Dasar-dasar Kimiawi Tubuh Manusia
Ika YustisiaBagian Biokimia FK UNHAS
UNHALU – Kendari, 17 Oktober 2011
Tujuan Pembelajaran
Setelah mengikuti dan mempelajari kuliah ini mahasiswa diharapkan mampu:1.Memahami peran Ilmu Biokimia sebagai ilmu dasar yang penting dalam bidang Kedokteran2.Mengetahui komponen penyusun tubuh manusia3.Memahami peran air sebagai pelarut dan konsep pH dalam tubuh manusia4.Mengetahui ikatan-ikatan kimia penting penyusun biomolekul tubuh
Pokok Bahasan
• Ilmu Biokimia dan Kedokteran• Komponen Penyusun Tubuh Manusia
• Air dan pH• Ikatan-ikatan kimia penyusun
biomolekul tubuh
Ilmu Biokimia dan Kedokteran
• Biokimia adalah ilmu yang mempelajari dasar kimia dari kehidupan
• Biokimia Kedokteran (Medical Biochemistry) = “physiological” chemistry, yaitu ilmu kimia yang diperlukan untuk memahami struktur, organisasi dan fungsi dari tubuh manusia dihubungkan dengan penerapannya pada bidang Kedokteran
Some major events in the history of Biochemistry
1828 Wohler synthesized urea from ammonium cyanate in the lab.
1897 Buchner demonstrated fermentation with cell extracts. In vitro (“in glass”) study began.
1926Sumner crystallized urease.
1944 Avery, MacLeod, and McCarty showed DNA to be the agent of genetic transformation.
1953Watson and Crick proposedthe double helix for DNA
1959 Perutz determined 3-D structure of hemoglobin.
1966Genetic codes unveiled.
1937Krebs elucidated thecitric acid cycle.
Being dynamic for only about 100 years.
NH4CNO→ CO(NH2)2
Inorganic → organic
sugar→ ethanol
Ending vitalism,beginning physics and chemistry.
1869Miescher isolated nucleic acids.
1925The glyclolytic pathway revealed
Ilmu Biokimia dan Kedokteran
Biokimia
Genetika
Fisiologi
Imunologi
Farmakologi
ToksikologiPatologi
Genetika
Biologi Molekuler
Ilmu Biokimia dan Kedokteran
• Tujuan utama Biokimia Kedokteran adalah pemahaman yang lengkap pada tingkat molekular dari seluruh proses kimiawi yang berkaitan dengan sel hidup
Three principle areas of Biochemistry
• Structural Chemistry: structure-function relationship for proteins, carbohydrates, DNA/RNA, lipids, etc.;
• Metabolism: totality of chemical reactions that occur in living organism, concerning catabolism & anabolism of building blocks, as well as management of cellular Energy;
• Storage, transmission, and expression of genetic information: DNA replication and protein synthesis.
Ilmu Biokimia dan Kedokteran
Ilmu Biokimia dan Kedokteran
Komponen Penyusun Tubuh Manusia
Komponen Penyusun Tubuh ManusiaSel Eukariotik
Komponen Penyusun Tubuh ManusiaPerbandingan Sel Prokaryotik dan Sel Eukaryotik
Komponen Penyusun Tubuh Manusia
Komponen Penyusun Tubuh Manusia
Komponen Penyusun Tubuh Manusia
Komponen Penyusun Tubuh ManusiaUnsur Persentase
KarbonOksigen
HidrogenNitrogenKalsiumFosforKaliumSulfur
NatriumKlor
MagnesiumBesi
ManganYodium
5020108,54
2,51
0,80,40,40,1
0,010,001
0,00005
• Karbon (C), hidrogen (H), dan oksigen (O) merupakan kostituen utama yang selalu ada pada semua biomolekul
• Nitrogen (N) ditemukan pada banyak biomolekul
• Fosfat (P) dan sulfur (S) ditemukan pada beberapa molekul
• Kalsium (Ca) memainkan peran penting dalam banyak proses biologik. Contoh: mineralisasi tulang dan gisi, mekanisme pembekuan darah
Komponen Penyusun Tubuh Manusia
• Unsur-unsur yang diberi warna merah memiliki peran beragam. Kebanyakan unsur –unsur tersebut ditemukan hampir setiap hari dalam praktik kedokteran ketika menghadapi penderita dengan gangguan keseimbangan elektrolit (K+, Na+, Cl-, Mg2+), anemia defisiensi besi (Fe2+) dan penyakit tiroid(I-)
Komponen Penyusun Tubuh Manusia
Biomolekul organik kompleks utama dari sel dan jaringan
Biomolekul Building Block Fungsi UtamaDNA Deoksinukleotida Materi genetik
RNA RibonukleotidaTemplate (cetakan) untuk sintesa protein
Protein Asam-asam aminoBeraneka-ragam merupakan molekul sel yang melakukan fungsi misalnya: enzim, elemen kontraktil
Polisakarida/ KH (glikogen) Glukosa
Simpanan/cadangan energi jangka pendek
Lipid Asam-asam lemak
Beraneka-ragam, misalnya: komponen membran dan simpanan energi jangka panjang sebagai triasilgliserida
Komponen Penyusun Tubuh Manusia
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
• Air merupakan komponen utama penyusun tubuh manusia
• Air merupakan molekul polar yang dapat membentuk ikatan hidrogen antara molekul air sendiri dan dengan molekul lain
• Air melemahkan gaya elektrostatis dan ikatan hidrogen antara molekul-molekul polar sehingga air merupakan pelarut yang sempurna bagi molekul-molekul polar
Thermal properties of water: high boiling point, high melting point, high heat of vaporization and high heat capacity (thus a good thermal buffer for the living organisms).Perhaps the most essential property of water is that it is a liquid at room temperature.
