Topik 2

Molekul Organik (Unit Pelajaran 2 dan 3)

Unit Pelajaran 2

Molekul Organik Bahagian I

Hasil Pembelajaran

Di akhir unit ini, anda diharap dapat:

1. Membincangkan tentang ciri-ciri molekul organik.

2. Membincangkan struktur dan fungsi karbohidrat: monosakarida, disakarida dan polisakarida.

3. Menghuraikan struktur dan fungsi lipid.

Molekul Organik

• Molekul organik adalah molekul yang mengandungi unsur asas karbon dan hidrogen.

• Molekul organik yang utama adalah karbohidrat, lipid dan protein.

• Ketiga-tiga molekul organik ini dibina daripada tiga unsur asas iaitu karbon, hidrogen dan oksigen. Namun, protein mengandungi satu lagi tambahan unsur asas iaitu nitrogen.

Sifat Pengikatan Karbon

• Satu ciri atom karbon yang menjadikannya sebagai unsur utama kehidupan adalah kemampuannya untuk membentuk ikatan kovalen dengan 4 atom yang lain. Ini kerana atom karbon mempunyai empat elektron di petala yang paling luar dan menyebabkan ia memerlukan empat lagi elektron untuk memenuhi petala ini.

Sifat Pengikatan Karbon• Di dalam organisma hidup, atom karbon kebiasaannya membentuk

ikatan kovalen dengan unsur hidrogen, oksigen, nitrogen dan sulfur. • Kombinasi-kombinasi ikatan kovalen ini menjadikan karbon

membentuk pelbagai molekul organik yang berbentuk linear, cincin atau bercabang.

• Bentuk-bentuk yang pelbagai ini boleh menghasilkan molekul organik yang mempunyai pelbagai fungsi.

• Molekul organik yang paling asas adalah metana (CH4) yang terdiri daripada satu atom karbon yang terikat secara kovalen dengan empat atom hidrogen.

Pengikatan Atom Karbon dengan Kumpulan Berfungsi

• Molekul organik boleh mengikat dengan pelbagai jenis kumpulan berfungsi dan menjadikannya mempunyai ciri atau sifat yang pelbagai.

• Kumpulan berfungsi adalah atom-atom atau sekumpulan atom dengan ciri kimia tertentu seperti bersifat berkutub, tidak berkutub, berasid, beralkali dan sebagainya.

Pengkelasan umum dalam tindak balas metabolik

• Metabolisme adalah aktiviti sel untuk memperolehi dan menggunakan tenaga untuk hidup, membesar dan membiak.

• Di dalam sel, molekul organik dibina, dipisahkan atau disusun semula untuk membentuk sebatian organik yang baru.

• Tindak balas metabolik yang melibatkan molekul organik boleh dikelaskan kepada lima pengkelasan umum, iaitu:

Pengkelasan molekul organik

• Sebanyak empat kelas molekul organik makro telah dikenalpasti, iaitu: – Karbohidrat– Lipid– Protein– Asid nukleik

Karbohidrat

• Karbohidrat adalah molekul biologi yang paling banyak di muka bumi ini.

• Karbohidrat disimpan di dalam sel dalam bentuk simpanan tenaga atau bahan pembina struktur.

Karbohidrat

• Karbohidrat mengandungi unsur karbon, hidrogen dan oksigen dalam nisbah 1:2:1, iaitu dengan formula umum Cn(H2O)n.

• Kebanyakan atom C di dalam molekul karbohidrat terikat dengan satu atom H dan satu kumpulan hidroksil. C juga boleh terikat dengan kumpulan amino dan karbonil.

• Karbohidrat boleh dikelaskan kepada tiga kumpulan iaitu:– Monosakarida – Oligosakarida – Polisakarida

Monosakarida

• Monosakarida adalah karbohidrat yang paling ringkas. • Monosakarida mempunyai sekurang-kurangnya dua

kumpulan hidroksil dan satu kumpulan keton atau aldehida yang terikat dengan karbon.

