The Cells’ Drinking Straws
Protein, enzim, dan struktur biologis lainnya cukup kecil untuk dianggap sebagai molekul besar. Namun, mereka bertanggung jawab untuk melakukan tugas-tugas tubuh fisik seperti mengangkut nutrisi dan limbah dan berfungsi sebagai penghalang di dinding organ. Bagaimana bahan kimia penting seperti ion air dan logam benar-benar dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain di dalam tubuh? Hadiah Nobel Kimia tahun 2003 diberikan kepada dua ilmuwan yang membantu kita memahami bagaimana bahan-bahan ini masuk dan keluar dari sel.
Membran sel terdiri dari protein — molekul besar seperti rantai yang dibangun dari unit asam amino berulang. Protein ini terutama lipofilik (penolak spesies polar), yang mencegah isi sel bocor melalui membran dan bercampur dengan lingkungan sekitar. Struktur kompleks molekul protein memungkinkan mereka untuk mengatur diri sendiri menjadi struktur tiga dimensi. Di dalam struktur ini, area dengan polaritas yang relatif tinggi (seperti rumpun ikatan karbon-oksigen atau gugus R bermuatan) dapat berfungsi sebagai "saluran" untuk lewatnya molekul dan ion polar kecil.
Dr. Peter Agre mempelajari saluran membran yang memungkinkan air masuk dan keluar sel tanpa mengijinkan ion H3O+. Sel membutuhkan air untuk mengatur volume dan tekanan osmotiknya. Namun, karena sel menyimpan energi dengan mempertahankan diferensial muatan dari lingkungannya, kehilangan proton sebagai H3O+ melalui saluran harus dicegah.
Eksperimen dilakukan untuk membuktikan hal ini: memasukkan sel ke dalam larutan, memaksa mereka menyerap air. Analisis kristalografi sinar-X dari protein ini mengungkapkan logika atom di balik selektivitas saluran air ini. Saat molekul H2O dan ion H3O+ bergerak menuruni saluran, mereka menemui daerah sempit di mana unit asam amino protein berada dalam jarak yang sangat dekat. “Pintu” lebar 2,8 Å ini cukup kecil sehingga hanya molekul air yang bisa melewatinya. Dua unit asam amino yang terletak di dekatnya memiliki gugus R yang membawa muatan positif, sehingga tolakan elektrostatik juga membantu untuk memblokir ion H3O+. Protein yang mengandung saluran air disebut aquaporin; kerusakan mereka telah dikaitkan dengan retensi cairan, dehidrasi, diabetes, dan penyakit ginjal.
Pengangkutan ion logam adalah penting secara biologis karena sistem otot dan saraf kita diatur oleh spesies bermuatan. Sel menggunakan saluran membran untuk mengekstraksi ion kalium secara selektif dari lingkungan yang mengandung K+ dan Na+. Karena ion K+ lebih besar dari ion Na+, proses ini tidak dapat dilakukan hanya dengan membatasi diameter saluran. Dr. Roderick MacKinnon menunjukkan bahwa selektivitas kalium muncul dari interaksi preferensial antara kation kalium dan atom asam amino protein yang menyusun dinding saluran.
Gambar diatas menunjukkan bagaimana saluran ion secara selektif memungkinkan ion K+ masuk tetapi tidak pada kation Na+ yang lebih kecil. K+ di sebelah kiri cukup besar untuk berinteraksi sama baiknya dengan keempat atom O segiempat persegi yang melapisi bagian atas saluran ion. Oleh karena itu, sedikit energi yang hilang pada pemisahan molekul air terkoordinasi (hanya empat yang ditunjukkan untuk kejelasan) ketika ion K+ memasuki saluran. Namun ion Na+ terlalu kecil dan tidak dapat berinteraksi dengan baik dengan keempat atom O yang melapisi saluran. Ini mewakili situasi energi yang lebih tinggi dan ion Na+ lebih memilih untuk tetap berada dalam larutan di mana ia dapat berinteraksi dengan lebih banyak molekul air.
Sumber :Kenneth W. Whitten, General Chemistry
Komentar
Posting Komentar