BAB1 PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Elemen utama sebuah sel adalah protoplasma. Protoplasma pada semua sel terdiri atas dua komponen utama, yaitu komponen anorganik dan komponen organik. Komponen-komponen anorganik terdiri atas air, garamgaram
mineral,
sedangkan
gas
oksigen,
karbon
dioksida,
komponen
organik
terutama terdiri
nitrogen, dan
atas
amonia,
karbohidrat,
lipida,
protein, dan beberapa komponen-komponen spesifik seperti enzim, vitamin, dan hormon (Sheeler & Bianchi, 1983). Pada sel hewan dan tumbuhan, protoplasma mengandung sekitar 75-85% air, 10-20% protein, 2-3% lipida, 1% karbohidrat, dan 1% zat-zat anorganik lainnya (De Robertis et al., 1975). Pengetahuan akan komposisi dan cara kerja sel merupakan hal mendasar bagi semua bidang ilmu biologi. Pengetahuan akan persamaan dan perbedaan di antara berbagai jenis sel merupakan hal penting khususnya bagi bidang biologi sel dan biologi molekular. Persamaan dan perbedaan mendasar
tersebut
prinsip-prinsip
yang
menimbulkan dipelajari
tema pemersatu, dari
suatu
yang
memungkinkan
sel diekstrapolasikan
dan
digeneralisasikan pada jenis sel lain. Penelitian biologi sel berkaitan erat dengan genetika, biokimia, biologi molekular, dan biologi perkembangan. Kemajuan dalam bidang biologi sel sejalan dengan kemajuan bidang ilmu fisika dan ilmu kimia. Dengan menggunakan mikroskop elektron struktur sel dapat dikenal sampai pada tingkat dan aturan milimikron, misalnya organel yang berukuran kecil dan struktur makromolekul yang berukuran besar. Sedangkan kemajuan di bidang kimia dapat digunakan untuk membantu menganalisis struktur molekul sel. . Sel memiliki sistem organisasi molekuler dan biokimiawi yang mampu menyimpan informasi, menterjemahkan informasi untuk mensintesis molekul sel, serta menggunakan sumber energi untuk melakukan kegiatan. Berdasarkan penjelasan di atas dan mengingat pentingnya kajian tentang sel baik secara struktural dan fungsinal serta mekanismenya menarik minat untuk menyusun makalah biologi sel molekuler tentang ―Komponen Kimia Dalam Sel‖.
1.2 RUMUSAN MASALAH 1. Bagaimana ikatan kimia di dalam sel? 2. Bagaimana molekul-molekul di dalam sel? 3. Bagaimana makromolekul di dalam sel?
1.3 TUJUAN 1. Untuk mengetahui ikatan kimia di dalam sel 2. Untuk mengetahui moleku-molekul kimia di dalam sel 3. Untuk mengetahui makromolekul di dalam sel
BAB II PEMBAHASAN
Materi tersusun atas kombinasi elemen (zat) seperti hidrokarbon arau karbon yang tidak dapat dihancurkan atau diubah menjadi zat lain. Partikel terkecil dari sebuah elemen yang tetap menahan sifat khususnya disebut atom. Karakteristik zat bergantung pada atom mana yang menyusun zat tersebut dan cara atom-atom tersebut berikatan bersama dalam kelompok untuk menyusun molekul. Agar dapat memahami bagaimana makhluk hidup disusun oleh materi, maka penting untuk mengetahui bagaimana ikatan kimia yang mengikat atom secara bersama-sama dalam molekul dibentuk. 2.1 Sel Disusun oleh Beberapa Jenis Atom Setiap atom memiliki bagian yang tebal pada pusatnya, yang disebut nukleus yang dikelilingi oleh elektron yang melakukan orbit oleh gaya elektrostatis. Nukleus terdiri atas dua jenis partikel sub atomik yaitu proton dengan muatan positif dan neutron yang tidak bermuatan atau netral. Jumlah proton dalam atom ditentukan oleh nomor atomnya. Sebuah atom hidrogen memiliki nukleus yang disusun oleh satu proton, sehingga hidrogen memiliki nomer atom 1 adalah elemen tertinggi. Muatan listrik yang dibawa oleh proton adalah sepenuhnya sama dan sepenuhnya berlawanan dengan muatan yang dibawa oleh sebuah elektron. Karena keseluruhan atom bermuatan netral, jumlah muatan negatif elektron yang mengelilingi nukleus adalah sama dengan jumlah muatan yang terdapat di dalam nukleus. Seluruh atom dengan pemberian sebuah elemen memiliki nomor atom yang sama.