Melting point Boiling pointH2O: 0 oC 100 oCH2S: -85.5oC -60.7oC
Setiap molekul air dapat membentuk ikatan hidrogen dengan 4 molekul air lain
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh• Molekul air berdisosiasi secara reversibel menjadi ion hidroksil
dan ion hidronium
• Pada air murni, hanya sekitar satu dalam 5 juta molekul air yang membentuk H3O+ atau OH-
• Konsentrasi ion hidronium [H3O+ ] biasanya ditulis sebagai konsentrasi proton atau konsentrasi ion hidrogen [H+]
• [H+] lebih umum dinyatakan dalam nilai pH yang merupakan logaritma negatif dari konsenstrasi
pH = -log [H+] = -log 10-7
= 7
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
• Nilai pH dari suatu larutan bergantung pada adanya asam atau basa• Berdasarkan definisi Brønsted: – Asam adalah substansi yang dapat melepaskan
proton – Basa adalah substansi yang dapat mengikat proton
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
• Prototipe dari gugus asam yang dapat dijumpai pada biomolekul dalam tubuh manusia adalah gugus karboksil
• Prototipe dari gugus basa adalah gugus amino
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
• Gugus karboksil, ester fosfat, dan fosfodiester merupakan gugus asam yang penting dari biomolekul: terdeprotonasi dan bermuatan negatif pada pH 7
• Gugus amino alifatik terprotonasi dan bermuatan positif pada pH 7
Struktur dasar asam amino!
Asam• Dua tipe asam yang dihasilkan oleh proses
metabolik dalam tubuh, yaitu:– Asam volatile (menguap)– Asan non-volatile (tidak menguap)
• CO2 yang merupakan produk akhir utama oksidasi KH, lemak, dan asam amino, dapat dianggap sebagai asam karena kemampuannya untuk bereaksi dengan air membentuk asam karbonat (H2CO3)
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Asam• CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
• Semua sumber-sumber lain dari H dianggap sebagai non-volatile (=fixed-acid)
• Asam non-volatile:– Asam sulfat → oksidasi AA yang mengandung S– Asam fosfat → metabolisme fosfolipid, as. nukleat, fosfoprotein
– Asam laktat– Asam-asam keton
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Basa• Basa adalah substansi yang dapat menangkap
atau bersenyawa dengan ion hidrogen dari sebuah larutan
• Basa kuat → terurai sempurna dalam larutan Contoh: NaOH
• Basa lemah → terurai sebagianContoh: NaHCO3
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Penyangga (Buffer)• Penyangga adalah substansi kimia yang
mengurangi perubahan pH dalam larutan yang disebabkan penambahan asam maupan basa.
