SIFAT DAN SISTEM AIR

Sebagian besar organisme hidup, sekitar 70 % nya terdiri dari air. Pada chapter ini akan dibahas tentang sifat fisik dan sifat kimia air. Diawali dengan interaksi antar molekul air itu sendiri, sampai interaksinya dengan biomolekul lain dalam sistem hidup. Dalam chapter ini juga akan dibahas tentang ionisasi yang terjadi pada air menjadi ion OH^- dan H⁺. Ion yang terbentuk ini akan berpengaruh pada berbagai proses biomolekul dalam sistem hidup, seperti protein, asam nukleat, dan lemak. Air dalam interaksi memiliki kemampuan untuk membentuk ikatan hidrogen antar molekulnya atau dengan komponen lain. 

A.    INTERAKSI LEMAH DI DALAM SISTEM LARUTAN

Ikatan hidrogen antar molekul air, mendorong terbentuknya gaya kohesi yang menjadikan fasa cair pada temperatur kamar, dan menajdi kristal es pada temperatur rendah yang ekstrim. Biomolekul polar mudah larut dalam air, karena terjadi pergantian interaksi air-air dengan air-solute yang lebih stabil dan kuat. Sebaliknya, biomolekul nonpolar akan mengganggu interaksi air-air, tetapi tidak memungkinkan akan terbentuk interaksi air-solute yang ikatannya lebih lemah dari pada air-air. Sehingga kelarutan biomolekul non-polar sangat sedikit dalam air.

Ikatan hidrogen, ionik, dan ikatan van der walls yang notabene lemah, semuanya dapat membentuk pengaruh yang sangat besar pada struktur 3 dimensinya.

Ikatan hidrogen memberikan sifat air yang tidak biasa 

Air memiliki titik didih, titik lebur, dan panas penguapan yang lebih tinggi dari pada pelarut lain. Sifat yang tidak biasa ini, sebagai konsekuensi dari interaksi yang sangat berdekatan antar molekul air yang memberikan gaya kohesi yang sangat besar.

Pada struktur elektroniknya, atom hidrogen sharing elektron dengan atom pusat oksigen. Pada bentuk geometrinya, terjadi hibridisasi sp³ pada orbital oksigen. Sehingga pasangan elektron menempati daerah dengan membentuk geometri tetrahedron. Ikatan H-O pada air di desak oleh Lone Pair sehingga sudut ikatannya mengecil menjadi 104,5°.

Pada molekul air, oksigen sangat bersifat elektronegatif. Karena sifat ini Oksigen dapat membentuk interaksi lemah dengan Hidrogen dari molekul air yang lain. Ikatan ini yang kemudian disebut ikatan Hidrogen. Ikatan kovalen O-H memiliki jarak 0,0965 nm sedangkan ikatan Hidrogen O-H memiliki jarak 0,177 nm. Nilai ini memiliki selisih yang sangat sedikit. Sehingga gaya kohesi yang dimiliki air sangat kuat, karena ikatan antar molekulnya (ikatan Hidrogen) sangat kuat. 

Air dapat membentuk ikatan hidrogen dengan senyawa polar 

Keunikan ikatan hidrogen tidak hanya terjadi pada struktur air. Ikatan hidrogen terbentuk dari atom elektronegatif (biasanya Nitrogen atau Oksigen yang memiliki lone pair) dengan Hidrogen yang berikatan kovalen dengan atom elektronegatif yang lain. Berikut merupakan beberapa ikatan Hidrogen yang terjadi dalam sistem hidup.

Gambar 1

 Ikatan hidrogen kekuatannya lebih kuat ketika molekul yang berikatan berada pada arah garis lurus dengan molekul yang diikat. Pada arah yang tepat, ikatan hidrogen dapat terbentuk pada dua atom hidrogen sekaligus pada struktur geometrinya. Hal ini menjadi sangat penting ketika membahas struktur tiga dimensi dari protein dan asam amino. 

