UTS BKM_INTERAKSI ELEKTROSTATIK DALAM BIOLOGI

INTERAKSI ELEKTROSTATIK DALAM BIOLOGI

1.      Persamaan Poisson – Boltzmann

Persamaan Poisson – Boltzmann adalah persamaan yang berguna dalam banyak pengaturan, baik untuk dipahami antarmuka fisiologis, ilmu polimer, interaksi elektron di a semikonduktor, atau lebih. Persamaan ini  bertujuan untuk mendeskripsikan sebaran potensial listrik dalam larutan searah normal ke permukaan bermuatan. Distribusi ini penting untuk menentukan bagaimana interaksi elektrostatis akan mempengaruhi molekul dalam larutan.

Persamaan Poisson – Boltzmann dapat memiliki banyak bentuk dalam berbagai bidang ilmiah. Dalam biofisika dan aplikasi kimia permukaan tertentu, ini dikenal dengan persamaan Poisson – Boltzmann. Itu juga dikenal di elektrokimia sebagai teori Gouy-Chapman; dalam kimia larutan sebagai Teori Debye – Huckel; di kimia koloid sebagai Teori Derjaguin – Landau – Verwey – Overbeek (DLVO). Hanya modifikasi kecil yang diperlukan untuk menerapkan persamaan Poisson-Boltzmann ke berbagai model antarmuka, menjadikannya alat yang sangat berguna dalam menentukan potensial elektrostatis pada permukaan.

Aplikasi umum:

·         Aplikasi fisiologis

Persamaan Poisson – Boltzmann dapat diterapkan pada sistem biomolekuler seperti pengikatan elektrolit menjadi biomolekul dalam suatu larutan, menghitung potensial elektrostatis dan energi bebas dari molekul bermuatan tinggi, penentuan profil potensial listrik pada titik-titik yang tegak lurus dengan lapisan ganda fosfolipid dari sebuah eritrosit.

·         Energi bebas elektrostatis

Persamaan Poisson – Boltzmann juga dapat digunakan untuk menghitung energi bebas elektrostatis. Persamaan ini dapat bertindak sebagai model geometri sederhana untuk sistem biologi seperti protein, asam nukleat, dan membran.[13] Ini melibatkan persamaan yang diselesaikan dengan kondisi batas sederhana seperti potensial permukaan konstan. Perkiraan ini berguna dalam bidang seperti kimia koloid.

·         Ilmu material

Solusi analitis persamaan Poisson-Boltzmann dapat digunakan untuk menggambarkan interaksi elektron-elektron dalam isolator logam semikonduktor. Ini dapat digunakan untuk menggambarkan ketergantungan waktu dan posisi sistem disipatif seperti sistem mesoskopik. sistem disipatif adalah termodinamika Sistem terbuka yang beroperasi dari, dan seringkali jauh dari, kesetimbangan termodinamika di lingkungan tempat ia bertukar energi dan masalah. Tornado dapat dianggap sebagai sistem disipatif. Berbeda dengan sistem disipatif sistem konservatif.

2.      Koefisien Aktivitas Ion

Koefisien aktivitas merupakan fungsi konsentrasi karena interaksi antar ionik meningkat seiring meningkatnya konsentrasi elektrolit atau konsentrasi ion. Kekuatan ionik larutan adalah ukuran konsentrasi ion dalam larutan itu. Senyawa ion, bila dilarutkan dalam air, terdisosiasi menjadi ion. Konsentrasi elektrolit total larutan akan mempengaruhi sifat penting seperti disosiasi atau kelarutan garam yang berbeda. Salah satu karakteristik utama dari larutan yang mempunyai ion terlarut adalah kekuatan ion. Kekuatan ion dapat dinyatakan dengan satuan molar (mol/L) sering disebut kekuatan ionik molar atau dengan satuan molal (mol/kg.air) sering disebut kekuatan ionik molal.

3.      Ionisasi Protein

Ionisasi protein yang larut dalam air akan membentuk ion yang mempunyai muatan positi dan negative. Suasana asam molekul protein akan membentuk ion positif. Sedangkan dalam suasana basa akan membentuk ion negatif. Protein mempunyai muatan positif dan negative  yang  sama pada titik isoelestrik, sehingga tidak  bergerak ke arah elektroda positf  maupun negatif apabila ditempatkan di antara kedua elektroda tersebut. Protein bermuatan negative  pada pH  di atas titik isoelektrik. sedangkan dibawah titik isoelektrik protein bermuatan positif.

Asam amino jika dilarutkan dalam air dapat membentuk ion dengan dua kutub polar (dipolar) yang sering dinamakan dengan zwitterion. Dalam bahasa Jerman, zwitterion memiliki arti ion hibrit. Zwitterion dapat berfungsi sebagai asam (donor proton) dan juga basa (akseptor proton). Oleh karena sifatnya yang dipolar dan dapat berfungsi sebagai asam dan basa, asam amino sering disebut sebagai amfoter atau amfolit (amfoter elektrolit). Ion amonium ( -NH3+) berfungsi sebagai asam dan ion karboksilat ( - COO-)berfungsi sebagai basa.

4.      Teori Gouy-Chapman

Model Gouy – Chapman menjelaskan kapasitansikualitas -seperti lapisan ganda listrik. Kasus planar sederhana dengan permukaan bermuatan negatif dapat dilihat pada gambar. Seperti yang diharapkan, konsentrasi ion-lawan lebih tinggi di dekat permukaan daripada di larutan massal.

Teori Gouy-Chapman menjelaskan permukaan bermuatan kaku, dengan awan ion bermuatan berlawanan dalam larutan, konsentrasi ion bermuatan berlawanan menurun dengan jarak dari permukaan. Inilah yang disebut lapisan ganda difus. Energi kinetik dari ion lawan akan, sebagian, mempengaruhi ketebalan lapisan ganda difus yang dihasilkan. Gouy dan, secara independen, Chapman mengembangkan teori yang disebut lapisan ganda difus ini di mana perubahan konsentrasi ion lawan di dekat permukaan bermuatan mengikuti distribusi Boltzman.

5.      Muatan Permukan Membran

Membran sel terdiri dari dua lapisan lipid amfipatik, dengan kepala hidrofiliknya polar (afinitas terhadap air) berorientasi masuk dan keluar dari sel, menjaga bagian hidrofobiknya (yang menolak air) saat kontak, terutama kolesterol, tetapi juga fosfogliserida dan sphingolipid. Muatan-muatan yang ada dipermukaan membrane yaitu

·         Muatan listrik

Muatan listrik negatif terdapat di permukaan dalam membrane, Sedangkan  Muatan listrik Positif terdapat di permukaan luar membran.

·         Potensial Listrik

Di permukaan (atau membran) setiap neuron, terdapat beda potensial listrik (voltase) akibat muatan negatif neto di permukaan dalam membran dan muatan positif neto di permukaan luar. Muatan neto adalah hasil dari interaksi rumit antara ion-ion negatif dan positif.

6.      Struktur Air

Air adalah senyawa yang penting bagi semua bentuk kehidupan yang diketahui sampai saat ini di Bumi. Rumus kimianya adalah H2O, yang setiap molekulnya mengandung satu oksigen dan dua atom hidrogen yang dihubungkan oleh ikatan kovalen. Air adalah substansi kimia dengan rumus kimia H2O. Satu molekul air tersusun atas dua atom hidrogen yang terikat secara kovalen pada satu atom oksigen. Air bersifat tidak berwarna, tidak berasa dan tidak berbau pada kondisi standar, yaitu pada tekanan 100 kPa (1 bar) and temperatur 273,15 K (0 °C). Zat kimia ini merupakan suatu pelarut yang penting, yang memiliki kemampuan untuk melarutkan banyak zat kimia lainnya, seperti garam-garam, gula, asam, beberapa jenis gas dan banyak macam molekul organik.

Keadaan air yang berbentuk cair merupakan suatu keadaan yang tidak umum dalam kondisi normal, terlebih lagi dengan memperhatikan hubungan antara hidrida-hidrida lain yang mirip dalam kolom oksigen pada tabel periodik, yang mengisyaratkan bahwa air seharusnya berbentuk gas, sebagaimana hidrogen sulfida. Dengan memperhatikan tabel periodik, terlihat bahwa unsur-unsur yang mengelilingi oksigen adalah nitrogen, flor, dan fosfor, sulfur dan klor. Semua elemen-elemen ini apabila berikatan dengan hidrogen akan menghasilkan gas pada temperatur dan tekanan normal. Alasan mengapa hidrogen berikatan dengan oksigen membentuk fase berkeadaan cair, adalah karena oksigen lebih bersifat elektronegatif ketimbang elemen-elemen lain tersebut (kecuali flor).