(a) (b) Gambar 2.1 (a) Struktur Proton, Neutron & Elektron (b) nukleus
Neutron adalah partikel sub atomik yang tidak bermuatan dengan memiliki massa yang sama dengan proton. Neutron berperan dalam stabilitas struktural nukleus jika nukleus terpapar pancaran radioaktif yang terlalu tinggi ataupun terlalu rendah. Selanjutnya, sebuah elemen dalam beberapa sifat fisik dapat dibedakan namun tidak dalam bentuk kimia yang disebut isotop. Setiap isotop memiliki jumlah neutron yang berbeda namun memiliki jumlah proton yang sama. Isotop ganda hampir terdapat pada semua elemen secara alami, termasuk beberapa dari elemen tersebut tidak stabil. Sebagai contoh, semasih kebanyakan karbon di Bumi berada dalam isotop karbon 12, dengan 6 proton, dan 6 neutron, akan selalu ada sejumlah kecil isotop yang tidak stabil seperti karbon radioaktif 14 yang atomnya memiliki 6 proton dan 8 neutron. Berat atom dan berat molekul adlah massa relatifnya terhadap atom hidrogen. Hal ini secara mendasar sama dengan jumlah proton ditambah dengan jumlah neutron yang terdapat dalam atom atau molekul tersebut. Hal tersebut karena elektron terlalu ringan yang hampir tidak memiliki total massa. Selanjutnya, isotop karbon yang besar memiliki berat atom
12
C. Karbon isotop
yang tidak stabil dikatakan hanya memiliki satu berat atom yaitu
14
C. Massa dari
sebuah atom atau molekul sering disimbulkan dengan Dalton, satu daltom berarti semuah atom memiliki massa rata-rata sama dengan masa atom hidrogen. Atom berukuran sangat kecil dan sangat sulit untuk membayangkan ukurannya. Sebuah atom secara kasar memiliki ukuran diameter 0.2 nm sehingga membutuhkan 5 juta atom untuk membuat debuah garis sepanjang 1 mm. Berat proton dan neutron adalah sekitar 1/(6x1023) gram. Hidrogen hanya memiliki 1 proton, dengan berat atom 1, sehingga berat atom hidrogen adalah sekitar 6x1023. Besaran bilangan tersebut disebut dengan bilangan Avogadro yang merupakan faktor skala yang mendeskripsikan hubungan antara kuantitas setiap hari dan jumlah atom atau molekul. Terdapat 92 elemen yang terbentuk secara alami yang membedakannya dari elemen-elemen lain dalam jumlah proton dan neutron pada atomnya. Makhluk hidup disusun oleh oleh setidaknya empat elemen inti yaitu karbon (C), hidrogen (H), nitrogen (N), dan oksigen (O), yang menyusun 96,5% berat makhluk hidup.
Gbr 2.2 Diagram Kandungan Molekul 2.2 Elektron Terluar Menentukan Interaksi Atom Untuk memahami mekanisme atom berikatan dengan atom lainnya yang menyusun makhluk hidup, kita harus memerhatikan elektron dari atom-atom tersebut. Proton dan neutron diikat dengan kuat satu sama lain di dalam nukleus dan berganti pasangan hanya ketika berada dalam tekanan kondisi ekstrim. Dalam jaringan makhluk hidup, hanya elektron yang bisa melakukan penyusunan ulang. Elektron membentuk bagian yang dapat diakses pada suatu atom dan menentukan peran kimia dengan gambungan atom untuk membentuk molekul. Elektron bergerak secara berkelanjutan mengeliling nukleus namun pergerakannya berbeda dengan gerakan yang sudah umum dalam kehidupan sehari-hari. Elektron memiliki ciri-ciri tersendiri dalam atom dengan pergerakan yang khas dan terdapat batas yang kaku terhadap jumlah elektron yang dapat diakomodir dalam sebuah orbit yang disebut cangkang elektron. Elektron yang tersekat dengan nukleus ditarik dengan paling kuat. Cangkang paling dalam dapan menampung paling banyak 2 elektron. Cangkang kedua berada lebih jauh dari nukleus dengan ikatan elektron yang lebih lemah. Cangkang kedua dan ketiga dapat menampung sampai 8 elektron. Selanjutnya canggkang ke-4 dan ke-5 masing-masing dapat 18 elektron.
Gambar 2.3 Tingkat Energi Pada Kulit Elektron Susunan elektron dalam atom menjadi sangat stabil ketika seluruh elektron berada pada ikatan paling kuat, ketika elektron menempati cangkang yang paling dalam yang paling dekat dengan nukleus. Atom-atom yang berada pada cangkang terluar yang secara penuh terisi dengan elektron akan menjadi stabil. Karena sebuah ketidakpenuhan cangkang elektron menjadikan elektron lebih labil, atom dengan cangkang luar yang tidak lengkap memiliki tendensi kuat untuk berinteraksi dengan atom yang lain sehingga baik mendapatkan ataupun kehilangan sejumlah elektron untuk mencapai cangkang yang lengkap berisi elektron. Pergantian elektron ini dapat dicapai dengan baik mentransfer elektron dari satu atom ke atom yang lain atau dengan berbagi elektron dengan dua atom. Kedua strategi ini disebut ikatan kimia yang mengikat atom satu dengan lainnya. Ikatan ionic dibentuk ketika elektron ditransfer dari satu atom ke atom yang lain, sedangkan ikatan kovalen dibentuk ketika dua atom berbagi pasangan elektron. Dalam konteks ikatan kovalen, pasangan elektron yang dibagi sering dalam keadaan tidak sama, dengan satu atom yang mengikat elektron lebih dari yang lainnya yang disebut ikatan kovalen polar.