Interaksi elektrostatic dengan zat terlarut bermuatan

Air merupakan pelarut polar. Air dapat melarutkan dengan mudah senyawa yang bersifat polar. Senyawa yang dapat larut ini kemudian disebut sebagai senyawa Hidrofilik. Sebaliknya, pelarut non-polar seperti klorofom dan benzena dapat melarutkan senyawa non-polar sebagai contoh lilin dan lemak. Pelarut ini kemudian disebut sebagai senyawa Hidrofobik.

Air melarutkan garam seperti NaCl dengan menstabilkan dan menghidrasi ion Na⁺ dan Cl^-. Interaksi ini berpengaruh sama seperti halnya pada biomolekul bermuatan. Senyawa dengan gugus fungsi ion karboksilat, ion amina, phospat ester, dan anhidrit. Air melarutkan senyawa dengan memindahkan ikatan hidrogen solut-solut dengan ikatan hidrogen solut-water yang kemudian terjadi pembentukan interaksi elektrostatic antar molekul zat terlarut.

Berikut ini adalah senyawa polar, non-polar, dan amphoter dalam biomolekul-biomolekul tertentu.

Gambar 2

kenaikan entropi sebagai jumlah kristal yang terlarut

         Sebagaimana garam NaCl yang dilarutkan membentuk ion Na⁺ dan Cl^- meninggalkan kisi kristal sehingga memiliki kebebasan pergerakan yang lebih tinggi dibandingkan sebelumnya. Hasilnya kenaikan entropi, yang mana merupakan pengaruh paling besar dalam pelarutan garam NaCl dalam air. Dalam terminologi termodinamika, terbentuknya larutan berkaitan erat dengan energy Gibbs. . Dimana  nilainya positive kecil dan  bernilai positive tinggi, sehingga diperoleh nilai  yang negatif.

Gas non-polar yang sedikit larut dalam air

Gas CO₂, H_2, dan N₂ merupakan gas yang sedikit larut dalam air. Pergerakan dari molekul dengan ketidakteraturan tinggi pada fase gas dalam larutan berair, mendesak pergerakan mereka dan pergerakan molekul air, sehingga terjadi penurunan entropi. Gas non-polar dan penurunan entropi pada sistem, ketika mereka disatukan dalam larutan, menjadikan kelarutan ga sangat sedikit. Beberapa organisme, pelarutan dalam air dibawa oleh protein (hemoglobin, myoglobin) yang memfasilitasi transfer Oksigen. Carbon Dioksida membentuk asam karbonat dalam larutan berair dan ditransfer sebagai ion bikarbonat dalam larutan. Asam bikarbonat ini sangat larut dalam air. Dan kadang dalam transfernya diikat oleh Hemoglobin.

Gaya senyawa non-polar dapat mengubah struktur air

Ketika air dicampurkan dengan benzena atau heksana akan terbentuk dua lapisan,yang tidak larut satu sama lain. Heksena atau benzena merupakan molekul non-polar yang hidrofobic yang tidak mungkin berinteraksi dengan molekul air, dan dia malah akan mengganggu ikatan hidrogen antar molekul air. Molekul bermuatan, atau ion dalam larutan berair akan segera mengganggu ikatan hidrogen antar molekul air disekitarnya. Tetapi zat terlarut yang polar atau bermuatan akan segera membentuk ikatan baru seiring hilangnya ikatan hidrogen antar molekul air. Solute yang hidrofobic, bagaimanpun tidak terjadi pergantian ikatan yang mungkin akan mengahasilkan entalpi yang relatif kecil, pemecahan ikatan hidrogen antara molekul air membutuhkan energi dari sistem. Selain itu, pelarutan senyawa hidrofobic dalam air akan menurunkan entropy sistem. Molekul air di sekitar solute non-polar akan segera dibatasi arahnya, sebagaimana dia akan membentuk kulit seperti sangkar disekitar zat terlarut. Moleku air ini akan membentuk seperti kristal antara molekul non-polar dan air. Tetapi pengaruhnya akan sama, keadaan molekul air yang seperti itu akan memperkecil entropy, dan permukaan solut non-polara akan ditutupi oleh selimut molekul air yang terbenntuk. Jika dikaitkan dalam entropi,  akan bernilai positif, dimana  bernilai positif, dan  akan bernilai negatif karena terjadi penurunan entropi.

Translate from lehninger biochemistry