• Gula ringkas yang umum adalah gula yang mempunyai satu tulang belakang yang terdiri daripada 5 atau 6 atom karbon. Tulang belakang ini cenderung untuk membentuk struktur cincin apabila gula ini dilarutkan di dalam air.

• Sebahagian besar monosakarida adalah larut air dan mudah diangkut di dalam bendalir haiwan dan tumbuhan.

Monosakarida

• Monosakarida yang paling utama adalah gula dengan 5 karbon atau pentosa (contohnya ribosa dan deoksiribosa) dan gula dengan 6 karbon atau hektosa (contohnya fruktosa dan galaktosa).

Monosakarida

• Glukosa:– Glukosa adalah sumber tenaga segera di dalam sel – Glukosa juga adalah monomer yang membentuk

molekul karbohidrat kompleks yang bertindak sebagai molekul penyimpan tenaga dan molekul pembina struktur.

• Pentosa:– Gula yang mempunyai lima atom karbon adalah

sebahagian daripada monomer nukleotida, iaitu gula ribosa bagi asid ribonukleik (RNA) dan gula deoksiribosa bagi asid deoksiribosa (DNA).

Disakarida

• Disakarida adalah sejenis karbohidrat yang dibentuk oleh dua monosakarida melalui proses kondensasi, dengan cara membuang satu molekul air dan membentuk ikatan glikosidik.

• Rajah menunjukkan pembentukan satu molekul sukrosa hasil tindak balas kondensasi dua molekul monosakarida iaitu glukosa dan fruktosa.

Disakarida

• Disakarida tergolong dalam kumpulan gula oligosakarida, iaitu karbohidrat berantai pendek.

• Disakarida yang penting adalah sukrosa, laktosa dan maltosa.– Sukrosa adalah disakarida yang paling banyak di alam ini,

terdiri daripada satu unit glukosa dan satu unit fruktosa. – Laktosa adalah disakarida di dalam susu yang terdiri

daripada satu unit glukosa dan satu unit galaktosa. – Maltosa pula adalah disakarida hasil gabungan dua unit

glukosa.

Polisakarida

• Polisakarida adalah karbohidrat kompleks yang terdiri daripada rantai polimer panjang yang lurus atau bercabang, hasil gabungan ratusan atau ribuan monosakarida melalui tindak balas kondensasi.

• Polisakarida ini boleh terbentuk daripada satu atau pelbagai jenis monosakarida. Polisakarida yang umum adalah kanji, glikogen, selulosa dan kitin.

Polisakarida• Perbezaan sifat fizikal dan kimia di antara molekul selulosa,

glikogen dan kanji adalah disebabkan oleh perbezaan anomer glukosa dan ikatan kovalen yang menghubungkan unit-unit glukosa ini.

• Kitin pula adalah karbohidrat yang mengandungi unsur nitrogen.

Polisakarida

• Kanji – Glukosa dihasilkan oleh tindak balas fotosintesis sel tumbuhan

dan disimpan sebagai kanji. – Kanji dibentuk oleh α-glukosa. Oleh itu, corak pengikatan kovalen

pada kanji menempatkan setiap unit glukosa secara bersebelahan dan membentuk struktur seperti tangga berputar yang sedikit bercabang.

– Kanji sukar dilarutkan di dalam air, oleh itu ia tahan terhadap tindak balas hidrolisis. Kestabilan ini membolehkan kanji disimpan sebagai tenaga kimia dalam persekitaran yang berasaskan air di dalam sel tumbuhan.

Polisakarida

• Glikogen – Glikogen merupakan simpanan glukosa di dalam haiwan.– Umumnya, struktur glikogen adalah sama seperti kanji kerana

ia dibentuk hasil gabungan α-glukosa. Walau bagaimanapun, glikogen mempunyai struktur lebih bercabang yang membolehkannya mudah larut di dalam tisu haiwan.

– Kebanyakan glikogen disimpan di dalam sel hati dan otot.

Polisakarida• Selulosa

– Monosakarida yang membentuk selulosa adalah β-glukosa. Oleh itu, corak pengikatan kovalen pada selulosa adalah secara bertentangan menyebabkan ikatan hidrogen boleh terbentuk di antara rantai-rantai β-glukosa.