Gambar 2.4 Ikatan Ion dan Ikatan Kovalen
2.3 Ikatan Ion Dibentuk Dengan Mendapatkan atau Melepaskan Elektron Ikatan ion umumnya dibentuk oleh atom yang memiliki satu atau dua elektron pada cangkang luarnya yang belum terisi. Atom-atom ini dapat mencapai cangkang luar yang lengkap dengan lebih mudah dengan cara memberikan atau melepaskan elektron ke atau dari atom lain. Sebagai contoh, atom Na dengan nomor atom 11 dapat melengkapi cangkang luarnya dengan melepaskan 1 elektron, berlawanan dengan atom Cl yang memiliki nomor atom 17 yang harus melengkapi cangkang luarnya dengan mendapatkan 1 elektron. Konsekuensinya, jika atom Na bertemu dengan atom Cl, sebuah elektron akan berpindah dari Na ke Cl dan membentuk NaCl. Ketika elektron berpindah dari Na ke Cl, kedua atom menjadi menjadi memiliki muatan ion. Atom Na yang kehilangan elektron sekarang memiliki satu kekurangan elektron daripada jumlah protonnya di dalam nukleus, hal tersebut yang menyebabkan atom Na bermuatan positif (Na+). Di sisi lain atom Cl yang mendapat satu tambahan elektron memiliki kelebihan elektron dibandingkan dengan proton pada nukleusnya sehingga atom Cl bermuatan negatif (Cl-). Ion positif disebut kation, sedangkan ion negatif disebut anion.
Gambar 2.5 Mekanisme Pelepasan Elektron Ikatan Kovalen DIbentuk Oleh Pembagian Elektron Seluruh karakteristik sel bergantung pada molekul yang menyusunnya. Sebuah molekul adalah atom yang berikatan bersma-sama oleh ikatan kovalen. Pembagian kelengkapan elektron pada cangkang luar kedua atom. Dalam molekul yang sederhana, sebuah molekul hidrogen (H2) yang memiliki dua buah atom H dengan masing-masing satu elektron. Elektron yang dibagi tersebut membentuk muatan negatif yang paling padat diantara dua muatan positif nukleus. Kepadatan
elektron ini membantu menahan nukleus secara bersama-sama melawan mutual repuls diantara muatan yang dapat memisahkan mereka. Gaya repulsi seimbang ketika nukleus dipisahkan oleh sebuah jarak yang disebut dengan lengan ikatan. Ketika atom membentuk ikatan kovalen dengan beberapa atom lain, ikatan ganda ini memiliki orientasi dalam jarak yang relatif satu dengan lainnya, merefleksikan orientasi dari orbit elektron yang dibagi. Ikatan kovalen antara atom-atom ganda dikarakteristikkan oleh sudut ikatan spesifik oleh lengan ikatan dan ikatan energi.
(a)
(b)
Gambar 2.6 (a), (b pembagian elektron)
2.4 Ikatan Kovalen Memiliki Kekuatan yang Bervariasi Kekuatan ikatan diukur dengan jumlah energi yang harus dikeluarkan untuk memutus ikatan tersebut, biasanya dilambangkan dengan kilokalori/mol atau kilokalori/joule. Kilokalori adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan temperatur dari satu liter air dengan sebuah skala derajat. 1 kilokalori energi harus diberikan untuk memutus 6x1023 ikatan. Proses pembentukan dan pemutusan ikatan kovalen adalah sebuah peristiwa yang luar biasa, dan dalam sel makhluk hidup, peristiwa ini diatur oleh enzim.