• Penyangga adalah campuran dari asam lemah dan garam basanya (atau basa lemah dan garam asamnya)
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Penyangga (Buffer)• Penyangga akan paling efektif dalam
mempertahankan [H+] terhadap asam atau basa, jika penyangga tersebut terurai 50% (mempunyai jumlah asam yang belum terurai sama dengan garamnya)
• pH dimana asam atau basa terurai 50% dikenal sebagai pK
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Penyangga (Buffer)• Empat penyangga utama tubuh yang
membantu memelihara pH agar tetap konstan adalah:– Sistem penyangga bikarbonat/asam bikarbonat
(NaHCO3 dan H2CO3)– Sistem penyangga binatrium/ mononatrium fosfat
(Na2HPO4 dan NaH2PO4)– Sistem penyangga dlm eritrosit (HbO2- dan HHbO2)– Sistem penyangga protein (Pr- dan HPr)
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Sistem penyangga asam karbonat/ bikarbonat: sistem penyangga utama tubuh
CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ H+ + HCO3-
(40mmHg) CA (1,2 mEq/L) (pH 7,4) (24 mEq/L)
CA = carbonic anhydrase•CA terdapat di dalam eritrosit berperan penting mempertahan keseimbangan HCO3- dan CO2
pada rasio 20:1
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Sistem penyangga asam karbonat/ bikarbonat: sistem penyangga utama tubuh
• Asidemia (peningkatan [H+]) terjadi pada penurunan [HCO3-] atau peningkatan PCO2
• Alkalemia (penurunan [H+]) terjadi pada peningkatan [HCO3-] atau penurunan PCO2
• [H+]), [HCO3-], dan PCO2 merupakan parameter yang mengendalikan keseimbangan asam-basa dari ECF
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Persamaan Henderson-HasselbalchpH = pK + log [HCO3-]/[H2CO3]
• pK adalah konstanta disosiasi asam karbonat• [HCO3-]: adalah kadar bikarbonat plasma• [H2CO3]: adalah kadar asam karbonat plasma• PCO2 ≈ kadar asam karbonat dan CO2 yang
terurai dalam plasma maka:
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Persamaan Henderson-HasselbalchpH = pK + log [HCO3-]/S x PCO2
• S adalah konstanta kelarutan CO2 dengan nilai sebesar 0,03
• pK dari sistem penyangga asam karbonat/ bikarbonat adalah konstanta dengan nilai 6,1
pH = 6,1 + log (24 mEq/L)/(0,03 x 40 mmHg)= 6,1 + 24/1,2= 6,1 + 20/1= 7,4
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Penyederhaan Persamaan Henderson-Hasselbalch
pH = [HCO3-]/PCO2 = 20/1
20: komponen metabolik yang dikendalikan oleh ginjal
1: komponen pernafasan yang dikendalikanoleh paru-paru
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
pH DarahNormal : 7,35 – 7,45
• <7,35: asidemia (proses yang menyebabkannya disebut asidosis)
• pH darah 6,8 - ≤ 7,25: membahayakan jiwa• pH darah < 6,8: kematian• > 7,45: alkalemia (proses yang menyebabkannya disebut alkalosis)
• 7,55 – 7,8: membahayakan jiwa• >7,8: kematian
Air dan Konsep Asam-basa dalam Tubuh
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
• Atom-atom penyusun biomolekul tubuh disatukan satu sama lain melalui ikatan kovalen
• Yaitu ikatan yang terbentuk dari pemakaian bersama dua elektron oleh dua atom
• Setiap biomolekul memiliki gugus fungsional yang menentukan sifat fisik dan reaktvitas kimiawinya
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
Amino group Phosphate
group
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
Gliserol?Gliseraldehid?
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
• Sifat biomolekul ditentukan oleh interaksi non-kovalen
• Interaksi non-kovalen merupakan interaksi yang lemah dan mudah putus
• Interaksi non-kovalen bersifat reversibel
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
Interaksi non-kovalen • Interaksi dipol – dipol
Ikatan hidrogen
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
Interaksi non-kovalen • Interaksi ion – dipol
• Interaksi elektrostatik
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
Interaksi non-kovalen • Interaksi hidrofobik
• Gaya van der Waals (= interaksi van der Waals)
Ikatan-ikatan kimia penyusun biomolekul tubuh
• Interaksi non-kovalen menentukan sifat biologik biomolekul:– Kelarutannya dalam air: ikatan hidrogen dan
interaksi ion-dipol; bentuk bermuatan lebih larut– Struktur tingkat tinggi dari biomolekul
(makromolekul)– Interaksi ikatan antar molekul (e.g. enzim-
substrat, hormon reseptor, antigen-antibodi)
Isomer
• Biomolekul umumnya memiliki bentuk isomer• Isomer adalah molekul yang secara kimiasi
berbeda namun memiliki komposisi yang identik dengan susunan geometri yang berbeda
Isomer
• Isomer posisional
Isomer
• Isomer geometrik
Isomer
• Isomer optik
Biomolekul ->> Makromolekul ->> Polimer
• Lebih dari satu juta molekul berbeda terdapat di dalam tubuh manusi
• Kebanyakan molekul tersebut adalah makromolekul dengan BM > 10.000 D
• Biomolekul utama: karbohidrat, lipid, polipeptida dan asam nukleat merupakan untaian molekul sederhana yang tersusun membentuk rantai yang panjang disebut polimer
Biomolekul organik kompleks utama dari sel dan jaringan
Polimer MonomerDNA Deoksinukleotida
RNA Ribonukleotida
Protein Asam-asam amino
Polisakarida/ KH (glikogen) Glukosa
Lipid Asam-asam lemak
Biomolekul ->> Makromolekul ->> Polimer
REFERENSI1. Koolman, J.; Roehm, KH. Color Atlas of
Biochemistry, 2 ed. Thieme, 20042. Lieberman, M., Marks, DA. Marks’ Basic Medical
Biochemistry a Clinical Approach 3rd ed. Lippincott Williams and Wilkins, 2009
3. Meisenberg, G., Simmons, WH. Principles of Medical Biochemistry, 2 ed. Mosby Elsevier, 2006
4. Murray, RK., Granner, DK., Rodwell, VW. Harper’s Ilustrated Biochemistry28th ed., 2009
Top Related