– Susunan pengikatan ini menstabilkan rantai molekul selulosa menjadi lurus, tidak bercabang dan sangat kuat .

– Selulosa membina dinding sel tumbuhan sebagai gentian selulosa yang panjang, padat, teguh dan tidak larut air.

Lipid

• Lipid adalah molekul organik yang umumnya tidak larut air (hidrofobik).

• Lipid mempunyai pelbagai struktur dan sifat- sifat umumnya adalah berlemak, berminyak atau berlilin (wax).

• Lipid berfungsi sebagai tenaga simpanan utama dalam badan dan bahan pembina struktur, contohnya pada membran sel.

• Lipid juga membentuk molekul-molekul kimia yang lain seperti hormon dan vitamin.

• Kebanyakan lipid terbentuk hasil gabungan asid lemak, kecuali steroid yang dibentuk oleh struktur cincin karbon.

Asid Lemak

• Asid lemak adalah lipid paling ringkas yang terdiri daripada satu kumpulan karboksil yang bergabung dengan satu tulang belakang karbon (4-36 karbon).

• Asid lemak tepu adalah asid lemak yang hanya mengandungi ikatan kovalen tunggal dalam rantai karbon. Contohnya adalah asid stearik.

Asid Lemak

• Asid lemak tidak tepu adalah asid lemak yang mengandungi ikatan ganda dua dalam rantai karbonnya.

• Asid lemak mono tidak tepu (MUFA) mengandungi satu ikatan ganda dua.

• Asid lemak poli tidak tepu (PUFA) mengandungi lebih daripada satu ikatan ganda dua.

Asid lemak

• Asid lemak perlu adalah asid lemak yang tidak boleh dihasilkan oleh badan manusia, sebaliknya perlu diambil daripada makanan. Contohnya adalah asid lemak Omega-3 dan Omega-6.

Trigliserida

• Trigeliserida adalah lipid yang juga dikenali sebagai ‘lemak’. • Trigeliserida adalah lipid yang tidak larut air, berminyak dan

berlemak. • Ia terdiri daripada tiga rantai ekor asid lemak yang terikat

pada satu molekul gliserol.

Gliserol asid lemak

Trigliserida

• Sebahagian besar lemak ‘semulajadi’ pada haiwan dan tumbuhan adalah dalam bentuk trigliserida.

• Trigliserida adalah sumber tenaga simpanan utama pada haiwan vertebrata. Ia mengandungi lebih daripada dua kali ganda tenaga berbanding karbohidrat.

• Trigliserida pada haiwan disimpan di dalam tisu adipos yang menebat dan melapik bahagian tubuh.

Tigliserida• Terbahagi kepada 2 iaitu jenis lemak tepu dan lemak

tidak tepu.• Lemak tepu:– Mengandungi hanya asid lemak tepu menyebabkan

rantai ekor asid lemak ini terikat dengan kuat pada struktur trigeliserida.

– Oleh itu, lemak tepu yang sebahagian besarnya adalah lemak haiwan berbentuk pepejal pada suhu bilik.

Tigliserida• Lemak tidak tepu:– Mengandungi sekurang-kurangnya satu asid lemak

jenis tidak tepu menyebabkan rantai ini tidak padat dan kurang kuat.

– Oleh itu, lemak ini umumnyaberbentuk cecair pada suhu bilik.

– Sebahagian besar lemak tidak tepu adalah minyak tumbuh-tumbuhan.

Trigliserida

• Lemak tidak tepu mempunyai 2 struktur isomer, iaitu – ‘sis’ yang berantai bengkok dan kurang padat – ‘trans’ yang berantai lurus dan padat.

• Sebahagian besar minyak sayuran ‘semulajadi’ adalah jenis ‘sis’.

Trigliserida

• Dalam keadaan semulajadi, pembentukan struktur ‘trans’ jarang berlaku.

• Struktur ini kebiasaannya terbentuk akibat proses penghidrogenan separa yang berlaku semasa pemprosesan makanan.

• Proses ini telah mengubah struktur semulajadi lemak ‘sis’ kepada lemak ‘trans’, menyebabkan strukturnya menjadi padat dan berkeadaan pepejal pada suhu bilik.

• Lemak jenis ‘trans’ ini adalah merbahaya untuk kesihatan.

Fosfolipid

• Fosfolipid adalah molekul yang mempunyai satu kepala berfosfat yang sangat berkutub dan dua rantai ekor asid lemak yang tidak berkutub.

• Fosfolipid adalah komponen utama membran sel yang terdiri daripada dua lapisan fosfolipid.

• Kepala pada satu lapisan fosfolipid larut di dalam cecair intrasel manakala kepala di lapisan satu lagi pula larut di dalam cecair ekstrasel.

• Lapisan dalaman kedua-dua molekul fosfolipid ini pula adalah rantai ekor hidrofobik yang tidak larut air.

Lilin (Wax)

• Semua lilin adalah lipid yang sangat tepu dan kalis air.

• Lilin adalah rantai ekor asid lemak yang terikat kuat kepada satu rantai alkohol panjang atau cecincin karbon.

• Lilin terdapat pada kutikel pokok yang membantu pokok daripada kehilangan air serta melindungi daripada ancaman parasit dan serangga.

• Lilin juga melindungi, melincir dan melembutkan kulit dan rambut.

Steroid

• Steroid adalah lipid yang tidak mengandungi rantai ekor asid lemak, sebaliknya mempunyai tulang belakang empat cincin karbon yang kukuh.

• Steroid adalah komponen utama membran sel eukariot.• Kolesterol adalah jenis steroid yang terdapat pada tisu

haiwan.• Kolesterol adalah prekursor kepada pelbagai jenis

molekul organik seperti garam hempedu, vitamin D dan hormon steroid seperti estrogen dan testosteron.

Unit Pelajaran 3

Molekul Organik Bahagian II

Hasil Pembelajaran

Di akhir unit ini, anda diharap dapat:

1. Membincangkan struktur dan fungsi protein dalam kehidupan.

2. Menghuraikan jenis-jenis vitamin dan kepentingannya dalam kehidupan.

3. Membincangkan jenis-jenis mineral yang penting dalam kehidupan.

4. Menghuraikan struktur, ciri-ciri dan kepentingan air dalam kehidupan.

Protein

• Protein dibina daripada empat jenis unsur asas iaitu karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen.

• Protein adalah molekul yang mempunyai kepelbagaian struktur dan fungsi.

• Molekul protein terdiri daripada rantai monomer asid amino yang membentuk polimer yang dinamakan polipeptida.

• Sebahagian besar protein mengandungi beribu-ribu asid amino contohnya protein yang terdapat dalam ayam, daging, ikan dan kekacang.

Asid amino

• Asid amino dibina daripada unsur karbon, hidrogen, oksigen dan nitrogen.

• Asid amino mempunyai pelbagai struktur dan ciri kimia, bergantung kepada kumpulan berfungsi yang terikat pada karbon di tengahnya.

• Semua asid amino mengandungi satu atom karbon yang terikat kepada (i) kumpulan amino, (ii) kumpulan karboksil, (iii) hidrogen dan (iv) kumpulan varian atau kumpulan “berfungsi” yang dirujuk sebagai kumpulan R. Struktur dan fungsi protein ditentukan oleh kelainan pada kumpulan R.

Asid amino• Terdapat sebanyak 20 jenis asid amino, dan asid amino inilah

yang digunakan untuk mensintesis pelbagai jenis protein di dalam sel dengan pelbagai kombinasi dan kuantiti asid amino.

Asid amino

• Asid amino berkutub dan tidak berkutub:– Sebanyak 11 asid amino yang tidak berkutub. Bakinya

adalah berkutub iaitu 4 berkutub tanpa cas, 5 berkutub dengan cas (2 berasid dan 3 beralkali).

– Sifat kekutuban ini dipengaruhi oleh jenis kumpulan berfungsi yang terikat pada karbon tengah.

• Asid amino perlu dan tidak perlu. – Asid amino perlu adalah asid amino yang diperolehi oleh

badan melalui pemakanan.– Asid amino tidak perlu adalah asid amino yang boleh

disintesis oleh badan daripada asid amino lain atau daripada molekul-molekul organik lain.

Penghasilan Protein• Protein disintesis melalui pengikatan asid-asid amino menjadi satu

rantai yang dipanggil polipeptida melalui proses kondensasi di antara kumpulan karboksil satu asid amino dengan kumpulan amino pada asid amino yang lain.

• Ikatan kovalen yang terhasil dari pengikatan asid amino itu dipanggil ikatan peptida.

• Dipeptida adalah molekul yang terbentuk daripada dua asid amino• Protein adalah Polipeptida yang merupakan rantai polimer asid

amino.

Protein• Antara fungsi-fungsi utama protein adalah: 1. Sokongan• Sebahagian protein dikenali sebagai protein struktur. Contoh-contoh utama

ialah sarang labah-labah, dan kolagen.

2. Metabolisme• Sebahagian protein merupakan enzim yang memangkinkan tindak balas di

dalam sel. Enzim spesifik kepada sesuatu tindak balas dan ia berfungsi dengan optimum pada suhu dan pH tertentu.

3. Pengangkutan• Protein pengangkut dan terusan dalam membran plasma berfungsi untuk

membolehkan bahan-bahan masuk dan keluar daripada sel. Ada juga protein yang bertindak untuk mengangkut molekul dalam plasma darah contohnya, hemoglobin, sejenis protein kompleks yang mengangkut oksigen.

Protein4. Pertahanan• Sesetengah protein dipanggil antibodi, di mana ia bertindak menghalang agen

yang menyebabkan penyakit dari memusnahkan sel-sel serta mengganggu keadaan homeostasis.

5. Pengawal aturan• Hormon adalah sejenis protein yang mengawal atur sesuatu keadaan. Ia boleh

bertindak sebagai pengantara dalaman yang mempengaruhi metabolisme sel. Contohnya, hormon insulin bertindak mengawal kandungan glukosa dalam darah dan sel, sementara hormon tumbesaran menentukan tumbesaran seseorang.

6. Pergerakan• Pengecutan protein aktin dan miosin membolehkan bahagian-bahagian sel

bergerak dan memulakan pengecutan otot. Pengecutan otot-otot ini membolehkan haiwan seperti cacing bergerak dari satu tempat ke tempat yang lain.

Aras Struktur Protein• Protein dikategorikan kepada 4 aras struktur protein:

• Struktur primer: struktur ini adalah aras pertama protein, iaitu merupakan rantai asid amino yang linear.

• Struktur sekunder: struktur ini adalah aras kedua protein. Ia terbentuk apabila ikatan hidrogen terbentuk di antara satu asid amino dengan asid amino yang lain pada satu rantai polipeptida yang linear. Ini menjadikan rantai polipeptida itu membentuk gegelung heliks atau kepingan.

• Struktur tertiari: struktur ini adalah aras ketiga protein. Ia terbentuk apabila rantai polipeptida dengan struktur sekunder tadi melipat dan memulas membentuk struktur tiga dimensi yang lebih stabil.

• Struktur kuarternari: struktur ini adalah protein yang mengandungi gabungan dua atau lebih rantai polipeptida yang mempunyai struktur tertiari. Contohnya adalah hemoglobin yang terdiri daripada empat rantai polipeptida.

Denaturasi Protein

• Aktiviti-aktiviti biologi sesuatu protein dipengaruhi oleh pelbagai faktor terutamanya haba dan pH.

• Pendedahan kepada faktor-faktor tersebut akan menyebabkan protein kehilangan sifat dan ciri asalnya dan seterusnya tidak dapat melakukan aktiviti-aktiviti biologi lagi.

• Proses ini dikenali sebagai denaturasi.

Vitamin dan Mineral

• Kehidupan juga memerlukan nutrien mikro dalam kuantiti yang kecil iaitu vitamin dan mineral.

• Molekul ini kebanyakannya bertindak sebagai unsur pembantu (kofaktor) kepada enzim yang bertanggungjawab dalam memangkinkan tindak balas kimia di dalam badan.

• Vitamin adalah molekul organik, manakala mineral adalah unsur bukan organik yang kebiasaannya dalam bentuk ion-ion.

Vitamin

• Vitamin berperanan penting dalam proses-proses penting di seluruh tubuh, iaitu untuk mengekalkan fungsi tubuh yang normal.

• Perkataan vitamin adalah daripada perkataan Greek iaitu ‘vita’ yang bermaksud ‘kehidupan’.

• Sebahagian besar vitamin adalah molekul organik yang penting dalam metabolisme dan fungsi-fungsi tubuh yang lain.

• Vitamin tidak boleh dihasilkan oleh badan, oleh itu perlu diambil melalui pemakanan.

Vitamin

• Vitamin larut air: – Vitamin ini adalah berkutub. Oleh itu, ia mudah

membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air. – Vitamin yang larut air adalah Vitamin B dan C.– Kebiasaanya terlibat di dalam metabolisme sel. – Vitamin ini tidak terkumpul di dalam badan. Oleh

itu, perlu diambil melalui pemakanan secara berterusan.

Vitamin

• Vitamin larut lemak: – Vitamin ini mempunyai rantai hidrokarbon panjang

atau cecincin yang tidak berkutub. Vitamin yang larut lemak adalah vitamin A, D, E dan K.

– Vitamin ini mempunyai fungsi yang sangat khusus. – Vitamin ini biasanya boleh terkumpul di dalam tisu,

oleh itu mudah digunakan walaupun tanpa pengambilan melalui makanan. Berbeza dengan vitamin yang larut air, kelebihan atau kekurangan vitamin jenis ini adalah merbahaya pada badan.

Vitamin

Vitamin

• Kekurangan vitamin boleh menyebabkan pelbagai penyakit. Contohnya:– Kekurangan Vitamin C: Penyakit Skurvi, iaitu

masalah gusi, pendarahan dan pembengkakan kaki.

– Kekurangan Vitamin A: Rabun malam, konjuntivitis dan buta.

– Kekurangan Vitamin D: Penyakit Rickett, iaitu mempunyai tulang yang lemah dan tidak berfungsi.

Mineral• 4% daripada tubuh manusia mengandungi mineral.• Mineral major adalah mineral yang diperlukan dalam

kuantiti yang banyak, manakala mineral minor diperlukan dalam kuantiti yang sangat sedikit.

• Mineral major: natrium, kalium, kalsium, fosforus, magnesium, mangan, sulfur, kobalt dan klorin.

• Mineral minor: besi (iron), zink, tembaga, selenium, iodin, florin dan kromium .

Mineral

• Mineral tidak boleh dihasilkan oleh badan, sebaliknya boleh diperolehi daripada pemakanan, iaitu daripada sumber air, tumbuhan dan haiwan.

• Keperluan harian terhadap mineral boleh diperolehi melalui diet yang seimbang.

• Pengambilan mineral secara berlebihan atau berkurangan juga boleh menyebabkan kesan toksik yang merbahaya.

Mineral

Air

• Air adalah medium bagi sebahagian besar tindak balas kimia, terutama di dalam sel dan di persekitaran organisma.

• Air mempunyai pelbagai ciri-ciri unik disebabkan oleh keunikan struktur molekul air.

• Air dibentuk daripada dua unsur, iaitu satu atom oksigen dan dua atom hidrogen yang terikat oleh ikatan kovalen.

• Satu molekul air juga boleh mengikat dengan molekul air yang lain melalui ikatan hidrogen.

Struktur kimia air• Ikatan kovelan adalah ikatan yang terbentuk apabila

dua atom berkongsi sepasang elektron.• Melalui perkongsian elektron ini, kekosongan yang

terdapat pada petala yang paling luar akan dapat dipenuhi. Rajah menunjukkan bagaimana perkongsian elektron berlaku bagi membentuk ikatan kovalen di dalam molekul air.

