Transcript DASAR-DASAR KIMIA HAYATI (KI

DASAR-DASAR KIMIA
HAYATI (KI-1213)
Fida M. Warganegara
Rujukan
Darnel J., Lodish, H dan Baltimore D.,
“Molecular Cel Biology”, Scientific
American Books, New York
 Albert B., Bray D., Lewis J., Raff M.,
Roberts K., Watson JD., “ Molecular
Biology of the Cell”, Garland
Publishing, New York

Pokok Bahasan
1.
2.
Pengantar :
Tipe dan Jenis Sel:
 Struktur protein
 Protein sebagai
biokatalis
 Prokarya ke Eukarya
 Uni - Multi-selular
3.
Molekul, Energi dan
Metabolisme:
 Komponen Kimia Sel
 Energi dan keteraturan
Biologi
4.
Struktur, Bentuk dan
Informasi makromolekul
 struktur dan fungsi asam
Nukleat
5.
Teknik- Teknik
Analisis Sel:
 Struktur sel dalam
mikroskop
 Isolasi dan penumbuhan sel
 Fraksinasi dan Analisis Komponen Sel
 Sel dalam Bioteknologi
modern
1 Pengantar
1 Pengantar

Evolusi dan teori sel: observasi –
experimental science
Molekul penyusun sel
75-80% berat badan : air, ion
anorganik, molekul organik dengan Mr
rendah
 Makromolekul:

– Protein
– Polisakarida
– DNA
makromolekul
Model DNA (1952-1953)
2. Tipe dan jenis Sel
Tipe dan Jenis sel
Tipe sel:
 Prokarya: tidak memiliki inti, organisasi
sederhana
 Eukarya: struktur internal lebih rumit,
termasuk inti..
 Analisis DNA Prokarya: bakteri,
archaea

Sel dikelilingi oleh
membran sel
Membran sel
Terdiri atas lapis rangkap lipid (lipid
bilayer)
 Sifat : semipermeabel
 Fungsi:

– Pembatas
– Penyimpan energi
Sel prokarya
Organisme sel tunggal
 Dua tipe utama: bakteria & archae
 Strukturnya relatif lebih sederhana

Sel eukarya



Organisme sel tunggal atau multiselular
Tanaman atau hewan
Strukturnya lebih kompleks: organel, sitoskeleton
DNA eukarya


Tiap khromosom
merupakan molekul
DNA liner tunggal yang
berasosiasi dengan
protein.
Genome suatu
organisme adalah DNA
total didalam
khromosom suatu
organisme
Siklus hidup sel

Pembelahan sel terjadi pada saat satu sel
membentuk dua anak sel

Kebanyakan sel eukarya mengikuti siklus sel, suatu
jam internal yang menentukan fasa dari
pertumbuhan dan pembelahan sel
Proses pada siklus sel dikendalikan pada
checkpoints, yang memonitor kesiapan di dalam sel
(misal, apakah jumlah DNA sudah cukup), maupun
kecukupan nutrisi dari luar.
Sel dapat ‘meninggalkan’ siklus sel dan
terdeferensiasi untuk melakukan fungsi khusus.
Sel dapat memasuki ‘program kematian sel’
sebagai penyeimbang pertumbuhan atau
pembentukan struktur baru semasa perkembangan
(apoptosis)



Siklus sel
Sel bergabung
membentuk jaringan




Jaringan dibangun oleh banyak sel dan matriks
ekstraseluler
Jaringan-jaringan dapat membentuk organ
Jaringan dasar (yang belum berkembang) dan
seluruh rencana pembangunan tubuh terjadi pada
tahap awal perkembangan ekspresi gen dan
kemampuan sel untuk berinteraksi dengan sel lain.
Kebanyakan hewan memiliki kesamaan pola
perkembangan, yang menggambarkan kemiripan
mekanisme molekular dan selular untuk
mengendalikan perkembangan.
Penampang lintang
arteriole





Lu = tabung
lumen
EC =sel
endothelial
TI= endotelium
TM= jaringan
otot halus
TA= jaringan
pengikat
3. Molekul, Energi
dan Metabolisme
3.1 Komponen Kimia Sel

a) Air, ion dan molekul-molekul kecil (77%)
Komponen Kimia Sel (lanjutan)

b) Makromolekul (23%)
Ikatan Kimia
Ikatan Kovalen
 Ikatan Ion
 Ikatan hidrogen
 Ikatan van der Waals
 Ikatan logam

