2_interaksi lemah dalam lingkungan berpelarut air_2013

I N T E R A K S I L E M A H

D A L A M

L I N G K U N G A N

B E R P E L A R U T A I R

N y i M e k a r S a p t a r i n i

T i p e i n t e r a k s i

n o n - k o v a l e n

Sifat interaksi nonkovalen

� Memerlukan energi lebih kecil

untuk diputuskan dibanding ikatan

kovalen.

� Diperlukan untuk menjaga struktur

tiga dimensi makromolekul dantiga dimensi makromolekul dan

untuk menstabilkan asosiasi

spesifik antar makromolekul.

Charge-charge interactions

1 2

2

Vakum:

q qF k

r====

1 2

2

1 2

Dalam medium:

Energi interaksi:

q qF k

r

q qU k

r

εεεε

εεεε

====

====εεεε ( a i r ) = 8 0

εεεε ( o r g a n i k ) = 1 – 1 0

Ion-dipol interactions

r

q + q - Z +

2

ZU

r

µµµµ

εεεε

±±±±

====

Dipole-dipole interactions

S i d e b y s i d e :

rµµµµ 1 µµµµ 2

µ µµ µµ µµ µ++++

A l i g n e d :

µµµµ 1

µµµµ

r

µµµµ 1

µµµµ

r

1 2

3U

r

µ µµ µµ µµ µεεεε

++++====

rµµµµ 1 µµµµ 2

1 2

3U

r

µ µµ µµ µµ µεεεε

−−−−====

µµµµ 2

1 2

3

2U

r

µ µµ µµ µµ µεεεε

−−−−====

µµµµ 2

1 2

3

2U

r

µ µµ µµ µµ µεεεε

++++====

Interaksi van der Waals

� Molekul/atom nonpolar apabila berdekatan dengan ion, atau dipolpermanen dapat mengalami induksi menjadi dipol.

� Tanpa ada induksipun distribusi elektron terkadang tidak meratasehingga terbentuk dipol sesaat.

� Gaya tarik menarik antar dipol sesaat ini disebut gaya dispersiLondon.London.

Kekuatan gaya interaksi London

� Besarnya energi potensial tarik-menarik dispersi London tgt padaelektron yang dapat dipolarisasi dari atom-atom yang berinteraksi.

1 23IU

α αα αα αα α= −= −= −= −

kU = −= −= −= − m = 5 d a n 1 2

� I adalah energi ionisasi, α 1, α 2 adalah polarisabilitas dari tiap atom yang berinteraksi.

� Semakin dekat jarak antar atom semakin besar energi potensialtarik-menariknya. Tetapi apabila terlalu dekat, akan terjadi tolak-menolak antar awan elektron dari dua atom yang berinteraksi.

1 2

6

3

4L

IU

r

α αα αα αα α= −= −= −= − R m

Ur

= −= −= −= − m = 5 d a n 1 2

Energi van der Waals• Energi van der Waals =

penjumlahan gaya tarik-menarikantar atom (gaya dispersi London) dengan gaya tolak menolak antaratom.

Jari-jari van derWaals (rvdw) adalahjari-jari dimana total gaya pada dua atom sama dengan nol.

6vdw m

A BU

r r= −= −= −= −

• A dan B = tetapan gaya tolakdan gaya tarik, nilainya khasuntuk setiap pasangan interaksi .

sama dengan nol.

Jari-jari van der Waals

T i p e a t o m R v d w

( n m )

H ( a r o m a t i k ) 0 , 1 0

H ( a l i f a t i k )

O

N

C

S

0 , 1 2

0 , 1 5

0 , 1 6

0 , 1 7

0 , 1 8

Koefisien tolak menolak (A) dan tarik menarik (B) pd

persamaan potensial Lennard-Jones

Jari-jari van der Waals dan Kovalen

Donor dan aseptor ikatan hidrogen

Energi potensial ikatan hidrogen

� Energi potensial ikatanhidrogen (UHB)

C DU = −= −= −= −

� Tetapan C dan Dspesifik untuk pasangandonor dan aseptor

12 6HB

C DU

r r= −= −= −= −

Orientasi menentukan kekuatan ikatan

hidrogen

N

H

ω θ

D o n

2 4

Don...H...Acc H...Acc LP12 10

H...Acc H...Acc

cos cosHB

A CU

r rθ ωθ ωθ ωθ ω −−−−

= −= −= −= −

O

ω θ

A c c

P E R A N A N M O L E K U L

A I R D A L A M P R O S E S

B I O L O G I

S t r u k t u r a i r

H y d r o g e n b o n d n e t w o r k o f w a t e r s

S i f a t f i s i k a a i r

Struktur Es

• Dalam keadaanmembeku, molekul air membentuk maksimum 4 ikatan hidrogen, sehinggatercipta kisi kristal yang teratur.

• Dalam keadaan cair, • Dalam keadaan cair, jumlah ikatan hidrogenrata-rata adalah 3,4.

