Air

Air adalah zat yang paling berlimpah dalam sistem kehidupan, yang membentuk 70% atau lebih dari berat yang paling organisme. Organisme hidup pertama pasti muncul dalam lingkungan berair, dan evolusi telah dibentuk oleh sifat-sifat media berair di mana kehidupan dimulai.

Bab ini dimulai dengan deskripsi dari sifat fisik dan kimia air, yang semua aspek struktur sel dan fungsi yang disesuaikan. The gaya tarik menarik antara molekul air dan sedikit kecenderungan air untuk mengionisasi adalah sangat penting untuk struktur dan fungsi biomolekul. Kami meninjau topik ionisasi dalam hal konstanta kesetimbangan, pH, dan kurva titrasi, dan mempertimbangkan bagaimana larutan asam lemah atau basa dan garam-garamnya bertindak sebagai buffer terhadap perubahan pH dalam sistem biologi. Molekul air dan produk ionisasi yang, H dan O-H, sangat mempengaruhi struktur, perakitan diri, dan sifat dari semua komponen selular, termasuk protein, asam nukleat, dan lipid. Interaksi nonkovalen bertanggung jawab atas kekuatan dan spesifisitas "pengakuan" di antara biomolekul yang tegas dipengaruhi oleh sifat pelarut air, termasuk kemampuannya untuk membentuk ikatan hidrogen dengan dirinya sendiri dan dengan zat terlarut.2.1 Interaksi Lemah di berair Sistem

Ikatan hidrogen antara molekul air memberikan kekuatan kohesif yang membuat air cair pada suhu kamar dan yang mendukung pemesanan ekstrim molekul yang khas dari air kristal (es). Biomolekul Polar larut mudah dalam air karena mereka dapat menggantikan interaksi air-air dengan lebih penuh semangat menguntungkan interaksi air-zat terlarut. Sebaliknya, biomolekul nonpolar mengganggu interaksi air-air tetapi tidak dapat membentuk air-zat terlarut akibat interaksi, molekul nonpolar yang sukar larut dalam air. Dalam larutan air, molekul nonpolar cenderung mengelompok bersama-sama.

Ikatan hidrogen dan ion, hidrofobik (Yunani, "air-takut"), dan interaksi van der Waals secara individual lemah, tapi secara kolektif mereka memiliki pengaruh yang sangat signifikan terhadap struktur tiga dimensi dari protein, asam nukleat, polisakarida, dan lipid membran . Ikatan Hidrogen membuat sifat Air yang tidak biasa

Air memiliki titik leleh, titik didih, dan panas penguapan lebih tinggi daripada kebanyakan pelarut umum lainnya (Tabel 2-1). Ini sifat yang tidak biasa adalah konsekuensi dari tarik antara molekul air yang berdekatan yang memberikan air cair kohesi internal yang besar. Melihat struktur elektron dari molekul H2O mengungkapkan penyebab objek wisata antarmolekul.

Setiap atom hidrogen dari molekul air berbagi pasangan elektron dengan atom oksigen sentral. Geometri molekul ditentukan oleh bentuk orbital elektron luar dari atom oksigen, yang mirip dengan orbital sp3 dari ikatan karbon (lihat Gambar. 1-14). Orbital ini menggambarkan tetrahedron kasar, dengan atom hidrogen pada masing-masing dua sudut dan pasangan elektron tidak dibagi di dua sudut lainnya (Gbr. 2-1a). Sudut ikatan HOH adalah 104.5, sedikit kurang dari 109.5 dari tetrahedron sempurna karena berkerumun dengan orbital nonbonding dari atom oksigen.

Inti oksigen menarik elektron lebih kuat daripada inti hidrogen (proton); karena oksigen lebih elektronegatif. Pembagian elektron antara H dan O karena itu tidak sama; elektron lebih sering di sekitar atom oksigen daripada hidrogen. Hasil dari berbagi elektron yang tidak sama adalah dua dipol listrik dalam molekul air, salah satu sepanjang masing-masing ikatan H-O-O; setiap atom hidrogen dikenakan muatan parsial positif (δ+) dan atom oksigen dikenakan muatan parsial negatif sama dengan jumlah dari dua parsial positif (2δ-). Akibatnya, ada daya tarik elektrostatik antara atom oksigen dari satu molekul air dan hidrogen lain (Gbr. 2-1c), disebut ikatan hidrogen. Sepanjang buku ini, kami mewakili ikatan hidrogen dengan tiga garis biru paralel, seperti pada Gambar 2-1c.

Ikatan hidrogen yang relatif lemah. Mereka dalam air cair memiliki energi disosiasi ikatan (energi yang dibutuhkan untuk memecah ikatan a) sekitar 23 kJ / mol, dibandingkan dengan 470 kJ / mol untuk O-H ikatan kovalen dalam air atau 348 kJ / mol untuk ikatan kovalen C-C. Ikatan hidrogen adalah sekitar 10% kovalen, karena tumpang tindih orbital ikatan, dan sekitar 90% elektrostatik. Pada suhu kamar, energi termal dari larutan berair (energi kinetik dari gerakan atom dan molekul individu) adalah urutan yang sama besarnya dengan yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan hidrogen. Ketika air dipanaskan, peningkatan suhu mencerminkan gerak cepat dari molekul air. Pada waktu tertentu, sebagian besar molekul air cair terlibat dalam ikatan hidrogen, tapi masa setiap ikatan hidrogen hanya 1-20 picoseconds (1 ps 10-12s); pada kerusakan obligasi satu hidrogen, lain bentuk ikatan hidrogen, dengan partner yang sama atau yang baru, dalam 0,1 ps. Ungkapan apt "berkedip cluster" telah diterapkan pada kelompok berumur pendek dari molekul air saling terhubung dengan ikatan hidrogen dalam air cair. Jumlah dari semua ikatan hidrogen antara molekul H2O menganugerahkan kohesi internal yang besar di atas air cair. Jaringan diperpanjang dari molekul air hidrogen terikat juga membentuk jembatan antara zat terlarut (protein dan asam nukleat, misalnya) yang memungkinkan molekul yang lebih

besar untuk berinteraksi satu sama lain lebih dari jarak beberapa nanometer tanpa menyentuh fisik.

Pengaturan hampir tetrahedral orbital tentang atom oksigen (Gambar. 2-1a) memungkinkan setiap molekul air untuk membentuk ikatan hidrogen dengan sebanyak empat tetangga molekul air. Dalam air cair pada suhu kamar dan tekanan atmosfer, bagaimanapun, molekul air tidak teratur dan bergerak terus menerus, sehingga setiap molekul membentuk ikatan hidrogen dengan rata-rata hanya 3,4 molekul lain. Dalam es, di sisi lain, setiap molekul air tetap dalam ruang dan membentuk ikatan hidrogen dengan lengkap empat molekul air lain untuk menghasilkan struktur kisi biasa (Gbr. 2-2). Melanggar proporsi yang cukup ikatan hidrogen untuk mengacaukan kisi kristal es memerlukan energi panas banyak, yang menyumbang titik leleh yang relatif tinggi air (Tabel 2-1). Ketika es mencair atau air menguap, panas diambil oleh sistem:

H2O(solid) →H2O(liquid) ∆H =+5.9 kJ/mol H2O(liquid) →H2O(gas) ∆ H = +44.0 kJ/molSelama mencair atau penguapan, entropi sistem

meningkat berair sebagai array lebih tinggi memerintahkan molekul air bersantai ke array hydrogenbonded kurang tertib dalam air cair atau gas negara sepenuhnya teratur. Pada suhu kamar, baik mencairnya es dan penguapan air terjadi secara spontan; kecenderungan molekul air untuk mengasosiasikan melalui ikatan hidrogen sebanding dengan dorongan energik menuju keacakan. Ingat bahwa perubahan energi bebas (∆G) harus memiliki nilai negatif untuk proses terjadi secara spontan: ∆G = ∆H – T ∆S, di mana ∆G merupakan kekuatan pendorong, ∆H perubahan entalpi dari membuat dan memecah ikatan, dan ∆S perubahan keacakan. Karena ∆H adalah positif untuk mencair dan penguapan, itu jelas peningkatan entropi (∆S) yang membuat ∆G negatif dan mendorong transformasi ini.Air Bentuk Obligasi Hidrogen dengan Zat terlarut Polar

Ikatan hidrogen tidak unik untuk air. Mereka mudah membentuk antara atom elektronegatif (akseptor hidrogen, biasanya oksigen atau nitrogen dengan pasangan elektron) dan atom hidrogen kovalen terikat pada atom elektronegatif lain (donor hidrogen) yang sama atau molekul lain (Gb. 2-3 ). Atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada atom karbon tidak berpartisipasi dalam ikatan hidrogen, karena karbon hanya sedikit lebih elektronegatif daripada hidrogen dan dengan demikian ikatan C-H hanya polar sangat lemah. Perbedaan menjelaskan mengapa butanol (CH3(CH2)2CH2OH) memiliki titik didih yang relatif tinggi 117 C, sedangkan butana (CH3(CH2)2CH2) memiliki titik didih hanya 0,5 C. Butanol memiliki gugus hidroksil polar dan dengan demikian dapat membentuk ikatan hidrogen

antarmolekul. Bermuatan tapi polar biomolekul seperti gula mudah larut dalam air karena efek menstabilkan ikatan hidrogen antara gugus hidroksil atau karbonil oksigen gula dan molekul air polar. Alkohol, aldehida, keton, dan senyawa yang mengandung ikatan NOH semua ikatan hidrogen bentuk dengan molekul air (Gbr. 2-4) dan cenderung larut dalam air.

Ikatan hidrogen yang kuat ketika molekul terikat berorientasi untuk memaksimalkan interaksi elektrostatik, yang terjadi ketika atom hidrogen dan dua atom yang berbagi berada dalam garis lurus yaitu, ketika atom aseptor ini sejalan dengan ikatan kovalen antara donor atom dan H (Gbr. 2-5). Ikatan hidrogen dengan demikian sangat terarah dan mampu menahan dua molekul hidrogen terikat atau kelompok dalam susunan geometris tertentu. Seperti yang akan kita lihat nanti, ini milik ikatan hidrogen menganugerahkan struktur tiga dimensi yang sangat tepat pada protein dan molekul asam nukleat, yang memiliki banyak ikatan hidrogen intramolekul.Air Berinteraksi elektrostatis dengan Zat terlarut Dibebankan

Air adalah pelarut polar. Itu mudah larut sebagian biomolekul, yang umumnya dibebankan atau senyawa polar (Tabel 2-2); senyawa yang larut dalam air hidrofilik (Yunani, "air-mencintai"). Sebaliknya, pelarut nonpolar seperti kloroform dan benzena adalah pelarut yang buruk untuk biomolekul polar tapi mudah larut mereka yang molekul hidrofobik-nonpolar seperti lipid dan lilin.

Air melarutkan garam-garam seperti NaCl dengan hydrating dan menstabilkan ion Na+ dan Cl-, melemahkan interaksi elektrostatik antara mereka dan dengan demikian menangkal kecenderungan mereka untuk mengasosiasikan dalam kisi kristal (Gambar. 2-6). Faktor-faktor yang sama berlaku untuk biomolekul dibebankan, senyawa dengan gugus fungsional seperti asam karboksilat terionisasi (--COO-), amina terprotonasi (-NH3

+), dan ester fosfat atau anhidrida. Wreadily melarutkan senyawa tersebut dengan mengganti ikatan hidrogen solutesolute dengan ikatan hidrogen terlarut-air, sehingga skrining interaksi elektrostatik antara molekul zat terlarut.

Untuk air pada 25 C, (yang berdimensi) adalah 78,5, dan untuk benzena pelarut nonpolar sangat, adalah 4.6. Dengan demikian, interaksi ionik jauh lebih kuat dalam lingkungan kurang polar. Ketergantungan pada r2 adalah sedemikian rupa sehingga menarik ion atau tolakan

beroperasi hanya jarak-pendek kisaran 10 sampai 40 nm (tergantung pada konsentrasi elektrolit) ketika pelarut air.Meningkatkan entropi sebagai Crystalline Bahan Larutkan

Sebagai garam seperti NaCl larut, Na+ dan Cl- ion meninggalkan kisi kristal memperoleh kebebasan yang jauh lebih besar dari gerak (Gambar. 2-6). Hasil peningkatan entropi (keacakan) dari sistem ini sebagian besar bertanggung jawab untuk kemudahan melarutkan garam-garam seperti NaCl dalam air. Dalam istilah termodinamika, pembentukan larutan terjadi dengan kondusif bebas perubahan energi: G = H + TS, di mana H memiliki nilai positif kecil dan TS nilai positif yang besar; sehingga G adalah negatif.Gas nonpolar Apakah buruk Larut dalam AirMolekul-molekul gas yang penting secara biologis CO2, O2, dan N2 adalah nonpolar. Didalam O2 dan N2, elektron dibagi sama rata oleh kedua atom. Didalam CO2, setiap ikatan C=O adalah polar, tetapi dua dipol yang berlawanan diarahkan dan membatalkan satu sama lain (Tabel 2-3). Pergerakan molekul dari fase gas teratur ke dalam larutan berair kendala gerak dan gerakan molekul air dan karena itu merupakan penurunan entropi. Sifat nonpolar gas ini dan penurunan entropi ketika mereka memasuki larutan menggabungkan untuk membuat mereka sangat sukar larut dalam air (Tabel 2-3). Beberapa organisme memiliki protein pembawa yang larut dalam air (hemoglobin dan myoglobin, misalnya) yang memfasilitasi pengangkutan O2. Bentuk karbon dioksida asam karbonat (H2CO3) dalam larutan berair dan diangkut sebagai ion HCO3

- (bikarbonat), baik bikarbonat bebas sangat mudah larut dalam air (~ 100 g / L pada 25 C) atau terikat dengan hemoglobin. Dua gas lainnya, NH3 dan H2S, juga memiliki peran biologis dalam beberapa organisme; gas-gas ini bersifat polar dan larut mudah diairNonpolar Senyawa Angkatan Perubahan Penuh semangat yang tidak menguntungkan dalam Struktur Air

Ketika air dicampur dengan bensin atau heksana, dua fase membentuk; cair tidak larut dengan yang lain. Senyawa nonpolar seperti benzena dan heksana adalah hidrofobik, yang tidak dapat menjalani interaksi penuh semangat menguntungkan dengan molekul air, dan mengganggu ikatan hidrogen antara molekul air. Semua molekul atau ion dalam larutan berair mengganggu ikatan hidrogen langsung dari beberapa molekul air dari sekitarnya, tetapi polar atau dibebankan zat terlarut (seperti NaCl) mengkompensasi ikatan hidrogen air air yang hilang dengan membentuk interaksi zat terlarut-air yang baru. Perubahan bersih entalpi (∆H) untuk melarutkan zat terlarut ini

umumnya kecil. Larutan hidrofobik, bagaimanapun, tidak memberikan kompensasi tersebut, dan tambahan untuk air mungkin karena itu menghasilkan keuntungan kecil entalpi; melanggar ikatan hidrogen antara molekul air mengambil energi dari sistem. Selanjutnya, melarutkan senyawa hidrofobik dalam air menghasilkan penurunan yang dapat diukur entropi. Molekul air di sekitar langsung dari zat terlarut nonpolar dibatasi dalam orientasi mereka mungkin karena mereka membentuk shell kadang sangat teratur di sekitar tiap molekul zat terlarut. Molekul air ini tidak sangat berorientasi seperti yang di clathrates, senyawa kristal zat terlarut nonpolar dan air, tetapi efeknya adalah sama dalam kedua kasus: pemesanan molekul air mengurangi entropi. Jumlah molekul air memerintahkan, dan karena itu besarnya penurunan entropi, sebanding dengan luas permukaan zat terlarut hidrofobik tertutup dalam kandang molekul air. Perubahan freeenergy untuk melarutkan zat terlarut nonpolar dalam air sehingga tidak menguntungkan: G = H + TS, di mana H memiliki nilai positif, S memiliki nilai negatif, dan G adalah positif.

Senyawa amphipathic mengandung daerah yang polar (atau biaya) dan daerah yang nonpolar (Tabel 2-2). Ketika suatu senyawa amphipathic dicampur dengan air, kutub, daerah hidrofilik berinteraksi baik dengan pelarut dan cenderung untuk membubarkan, tapi nonpolar, daerah hidrofobik cenderung menghindari kontak dengan air (Gbr. 2-7a). Daerah nonpolar dari molekul cluster bersama untuk menyajikan daerah hidrofobik terkecil ke pelarut air, dan daerah kutub disusun untuk memaksimalkan interaksi mereka dengan pelarut (Gbr. 2-7b). Struktur stabil senyawa amphipathic dalam air, yang disebut misel, mungkin berisi ratusan atau ribuan molekul. Pasukan yang memegang daerah nonpolar dari molekul bersama-sama disebut interaksi hidrofobik. Kekuatan interaksi hidrofobik bukan karena setiap atraksi intrinsik antara gugus nonpolar. Sebaliknya, hasil dari mencapai stabilitas termodinamika terbesar sistem dengan meminimalkan jumlah molekul air memerintahkan dibutuhkan untuk mengelilingi bagian hidrofobik dari molekul zat terlarut.

Banyak biomolekul yang amphipathic; protein, pigmen, vitamin tertentu, dan sterol dan fosfolipid dari membran semua memiliki polar dan nonpolar daerah permukaan. Struktur terdiri dari molekul-molekul ini distabilkan oleh interaksi hidrofobik antar daerah nonpolar. Interaksi hidrofobik antara lipid, dan antara lemak dan protein, merupakan penentu yang paling penting dari struktur dalam membran biologis. Interaksi hidrofobik antara asam amino nonpolar juga menstabilkan struktur tiga dimensi dari protein.

Ikatan hidrogen antara air dan zat terlarut polar juga menyebabkan beberapa pemesanan molekul air, tetapi efeknya kurang signifikan dibandingkan dengan zat terlarut nonpolar. Bagian dari kekuatan pendorong untuk mengikat substrat polar (reaktan) ke permukaan kutub yang saling melengkapi dari enzim adalah peningkatan entropi sebagai enzim menggantikan memerintahkan air dari substrat (Gambar. 2-8).Interaksi Van der Waals Apakah interaksi interatomik Lemah

Ketika dua atom bermuatan dibawa sangat dekat bersama-sama, awan elektron sekitar mereka mempengaruhi satu sama lain. Variasi acak dalam posisi elektron sekitar satu inti dapat membuat dipol listrik sementara, yang menginduksi, dipol listrik berlawanan transien dalam atom di dekatnya. Kedua dipol lemah menarik satu sama lain, membawa dua inti lebih dekat. Objek wisata yang lemah disebut van der Waals interaksi. Sebagai dua inti mendekat bersama-sama, awan elektron mereka mulai saling tolak. Pada titik dimana interaksi van der Waals menyeimbangkan gaya tolak ini, inti dikatakan dalam van der Waals kontak. Setiap atom memiliki karakteristik van der Waals radius, ukuran seberapa dekat atom yang akan memungkinkan lain untuk mendekati (Tabel 2-4). Dalam model molekul "ruang-mengisi" ditampilkan dalam buku ini, atom digambarkan dalam ukuran sebanding dengan mereka van der Waals jari-jari. Interaksi Lemah Apakah Krusial untuk Struktur makromolekul dan Fungsi

Interaksi nonkovalen kami telah dijelaskan (ikatan hidrogen dan ion, hidrofobik, dan van der Waals interaksi) (Tabel 2-5) jauh lebih lemah dari ikatan kovalen. Sebuah input dari sekitar 350 kJ energi yang dibutuhkan untuk memecahkan mol (6 x 1023) ikatan tunggal C-C, dan sekitar 410 kJ untuk memecahkan mol obligasi C-H, tetapi sesedikit 4 kJ cukup untuk mengganggu satu mol van khas der Waals interaksi. Interaksi hidrofobik juga jauh lebih lemah dari ikatan kovalen, meskipun mereka semakin diperkuat oleh pelarut sangat polar (larutan garam pekat, misalnya). Interaksi ionik dan ikatan hidrogen adalah variabel kekuatan, tergantung pada polaritas pelarut andthe penyelarasan atom hidrogen terikat, tetapi mereka selalu signifikan lebih lemah dari ikatan kovalen. Dalam pelarut air pada 25 C, energi panas yang tersedia dapat dari urutan yang sama besarnya sebagai kekuatan interaksi lemah, dan interaksi antara zat terlarut dan pelarut (air) molekul hampir sama kondusif sebagai interaksi zat terlarut-zat terlarut. Akibatnya, ikatan hidrogen dan ion, hidrofobik, dan van der Waals interaksi terus-menerus terbentuk dan patah.

Meskipun keempat jenis interaksi secara individual lemah relatif terhadap kovalen obligasi, efek kumulatif dari berbagai interaksi tersebut bisa sangat signifikan. Sebagai contoh, nonkovalen pengikatan enzim untuk substrat yang dapat melibatkan beberapa ikatan hidrogen dan satu atau lebih interaksi ionik, serta hidrofobik dan van der Waals interaksi. Pembentukan masing-masing obligasi ini lemah berkontribusi pada penurunan bersih pada energi bebas dari sistem. Kita bisa menghitung stabilitas interaksi nonkovalen, seperti yang dari molekul kecil hidrogen terikat pada pasangan makromolekul, dari energi ikat. Stabilitas, yang diukur dengan konstanta kesetimbangan (lihat di bawah) dari reaksi mengikat, bervariasi secara eksponensial dengan mengikat energi. Disosiasi dua biomolekul (seperti enzim dan substrat terikat nya) terkait noncovalently melalui beberapa interaksi lemah mengharuskan semua interaksi ini akan terganggu pada saat yang sama. Karena interaksi berfluktuasi secara acak, gangguan simultan tersebut sangat tidak mungkin. Oleh karena itu stabilitas molekul yang diberikan oleh 5 atau 20 interaksi lemah jauh lebih besar dari yang diharapkan secara intuitif dari penjumlahan sederhana energi mengikat kecil.

Makromolekul seperti protein, DNA, dan RNA mengandung begitu banyak situs ikatan potensi hidrogen atau ion, van der Waals, atau interaksi hidrofobik bahwa efek kumulatif dari banyak kekuatan mengikat kecil bisa sangat besar. Untuk makromolekul, yang paling stabil (yaitu, asli) struktur biasanya yang di mana kemungkinan yang lemah-ikatan yang maksimal. Lipat dari polipeptida tunggal atau rantai polinukleotida menjadi bentuk tiga dimensi yang ditentukan oleh prinsip ini. Pengikatan antigen untuk antibodi spesifik tergantung pada efek kumulatif dari banyak interaksi lemah. Seperti disebutkan sebelumnya, energi yang dilepaskan ketika enzim mengikat noncovalently ke substrat adalah sumber utama daya katalitik enzim. Pengikatan hormon atau neurotransmitter ke protein reseptor seluler adalah hasil dari interaksi lemah. Salah satu konsekuensi dari ukuran besar enzim dan reseptor adalah bahwa permukaan luas mereka memberikan banyak kesempatan untuk interaksi lemah. Pada tingkat molekuler, saling melengkapi antara berinteraksi biomolekul mencerminkan saling melengkapi dan lemah interaksi antara gugus polar, diisi, dan hidrofobik pada permukaan molekul.

Ketika struktur protein seperti hemoglobin (Gbr. 2-9) ditentukan oleh kristalografi x-ray (lihat Kotak 4-4, hal. XX), molekul air sering ditemukan terikat begitu erat untuk menjadi bagian dari struktur kristal; yang sama juga berlaku untuk air dalam kristal RNA atau DNA. Molekul air terikat, yang juga dapat dideteksi dalam larutan air dengan

resonansi magnetik nuklir, memiliki sifat yang jelas berbeda dari orang-orang dari "bulk" air pelarut. Mereka, misalnya, tidak osmotik aktif (lihat di bawah). Bagi banyak protein, molekul air terikat erat sangat penting untuk fungsi mereka. Dalam reaksi penting dalam proses fotosintesis, misalnya, drive cahaya proton melintasi membran biologis sebagai elektron mengalir melalui serangkaian protein elektron pembawa (lihat Gambar. 19-XX). Salah satu protein ini, sitokrom f, memiliki rantai lima terikat molekul air (Gbr. 2-10) yang dapat memberikan jalan bagi proton untuk bergerak melalui membran dengan proses yang dikenal sebagai "proton melompat" (dijelaskan di bawah). Lain seperti pompa proton cahaya-driven, bacteriorhodopsin, hampir pasti menggunakan rantai berorientasi tepatnya molekul air terikat dalam gerakan transmembran proton (lihat Gambar. 19-XX).Zat terlarut Mempengaruhi Sifat Koligatif berair Solusi

Zat terlarut dari semua jenis mengubah sifat tertentu fisik pelarut, air: tekanan uap yang, titik didih, titik leleh (pembekuan titik), dan tekanan osmotik. Ini disebut koligatif ("diikat") properti, karena pengaruh zat terlarut pada semua empat sifat memiliki dasar yang sama: konsentrasi air lebih rendah dalam solusi daripada di air murni. Pengaruh konsentrasi zat terlarut pada sifat koligatif air tidak tergantung pada sifat kimia zat terlarut; itu tergantung hanya pada jumlah partikel terlarut (molekul, ion) dalam jumlah tertentu air. Senyawa seperti NaCl, yang memisahkan dalam larutan, telah dua kali efek pada tekanan osmotik, misalnya, seperti halnya jumlah yang sama mol zat terlarut nondissociating seperti glukosa.

Zat terlarut mengubah sifat koligatif larutan berair dengan menurunkan konsentrasi efektif air. Misalnya, ketika fraksi yang signifikan dari molekul pada permukaan larutan air adalah bukan air tetapi zat terlarut, kecenderungan molekul air untuk melarikan diri ke dalam uap fase-yaitu, tekanan-adalah uap diturunkan (Gbr. 2-11 ). Demikian pula, kecenderungan molekul air untuk bergerak dari fase cair ke permukaan kristal es yang membentuk berkurang ketika beberapa molekul yang bertabrakan dengan kristal yang terlarut, bukan air. Dalam hal ini, solusi akan membeku lebih lambat dari air murni dan pada suhu yang lebih rendah. Untuk 1.00 larutan molal (1.00 mol zat terlarut per 1.000 g air) yang ideal, nonvolatile, dan nondissociating terlarut pada 101 kPa (1 atm) tekanan, titik beku 1.86 C lebih rendah dan titik didih adalah 0,543 C lebih tinggi dari air murni. Untuk 0.100 solusi molal zat terlarut yang sama, perubahan tersebut sepersepuluh sebagai besar.

Molekul air cenderung bergerak dari daerah konsentrasi air yang lebih tinggi ke salah satu konsentrasi air

yang lebih rendah. Ketika dua larutan yang berbeda dipisahkan oleh membran semipermeabel (salah satu yang memungkinkan lewatnya air tetapi tidak terlarut molekul), molekul air berdifusi dari daerah konsentrasi air yang lebih tinggi dengan yang konsentrasi air yang lebih rendah menghasilkan tekanan osmotik (Gbr. 2-12 ). Tekanan ini,, diukur sebagai kekuatan yang diperlukan untuk menahan pergerakan air (. Gambar 2-12c), didekati oleh persamaan van't Hoff:

di mana R adalah konstanta gas dan T adalah temperatur absolut. Ic Istilah osmolaritas larutan, produk dari zat terlarut ini molar konsentrasi c van't Hoff dan faktor i, yang merupakan ukuran sejauh mana zat terlarut memisahkan menjadi dua atau lebih spesies ion. Dalam larutan encer NaCl, zat terlarut sepenuhnya terdisosiasi menjadi Na+ dan Cl-, dua kali lipat jumlah partikel zat terlarut, dan dengan I = 2.Untuk zat terlarut NON-ION, I selalu 1. Untuk larutan dari beberapa (n) zat terlarut, ║adalah jumlah dari kontribusi setiap spesies:

Osmosis, pergerakan air melintasi membran semipermeabel didorong oleh perbedaan tekanan osmotik, merupakan faktor penting dalam kehidupan sebagian besar sel. Membran plasma lebih permeabel terhadap air daripada kebanyakan molekul kecil lainnya, ion, dan makromolekul. Permeabilitas Hal ini disebabkan sebagian untuk difusi sederhana air melalui lapisan ganda lipid dan sebagian saluran protein (aquaporins;. Lihat Gambar 11-XX) dalam membran yang selektif memungkinkan perjalanan air. Solusi dari osmolaritas yang sama dikatakan isotonik. Dikelilingi oleh larutan isotonik, sel tidak keuntungan atau kehilangan air (Gbr. 2-13). Dalam solusi hipertonik, satu dengan osmolaritas lebih tinggi dari sitosol, sel menyusut air mengalir keluar. Dalam larutan hipotonik, dengan osmolaritas rendah dari sitosol, sel membengkak karena air masuk. Dalam lingkungan alami mereka, sel umumnya mengandung konsentrasi yang lebih tinggi dari biomolekul dan ion dari lingkungan mereka, sehingga tekanan osmotik cenderung untuk mendorong air ke dalam sel. Jika tidak entah bagaimana diimbangi, gerakan batin ini air akan menggelembung membran plasma dan akhirnya menyebabkan pecahnya sel (lisis osmotik).

Beberapa mekanisme telah berevolusi untuk mencegah bencana ini. Dalam bakteri dan tanaman,

membran plasma dikelilingi oleh dinding sel nonexpandable kekakuan dan kekuatan yang cukup untuk menahan tekanan osmotik dan mencegah lisis osmotik. Protista air tawar tertentu yang hidup di media yang sangat hipotonik memiliki organel (vakuola kontraktil) yang memompa air keluar dari sel. Pada hewan multiseluler, plasma darah dan cairan interstitial (cairan ekstraselular jaringan) yang dipertahankan pada osmolaritas yang mendekati sitosol. Konsentrasi tinggi dari albumin dan protein lain dalam plasma darah memberikan kontribusi untuk osmolaritas nya. Sel juga secara aktif memompa keluar ion seperti Na+. ke dalam cairan interstitial untuk tetap seimbang osmotik dengan lingkungannya.

Karena efek dari zat terlarut pada osmolaritas tergantung pada jumlah partikel terlarut, bukan massa mereka, makromolekul (protein, asam nukleat, polisakarida) memiliki jauh lebih sedikit berpengaruh pada osmolaritas larutan dari massa yang sama akan komponen monomer mereka. Sebagai contoh, satu gram polisakarida terdiri dari 1.000 unit glukosa memiliki efek yang sama pada osmolaritas sebagai miligram glukosa. Salah satu efek menyimpan bahan bakar polisakarida (pati atau glikogen) bukan sebagai glukosa atau gula sederhana lainnya adalah pencegahan peningkatan besar dalam tekanan osmotik dalam sel penyimpanan.

Tanaman menggunakan tekanan osmotik untuk mencapai kekakuan mekanik. Konsentrasi zat terlarut sangat tinggi di vakuola sel tumbuhan menarik air ke dalam sel (Gambar. 2-13). Mengakibatkan tekanan osmotik terhadap dinding sel (tekanan turgor) menegang sel, jaringan, dan tubuh tanaman. Ketika selada di salad layu Anda, itu karena hilangnya air telah mengurangi tekanan turgor. Perubahan mendadak pada tekanan turgor menghasilkan pergerakan bagian tanaman terlihat pada tanaman sentuh yang sensitif seperti Venus penangkap lalat dan mimosa (Kotak 2-1).