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 : marifsy@biotech.upm.edu.muy

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 : abubakar@biotech.upm.edu.my

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: