Ikatan Kimia pada Makromolekul

Makhluk hidup punya bentuk tubuh karena ada ikatan kimia di antara bahan-bahan penyusun tubuhnya. Penyusun tubuh di tingkat yang paling kecil, tentu saja, sel. Lebih kecil lagi dari itu, makromolekul. Makromolekul terpenting yang membentuk makhluk hidup adalah asam nukleat dan protein. Oleh sebab itu, studi tentang biologi molekuler, adalah studi pada makromolekul tersebut.

Kembali ke ikatan kimia. Ikatan kimia pada makromolekul adalah dasar dari semua proses kehidupan. Ikatan kimia ada dua, ikatan kuat dan ikatan lemah. Ikatan kuat terbentuk dari ikatan kovalen yang lebih stabil dan tidak mudah dihancurkan begitu saja. Sementara itu ikatan lemah, dapat dibentuk dan dirombak dalam kondisi fisiologis, dan fungsi ini vital untuk kehidupan.

Contoh ikatan kuat adalah ikatan antara asam amino satu dengan yang lain, membentuk rantai protein (polipeptida), atau ikatan antara nukleotida satu dengan yang lain, membentuk rantai asam nukleat (polinukleotida).

Contoh ikatan lemah adalah ikatan antara enzim dengan substratnya, ikatan antara protein dengan DNA atau RNA, atau ikatan antara protein dengan protein lainnya. Selain itu, ikatan lemah juga menentukan wujud makromolekul itu seperti apa, misalkan protein yang tadinya harusnya lurus berbentuk rantai karena asam amino-asam aminonya terikat secara kovalen, tapi secara tiga dimensi bentuknya justru menggumpal. Itu karena ada ikatan lemah antara satu bagian protein dengan bagian yang lainnya. Begitu juga dengan DNA, karena ada ikatan lemahlah, DNA berbentuk double helix.

Ciri-ciri Ikatan Kimia

Berikut kita bahas sedikit tentang dasar ikatan kimia. Ikatan kimia atau chemical bond adalah sebuah gaya ikatan yang menahan/ mempertahankan atom-atom bersama/ holds atoms together. Kumpulan atom yang saling berikatan disebut molekul, lebih besar lagi, makromolekul.

Ciri utama ikatan kimia yakni adanya kekuatan, oleh karena itu ikatan kimia terbagi menjadi ikatan kuat atau lemah. Semakin kuat ikatan kimia, maka semakin dekat pula posisi atom yang berikatan. Misalkan, dua atom hidrogen berikatan secara kovalen membentuk H₂, maka jarak atomnya 0,74 Å (1 Å-angstrom = 10^-10 m), sementara jika dua atom hidrogen berikatan lemah secara Van der Waals, jaraknya lebih jauh yakni 1,2 Å.

Ciri kedua ikatan kimia yang penting adalah jumlah ikatan yang bisa dibentuk oleh atom. Pada ikatan kovalen, jumlah ini disebut valensi. Misalnya, oksigen punya 2 elektron valensi, artinya, ia hanya bisa membuat 2 ikatan kovalen, tidak lebih. Tapi, pada ikatan lemah Van der Waals, jumlah ini bervariasi, dan sterik -tergantung atomnya masih muat untuk nempel atau tidak.

Sudut antara dua ikatan yang berasal dari sebuah atom, disebut sudut ikatan. Sudut antara 2 ikatan kovalen yang spesifik biasanya sama, misalnya atom karbon punya empat ikatan kovalen sehingga bentuknya tetrahedral (sudutnya 109°). Sebaliknya, sudut antara ikatan lemah biasanya bervariasi.

Ciri ketiga ikatan kimia adalah kebebasan berputar. Semakin banyak jumlah ikatan sebuah atom, semakin kaku ia berputar/ berotasi. Misalnya, ikatan karbonil (C=O) dan imino (N=C) lebih kaku, dan mesti saling berhadapan di posisi yang tepat untuk bisa menempel, sementara itu, ikatan ion misalnya hidrogen (H-H) atau oksigen (O=O) jauh lebih fleksibel karena bisa langsung nempel satu sama lain.

Konsep Energi pada Ikatan Kimia

Jika dua buah atom saling berikatan, maka energi yang terkandung di dalam sebuah atom akan dilepaskan dan dikonversikan menjadi bentuk energi lainnya. Semakin kuat ikatan yang dibentuk, semakin banyak pula energi yang dilepaskan saat pembentukannya. Reaksi ikatan kimia antara 2 atom A dan B dapat ditulis seperti berikut:

A+B –> AB + Energi

dimana AB adalah hasil ikatannya, dan energi yang lepas diukur dengan satuan kalori. Kalori adalah jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram air dari 14,5 °C ke 15,5 °C. Karena dalam reaksi kimia jumlah kalori bisa mencapai ribuan kali setiap memecah satu ikatan kimia, maka perubahan energi dalam reaksi kimia dinyatakan dalam kilokalori per mol (kcal/mol).

Dua atom yang berikatan dapat pula nanti dipisahkan kembali, dan ini membutuhkan energi. Biasanya, energi yang dibutuhkan berasal dari energi panas. Jumlah energi panas yang dibutuhkan persis sama dengan jumlah energi yang dilepaskan saat membentuk ikatan. Hal ini sesuai dengan hukum I termodinamika, yakni “energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan”. Oleh sebab itu, rumus tadi menjadi seperti ini:

AB + Energi –> A + B

Dalam sistem tertutup, setelah mencapai kesetimbangan, jumlah ikatan yang terbentuk per satuan waktu akan sama dengan jumlah ikatan yang pecah per satuan waktu. Jika concAB, concA, dan concB adalah konsentrasi AB, A, dan B dalam mol per liter (mol/L), maka nilai konstanta kesetimbangan (Keq) dapat dinyatakan dalam rumus berikut:

Dalam setiap reaksi kimia, ada energi yang terlibat untuk mencapai titik kesetimbangan. Energi tersebut berubah sepanjang reaksi berlangsung. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan suatu kerja disebut energi bebas (G). Perubahan energi dinyatakan dalam simbol ΔG. Hukum II termodinamika menyatakan “Penurunan energi bebas (ΔG negatif) selalu terjadi dalam reaksi spontan”. Artinya, saat konsentrasi kesetimbangan tercapai (Keq = 1), perubahan energi tentu saja akan mencapai nol (ΔG=0).

Semakin kuat ikatan kimia, maka semakin besar juga energi yang berubah, dan semakin besar pula konsentrasi atom yang terlibat dalam reaksi tersebut. Oleh sebab itu, semakin kecil atau semakin besarnya Keq, maka ΔG akan semakin besar, tergantung nanti apakah nilainya positif (jika Keq makin kecil dari 1), atau negatif (jika Keq makin besar dari 1).

Jika R adalah konstanta gas universal dan T adalah suhu absolut, maka hubungan antara Keq dengan ΔG ini dapat dinyatakan dalam rumus:

ΔG = -RT(In Keq)

Setelah kita tahu bahwa semakin besar perubahan energi yang terlibat (ΔG) dengan semakin kuatnya ikatan kimia, maka dari itu ikatan kimia digolongkan menjadi ikatan kuat dan ikatan lemah. Sebagai contoh, ΔG pada ikatan kovalen pada hidrogen saja bisa mencapai -50 sampai -100 kcal/mol, sementara pada ikatan lemah hidrogen, angka ini hanya antara 1-7 kcal/mol.

Ikatan Kuat

Ikatan kuat adalah ikatan kimia yang melibatkan perubahan energi yang sangat besar, sehingga sulit untuk dihancurkan begitu saja. Ikatan kuat yang terpenting yaitu ikatan kovalen. Seperti yang telah dibahas sebelumnya, ikatan kovalen terjadi jika dua buah atom saling berdekatan dan berbagi elektron valensinya dengan yang lain. Contohnya, molekul hidrogen (H:H), oksigen (O:O), air (H₂O), dan lain-lain. Jika dilihat dari interaksi muatan listrik yang dimiliki oleh masing-masing atomnya, ikatan kovalen dapat dibagi lagi menjadi 2, yaitu ikatan kovalen polar dan ikatan kovalen nonpolar.

Ikatan kovalen polar adalah ikatan kovalen yang menghasilkan momen dipol yang efektif, artinya ada atom yang cendrung menarik atom lain ke intinya sehingga bentuknya tidak simetris. Contohnya: molekul air. Pada molekul air (H:O:H), distribusi elektronnya tidak seragam, lebih banyak tertarik ke arah oksigen dibandingkan hidrogen. Sederhananya, elektron milik hidrogen tertarik lebih dekat ke pusat inti atom oksigen. Akhirnya, pusat muatan positif kini berada di salah satu sisi dari garis tengah muatan negatif. Gabungan muatan positif dan muatan negatif inilah yang disebut momen dipol. Atom yang memiliki kecendrungan untuk mendapatkan elektron disebut elektronegatif -dalam hal ini oksigen, sementara atom yang cendrung memberikan elektron disebut elektropositif -dalam hal ini hidrogen. Oleh sebab itu, molekul air (H₂O) memiliki momen dipol, sehingga disebut molekul polar.

Sebaliknya, ikatan kovalen nonpolar tidak menghasilkan momen dipol yang efektif, sehingga tidak ada atom yang tertarik ke inti atom lainnya. Molekul yang tidak punya momen dipol yang efektif disebut molekul nonpolar. Contohnya, molekul oksigen (O:O) dan hidrogen (H:H) yang elektronnya sama-sama terbagi secara siemetris. Contoh lain yaitu metana (CH₄), karena atom karbon dan atom hidrogennya memiliki afinitas/ daya tarik yang sama untuk elektron yang berpasangan sehingga baik karbon maupun hidrogen sama-sama tidak bermuatan. Elektron valensi antara atom karbon dengan atom hidrogen dipakai bersama-sama.

Ikatan Lemah

Semua ikatan yang lemah terjadi karena adanya interaksi antara muatan listrik. Ikatan kimia yang lemah yang paling utama dalam sistem biologi ada 3, yakni ikatan van der Waals, ikatan hidrogen, dan ikatan ion.

Ikatan van der Waals muncul apabila dua atom berdekatan satu dengan yang lain, murni hanya karena itu saja. Ikatan ini bisa muncul pada molekul apa saja, baik polar maupun nonpolar. Yang berbeda antara satu atom dengan yang lain hanyalah jarak gaya tariknya, sehingga muncul istilah radius van der Waals.

Ikatan hidrogen muncul apabila atom hidrogen yang elektropositif setelah berikatan secara kovalen polar dengan atom lain, berdekatan dengan atom lain yang elektronegatif. Contohnya, air. Atom hidrogen pada molekul air (H₂O) yang elektropositif berikatan dengan atom O pada molekul air lainnya yang elektronegatif. Oleh karena adanya ikatan hidrogen yang lemah inilah, air akan senantiasa menempel membentuk tetesan. Oleh sebab itu pula, setiap senyawa organik yang dapat membentuk ikatan hidrogen cendrung akan larut dalam air (Hidrofilik), sementara yang tidak, akan cendrung tidak larut dalam air (Hidrofobik). Molekul yang hidrofobik pada umumnya adalah molekul nonpolar, yang lebih cendrung membentuk ikatan van der Wall antar sesamanya. Hal ini penting dalam menjaga keseimbangan antara makromolekul satu dengan yang lain.

Contoh ikatan hidrogen lainnya yakni atom hidrogen pada molekul amino (NH₂) yang elektroposititf tertarik oleh atom oksigen pada molekul keto (C=O) yang elektronegatif, dan juga pada atom hidrogen yang elektropositif pada basa nukleotida yang tertarik pada atom nitrogen yang elektronegatif pada basa nukleotida lainnya pada DNA.

Ikatan Ion muncul apabila ada dua atom atau molekul yang memiliki muatan listrik berlawanan, satu positif dan satu negatif. Atom atau molekul yang bermuatan listrik disebut Ion. Ion yang bermuatan positif disebut kation, akibat kekurangan elektron karena kehilangan atau mendonorkan elektronnya. Sementara ion yang bermuatan negatif disebut anion, akibat kelebihan elektron setelah menerima elektron tambahan. Contoh ikatan ion misalnya ikatan antara molekul peptida pada protein, yaitu antara gugus amonia (NH₃⁺) yang elektropositif dengan gugus karboksil (COO^–) yang elektronegatif.

Interaksi yang lemah antara permukaan molekul satu dengan yang lain hanya akan dapat terjadi jika permukaan antar kedua molekul tersebut sangat dekat dan cocok satu sama lain, atau seperti kunci dan gembok (lock and key relationship). Misalnya, satu molekul bermuatan positif berbentuk kunci, sementara satu molekul lainnya bermuatan negatif sebagai gemboknya.

Ikatan yang lemah juga penting dalam interaksi enzim dengan substratnya. Suatu enzim tidak memiliki ketertarikan terhadap molekul lain selain substratnya. Suatu enzim dinamai juga katalisator karena ketika enzim melekat dengan substratnya, maka energi yang diperlukan untuk melangsungkan reaksi kimia (energi aktivasi) akan jauh berkurang, otomatis waktu yang dibutuhkan untuk mengubah substrat menjadi produk akan beribu-ribu kali lipat lebih sebentar.

Energi Bebas dalam Biomolekul

Kembali ke konsep energi bebas, yakni energi yang diperlukan untuk melakukan suatu kerja. Kita ingat kembali bahwa dalam reaksi kimia, energi bebas dapat digunakan atau dilepaskan. Dalam reaksi spontan, energi bebas akan selalu turun (ΔG negatif) sampai mencapai titik setimbang. Dalam tubuh makhluk hidup, energi bebas ini setengahnya akan diubah menjadi energi panas, dan setengahnya lagi disimpan dalam bentuk molekul tinggi energi, contohnya: ATP.

Suatu molekul tinggi energi mengandung satu atau lebih ikatan yang dapat dihancurkan oleh air, atau hidrolisis, sehingga melepaskan energi bebas dalam jumlah yang besar sehingga nilai ΔG negatifnya besar, oleh sebab itu molekul ini disebut juga dengan ikatan energi tinggi (symbol: ~). Senyawa tinggi energi yang paling penting adalah ATP, yang dibentuk oleh fosfat inorganik dan ADP menggunakan energi yang diperoleh dari reaksi degradasi atau dari matahari melalui fotosintesis. Senyawa energi tinggi lainnya antara lain pirofosfat, ADP, PEP, AMP, creatin fosfat, dan asetil-CoA. Hampir semua reaksi biosintetis melepaskan ikatan fosfat energi tinggi (P~P) dan langsung ditransfer ke grup fosfat lainnya membentuk dua molekul fosfat.

Kesimpulan

Tubuh mahkluk hidup tersusun secara detail mulai dari atom sampai makromolekul yang saling berikatan secara kimia. Ikatan kimia ini memiliki kekuatan yang berbeda-beda sesuai sifat alamiahnya dan berguna dalam berbagai sistem tubuh dengan semestinya. Semakin kuat ikatan makromolekul maka semakin besar pula energi yang dibutuhkan untuk melepasnya, demikian pula sebaliknya, semakin besar pula energi yang diperlukan untuk menyusunnya kembali. Energi yang diperlukan untuk melepaskan atau membentuk ikatan tersebut sebagian besar bersumber dari energi bebas. Separuh dari energi bebas yang digunakan ataupun yang dihasilkan dalam suatu reaksi kimia diambil dan disimpan dalam bentuk molekul energi tinggi, contohnya ATP. Interaksi antara makromolekul dan molekul energi tinggi inilah yang memungkinkan makhluk untuk melangsungkan hidupnya, dan inilah yang menjadi dasar ilmu biologi molekuler, wallahu’alam.

Bahan bacaan:

Watson et al. 2013. Molecular Biology of the Gene, 7^th edition. New York: Cold Spring Harbor Laboratory Press.

Image cover: Photo by Tara Winstead on Pexels.com