Struktur kimia air• Terdapat dua jenis ikatan kovalen, iaitu ikatan kovalen

berkutub dan ikatan kovalen tidak berkutub. • Air terbentuk daripada ikatan kovalen berkutub. • Ikatan kovalen berkutub terbentuk apabila atom-

atom yang terlibat tidak berkongsi elektron secara sama rata, iaitu salah satu atom mempunyai tarikan yang lebih kuat terhadap elektron.

• Molekul air (H2O) mempunyai ikatan kovalen yang berkutub kerana atom oksigen bercas separa negatif manakala atom hidrogen bercas separa positif.

Struktur kimia air• Ikatan hidrogen boleh menghubungkan satu molekul air

dengan molekul-molekul air yang lain. • Ikatan hidrogen merupakan ikatan yang lemah yang

menghubungkan dua molekul, iaitu di antara atom hidrogen pada satu molekul dengan atom lain yang bercas separa negatif pada molekul yang lain.

• Ikatan hidrogen sebenarnya terbentuk daripada tarikan cas-cas yang berlawanan. Oleh kerana ciri ikatan yang lemah, maka ikatan hidrogen lebih mudah terbentuk dan terurai berbanding ikatan kovalen dan ikatan ionik. Rajah menunjukkan ikatan hidrogen yang terbentuk di antara dua molekul air.

Ciri-ciri Kimia Air

• Air merupakan molekul yang sangat penting di dalam kehidupan. Semua organisma hidup bergantung kepada air dan tindak balas kimia yang berlaku dalam kehidupan sebahagian besarnya melibatkan air.

• Antara ciri-ciri kimia air yang penting dan unik adalah:– Pelarut universal– Daya lekitan dan daya lekatan– Air menstabilkan suhu– Ais kurang tumpat berbanding air– Pengionan air

Air sebagai pelarut universal

• Molekul air terbentuk daripada ikatan kovalen berkutub. • Pada satu molekul air, kedua-dua atom hidrogen

mempunyai cas separa positif, manakala atom oksigen pula mempunyai cas separa negatif.

• Oleh itu, atom hidrogen akan tertarik kepada atom-atom atau molekul-molekul yang bercas negatif, manakala atom oksigen akan tertarik kepada atom-atom atau molekul-molekul yang bercas positif.

• Sifat kekutuban inilah yang menjadikan air dikenali sebagai pelarut universal, iaitu berupaya melarutkan semua jenis bahan hidrofilik yang bercas (ionik) dan bahan yang berkutub.

Air sebagai pelarut universalBagaimana air melarutkan bahan yang bercas (ionik)?

• Air dapat melarutkan semua bahan yang bercas, contohnya garam natrium klorida (NaCl).

• Di dalam air, NaCl akan membebaskan ion bercas positif (Na+) dan ion bercas negatif (Cl-), manakala air akan membebaskan ion bercas positif iaitu ion hidrogen (H+) dan ion bercas negatif iaitu hidroksida (OH-).

• Daya tarikan antara cas positif kepada cas negatif akan melarutkan garam tersebut dengan menarik molekul-molekulnya untuk berpisah di antara satu sama lain.

• Rajah menunjukkan bagaimana air melarutkan NaCl.

Air sebagai pelarut universalBagaimana air melarutkan molekul organik yang berkutub?

• Satu molekul air mempunyai dua atom hidrogen yang bercas separa positif dan satu atom oksigen yang bercas separa negatif.

• Oleh itu, atom hidrogen ini boleh membentuk ikatan hidrogen dengan atom separa negatif pada molekul-molekul berkutub yang lain, manakala atom oksigen pada air boleh membentuk ikatan hidrogen dengan atom hidrogen pada molekul berkutub yang lain.

• Contoh bahan berkutub ini adalah gula seperti glukosa dan sukrosa. Rajah menunjukkan bagaimana air melarutkan molekul organik berkutub.

Mengapa air tidak melarutkan bahan-bahan tidak berkutub?

• Air tidak dapat membentuk ikatan hidrogen dengan molekul organik yang tidak berkutub.

• Selain itu, tiada daya tarikan antara cas positif kepada cas negatif wujud di antara molekul air dan bahan-bahan tidak berkutub.

• Contohnya, air tidak dapat melarutkan minyak.

Air sebagai pelarut universal

Air mempunyai daya lekitan dan daya lekatan

• Air mempunyai daya lekitan (cohesion) dan daya lekatan (adhesion). Ciri ini menyebabkan wujudnya ketegangan permukaan (surface tension).

• Daya lekitan: Daya yang wujud disebabkan oleh daya tarikan berterusan di antara molekul-molekul air yang menyebabkannya tidak dapat berpisah di antara satu sama lain. Ini disebabkan oleh ikatan-ikatan hidrogen yang terbentuk di antara molekul-molekul air. Rajah menunjukkan bagaimana ketegangan permukaan akibat daya lekitan ini membolehkan labah-labah boleh berjalan di atas permukaan air.

• Daya lekatan: Daya yang wujud disebabkan oleh daya tarikan berterusan di antara molekul air dengan molekul berkutub yang lain. Daya ini menyebabkan molekul air tidak dapat terpisah daripada molekul berkutub. Ini disebabkan oleh ikatan-ikatan hidrogen yang terbentuk di antara molekul air dan molekul berkutub tersebut.

• Kepentingan daya lekitan dan daya lekatan di dalam kehidupan:

– Pengambilan air daripada tanah oleh tumbuhan. Daya lekitan dan lekatan membolehkan air dibawa daripada akar ke daun melalui tisu xilem di dalam vaskular.

– Pelbagai nutrien dan bahan-bahan penting dapat diangkut ke seluruh badan melalui salur darah yang sempit dan kecil.

Air mempunyai daya lekitan dan daya lekatan

Air menstabilkan suhu

• Badan organisma dikawal atur pada julat suhu yang terhad.

• Sel tidak dapat menjalankan aktiviti biologinya dengan baik sekiranya terdapat penurunan atau peningkatan suhu yang keterlaluan.

• Air dapat menstabilkan kesan perubahan suhu.• Ciri ini membantu tubuh organisma kekal di dalam julat

suhunya. • Selain itu, air di lautan dan tasik besar dapat membantu

mensederhanakan perubahan suhu di kawasan daratan berdekatan.

Air menstabilkan suhu

• Ini adalah kerana air mempunya haba pendam yang tinggi, iaitu tenaga yang lebih tinggi diperlukan untuk meningkatkan suhu air berbanding cecair lain. Ini disebabkan air memerlukan lebih tenaga untuk memutuskan ikatan hidrogen di antara molekul-molekul air.

• Untuk menurunkan suhu air pula, lebih banyak tenaga perlu dibuang untuk membentuk ikatan hidrogen di antara molekul air. Oleh itu, air menyejuk atau membeku lebih lambat berbanding cecair lain dan dalam proses pembekuan ini, tenaga haba akan dibebaskan ke persekitaran.

Ais kurang tumpat berbanding air

• Pada suhu rendah iaitu di bawah 0oC, pergerakan molekul air adalah terhad kerana molekul air terikat dengan ikatan hidrogen antara satu sama lain dan ia terkunci di dalam bentuk kristal.

• Ini menyebabkan ais mempunyai ketumpatan yang lebih rendah berbanding air, dan membolehkannya terapung di atas permukaan air.

• Ciri ini sangat penting untuk membolehkan hidupan akuatik hidup di bawah tasik yang membeku semasa musim sejuk. Ais di permukaan tasik ini juga bertindak sebagai penebat haba.

Pengionan air

• Dalam bentuk cecair, molekul-molekul air terpisah kepada ion hidrogen (H+) dan ion hidroksida (OH-). Ion-ion ini boleh bergabung semula untuk membentuk air.

H2O ↔ H+ + OH- • Ion hidroksida mempunyai cas negatif kerana ia telah

menerima satu elektron daripada atom hidrogen, manakala apabila atom hidrogen ini kehilangan elektron, ia akan mempunyai cas positif.

• Air tulen mempunyai jumlah ion hidrogen dan ion hidroksida yang sama, iaitu mempunyai pH 7. Kebanyakan daripada molekul-molekul biologi berfungsi dengan baik pada julat pH tertentu sahaja.