2.5 Macam-macam Ikatan Kovalen Ada dua macam ikatan kovalen, yaitu ikatan kovalen tunggal dan ikatan kovalen rangkap. Ikatan kovalen tunggal adalah ikatan dengan satu pasang elektron yang digunakan bersama., sedangkan ikatan kovalen rangkap adalah ikatan dengan lebih dari satu pasang elektron yang digunakan bersama. Ikatan ganda akan membentuk ikatan yang lebih pendek dan lebih kuat daripada ikatan tunggal. Seperti gambar 2.7
(a) (b) Gambar 2.7 Perbedaan Ikatan Tunggal Dan Ikatan Rangkap Dari Atom C-C Gambar 2.7 Menunjukkan bahwa ada perbedaan antara ikatan kovalen tunggal (A) dengan ikatan kovalen ganda (B). Ikatan kovalen tunggal (A) yang menggunakan dua atom carbon seperti athane membentuk susunan tetrahedral yang dibentuk oleh karbon. Setiap ikatan CH3 akan bergabung dengan CH3 yang lain membentuk ikatan kovalen dapat berputar disekitar sumbu ikatan. Ikatan kovalen rangkap (B) seperti ethene yang menggunakan dua ikatan antara CH2 akan mencegah perputaran antar satu kelompok CH2. Suatu atom yang saling berikatan biasanya penggunaan elektron untuk membentuk ikatan tidak sama satu dengan yang lain. Dari segi ini ikatan kovalen dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu ikatan kovalen polar dan ikatan kovalen non polar. Dikatakan ikatan kovalen polar apabila suatu elektron tidak digunakan bersama. Hal tersebut dapat terjadi ketika satu atom mempunyai elektronegativitas yang lebih tinggi daripada atom
yang lain. Atom yang mempunyai
keelektronegativitas yang tinggi akan mempunyai tarikan elektron yang lebih kuat. Di dalam ikatan kovalen polar ada ujung yang bermuatan negatif dan ada ujung yang bermuatan positif, seperti molekul H2O. Ikatan kovalen polar sangat penting dalam Biologi karena dengan ikatan tersebut memungkinkan molekul untuk berinteraksi satu dengan yang lain melalui kekuatan elektrik. Sedangkan
ikatan kovalen nonpolar merupakan ikatan kovalen yang terbentuk ketika atom membagikan elektronnya secara merata antara satu dengan yang lainnya. Seperti pada molekul H2 dan O2. a. Ikatan hydrogen Ikatan hydrogen terbentuk ketika ada atom hydrogen berikatan dengan elektron atom lain yang tidak berpasangan baik antarmolekul yang sama (intramolekuler) ataupun molekul yang berbeda (intermolekuler). Contoh senyawa yang mempunyai ikatan hydrogen adalah H2O (atau yang baiasa disebut dengan air). Dalam molekul air, atom O bersifat sangat elektronegatif sehingga pasangan elektron antara atom O dan H lebih tertarik ke arah atom O. Dalam keadaan cair, atom hydrogen dalam molekul air yang parsial positif ditarik oleh pasangan elektron atom O molekul lain yang elekronegatif, sehingga terbentuklah ikatan hydrogen. Ikatan hydrogen yang membentuk air sangat penting bagi kehidupan, karena 70% bagian dari sel terdiri atas air, kebanyakan reaksi intraseluler terjadi pada lingkungan yang mengandung air. Tidak semua atom hidrogen dapat membentuk ikatan hidrogen. Secara umum, hidrogen dapat membentuk ikatan hidrogen ketika H bermuatan positif berikatan dengan atom negatif seperti oksigen atau nitrogen. Alkohol yang merupakan ikatan polar bisa menjadi ikatan hidrogen apabila bergabung bersama dengan air. Kenapa bisa demikian? Karena molekul yang membawa muatan positif atau negatif (ion) akan mudah terlarut dengan air. Molekul tersebut bersifat hidrofilik. Contohnya gula, DNA, RNA dan protein. Sebaliknya, ada molekul yang tidak bisa beriktan dengan air yang biasa disebut dengan hidrofobik, seperti hidrokarbon. b. Beberapa Molekul Porar dari Asam dan Basa di Dalam Air Jenis reaksi kimia yang paling sederhana dan memiliki peran yang signifikan di dalam sel terjadi ketika sebuah molekul yang memroses sebuah ikatan kovalen dengan polaritas tinggi dan atom terlarut dalam air. Atom hidrogen dalam molekul meningkatkan elektronnya dengan atom lainnya, sehingga terjadi nukleus atom hidrogen dengan muatan positif, dengan kata lain proton (H+). Ketika molekul polar dikelilingi oleh molekul air, proton akan tertarik menuju muatan parsial negative pada atom O. Proton ini dapat terpisah dari pasangan
aslinya dan berikatan dengan atom oksigen pada molekul air yang disebut ion hydronium (H3O+). Proton yang lepas ketika larut dalam air kemudian membentuk H3O+ yang bersifat asam. Berlawanan dengan molekul asam, terdapat molekul basa. Beberapa molekul yang mampu untuk meneripa proton disebut basa. Dengan definisi sifat asam adalah meningkatkan konsentrasi H3O+ di dalam air, dapat dinyatakan bahwa sifat basa adalah meningkatkan konsentrasi ion hidroksil (OH-).
2.6 Molekul dalam Sel
Karbon Unsur kimia yang yang paling mendominasi kehidupan adalah karbon.
Tanpa kecuali, semua molekul kimia penting kehidupan selalu mengandung unsur karbon. Unsur utama penyusun molekul biologi adalah karbon. Ragam dan stabilitas
molekul
yang
mengandung
unsur
karbon
disebabkan
oleh
karakteristiknya yang spesifik, terutama ketika membentuk ikatan dengan unsurunsur lain sehingga mampu membentuk molekul besar. Salah satu sifat yang paling mendasar dari unsur karbon adalah pada orbital elektron terluarnya kekurangan 4 elektron dari seharusnya 8 elektron. Karena orbital elektron terluar merupakan pertanda stabil-tidaknya suatu unsur, maka agar stabil, karbon cenderung berasosiasi dengan 4 unsur lainnya yang juga kekurangan elektron. Dengan kata lain, unsur karbon mempunyai valensi 4. Penggunaan bersama elektron oleh dua unsur atau lebih akan membentuk ikatan kovalen. Dari ikatan tersebut memungkinkan carbon dapat membentuk molekul yang lebih besar. Pada umumnya, karbon akan membentuk ikatan kovalen dengan 1 karbon yang lain dan dengan oksigen, hidrogen, nitrogen dan sulfur. Metana (satu karbon berikatan dengan 4 hidrogen), etanol (CH3 – CH2OH) dan metilamina (CH3 – NH2). Molekul-molekul yang terbentuk dari atom karbon, hidrogen, oksigen, nitrogen, sulfur dan fosfor biasa disebut dengan molekul organik.
Molekul organik dalam sel Molekul organik dalam sel adalah senyawa karbon dengan berat molekul
antara 100 sampai 1000 yang berisi 30 atom karbon atau lebih. Molekul organik
banyak ditemukan dalam sitoplasma dengan bentuk yang berda-beda. Semua molekul organik akan disintesis dan dipecah menjadi senyawa yang sederhana. Sintesis dan pemecahan molekul tersebut dilakukan secara bertahap dengan memperhatikan urutan perubahan kimia dari molekul yang disintesis dan dipecah. Dari proses tersebut terdapat empat golongan yang diklasifikasikan menjadi molekul organik, antara lain gulan, asam lemak, asam amino dan nukleotida. Beberapa molekul dapat membangun polimer yang lebih besar (makromolekul) seperti protein, asam nukleat, polisakarida, dan lain lain. Berikut adalah tabel yang menunjukkan beberapa unit terbesar dari sel yang dibangun dari molekul organik dalam sel.
2.8 Gambar unit tersebar dalam dari sel yang dibangun dari molekul organik dalam sel.
2.7Gula Merupakan Sumber Energi bagi Sel dan Subunit Polisakarida Gula paling sederhana—monosakarida—adalah komponen dengan rumus umum (CH2O)n, n biasanya 3, 4, 5, atau 6 (Alberts, 2004). Gula dan molekul yang tersusun dari gula, disebut juga karbohidrat, dikarenakan rumus(CH2O)nini. Akan tetapi, rumus tersebut tidak mendefinisikan molekul secara menyeluruh: rangkaian karbon, hidrogen, dan oksigen yang sama dapat terhubung oleh ikatan kovalen dengan berbagai cara, membentuk suatu struktur yang berbenda bentuknya. Sebagai contoh, glukosa dapat diubah menjadi gula yang lain— manosa atau galaktosa—hanya dengan mengubah orientasi gugus OH tertentu. Selain itu, menurut Alberts (2004), gula memiliki dua bentuk, yaitu Dform dan L-form, yang merupakan bentuk ―bayangan‖ satu sama lain. Molekul yang memiliki rumus kimia yang sama namun struktur yang berbeda disebut isomer, dan pasangan bentuk-―bayangan‖ molekul disebut isomer optikal. Isomer tersebar luas diantara molekul organik secara umum, dan berperan penting dalam menghasilkan berbagai macam gula. Struktur kimia gula dijelaskan pada Gambar 2.9 berikut.
Gambar 2.9 Beberapa jenis gula (Alberts, 2004) Monosakarida dapat terhubung oleh ikatan kovalen untuk membentuk karbohidrat yang lebih besar. Dua monosakarida berikatan membentuk disakarida, seperti sukrosa, yang tersusun dari unit glukosa dan fruktosa. Polimer gula yang lebih besar membentuk oligosakarida (trisakarida, tetrasakarida, dan sebagainya) hingga polisakarida besar, yang dapat tersusun dari ribuan unit monosakarida. Umumnya, prefix ―oligo-― ditujukan pada makromolekul yang tersusun dari sedikit monomer, sekitar 3-50 (Alberts, 2004). Sebaliknya, polimer dapat mengandung ratusan atau ribuan subunit gula. Cara gula berikatan satu sama lain menggambarkan beberapa ciri umum formasi ikatan biokimia. Ikatan terbentuk antara gugus OH pada gula yang satu dan gugus OH pada gula yang lain dengan reaksi kondensasi, dimana molekul air dihilangkan ketika ikatan terbentuk. Subunit pada polimer lain, seperti asam nukleat dan protein, juga berikatan dengan reaksi kondensasi. Ikatan yang terbentuk dengan reaksi kondensasi dapat dipecah dengan proses balik hidrolisis, dimana molekul air dikonsumsi. Reaksi kondensasi dan hidrolisis pada molekul gula dijelaskan pada Gambar berikut.