Ikatan Kimia:
3.1.1. Ikatan Kovalen
Definisi:..
 Jumlah ikatan kovalen dalam satu
atom…(e.g C, B, P)
 Pada sistem biologi, umumnya ikatan
tunggal atau ganda
 Energi ikatan

Energi ikatan pada beberapa
ikatan kovalen

Sebagai perbandingan, energi panas pada
25C < 1 kcal/mol
Ikatan kovalen memiliki geometri
yang spesifik
Figure 2-2
Ikatan kovalen ganda
menyebabkan semua atom berada
pada bidang datar
Figure 2-3
Ikatan kovalen polar: pemakaian
bersama elektron bergantung pada
polaritas atom
Atom dengan keelektronegatifan yang tinggi akan lebih menarik elektron
Figure 2-4
Molekul air memiliki momen dipol
Figure 2-5
Atom karbon asimetrik selalu ada dalam
molekul-molekul biologis.




Atom karbon asimetrik: mengikat 4 atom/gugus
berbeda
Ikatan yang terbentuk oleh atom karbon asimetrik
dapat menghasilkan stereoisomer (bayangan
cermin satu dengan lainnya)
Stereoisomers dapat right-handed atau lefthanded dan biasanya memiliki aktivitas biologis
yang sama sekali berbeda.
Karbon asimetri merupakan key features dari
asam amino dan Karbohidrat
Stereoisomers dari asam amino
alanin
Figure 2-6
Monosakarida yang berbeda memiliki
susunan atom yang berbeda disekitar atom
karbon asimetri
Figure 2-8
Ikatan  dan  glycosidik menghubungkan
monosakarida
Figure 2-10
Ikatan Kimia:
3.1.2 Ikatan Nonkovalen



Beberapa tipe: Ikatan hidrogen, Ikatan ion, Ikatan
van der Waals.
Ikatan Nonkovalen memerlukan energi pemutusan
ikatan yang lebih rendah dibandingkan iketan
kovalen  hanya sedikit lebih besar dari Ek pada
suhu ruang
Diperlukan untuk:
– menjaga struktur 3D makromolekul
– Penstabil asosiasi spesifik antar makromolekul
Penstabilan interaksi molekul besar
oleh beberapa ikatan lemah
Figure 2-11
3.1.2.1 Ikatan hidrogen menentukan sifat
kimia dan biologis air
hidrofilik
Figure 2-12
Ikatan Hidrogen didalam protein
Figure 2-13
Ikantan Kimia:
3.1.2.2 Ikatan Ion



Definisi:…
Keelektronegatifan:..
Ion-ion dalam larutan dikelilingi oleh molekul air,
yang berinteraksi melalui ujung dipol air yang
bermuatan berlawanan dengan ion yang
bersangkutan.
Ion-ion dalam pelarut air
Figure 2-14
Ikatan Kimia:
3.1.2.3 Ikatan van der Waals
Jika dua atom saling berdekatan, maka suatu gaya ikat nonspesifik yang
lemah (gaya v.d. Waals) terbentuk akibat fluktuasi acak yang
menghasilkan dipol listrik transien.
Figure 2-15
Gaya London: Ikatan Hidrofobik
menyebabkan molekul non polar saling
berikatan
Molekul nonpolar (mis. hidrokarbon) tidak larut dalam air (hidrofobik)
Figure 2-16
Ikatan kovalen majemuk menentukan
kespesifisikan ikatan (binding
specificity)
Figure 2-17
Phospholipids : molekul amfipatik
Figure 2-19
Beberapa struktur Phospholipids dalam
larutan air interaksi…
Figure 2-20
3.2 Kesetimbangan
Kimia



Arah kesetimbangan reaksi (syarat termodinamika) dan
laju reaksi (syarat kinetika) menentukan reaksi-reaksi yang
dapat terjadi di dalam sel
Reaksi setimbang:… kesetimbangan dinamis
Pada keadaan setimbang perbandingan antara produk dan
reaktan tetap, disebut Tetapan Kesetibangan (Kstb), dan
nilainya tidak bergantung pada laju reaksi
Tetapan setimbang menunjukkan tingkat
reaksi kimia

Keq bergantung pada:
– sifat reaktan dan produk
– Temperatur
– Tekanan



Keq selalu tetap untuk suatu reaksi tertentu,
dengan atau tanpa kehadiran katalis
Keq = kf/kr
Konsentrasi suatu kompleks dapat diperkirakan
dari tetapan setimbang untuk reaksi
pembentukan kompleks
Cairan Biologis memiliki harga pH
tertentu




