karena A selalu berpasangan dengan T dan G dengan C, DNA untai ganda memiliki A sebanyak T dan G sebanyak C. Chargaff mengukur DNA manusia:
| basa | A | T | G | C |
|---|
| % mol | 30.9 | 29.4 | 19.9 | 19.8 |
|---|
Contoh soal. Jika sampel DNA mengandung 30% A, maka T juga 30%; sisa 40% adalah G dan C dalam jumlah sama, masing-masing 20%.
Pasangan 12 pada gambar, ATGCGCATTAGC, terdiri dari 50.0% G–C, yang disatukan oleh 30 ikatan hidrogen. Semakin banyak pasangan G–C berarti semakin banyak ikatan hidrogen, dan suhu yang diperlukan untuk memisahkan untai lebih tinggi.
| DNA | RNA |
|---|
| gula | deoksiribosa | ribosa |
| basa | A, T, G, C | A, U, G, C |
| untai | biasanya dua | biasanya satu |
ikatan peptida dan gugus R
Protein adalah satu atau lebih rantai linear asam amino yang dihubungkan oleh ikatan peptida kovalen. Satu rantai disebut polipeptida.
Setiap asam amino memiliki karbon pusat yang berikatan dengan empat gugus: hidrogen, gugus amina (–NH2), gugus karboksil (–COOH), dan gugus R (rantai samping) yang bervariasi. Kedua puluh asam amino hanya berbeda pada gugus R-nya.
Ikatan peptida terbentuk melalui sintesis dehidrasi antara karboksil satu asam amino dan amina asam amino berikutnya, melepaskan satu H2O. Rantai memiliki ujung-N (amina bebas) dan ujung-C (karboksil bebas), dan memanjang pada ujung-C, seperti pada gambar.
Gugus R terbagi menjadi tiga jenis menurut sifat kimianya:
| gugus R | perilaku dalam air |
|---|
| nonpolar (abu-abu) | hidrofobik: mengelompok menjauhi air |
| polar (biru) | hidrofilik: berikatan hidrogen dengan air |
| bermuatan, ionik (merah) | hidrofilik: menarik muatan berlawanan |
Cara gugus R berinteraksi menentukan bentuk, dan karenanya fungsi, setiap bagian protein.
Contoh soal. Polipeptida dengan 300 asam amino memiliki 299 ikatan peptida; dengan residu rata-rata sekitar 110 dalton, massanya sekitar 300 × 110 = 33 kDa.
primer, sekunder, tersier, kuartener
Urutan asam amino menentukan cara rantai melipat, dan bentuk lipatannya menentukan fungsi protein.
Struktur primer adalah urutan asam amino, yang dipertahankan oleh ikatan peptida. Struktur ini menentukan semua tingkat di atasnya.
Struktur sekunder adalah pelipatan lokal, yang ditahan oleh ikatan hidrogen antaratom pada tulang punggung (bukan gugus R): gulungan yang disebut heliks-α dan lembar-β berlipat.
Struktur tersier adalah bentuk tiga dimensi seluruh rantai, yang ditahan oleh interaksi antargugus R: ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik (gugus R nonpolar mengelompok di dalam, menjauhi air), ikatan ionik antargugus R bermuatan, dan jembatan disulfida kovalen antara dua sistein (merah pada gambar).
Struktur kuartener adalah susunan dua polipeptida atau lebih dalam satu protein. Hemoglobin memiliki empat: dua rantai α dengan 141 asam amino dan dua rantai β dengan 146.
Keempat tingkat bersama-sama menentukan fungsi protein. Panas, pH ekstrem, atau bahan kimia tertentu memutus ikatan lemah pada tingkat yang lebih tinggi, lalu protein membuka lipatannya dan berhenti bekerja: protein terdenaturasi. Ikatan peptida pada struktur primer tetap utuh.
Ubah satu asam amino dan lipatannya bisa berubah. Pada hemoglobin sel sabit, satu gugus R bermuatan digantikan gugus R nonpolar, dan protein menempel pada protein di sekitarnya.
Struktur dan fungsi sel →