Gambar 2.10. Reaksi kondensasi dan hidrolisis pada molekul gula(Alberts, 2004) Karena tiap monosakarida memiliki beberapa gugus hidroksil bebas yang dapat membentuk ikatan dengan monosakarida lain (atau komponen lain), polimer gula dapat bercabang, dan jumlah struktur polisakarida yang mungkin terbentuk sangatlah banyak. Untuk alasan ini, menentukan susunan polisakarida lebih sulit dibandingkan dengan menentukan rantai nukleotida dapa molekul DNA, dimana tiap unit berikatan dengan cara yang sama. Glukosa memiliki peran sentral sebagai sumber energi bagi sel. Glukosa dipecah menjadi molekul yang lebih kecil dengan serangkaian reaksi, melepas energi yang dapat dipanen sel untuk kerja. Sel menggunakan polisakarida sederhana yang hanya tersusun dari gugus glukosa—glikogen pada hewan, pati pada tumbuhan—sebagai penyimpanan glukosa jangka panjang, sebagai cadangan produk energi. Gula tidak hanya berfungsi sebagai penghasil dan penyimpanan energi. Glukosa juga digunakan, contohnya, untuk membentuk dukungan mekanik. Molekul organik yang paling kompleks—selulosa yang membentuk dinding sel tumbuhan—merupakan polisakarida glukosa. Substansi organik kompleks lainnya, kitin dari eksoskeleton dan dinding sel fungi, juga merupakan polisakarida. Polisakarida lain, dengan kecendrungan licin ketika basah, merupakan komponen utama dari lumpur, lendir, dan tulang rawan. Oligosakarida yang lebih kecil dapat berikatan secara kovalen dengan protein untuk membentuk glikoprotein, atau dengan lipid membentuk glikolipid, dimana keduanya ditemukan pada membran sel. Permukaan kebanyakan sel terdekorasi dengan polimer gula berupa glikoprotein dan glikolipid di membran
plasma. Perbedaan tipe bentuk gula permukaan sel membentuk molekul dasar untuk golongan darah manusia. 2.8 Asam Lemak Merupakan Komponen Membran Sel Menurut Alberts (2004), molekul asam lemak, seperti asam palmiat, memiliki area yang berbeda secara kimiawi. Area pertama merupakan rangkaian panjang hidrokarbon, yang hidrofobik dan kurang reaktif secara kimiawi. Area lainnya merupakan gugus karboksil (-COOH), yang berperan sebagai asam (asam karboksilik): yang terionisasi (COOH-) dalam campuran, sangat hidrofilik, dan reaktif secara kimiawi. Hampir semua molekul asam lemak dalam sel berikatan kovalen dengan molekul lain dengan gugus asam karboksilik. Molekul seperti asam lemak, yang memiliki area hidrofobik dan hidrofilik, disebut amfipatik. Area hirofobik dan hidrofilik pada asam palmiat dijelaskan pada Gambar berikut:
Gambar 2.11 Area Hidrofobik dan Hidrofilik pada asam lemak(Alberts, 2004) Ekor hidrokarbon pada asam palmiat adalah jenuh: tidak memiliki ikatan ganda pada atom karbon dan mengandung jumlah maksimum hidrogen. Asam stearat, asam lemak yang umum terdapat pada hewan, juga jenuh. Beberapa asam lemak, seperti asam oleat, memiliki ekor tak jenuh, dengan satu atau lebih dua ikatan ganda sepanjang rantai. Ikatan ganda menyebabkan kekakuan pada molekul, mencegah kemampuan untuk berikatan dalam massa solid. Asam lemak yang ditemukan pada sel berbeda pada panjang rantai hidrokarbon dan jumlah serta posisi ikatan ganda karbon. Asam lemak jenuh dan tak jenuh digambarkan pada Gambar berikut.
Gambar 2.12 Asam lemak jenuh dan asam lemak tak jenuh(Alberts, 2004) Asam lemak menyediakan cadangan makanan bagi sel: asam lemak dapat dipecah untuk memproduksi sekitar enam kali dari energi yang digunakan. Asam lemak disimpan dalam sitoplasma sel dalam bentuk droplet molekul triagliserol— komponen yang dibentuk dari tiga asam lemak yang berikatan dengan molekul gliserol. Molekul ini merupakan lemak hewani yang ditemukan pada daging, mentega, dan krim, dan minyak nabati seperti minyak jagung dan minyak zaitun. Ketika sel membutuhkan energi, rantai asam lemak akan dilepaskan dari triagliserol dan dipecah menjadi gugus 2-karbon. Gugus 2-karbon sama dengan turunan dari penguraian glukosa, dan memasuki jalur reaksi yang sama. Fungsi terpenting dari asam lemak dalam sel adalah membangun membran sel. Membran sel terdiri dari sejumlah besar fosfolipid yang dibangun oleh asam lemak dan gliserol. Pada fosfolipid, gliserol berikatan dengan dua rantai asam lemak. Situs ketiga gliserol berikatan dengan gugus fosfat hidrofilik. Fosfolipid sangat amfipatik: tiap molekul fosfolipid memiliki ekor hidrofobik, yang tersusun dari dua rantai asam lemak, dan kepala hidrofilik, tempat fospat berikatan. Struktur ini memungkinkan perbedaan fisik dan kimiawi dibanding triagliserol. Lemak lain yang terdapat pada membran sel mengandung satu atau lebih gula daripada gugus fosfat. Beberapa glikolipid berperan penting dalam sinyal intraselular sel. Membran sel yang tersusun dari fosfolipid digambarkan pada Gambar berikut.