Semua cairan, termasuk yang ada di
dalam sel mengandung ion H+ dan OH-,
produk disosiasi air
Pada air murni, [H+] = [OH-] = 10-7 M 
pH = 7.0
Sitosol kebanyakan sel memiliki pH
sebesar 7.2
The degree to which an acid releases H+ or a
base takes up H+ depends on the pH
pH berbagai cairan biologis
Persamaan HendersonHasselbalch

Persamaan Henderson-Hasselbalch
menghubungkan antara pH dan Keq pada sistem
asam-basa
[A-]
pH = pKa + log —
[HA]


Pada pKa suatu asam setara dengan nilai pH pada
keadaan jumlah molekul netral(tak berdisosiasi)
sama dengan jumlah molekul ionnya
Derajad disosiasi dapat dihitung jika nilai pH dan pKa
diketahui
Sel mempunyai reservoir asam dan basa
lemah,yang disebut buffers, yang
memastikan bahwa pH sel relatif tetap
Kurva titrasi untuk
asam Fosfat (H3PO4),
salah satu buffer
fisiologis yang penting
Figure 2-22
3.3 Energetika
Biokimia


Sistem hidup menggunakan berbagai bentuk
energi yang dapat saling diubah
Energi mungkin energi kinetik (energi gerak)
atau energi potensial (energi yang disimpan
dalam bentuk ikatan kimia atau gradien ion
3.3.1 Perubahan energi bebas
menentukan arah reaksi kimia





Living systems are usually held at constant
temperature and pressure, so one may predict the
direction of a chemical reaction by using a
measure of potential energy termed free energy
(G)
The free-energy change (G) of a reaction is given
by
G = Gproducts - Greactants
If G < 0, the forward reaction will tend to occur
spontaneously
If G > 0, the reverse reaction will tend to occur
If G = 0, both reactions will occur at equal rates
G suatu reaksi bergantung pada
perubahan entalpi dan entropi


G = H - T S
Untuk reaksi yang eksoterm (H < 0),
– artinya:…
– Energi ikatan reaktan & produk?

Untuk reaksi yang endoterm (H > 0),
– Artinya:…
– Energi ikatan reaktan & produk?
3.3.2 Entropi




Definisi entropi:…
Entropi bertambah/berkurang jika:…
Kebanyakan reaksi biologis menuju ke arah
teratur S?
Kespontanan reaksi untuk reaksi yang:
– Eksoterm?
– Endoterm?
3.3.3 Banyak proses-proses di dalam
sel melibatkan reaksi redoks



Banyak reaksi kimia menyebabkan transfer
elektron tanp harus terbentuknya ikatan yang baru
Redoks?
Banyak reaksi redoks yang terjadi di dalam sel
melibatkan perpindahan atom H (proton plus
elektronnya) dari pada hanya transfer elektronnya
saja
Oksidasi suksinat menjadi fumarat
Figure 2-23
Reaksi kimia yang tak disukai dapat
berlangsung jika di ikuti (coupled) oleh
reaksi yang secara energetik disukai



Reaksi-reaksi kimia yang secara energetik tak
disukai, (G > 0) tidak akan berlangsung spontan
Sel dapat melangsungkan reaksi-reaksi semacam
itu dengan cara menyertainya dengan reaksireaksi yang memiliki G yang sangat negatif 
hidrolisis dari adenosine triphosphate (ATP), yang
mempunyai Gº = -7.3 kkal/mol
Energi bebas yang besar itu tersimpan dalam
ikatan fosfoanhidrat.
Ikatan fosfoanhidrat pada molekul ATP
Figure 2-24
ATP digunakan sebagai bahan bakar
proses-proses pada berbagai sel
The ATP cycle
Figure 2-25
3.3.4 Energi Aktivasi
dan Laju reaksi



Banyak reaksi-reaksi kimia dengan perubahan energi
bebas yang negatif tidak berlangsung  mengapa?
Reaksi kimia berlangsung melalui keadaan transisi .
Energi bebas keadaan transisisi:…
Contoh perubahan-perubahan yang terjadi
pada saat konversi reaktan menjadi produk,
dengan dan tanpa katalis
Figure 2-27
Enzim mempercepat laju reaksi biokimia dengan cara:…