Tarikan atom oksigen pada elektron-elektron ikatan jauh lebih kuat daripada yang dilakukan oleh atom hidrogen, meninggalkan jumlah muatan positif pada kedua atom hidrogen, dan jumlah muatan negatif pada atom oksigen. Adanya muatan pada tiap-tiap atom tersebut membuat molekul air memiliki sejumlah momen dipol. Gaya tarik-menarik listrik antar molekul-molekul air akibat adanya dipol ini membuat masing-masing molekul saling berdekatan, membuatnya sulit untuk dipisahkan dan yang pada akhirnya menaikkan titik didih air. Gaya tarik-menarik ini disebut sebagai ikatan hidrogen.

Air sering disebut sebagai pelarut universal karena air melarutkan banyak zat kimia. Air berada dalam kesetimbangan dinamis antara fase cair dan padat di bawah tekanan dan temperatur standar. Dalam bentuk ion, air dapat dideskripsikan sebagai sebuah ion hidrogen (H+) yang berasosiasi (berikatan) dengan sebuah ion hidroksida (OH-).

·         Elektrolisis Air

Molekul air dapat diuraikan menjadi unsur-unsur asalnya dengan mengalirinya arus listrik. Proses ini disebut elektrolisis air. Pada katode, dua molekul air bereaksi dengan menangkap dua elektron, tereduksi menjadi gas H2 dan ion hidroksida (OH-). Sementara itu pada anode, dua molekul air lain terurai menjadi gas oksigen (O2), melepaskan 4 ion H+ serta mengalirkan elektron ke katode. Ion H+ dan OH- mengalami netralisasi sehingga terbentuk kembali beberapa molekul air.

·         Kelarutan (Solvasi)

Air adalah pelarut yang kuat, melarutkan banyak jenis zat kimia. Zat-zat yang bercampur dan larut dengan baik dalam air (misalnya garam-garam) disebut sebagai zat-zat "hidrofilik" (pencinta air), dan zat-zat yang tidak mudah tercampur dengan air (misalnya lemak dan minyak), disebut sebagai zat-zat "hidrofobik" (takut-air). Kelarutan suatu zat dalam air ditentukan oleh dapat tidaknya zat tersebut menandingi kekuatan gaya tarik-menarik listrik (gaya intermolekul dipol-dipol) antara molekul-molekul air. Jika suatu zat tidak mampu menandingi gaya tarik-menarik antar molekul air, molekul-molekul zat tersebut tidak larut dan akan mengendap dalam air.

·         Kohesi dan Adhesi

Air menempel pada sesamanya (kohesi) karena air bersifat polar. Air memiliki sejumlah muatan parsial negatif (σ-) dekat atom oksigen akibat pasangan elektron yang (hampir) tidak digunakan bersama, dan sejumlah muatan parsial positif (σ+) dekat atom hidrogen. Dalam air hal ini terjadi karena atom oksigen bersifat lebih elektronegatif dibandingkan atom hidrogen—yang berarti, ia (atom oksigen) memiliki lebih "kekuatan tarik" pada elektron-elektron yang dimiliki bersama dalam molekul, menarik elektron-elektron lebih dekat ke arahnya (juga berarti menarik muatan negatif elektron-elektron tersebut) dan membuat daerah di sekitar atom oksigen bermuatan lebih negatif ketimbang daerah-daerah di sekitar kedua atom hidrogen. Air memiliki pula sifat adhesi yang tinggi disebabkan oleh sifat alami ke-polar-annya.

·         Tegangan Permukaan

Air memiliki tegangan permukaan yang besar yang disebabkan oleh kuatnya sifat kohesi antar molekul-molekul air. Hal ini dapat diamati saat sejumlah kecil air ditempatkan dalam sebuah permukaan yang tak dapat terbasahi atau terlarutkan (non-soluble); air tersebut akan berkumpul sebagai sebuah tetesan. Di atas sebuah permukaan gelas yang amat bersih atau bepermukaan amat halus air dapat membentuk suatu lapisan tipis (thin film) karena gaya tarik molekular antara gelas dan molekul air (gaya adhesi) lebih kuat ketimbang gaya kohesi antar molekul air.