Gambar 2.13 Fosfolipid yang menyusun membran sel(Alberts, 2004) 2.9 Asam amino merupakan subunit protein Asam amino merupakan molekul yang memiliki gugus asam karboksilik dan gugus amino, keduanya berikatan pada atom karbon yang sama yang disebut α-carbon. Keberagaman kimiawi asam amino berasal dari rantai yang berikatan dengan α-carbon(Alberts, 2004). Sel menggunakan asam amino untuk membentuk protein, yang merupakan polimer asam amino. Ikatan kovalen antara dua asam amino pada rantai protein disebut ikatan peptida; rantai asam amino juga dikenal sebagai polipeptida. Ikatan peptida dibentuk dengan reaksi kondensasi yang menghubungkan asam amino yang satu dengan yang lain. Polipeptida selalu memiliki gugus asam amino (NH2) di ujung (C-terminus). Hal ini menyebabkan polipeptida memiliki struktur polar. Ikatan peptida pada asam amino dijelaskan pada Gambar berikut.
Gambar 2.14 Ikatan peptida pada protein(Alberts, 2004)
20 jenis asan amino yang umumnya dijumpai pada protein, masing-masing memiliki rantai yang berbedapada α-carbon.Seperti gula, semua asama amino (kecuali glisin) terdapat isomer dalam bentuk D dan L. 2.10 Nukleotida meruapakan subunit DNA dan RNA Nukleosida merupakan molekul yang terbuat dari komponen cincin yang mengandung nitrogen yang berikatan dengan gula 5-karbon, yang berupa ribosa atau deoksiribosa. Nukleosida yang terdapat satu atau lebih gugus fosfat pada cincin gula disebut nukleotida. Nukleotida yang mengandung ribosa disebut ribonukleotida,
dan
yang
mengandung
deoksiribosa
disebut
sebagai
deoksiribonukleotida.Struktur ATP, yang merupakan nukleotida, dijelaskan pada Gambar 2.15 berikut.
Gambar 2.15 Struktur ATP(Alberts, 2004) Cincin yang mengandung nitrogen secara umum merupakan basa: dalam keadaan asam, cincin tersebut mengikat proton (H+) dan meningkatkan konsentrasi ion OH- di cairan. Sitosis (C), timin (T), dan urasil (U) disebut pirimidin karena merupakan turunan dari cincin 6-karbon; guanin (G) dan adenin (A) adalah komponen purin, karena merupakan turunan dari cincin 5-karbon, yang berpasangan dengan cincin 6-karbon. Nukleotida dapat berperan sebagai pembawa energi kimia sementara. Ribonukleotida adenosin trifosfat (ATP), berperan dalam transfer energi pada ratusan reaksi selular. ATP dibentuk melalui reaksi pelepasan energi dalam oksidasi penguraian makanan. Terdapat tiga fosfat yang berikatan dengan ikatan fosfoanhidrida. Pemutusan ikatan ini melepaskan banyak energi. ATP sebagai sumber energi bagi sel dijelaskan pada Gambar berikut.
Gambar 2.16 ATP sebagai sumber energi(Alberts, 2004) Peran paling penting dari nukleotida bagi sel adalah penyimpanan dan informasi biologis. Nukleotida berperan sebagai balok bangungan untuk membentuk asam nukelat—polimer panjang dimana subunit nukleotida berikatan kovalen dengan formasi ikatan fodiester antara gugus fosfat yang terdapat pada gula nukleotida dengan gugus hidroksil pada gula nukleotida selanjutnya. Rantai asam nukelat disintesis dari nukleosida trifosfat yang kaya energi dengan reaksi kondensasi yang melepaskan pirofosfat inorganik selama pembentukan ikatan fosfodiester. Terdapat dua jenis utama asam nukleat, yang berbeda pada jenis gula yang digunakan dalam kerangka gula-fosfat. Gula ribosa yang disebut asam ribonukleat (RNA) mengandung basa A, G, C, U. Gula deoksiribosa yang dikenal sebagai asam deoksiribonukleat (DNA) mengandung basa A, G, C, dan T (T secara kimia sama dengan U di RNA). Di sel, RNA biasanya dalam bentuk rantai tunggal polinukleotida, namun DNA selalu dalam bentuk rantai ganda, double helix yang terdiri dari 2 rantai polipeptida yang antiparalel dan berikatan ikatan hidrogen antar basa pada kedua rantai. Sekuens linear nukleotida pada DNA dan RNA mengkode informasi genetik. Akan tetapi, kedua asam nukleat tersebut memiliki peranan yang berbeda dalam sel. DNA, yang lebih stabil, berperan sebagai pusat informasi genetik, sedangkan RNA biasanya sebagai pembawa instruksi molekuler.Basa di molekul
asam nukleat yang berbeda, mengenali dan berpasangan dengan ikatan hidrogen (pasangan basa) dengan ketentuan G dengan C, dan A dengan T atau U.
