bab 2. air & ph
TRANSCRIPT
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 1/9
Peter
J.
Kennelly,
PhD
&
Victor
\N.
Rodwell,
PhD
PERAN BIOMEDIS
Air
adalah
komponen
kimia
utama
pada organisme hidup.
Sifat fisiknya
yang
unik
yang
mencakup kemampuan
untuk
melarutkan
berbagai
molekul
organik
dan anorganik,
berasal
dari struktur
dipolar air
dan
kemampuannya
yang
luar
biasa
untuk
membentuk
ikatan hidrogen.
Cara air
berinteraksi
dengan suatu
biomolekul
terlarut memengaruhi
struktur masing-masing.
Air,
suatu
nukleofil yang
sangar
baik
adalah
suatu reaktan atau
produk dalam banyak
reaksi
metabolik.
Air
memiliki sedikit
kecenderungan
untuk
terdisosiasi
(terurai)
menjadi
ion
hidroksida
dan
proton.
Keasaman
suatu
larutan
air
umumnya
disebutkan
dengan
menggunakan
skala pH
logaritmik.
Dalam keadaan normai,
bikarbonat dan
penyangga
lain
mempertahankan
pH cairan
ekstrasel antara
7
,35
sampai
7
,45.
Kecurigaan
akan
adanya
ketidakseimbangan
asam-basa dipastikan
dengan
mengukur
pH darah arteri
dan
kandungan
CO,
darah
vena.
Penyebab
asidosis
(pH
darah
<7,35)
antaralain
adalah ketosis
diabetik
dan asidosis
laktat. Aikalosis
(pH
>7,45)
dapat
terjadi,
misalnya
setelah muntah-muntah
yang
mengeiuarkan
isi
lambung yang
asam. Pengendalian keseimbangan air
bergantung pada mekanisme-mekanisme
hipotalamus
yang
mengontrol
rasa
haus, pada hormon
antidiuretik
(ADH),
pada
retensi
atau ekskresi air
oleh
ginjal, dan pada
pengeluaran
melalui
penguapan.
Diabetes insipidus
nefrogenik,
yaitu
ketidakmampuan
memekatkan
urine atau menyesuaikan
tubuh
dengan
perubahan-perubahan ringan
dalam
osmolaritas
cairan
ekstrasel,
terjadi
karena
osmoresepror
tubulus
ginjal
tidak
berespons terhadap ADH.
AIR ADATAH
PELARUT BIOLOGIS
IDEAT
Molekul Air Membentuk
Dipol
Molekul
air adalah
tetrahedron iregular yang sedikit
miring
dengan oksigen yang
terletak
di tengahnya
(Gambar
2-1).
Kedua atom hidrogen
dan elektron-elektron
bebas
dari
dua
orbital
terhibridisasi-g3
yang
tersisa
menempati
sudut-sudut
tetrahedron.
Sudut
105
derajat
antara hidrogen-hidrogen
ini hanya
sedikit
berbeda
dari
sudut
tetrahedral ideal
(109,5
derajat). Amonia
juga
merupakan
tetrahedral dengan sudut
107
deralat antara
atom-atom hidrogennya.
Air
adalah suatu
dipol,
yaitu
sebuah
molekul dengan
muatan
listrik yang
tersebar asimetris
mengelilingi
strukturnya. Atom oksigen
yang
sangat eiektronegatif
menarik elektron menjauhi
nukleus hidrogen,
dan meninggalkan
nukleus
tersebut
dengan
muatan
positif
parsial,
sementara dua pasangan
elektron
bebas membentuk
suatu regio
dengan
muatan
negatiflokal.
Air,
suatu
dipol
kuat, memiliki konstanta
dielektrik
yang
tinggi.
Seperti
dijelaskan
secara
kuantitatif oleh
hukum
Coulomb,
kekuatan
interaksi F
antara
partikel-
partikel
dengan
muatan
yang
berlawanan,
berbanding
terbalik
dengan
konstanta
dielektrik
e
medium
sekitarnya.
Konstanta
dielektrik
untuk vakum
adalah
satu;
untuk
heksana, konstantanya
adalah 1,9;
etanol24,3;
dan au
78,5.
Oleh
karena
itu, air sangat mengurangi
gaya
tarik
antara
spesies
bermuatan
dan
polar
secara
relatif
dibandingkan
lingkungan
bebas-air dengan konstanta
dielektrik
yang lebih
rendah.
Konstanta
dielektrik
yang
tinggi dan
dipol yang
kuat
memungkinkan air melarutkan
sejumlah besar senyawa
bermuatan
seperti garam.
Molekul
Air Membentuk
lkqfon Hidrogen
Nukleus
hidrogen
yang
tidak berpelindung
dan
secara
kovalen
berikatan dengan
atom nitrogen atau
oksigen
penarik-
elektron
dapat berinteraksi dengan
pasangan
elektron
bebas
di
atom nitrogen
atau oksigen lain
untuk
membentuk ikatan
hidrogen.
Karena
molekul
air
mengandung kedua
fitur
ini,
pembentukan ikatan
hidrogen
cenderung
menyebabkan
moiekul-molekul
air
saling berikatan
membentuk
susunan
teratur
(Gambar
2-2).Ikatan
hidrogen
sangat
memengaruhi
sifat
fisik
air
dan
menjadi
penyebab
tingginya
viskositas,
tegangan permukaan,
dan
titik
didih
air.
Secara rata-rata,
satu
molekul dalam air cair berikatan melalui ikatan hidrogen
dengan
3,5
molekui lain.
Ikatan-ikatan
ini
relatif
lemah
dan
sementara,
dengan waktu-paruh
sekitar
satu
mikrodetik.
Putusnya
ikatan hidrogen
dalam air
cair hanya memerlukan
kira-kira 4,5 kkal/mol,
yaitu kurang
dari
5o/o
energi
yang
diperlukan untuk
memutuskan
ikatan kovalen O-H.
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 2/9
6
/
BAB
2:
AIR
&
pH
Gambar
2-1.
Molekul
air
memiliki
geometri
tetrahedral.
Ikatan hidrogen
memungkinkan
air
melarutkan
banyak
biomolekul
organik
yang
mengandung
gugus
fungsional
yang
dapat
ikut serta
dalam
pembentukan
ikatan
hidrogen.
Atom-atom
oksigen
pada
aldehida,
keton, dan
amida
memberikan
pasangan
elektron
yang
dapat
berfungsi
sebagai
akseptor
hidrogen.
Alkohol
dan
amina dapat
berfungsi
sebagai
alseptor
hidrogen
maupun donor atom
hidrogen
tak-berpelindung
untuk
membentuk
ikatan
hidrogen
(Gambar
2-3).
INTERAKSI
DENGAN
AIR
MEMENGARUHI
STRUKTUR
BIOMOLEKUT
lkoton
Kovqlen
&
Nonkovqlen
Mensrqbilkqn
Molekul
Biologis
Ikatan
kovalen
adalah gaya
terkuat
yang
menyatukan
molekul-molekul
(Tabel
2-1).
Gaya
nonkovalen,
rneskipun
kekuatannya
lebih
kecil,
memberi
kontribusi
bermakna
bagi struktut
stabilitas,
dan
kompetensi
fungsional
makromolekul
dalam
sel
hidup.
Gaya-gaya
ini
yang
dapat
bersifat
menarik
atau
menolak,
melibatkan
interaksi
baik
di
dalam
biomoiekul
maupun
antara
biomolekul
dan
air
yang
membentuk
komponen
utama
lingkungan
sekitar.
Biomolekul
Mengolomi
Peliporon
untuk
Menempotkon
Gugus
Polor
&
Bermuolqn
podo Permukoonnyo
Sebagian
besar
biomolekul
bersifat
amfifatik;
yaitu
molekul
ini
memiliki
bagian-bagian
yang
kaya akan gugus
F(
,11
'o'
Gamhar
2-2.
Kiri:
lkatan
antara
dua
molekul
air dipolar
melalui
ikatan hidrogen
(garis
terputus).
Kanan:
Kelompok
yang
terdiri dari
empat
molekul
air
yang
disatukan
oleh
ikatan
hidrogen'
Perhatikan
bahwa
air
dapat
berfungsi
sebagai
donor
hidrogen
sekaligus
akseptor
hidrogen.
H
I
U
{
HH
VH
I
u-ol
H.
O'
)oHl t
."/
I
no_
-H
cH3-cH?-o@
H
cH3-cHr-o@
cH?
*cH"
RRfr
\---'.-..-./
,"ffiEf
*t
RI
RNL
Gambar
2-3.Cugus
polar Iain
ikut
serta
dalam
pembentukan
ikatan
hidrogen.
Tampak
ikatan
hidrogen
terbentuk
antara
alkohol
dan
air,
antara
dua
molekul
etanol,
dan
antara
oksigen
karbonil
peptida
dan
hidrogen
nitrogen
peptida
dari
asam
amino
di
dekatnya
fungsional
polar
atau
bermuatan
serta
bagian-bagian
dengan
sifat
hidrofobik.
Protein
cenderung
mengalami
pelipatan
(folding) dengan gugus-R
asam
amino
dengan
,"nt"i
,rr.riirrg
hidrofobik
yang
terletak
di
interior.
fuam-
asam
amino
dengan
rantai
samping
polar
atau bermuatan
(mis.
arginin,
glutamat,
serin)
umumnya
terdapat
pada
permukaan
yang berkontak
dengan
air.
Pola
serupa
banyak
dit.*rrk"r,
di
lapisan-ganda
(bilayer)
fosfolipid,
yaitu
tempat
gugus-gugus
pangkal
bermuatan
dari
fosfatidil
serin
atau
fosfatidil
etanolamin
berkontak
dengan
air
sementara
rantai
samping
asil
lemak
hidrofobik
bergerombol
dan tidak
mengandung
air.
Pola
ini
memai<simalkan
kesempatan
.rntut terb.ntuknya
interaksi
muatan-dipol,
dipol-dipol'
dan
ikatan
hidrogen
antara gugus
polar
biomolekul
dan
air'
Pola
ini
juga
meminimalkan
kontak
antara
air
dan
gugus
hidrofobik.
lnferoksi
Hidrofobik
Interaksi
hidrofobik
merujuk
pada
kecenderungan
senyawa-
senyawa
nonpolar
untuk
berikatan
sendiri
dalam
lingkungan
cair.
Pembentukan
ikatan
ini
bukan
didorong
oleh
gaya
tarik
bersama
atau
oleh
ap^
yar'g
kadang-kadang
disebut
sebagai
"ikatan
hidrofobik'.
Pembentukan
ikataa
sendiri
ini
terjadi
karena
kebutuhan
untuk
meminimalkan
interaksi
yang
secara
energetis
kurang
menguntungkan'
antara
gugus
nonpolar
dan
air.
Sementara
hidrogen
pada
gugus
nonpolar
seperti
gugus
metilen
hidrokarbon
tidak
membentuk
ikatan
hidrogen,
hidrogen
tersebut
memengaruhi
struktur
air
yang
mengelilinginya.
Molekul
ait yang
terletak
dekat
dengan
gugus
hidrofobik
mengalami
restriksi
dalam
jumlah
orientasinya
(derajat
kebebasan,
degrea
of
iieed'om)
yang
memungkinkan
molekul
tersebut
ikut
serta
secara
malsimal
dalam
membentuk
ikatan
hidrogen.
Pembentukan
maksimal
ikatan
hidrogen
dalam
jumlah
banyak
hanya
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 3/9
Tabel
2-1.
Energi
ikatan
untuk
atom yang
penting
secara
biologis.
dapat
dipertahankan
dengan
meningkatkan
ordo
molekul
air sekitar,
disertai
penurunan
enrropi.
Berdasarkan
hukum
kedua
termodinamika,
energi
bebas
optimal
campuran
hidrokarbon-air
adalah
fungsi
dari entalpi
(dari
ikatan hidrogen)
maksimum
dan entropi
(derajat
kebebasan
maksimai)
minimum.
Oleh karena
itu,
molekul nonpolar
cenderung
membentuk
butiran
dengan
luas
permukaan
paparan
yang
minimal
sehingga
mengurangi
jumlah
molekul
air yang
terkena. Dengan
alasan
yang
sama,
bagian
hidrofobik
biopolimer
di
dalam
lingl<ungan
air
sel hidup,
cenderung
rertanam
di bagian
dalam
struirtur
molekul,
atau
di dalam lapisan-ganda
lipid
sehingga
kontak
dengan
air menjadi
minimal.
lnterqksi
Elekrrosrorik
Interaksi
anrara
gugus,gugus
bermuatan
membantu
membentuk
struktur
biomolekul.
Interaksi
elektrostatik
antara
gugus dengan muaran
yang berlawanan
di
dalam
atau
di antara
biomolekul
disebut
jembaran
garam
(sah
bridge).
Jembatan
garam
memiliki
kekuatan
setara
dengan ikatan
hidrogen
tetapi
bekerja
dalam
jarak
yang
lebih
jauh.
Karena
itu,
ikatan
ini
sering mempermudah
pengikatan
molekul
bermuatan
atau
ion
ke
protein
dan
asam nukleat.
Goyo von
der Wools
Gaya
van
der \7aals
terbentuk
oleh
interaksi
antara
dipol-
dipol
transien
yang dihasilkan
oleh
gerakan cepar
elektron
di
semua atom netral.
Gaya
van
der \7aals
yang lebih
lemah
secara
bermakna
daripada ikatan
hidrogen
tetapi
berpotensi
berjumlah
sangat
banyak, menurun
sebanyak
pangkat
enam
jarak
yang memisahkan
arom,atom.
Oleh karena itu,
gaya
ini
bekerja
pada
jarak
pendek, biasanya 24
A.
Berbogoi
Goyo Mensrobilkqn
Biomolekul
Heliks
ganda
DNA
melukiskan
kontribusi
berbagai
gaya
bagi
struktur
biomolekul.
Semenrara
masing-masing
unrai
DNA
BAB
2:
AIR
&
pH
disatukan
oleh
ikatan
kovalen,
dua
untai
heliks
disatukan
secara
ekskiusif
oleh interaksi
nonkovalen.
Interaksi
nonkovalen
ini rnencakup
ikatan
hidrogen
anrara
basa-basa
nukleotida
(pembentukan
pasangan
basa Watson-Crick)
dan interaksi
van
der \Vaa.ls
antara
tumpukan
basa pulin
dan
pirimidin.
Heliks
menyajikan gugus
fosfat
bermuatan
dan
gula
ribosa
polar
pada
"tulang
punggung"
DNA ke
air,
sementara
mengubur
basa nukleotida
yang
relatif
hidrofobik
di bagian
dalam. TLlang
punggung
yang memanjang
ini
memaksimalkan
jarak
antara fosfat-fosfat
tulang punggung
yang bermuatan
negatif,,
sehingga
meminimalkan
interaksi
elektrostatik
yang kurang
menguntungkan.
AIR ADATAH
NUKLEOFIT
YANG
SANGAT
BAIK
Reaksi metabolik
sering
melibatkan
serangan
oleh
pasangan
elektron
pada
molekul
kaya-elektron
yang
dinamai
nukleofil
atau
atom miskin-elektron
yang disebut
elektrofil.
Nukleofil
dan elektrofii
tidak
harus
memiliki
muaran
negatif
atau
positif
formal. Air
yang
dua pasangan elektron
spt-nya
memiliki
muatan
negatif
parsial adalah suatu
nukleofil
yang
sangat baik. Nukleofil
lain
yang
penting
secara
biologis
adalah
atom
oksigen
fosfat,
alkohol,
dan asam karboksilat;
sulfur
tiol; nitrogen
amin;
dan cincin imidazol histidin.
Elektrofil yang
sering
dijumpai
antara
lain
adalah karbon
karbonil
pada
amida, ester,
aldehida,
dan keton
sema arom
fosfor
pada
fosfoester.
Serangan
nukleofilik
oleh
air
umumnya
menyebabkan
putusnya
ikatan
amida,
glikosida,
atau ester
yang
me
nyatukan
biopolimer.
Proses
ini
disebut
hidrolisis.
Sebaliknya,
jika
unit-unit
monomer
disatukan untuk membentuk
biopolimer,
seperti
protein atau
glikogen,
air
menjadi
produknya, seperti
diperiihatkan
di
bawah
untuk
pembentukan
ikatan peptida
antara
dua
asam
amino.
'N'N-
A ,=--__
Y )
cn*s
l-ril-r
l-1
Aranin
*f
"
Valin
I
lt
"o
'r"n*fu
i1
\-\"
r3
Sementara
hidrolisis
adalah suatu reaksi
yang secara rer-
modinamis
menguntungkan,
ikatan
fosfoester
dan
amida
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 4/9
/
SAB
2:AlR
&
pH
pada
polipeptida
dan
oligonukleotida
bersifat
stabil
dalam
ii.tgk.t.rg".t
cair
sel.
Perilaku
yang
tampak
paradoks
ini
mencerminkan
kenyataan
bahwa
te
rmodinamikayang
meng-
atur
keseimbangan
suatu
reaksi
tidak
menentukan
laju
reaksi
yang akan
berlangsung.
Di
sel,
katalis
protein
yang
disebut
enzim
mempercepat
laju
reaksi
hidrolisis
jika
diperlukan'
Protease
mengatalisis
hidrolisis
protein
menjadi
komponen-
komponennya,
yaitu
asam-asam
amino,
sementara
nuklease
mengatalisis
hidrolisis
ikatan
fosfoester
di
DNA
dan
RNA'
Aktivitas
enzim-enzim
ini
perlu
diatur
secara
cermat
untuk
memastikan
bahwa
enzim-enzim
tersebut
bekerja
hanya
pada
molekul
sasaran
yang tepat
pada
saat
yang tePat.
Bonyok
Reoksi
Merqbolik
Melibotkqn
Pemindohqn
Gugus
Pada
reaksi
pemindahan
gugus,
sebuah
gugus
G dipindahkan
dari donor
D
ke
akseptor
A yang
membentuk
suatu
kompleks
gugus
akseptor
A-G:
D-G+AeA-G+D
Hidrolisis
dan
fosforolisis
glikogen,
yaitu
gugus
glukosil
dipindahkan
ke air
atau
ke
ortofosfat
adalah
contoh
reaksi
pemindahan
gugus.
Konstanta
keseimbangan
untuk
hidrolisis
ikatan
kovalen
sangat
menguntungkan
pembentukan
produk-produk
penguraian.
Biosintesis
makromolekul
juga
melibatkan
reaksi
pemindahan
gugus,
yaitu
pembentukan
ikatan
kovalen
yang
secara
termodinamis
kurang
menguntungkan
dipadukan
dengan
reaksi-reaksi
yang
-..rgunt.r.tgkan
sehingga
perubahan
keseluruhan
dalam
energi
tebas
menguntungkan pembentukan biopolimer'
Dengan
sifat
air
yang
nukleofilik
dan
konsentrasinya
yang
tinggi
di
dalam
sel,
mengaPa
biopolimer
seperti
protein
dan
DNA
relatif
stabil?
Dan
bagaimana
sintesis
biopolimer
dapat
terjadi
dalam
lingkungan
air?
Yang
pokokdari
dua
pertanyaan
ini
adalah
sifat
enzim.
Thnpa
adanya
katalisis
enzim,
bahkan
reaksi yang
secara
termodinamis
menguntungkan
belum
pasti
berlangsung
cePat.
Kontrol
yang
tepat
dan
diferensial
atas aktivitas
enzim
serta
pemisahan
enzim
di
organel-organel
tertentu
menentukan
dalam
kondisi
fisiologis
apa
suatu
biopolimer
akan
dibentuk
atau
diuraikan.
Polimer
yang
baru
dibentuk
tidak
segera
mengalami
hidrolisis,
sebagian
karena
bagian
aktif
enzim-enzim
biosintetik
memisahkan
substrat
dalam
suatu
lingkungan
yang
tidak
mengandung
air'
Molekul
Air
Memperliholkqn
Kecenderungqn
Disosiqsi
yqng
Ringon,
Ieropi
Penfing
Kemampuan
air
untuk
mengalami
ionisasi,
meskipun
sedikit,
,".rg",
penting
bagi
kehidupan.
Karena
air
dapat
bekerja
sebagai
suatu
asam
atau
basa,
ionisasinya
dapat
direpresentasikan
sebagai
suatu
pemindahan
Proton
antarmolekul
yang
membentuk
sebuah
ion
hidronium
(HrO,
dan
sebuah
ion
hidroksida
(OH-)
HrO+HTOCHTO*+OH-
Proton
yang
dipindahkan
sebenarnya
berikatan
dengan
sekelompok
molekul
,air.
Proton
terdapat
dalam
larutan
tidak
saja
sebagai
HrO-,
tetapi
juga
sebagai
multimer,
misalnya
HrOr-
dan HrOr-.
Bagaimanapun,
proton
secara
rutin
dituliskan
sebagai
H-
meskipun
pada
kenyataannya
sangat
mengalami
hidrasi-
Karena
ion
hidronium
dan
hidroksida
secara
terus
menerus
kembali
menyatu
membentuk
molekul
air,
hidrogen
atau
oksigen
i
n di
u i du
a
I tidakdapat
dinyatakan
berada
sebagai
sebuah
ion
atau
sebagai
bagian
dari
molekul
air' Pada
suatu
saat
ia adalah
suatu
ion; sesaat
kemudian
ia
adalah
bagian
dari
suatu
molekul. Oleh
karena
itu, ion
atau
molekul individual
tidak
diperhitungkan.
Kita
merujuk
pada
pro babilitas
6ahwa
p"d"
seti"p
saat sebuah
hidrogen
akan
berada
dalam
bentuk
ion
atau
sebagai
bagian
dari
molekul
air.
Karena
1 gram
air
mengandung
3,46
x
1022
molekul,
ionisasi
air
dapat
di.ielaskan
secara
statistik.
Untuk
menyatakan
probabilitas
bahwa
sebuah
hidrogen
berada
dalam
bentuk
ion
adalah
0,01
sama
artinya
dengan
mengatakan
bahwa
pada
setiap
saat,
sebuah
atom
hidrogen
memiiiki
kemungkinan
1 dari 100
untuk
menjadi ion
dan
kemungkinan
99
dari
100
sebagai
bagian
dari
sebuah
molekul
air.
Probabilitas
sebenarnya
dari
..f,.r"h
atom
hidrogen
dalam
air
murni
berada
dalam
bentuk
ion
hidrogen
adalah
sekitar
1,8
x
10-e.
Oleh
karena
itu'
probabilitas atom
itu
sebagai
bagian
dari
molekul
air
hampir
mendekati
satu.
Dengan
kata
lain,
untuk
setiap
ion
hidrogen
dan
ion
hidroksida
dalam
air
murni,
terdapat
1,8 milyar
atau
1,8
x
10e
molekul
air.
Bagaimanapun,
ion
hidrogen
dan
ion
hidrolaida
berperan
signifikan
menentukan
sifat
air'
Untuk
disosiasi
(Penguraian)
air,
z
-
lH'IIOH
I
r\
_
IH2ol
tanda
kurung
menyatakan
konsentrasi
molar
(secara
lebih
tepat,
aktivitas
molar)
dan
K
adalah
konstanta
disosiasi'
K*r"r,"
1 mol
air memiliki
berat
18
gram'
I
liter
(L)
(1000
g)
air
mengandung
1000
*
18
=
55,56
mol
Oleh
karena
it,r,
"i,
murni
adalah
55,56
molar-
Karena
probabilitas
bahwa
sebuah
hidrogen
dalam
air
murni
akan
berada
dalam
bentuk
ion
hidrogen
adalah
1,8
x
10-e,
konsentrasi
molar
ion
H.
(atau
ion
OH
)
dalam
air
murni
adalah
hasil
dari
probabilitas,
1,8
x 10'e,
dikali
dengan
konsentrasi
molar
air'
55,56
mollL.
Hasilnya
adalah
1,0
x 10'7
mol/L'
Kita sekarang
dapat
menghitung
Kuntuk
air
murni:
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 5/9
,
lH ltoH
I
11o
lllo
l
lH,ol
[55,56]
=
0,018
x.l
0.''o
=
1,8
x
10
'umol/L
Konsentrasi
molar air,
yaitt
55,56
mol/L,
terlalu
besar
untuk
dapat
dipengaruhi
secara
bermakna
oleh
disosiasi.
Oleh
karena
itu,
konsentrasi
tersebut
dianggap
konstan.
Jadi,
konstanta
ini
dapat
dimasukkan
ke
dalam
konstanra
disosiasi
K
untuk menghasilkan
suatu
konsranta
baru
K.
yang
disebut
produk ion
untuk air.
Hubunga
n
^n
^r^
Ii.,
dan
Kdiperlihatkan
di bawah:
K
-
tH..]lgH
I
=
r,Bxro'"mol/L
,
[H,O]
K*
=
(K)[H,O]=
[H']tOH-l
=
(1,8
x
10
'umoli
LX55,56mol/L)
=1,00x10'*(mol/L),
Perhatikan
bahwa
dimensi
K adalah
mol
per
liter
dan
dimensi
K
adalah
mol2
per liter2.
Seperti
diisyaratkan
oleh
namanya,
produk ion
K
secara numeris
setara
dengan hasil
kali
konsentrasi
molar
H-
dan OH
:
K*
=
[Hl
[OH.]
Pada25
"C,
4
=
00,)',
atau
10-1a
(mol/L)r.
pada
suhu
di
bawah
25
"C,
konstanta
ini
sedikit iebih
kecil
daripada
10'ra,
dan
pada
suhu
di atas 25
"C
angkanya
lebih
besar
daripada
10-'4. Dalam
batas-batas
efek
suhu,
If
setara
dengan
l0-ra
(mollL)z
untuk
semua
larutan
dalam
air, bahkan
larutan
asam
atau
basa. Kita
menggunakan
K
untuk
menghitung
pH larutan
asam
dan
basa.
PH
ADATAH
tOG
NEGAT|F
KONSENTRASI
ION
HIDROGEN
Istilah
pH
diperkenalkan
pada tahun
1909
oleh
Scirensen,
yang
mendefinisikan
pH sebagai
log
negatifdari
konsentrasi
ion
hidrogen:
pU
=
_log
[H.J
Definisi
ini,
meskipun
tidak
ketat,
cukup
untuk
banyak
kepentingan
biokimia.
Untuk
menghitung
pH
laruran:
1.
Hitung
konsentrasi
ion hidrogen
[H-]
2.
Hitung
logaritma
berbasis
l0
dari
fH-l
3.
pH
adalah
nilai
negatif
dari
angka
yang
ditemukan
di tahap
2.
Contohnya,
untuk
air murni
pada 25
,,(1,
pH
=
-
log
IH.l
=
-log
10'
=
-(-7)
=
7,O
Nilai
ini
juga
dikenal
sebagai pouer
(Inggris),
puissant
(pe-
rancis),
atau
potennz
(Jerman)
dari
pangkat
sehingga
digu-
nakan
huruf"p".
BAB
2: AIR
&
pH
Niiai
pH
yang rendah
sesuai
dengan
konsenrrasi
H- yang
tinggi
dan nilai
pH
yang
tinggi
sesuai
dengan
konsentrasi
H-
yang
rendah.
Asam
adalah
donor
proton
dan
basa adalah
alseptor
proton.
Asam
kuat
(mis.
HCl,
HrSO4)
mengalami
disosiasi
sempurna
menjadi anion
dan
kation
bahkan dalam larutan
asam
kuat
(pH
rendah).
Asam
lemah
hanya
mengalami
disosiasi
parsial
dalam
larutan
asam,
Demikian
juga,
basa
kuat
(mis.
KOH,
NaOH)-tetapi
bukan
basa
lemah
(mis.
Ca[OH]r)-mengalami
disosiasi
sempurna
pada
pH tinggi.
Banyak
bahan
biokimia
bersifat
asam
lemah.
pengecualian
antara
lain
adalah
zavzar
antara yang
terfosforilasi,
yang
gugus
fosforilnya mengandung
dua
proron
yang
dapat
mengalami
disosiasi,
dengan
proron
perrama
yang
bersifat
sangat
asam.
Contoh-contoh
berikut
menggambarkan
bagaimana
cara
menghitung
pH larutan
asam
dan
basa.
Contob
1..
Berapa
pH
sebuah
larutan
yang
konsentrasi
ion
hidrogennya
adalah
3,2
x
10
a
mol/L?
pH
=
_log
[H.J
=
-log
3,2
x
1
0'4)
=
-logG,2)
-
log
(104)
=
-0,5
+ 4,0
=
3r5
Contoh
2:
Berapa
pH sebuah
larutan
yang
konsentrasi
ion hidrolaidanya
adalah
4,0 x
l\-a mol/L? Kita
mula-mula
mendefinisikan
kuantitas
pOH
yang
setara
dengan
-log
[OH
]
dan
yang
dapat
berasal
dari
definisi K:
Karena
itu:
K*=[H-][OH]=19-t+
log
[H.1
+
log
tOH I
=
log 10'a
pH +
pOH
=
14
Untuk
memecahkan
soal
dengan
pendekatan
ini:
IOHI
=4,Ox1O-4
poH
=trjry;',3,',,'0,,
3,4
Kini:
pH
=1a-pOH-14-3,4
_
-l0,6
Contoh
3:
Berapa
nilai
pH
dari
(a)
2,0
x
102
mollL
KOH
dan
(b)
2,0 x 10-6
mol/L KOH?
OH
berasal
dari dua
sumber,
KOH
dan
air. Kirena
pH ditentukan
oleh
[H.]
total
(dan
pOH oleh
[OH']
total),
kedua
sumber
perlu
diperhitungkan.
Pada
kasus pertama
(a),
kontribusi
air
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 6/9
tO
/
BAB2:AlR&pH
untuk
IOH
]
total
dapat diabaikan.
Hal
yang
sama
tidak
dapat
diterapkan
untuk kasus
kedua
(b):
Jika
telah dicapai
keputusan
tentang
makna kontribusi
oleh
air,
pH
dapat dihitung
seperti di
atas.
Contoh-contoh
di atas
menganggap
bahwa
basa
kuat
KOH
mengalami
disosiasi
sempurna
dalam
larutan dan
bahwa
konsentrasi
ion OH-
karenanya setara dengan
kon-
sentrasi KOH plus
yang semula
terdapat
di
air.
Anggapan
ini
berlaku
untuk
larutan encer
basa atau
asam
kuat, tetapi
tidak
untuk
asam
atau basa
lemah.
Karena
elektrolit
lemah
hanya
sedikit
berdisosiasi
dalam
larutan,
kita harus
menggunakan
konstanta disosiasi
untuk
menghitung
konsentrasi
[H.]
(atau
[OH])
y""g
dihasilkan
oleh
molaritas
tertentu asam
(atau
basa)
lemah
sebelum
menghitung
[Hl
total
(atau
[OH']
total)
dan
kemudian
pH.
Gugus
Fungsionol
yong Merupokon
Asqm
Lemoh
Memiliki
Moknq
Fisiologis
Penting
Banyak
zat biokimia
memiliki
gugus
fungsional
yang
merupakan asam
atau basa
lemah. Gugus
karboksil,
gugus
amino, dan
ester
fosfat, yang disosiasi
keduanya
berada
dalam
rentang
fisiologis, terdapat
dalam protein
dan asam
nukleat,
sebagian
besar
koenzim,
dan
kebanyakan metabolit
zat
antara.
Oleh
karena
itu,
pengetahuan
tentang
disosiasi
asam
dan
basa
lemah
men.iadi dasar
untuk
memahami pengaruh
pH
intrasei
pada
struktur
dan aktivitas
biologis.
Pemisahan
berdasarkan
muatan
(mis.
elektroforesis
dan
kromatografi
pertukaran
ion)
juga
paling
baik
jika
dipahami dari
aspek
perilaku disosiasi
gugus-gugus
fungsional.
Kita menyebut
spesies
berproton
(mis.
FIA
atau
R-
NHo-) sebagai
asam
dan
spesies
tidak
berproton
(mis'
A'
atau
R-NH') sebagai
basa
konjugatnya.
Demikian
juga,
-kita
dapat
menyebut
suatu basa
(mis.
A
atau
R-NH,)
dan asam
konjugatnya
(mis.
FIA
atau
R-NH..).
Contoh
asam lemah
(kiri),
basa
konjugatnya
(tengah),
dan
nilai
pK-
nya
(kanan)
antara
lain
adalah:
R-CHr-COOH
R-CH2-NH3-
H2CO3
HrPo;
R-CHr-COO-
pK"=
4-5
R-CHr-NH2
pK
=
9-10
HCO3-
PK"=
6,4
HPO42
pK"
=
7,2
Kita
mengekspresikan
kekuatan
relatif
asam dan
basa
lemah
berdasarkan
konstanta
disosiasinya.
Di
bawah
ini
dicantumkan
ekspresi
untuk
konstanta disosiasi
({)
untuk
dua asam
lemah,
R-COOH
dan
R-NH.-:
R-COOHPR-COO-+H*
Ku=
lR-coo ltH.l
tR-cooHl
R-NH3+dR-NHr+H*
,,
lR-NH,llH'l
''
--lR-NFlr*I
Karena
nilai numerik
K
untuk
asam
lemah
adalah
angka
pangkat
negadf, kita
mengekspresikan
K sebagai
pK",
d.-
ngan:
pK"=-logK"
Perhatikan bahwa
pK
berkaitan dengan
K
sePerti
pH
dengan
[H'].
Semakin
kuat
asam,
semakin
rendah
nilaipK^-nya.
pK digunakan
untuk
menyatakan
kekuatan
relatifasam
dan
basa.
Untuk setiap
asam
lemah,
konjugatnya
adalah
basa
kuat. Demikian
juga,
konjugat suatu
basa
kuat
adalah
asam lemah.
Kekuatan
relatif basa
dinyatakan
berdasarkan
pK
asam
konjugatnya.
Untuk senyawa
poliproteik
yang
mengandung
lebih dari
satu proton
yang
dapat terdisosiasi,
masing-masin
gdl\eri subscripl
angka
sesuai
urutan
keasaman
relariL
Untuk
disosiasi
tipe
R-NH3*
*R-NH2
+
H*
pf.
adalah
pH ketika
konsentrasi
asam
R-NHr*
setara
dengan
konsentrasi
basa
R-NH,
Dari persamaan
di atas
yang
mengaitkan
K
ke
[H.]
dan
dengan
konsentrasi
asam
yang
tidak
terdisosiasi
dan
basa
konjugasinya,
jika
atau
jika
IR-COOI=
[R-COOH]
lR-NHri =
lR
-NH,'l
maka
K"
=
[H"]
Oleh
karena
itu,
jika
spesies
yang
terasosiasi (mendapat
proton)
dan
terdisosiasi
(basa
konjugat)
terdapat
dalam
konsentrasi sama,
konsentrasi
ion hidrogen
[H-]
setara
secara
numerik dengan
konstanta
disosiasi,
K^.
Jtka
dilakukan
logaritma
terhadap
kedua
sisi
dari
persamaan
di
atas dan
kedua
sisi
dikalikan
dengan
-1,
persamaannya
adalah
sebagai
berikut
K"
=
tH.l
-log K"
=
-log
[H"]
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 7/9
Karena
-log
K^didefinisikan
sebagai
pK^, dan
-log
[H'J
adalah
pH,
persamaannya
dapat
ditulis
menjadi
PK"
=
PH
yi,
pK^ suatu
gugus asam
adalah
pH ketika
spesies
yang
berproton dan tidak berproton
terdapat dalam
konsentrasi
setara.
pK
untuk
suaru asam
dapat
ditentukan
dengan
menambahkan
0,5 ekivalen
basa
per
ekivalen
asam. pH
yang
dihasilkan
akan menjadi
pK asam.
Persqmoqn
Henderson-Hqsselbolch
Menieloskqn
Perilqku
Asom
Lemqh
& Penyonggo
Di bawah
ini
dituliskan
persamaan
Henderson-Hasselbalch.
Suatu
asam lemah,
FlA,
mengalami
ionisasi
sebagai
berikut:
HA<JH*+A
Konstanta
kesetimbangan
untuk disosiasi
ini
adalah
o,
=EJ4_l
tHAl
Perkalian-silang
menghasilkan
tHltA'l
=
K
[HA]
Bagi kedua
sisi
dengan
[A']:
LH-l=
/('
tHAl
"
tAl
Lakukan
logaritma
pada kedua
sisi:
log
lH-
r=
los[r,
l 4i]
=
los K^
* lon
[HA]
"tAt
Kalikan
dengan
-l:
-rog[H+
]
=
-rosKa
-
"r(ffi)
Ganti
-log [Ht]
dan
-log
K^masing-masing
dengan
pH
dan
pK"; maka:
PH
=
PKa
-losl 4
'
"
[A-l
Inversi
suku yang
terakhir
menghilangkan
tanda minus
dan menghasilkan persamaan
Henderson-Hasselbalch:
pH=pKu*log#
BAB
2:
AIR &
pH
tl
Persamaan
Henderson-Hasselbalch
memiliki nilai
prediktif
yang
tinggi
untuk keseimbangan
protonik.
Contohnya,
(1)
Jika
suatu
asam
tepat mengalami
netralisasi
separuhnya,
tA-l
=
tHAl.
Pada
keadaan
ini,
tA-l
1
..
pH=
pK, +lo3ffi
-pK,
+log'
=
pKu
+0
Karena
itu,
pada
netraiisasi-separuh,
pH
=
pK.
(2)
Jika
rasio
[A]/[HA]
=
100:1,
PH=PK"
-losl4-I
"
[HA]
pH
=
pKn
+ log100/1
=
pKu
+
2
(3)
Jika
rasio
[A]/[HA]
=
1:10,
pH
=
pK"
+ log 1/19
=
pK.
+
(-1
)
Jika
persamaan
dievaluasi
pada
rasio
[I{.]/[FIA]
yang
berkisar
dari
103
sampai
10-3 dan
nilai
pH
yang dihitung
diplotkan,
grafik
yang
terbentuk'menjelaskan
kurva
titrasi
untuk suatu
asam
iemah
(Gambar
2-4).
Lorutqn
Asqm
Lemoh
&
Goromnyo
Menyonggq
Perubqhqn
pH
Larutan asam
atau basa lemah
dan konjugatnya mem-
perlihatkan
kemampuan
menyangga,
yaitu kemampuan
menahan
perubahan
pH
setelah
penambahan
asam
arau
basa kuat.
Karena
banyak reaksi
metabolik
disertai oleh
pembebasan
atau
penyerapan
proron,
kebanyakan
reaksi
intrasel
mengalami
penyanggaanlpendaparan
(buffering).
Metabolisme
oksidatif
menghasilkan
COr,
anhidrida
dari
asam karbonat
yang
jika
tidak
disangga akan menimbulkan
asidosis
berat.
Untuk
memelihara
pH yang konstan
diperlukan
keterlibatan
pendaparan
oleh fosfat,
bikarbonat,
dan protein
yang
menerima
atau
membebaskan
proton
untuk
menahan
perubahan
pH. Untuk
eksperimen yang
menggunakan
ekstrak;'aringan
arau enzim,
pH yang
konstan
dipertahankan
oleh
penambahan
larutan
penyangga,
misalnya
MES
(asam
[2-,A/-morfolino]etansulfonat,
pK^
6,1),
ortofosfat
anorganik
(pK,7,2),
HEPES
(asam
,A/-
hidroksietilpi
p
er
azin- N'-2-etansulfonat,
p1{. 6,
8),
atau Tlis
(tris[hidroksimetil]
aminometan,
pK^
8,3).
Nilai
pK" relatif
terhadap
pH yang
diinginkan adalah
penentu
urarna
larutan
penyangga
mana yang
dipilih.
Pendaparan
dapat diamati
dengan menggunakan
suatu
pengukur
pH
selagi kita
menitrasi
asam
atau basa
lemah
(Gambar
2-4).lltajuga
dapat
menghitung
pergeseran pH
yang menyertai
penambahan
asam atau basa ke
suatu
larutan
terdapar.
Pada contoh,
larutan
terdapar
(suatu
asam
lemah,
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 8/9
t2
/
BAB
2:
AIR
&
pH
Cambar
2-4,
Kurva
titrasi
sebuah
asam
tipe
HA.
Titik
di
tengah
kurva menunjukkan
pK,
5,0.
pK^=
5,0,
dan
basa
konjugatnya)
pada
awalnya
memiliki
satu
dari
empat
nilai
pH.
Kita akan
menghitung
Pergeseran
pH
yang
terjadi
jika
ke dalam
masing-masing
larutan
tersebut
ditambahkan
0,1
mEq
KOH:
Tabel
2-2.
Kekuatan
relatif
asam-asam
tertentu
yang
penting
secara
biologis.
Nilai
dalam
tabel
adalah
nilai
pK"
(-log
konstanta
disosiasi)
asam
monoprotat,
diprotat,
dan
triprotat
tertentu.
1.0
0,8
o
0,6
3
c
0,4
g
4.2
o
t.u
a
:
0,8
-o_
CF
E
fi0,6
t6
o.9
Ey0.4
8
o.z
u
Eu
pH owol
tAl
lHAl._",
0,s0
(tAl/tHAl)._.
1,00
Penombohon
0,
1
5,37
5,60
5,86
o,70
0,80
0,88
0,30
0,20
0,12
2,33
4,00
7,33
mEq
KOH
menghosilkon
0,80
0,90
0,98
0,20
0,10
0,02
4,00
9,00
49,0
0,602
0,95
1,69
s,60 5,95
6,69
5,00
0,50
lA'1.*,,
IHA]"*',
([A]/[HA]).kh,
Log
([All[HA]).,,,
pH okhir
ApH
0,1
8 0,60
0,95
suatu
gugus
terhambat
oleh
adanya
muatan
negatif
di
sekitarnya
sehingga
meningkatkan
Pf".
Htl
ini
tampak
jelas
dari
nilai
pK
untuk
tiga
gugus
disosiatif
asam
fosfor
dan
asam
sitrat
(Thbel
2-2).
Efek
muatan
sekitar
menurun
seiring
dengan
pertambahan
jarak.
pK
kedua
untuk
asam
suksinat
yang
memiliki
dua gugus
metilen
di
antara
gugus
karboksilnya adalah
5,6,
sementara
pK
kedua
untuk
asam
glutarat
yang
memiliki
satu gugus
metilen
tambahan
adalah
5,4.
Niloi
pK" Bergontung
Podo
Sifot
Medium
pK"
suatu
gugus
fungsional
juga
sangat
dipengaruhi
oleh
medium
di
sekitarnya.
Medium
dapat
meningkatkan
atau
menurunkan
pK
bergantung
pada
apakah
asam
yang
tidak
terurai
atau
basa
konjugatnya
adalah
spesies
yang
bermuatan'
Efek
konstanta
dielektrik
pada
pK^
dapat
diamati
dengan
menambahkan
etanol
ke air.
pK
asam
karboksilat
meninghat,
sedangkan
pK amin
menurun
karena
etanol
menurunkan
kemampuan
"ir
untuk
melarutkan
spesies bermuatan'
Karena
itu,
nilai
pK"
g*gnt
disosiatif
di
bagian
dalam
protein
sangat
dipengaruhi
oleh
lingkungan
lokal,
termasuk
ada
tidaknya
air.
RINGKASAN
.
Air
membentuk
kumpulan-kumpulan
dengan
dirinya
sendiri
dan
dengan
donor
atau
akseptor
proton
yang
0,60
o,40
1,50
0,176
5,1
8
1,69
Perhatikan
bahwa
perubahan
pH per
miliekuivalen
OH-yang
ditambahkan
bergantung
pada
pH
awai.
Larutan
menahan
perubahan
pH
paling
efektif
pada
nilai pH
yang
mendekati
pK.
Suatu
larutan
asam
lemah
dan
basa
konjugatnya
paling
efektif
menyangga
dalam
rentang
pH
pK"
+ 1,0
satuan
pH'
Gambar
2-4
iuga
memperlihatkan
muatan
netto
pada
satu
molekul
asam
sebagai
fungsi
pH.
Muatan
fraksional
-0,5 tidak
berarti
bahwa
satu
molekul
membawa
muatan
separuh,
melainkan
menunj
ukkan
6ahw
a
p
r o
b
a b i
li tas stattt
molekul memiliki
satu
unit
muatan
negatif
pada
setiaP
saat
adalah
0,5.
Perhitungan
muatan
netto
pada
makromolekul
sebagai
fungsi pH
merupakan
dasar
bagi
teknik
pemisahan
misalnya
kromatografi
pertukaran
ion
dan
eiektroforesis'
Kekuqtqn
Asqm
Bergontung
pqdo Struktur
Molekul
Banyak
asam
yang
pcnting
d,rri
segi
biologi
menriliki
lebih
dari
satu gugus
disosiatif.
Pcrnbebasan
sebuah
proton
dari
7/26/2019 Bab 2. Air & pH
http://slidepdf.com/reader/full/bab-2-air-ph 9/9
disatukan
oleh
ikatan
hidrogen.
Ikatan
hidrogen
menentukan
tegangan permukaan,
viskositas, keadaan
cair
dalam
suhu
kamar,
dan
kekuatan
air
sebagai
pelarut.
Senyawayang mengandung
O,
N,
atau
S
dapat berfungsi
sebagai
donor
atau akseptor
ikatan hidrogen.
Makromolekul
menukarkan ikatan
hidrogen
permukaan
internal
untuk
ikatan hidrogen
air. Gaya-gaya
entropi
menentukan
bahwa
makromolekul
memajankan
regio
polar
ke
daerah pertemuan
dengan air dan membenam-
kan
regio nonpolar.
Ikatan
garam, interaksi
hidrofobik, dan
gaya
van
der
'W'aals
ikut
mempertahankan
struktur
molekul.
pH
adalah
lognegatifdari
[H-].
pH rendah
menunjukkan
larutan
asam,
dan pH tinggi menunjukkan
larutan
basa.
Kekuatan
asam
lemah
dinyatakan oleh
pK,
log negatif
dari
konstanta
disosiasi asam. Asam
kuat
memiliki
nilai
pK
rendah dan
asam
iemah
memiliki
nilai
pK
tinggi.
BAB 2: AIR
&
pH
I
13
o
Larutan
penyangga menahan
perubahan pH saat terjadi
pembentukan
atau
penyerapan
proton. Kapasitas
penyangga maksimal
terjadi
pada
+
1
unit
pH di
kedua
sisi pK. Larutan
penyangga
fisiologis
antara
lain
adalah
bikarbonat,
ortofosfat,
dan
protein.
REFERENSI
Reese
KM.
\Thence came the symbol
pH.
Chem
&
Eng News
2004;82:64.
Segel
IM.
Biochemical
Calculations. STiley, 1968.
Stillinger FH: \7ater
revisited.
Science
1980;209:451.
Suresh
SJ,
Naik
VM:
Hydrogen bond thermodynamic
properties
of water from
dielectric constanr
data.
J
Chem
Phys
2000:113:9727.
Wiggins
PM:
Role of water
in some
biological processes.
Microbiol
Rev 1990:54:432.