Interaksi molekul air dengan zat terlarut

I k a t a n h i d r o g e n I n t e r a k s i e l e k t r o s t a t i k

InteraksiInteraksi molekulmolekul air air ddggn n zatzat terlarutterlarut mengganggumengganggu jaringanjaringan ikatanikatan hidrogenhidrogen antarantar molekulmolekul

air, air, tetapitetapi gangguangangguan iniini dikompensasidikompensasi oleholeh pembentukanpembentukan ikatanikatan hidrogenhidrogen barubaru dengandengan zatzat

terlarutterlarut atauatau oleholeh pembentukanpembentukan interaksiinteraksi eletrostatikeletrostatik antaraantara ion ion dandan molekulmolekul airair..

I n t e r a k s i a i r d e n g a n

m o l e k u l n o n - p o l a r

� Gangguan molekul non-polar terhadapputusnya jaringan ikatan hidrogen tidakterkompensasi dengan pembentukanikatan baru. Oleh karena itu entalpipelarutan (∆ Hsol > 0).

� Pelarutan molekul non-polar jugamenurunkan entropi (∆ S < 0). Molekulmenurunkan entropi (∆ S < 0). Molekulair disekitar molekul non-polar akanmemaksimalkan ikatan hidrogennyamirip dengan struktur air. Struktur inidisebut “clathrate”.

Interaksi molekul air dgn molekul amfipatik

Amfipatik : senyawa yg mengandung gugus hidrofil &

hidrofob

Pembentukan misel

Motivasi pembentukan miseladalah menaikan kembali entropiair yang terkekang di sekitarbagian lipid yang nonpolar.

Alasan ini pula yang mendasariterbentuknya interaksi hidrofobik.

Kenaikan entropi air juga

menjadi pendorong

interaksi enzim dan

substrat.substrat.

Interaksi antar makroion dalam larutan

� Polielektrolit seperti DNA atau poliamfolit sepertiprotein mrp makroion.

� Jarak dimana dua makroion dapat salingberinteraksi diberikan oleh persamaan Debye Huckel

� K = tetapan yang bergantung pada tetapandielektrik medium dan I = kekuatan ion.

I = ½∑ MiZi2

� Mi = konsentrasi ion; Zi = muatan ion

1/2

KrI

====

Kebergantungan muatan makroion thd pH

Makroion dalam larutan garam

Efek kekuatan ion pd kelarutan makroion

• Konsentrasi ion rendah� kerapatan atmosfer

counterion rendah � interaksi elektrostatik

antar makroion kuat � asosiasi makroion �

kelarutan rendah.

• ↑ konsentrasi ion� ↑ kerapatan atmosfer

counter ion� interaksi elektrostatik teredam�

agregasi dicegah � ↑ kelarutan (Salting in)

• Konsentrasi garam sangat tinggi� air untuk• Konsentrasi garam sangat tinggi� air untuk

mensolvasi protein diambil untuk menghidrasi

counterion� protein mengendap (salting out)

• Manfaat: pemisahan protein dgn fraksinasi

amonium sulfat.

A i r s b g r e a k t a n

T U G A S ( 5 o r g )( d i k u m p u l k a n s e s u a i j a d w a l k u l i a h )

1 . A p a k a h p r o p a n a m e m b e n t u k i n t e r a k s i d i p o l e -d i p o l d e n g a n m o l e k u l m e t a n l a i n n y a ?

2 . H i t u n g e n e r g i p o t e n s i a l d a r i i n t e r a k s i d i p o l e -d i p o l a n t a r a d u a m o l e k u l H F y a n g b e r o r i e n t a s is e p a n j a n g a k s i s x p a d a k o o r d i n a t X Y , d i m a n ad a e r a h b e r m u a t a n p o s i t i f d i p i s a h k a n o l e h 5 , 0 Å d a r i d a e r a h b e r m u a t a n n e g a t i f p a d a m o l e k u ly a n g b e r d e k a t a n !y a n g b e r d e k a t a n !

C a t a t a n : m o m e n d i p o l e m o l e k u l H F ( µ ) d a r i t a b e la d a l a h 1 , 9 2 D . D i a s u m s i k a n m o l e k u l a d a d a l a mv a k u m , m a k a

3 . D u a m o l e k u l y a n g d i p i s a h k a n o l e h j a r a k 3 , 0 Å k e t i k a m e m i l i k i n i l a i 4 , 1 0 Å . P e n u r u n a n j a r a ka n t a r a k e d u a m o l e k u l m e n j a d i 2 , 0 Å , m a k ap o t e n s i a l i n t e r m o l e k u l a n t a r a m o l e k u l m e n j a d il e b i h n e g a t i f . J e l a s k a n a p a k a h m o l e k u l i n im e n g i k u t i p o t e n s i a l L e n n a r d - J o n e s a t a u t i d a k !