2.11 Makromolekul penyusun sel Secara umum makromolekul kimia penyusun sel tersusun dari senyawa karbon. Beberapa protein berfungsi sebagai enzim yang mengkatalis semua reaksi di dalam sel. Makromolekul ini terbentuk dari polimer monomer yang berikatan kovalen membentuk rantai panjang. Secara umum protein merupakan polimer yang sangat berlimpah di dalam sel. Kebanyakan protein berfungsi sebagai enzim yang mengkatalis secara langsung pembentukan dan pemecahan ikatan kovalen pada reaksi di dalam sel. Misalnya enzim riboluse bifosfat karboksilase yang membantu mengubah CO2 menjadi gula dalam proses fotosintesis. Selain itu protein dalam sel juga berfungsi sebagai komponen struktural, seperti tubulin yang menyusun mikrotubul, protein histon yang memadatkan DNA dalam kromosom. Fungsi lain dari protein adalah untuk pergerakan seperti miosin dalam sel otot. Berikut ini adalah komponen makromolekul dalam sel bakteri.
Gambar 2.17 Komposisi Makromolekul Penyusun Sel Monomer-monomer akan berikatan secara kovalen membentuk polimer atau makromolekul yang bersifat fleksibel. Ikatan kovalen ini memungkinkan sel berubah bentuk dan berotasi. Namun pada prinsipnya secara biologi polimer atau makromolekul bentuknya dibakukan oleh ikatan non kovalen yang mengikat bagian makromolekul tersebut. Jika ikatan non kovalen terbentuk pada molekul tertentu rantai polimer akan bertahan kuat pada bentukan tertentu. Ikatan non kovalen yang sifatnya lemah ini bekerja sama untuk mempertahankan bentuk unik dari suatu makromolekul. Selain itu, ikatan non kovalen juga berfungsi untuk memperkuat ikatan antar dua molekul yang berbeda. Sebagai contohnya adalah
ikatan non kovalen yang terjadi pada kompleks besar mesin sintesis DNA dan protein yang memiliki struktur berbelit-belit yaitu ribosom
Gambar 2.18 Bentukan Stabil Makromolekul Akibat Ikatan Nonkovalen Beberapa protein berfungsi sebagai enzim yang mengkatalis semua reaksi di dalam sel. Makromolekul dibentuk dari mikromolekul yang terikat dengan tepat dengan ikatan kovalen dan kumpulan makromolekul terikat secara nonkovalen. Berikut ini adalah gambar skematis pembentukan makromolekul.
Gambar 2.19 Pembentukan Makromolekul
BAB III PENUTUP A. SIMPULAN
Materi terbuat dari kombinasi elemen - zat seperti hidrogen atau karbon yang tidak dapat dipecah atau diubah menjadi zat lain dengan cara kimia. Partikel terkecil dari suatu unsur yang masih mempertahankan sifat khas kimia adalah atom. Namun, karakteristik zat selain unsur murni -termasuk bahan dari mana selsel hidup yang dibuat-tergantung pada cara atom mereka dihubungkan bersamasama dalam kelompok untuk membentuk molekul. Glukosa memiliki Peran sentral sebagai sumber energi bagi sel. Gula juga berperan sebagai dukungan pada bentuk sel, contohnya selulosa pada dinding sel tumbuhan. Fungsi terpenting asam lemak dalam sel adalah membangun membran sel. Peran asam amino bagi sel adalah sebagai bahan untuk membentuk protein, yang merupakan polimer asam amino. Peran paling penting dari nukleotida bagi sel adalah penyimpanan dan informasi biologis. Akan tetapi, kedua asam nukleat yakni DNA dan RNA memiliki peran yang berbeda. DNA berperan sebagai pusat informasi genetik, sedangkan RNA biasanya sebagai pembawa instruksi molekuler.
DAFTAR PUSTAKA
Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K., & Walter, P. 2004. Essential Cell Biology, Second Edition. New York: Garland Science. Hardin, J., Bertoni, G., Kleinsmith, L. J. 2012. Beckers-World of the Cell Eighth Edition. New York: The Benjamin Publishing Company
