Laporan Praktikum Struktur dan Fungsi Biomolekul
Hari, Tanggal Waktu PJP Asisten
: Jumat, 20 September 2013 : 08.00 – 11.00 : Inda Setyawati, S.Tp, M.Si : Ahmad Ajruddin M. Tria Wulan Syahrul Mustopa
BIOFISIK 2 (KOLOID, BUFFER, DAN TEKANAN OSMOTIK) Kelompok 6C Yoana Puspita Sari (G84110066) Widadi Try Rizeky (G84110017) Mustika Permatasari (G84110041)
DEPARTEMEN BIOKIMIA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Pendahuluan Sistem campuran dapat digolongkan menjadi tiga kelompok, yaitu molekuler (ion dalam pelarut), sistem heterogen, dan koloid. Koloid merupakan campuran heterogen, namun sukar dibedakan antara zat pelarut dan zat terlarut dengan ukuran partikel 10-7 sampai 10-4 cm. Koloid dapat dibedakan menjadi dua jenis berdasarkan sifat adsorpsinya terhadap medium pendispersinya, yakni koloid liofil dan koloid liofob (Petrucci 1985). Koloid liofil adalah koloid yang memiliki kemampuan untuk menarik pelarut karena terdapat gaya tarik menarik cukup besar antara fase terdispersi dengan medium pendispersi, contohnya kanji protein dan agar-agar. Koloid liofob adalah koloid yang dapat membentuk endapan di dalam air karena gaya tarik antara fase dispersi dan medium pendispersi yang lemah, contohnya dispersi emas dan belerang dalam air. Buffer atau yang biasa disebut larutan penyangga dapat mempertahankan derajat keasaman suatu larutan apabila ditambahkan sedikit asam atau basa, hasilnya berupa asam lemah dengan garamnya atau basa lemah dengan garamnya. Larutan buffer berperan sangat penting dalam proses biokimia di dalam tubuh (Samik 2000). Sistem buffer yang bekerja di dalam tubuh ada dua, yaitu buffer karbonat yang bekerja di dalam plasma darah dan buffer fosfat yang penting dalam cairan intraseluler. Buffer fosfat merupakan buffer netral dengan kisaran pH 7. Buffer fosfat dapat dibuat dengan menggunakan monosodium fosfat (NaH2PO4) dan basa konjugasinya
disodium
fosfat
(Na2HPO4).
Buffer
fosfat
terutama
mempertahankan pH fluida intraseluler dari tubulus ginjal sehingga tidak akan mempertahankan pH darah, namun merupakan buffer yang penting untuk urin. Buffer karbonat berperan penting dalam mengontrol pH darah sekitar 7.35 sampai 7.45. Penyangga karbonat berperan mencegah terjadinya kondisi asidosis, yaitu penurunan pH darah yang disebabkan metabolisme tinggi sehingga meningkatkan produksi ion bikarbonat. Tekanan osmotik adalah tekanan yang diberikan pada proses pergerakan molekul zat pelarut dari larutan yang konsentrasi pelarutnya tinggi menuju konsentrasi rendah melalui membran selektif permeabel. Tekanan osmotik bergantung pada banyaknya partikel zat terlarut per satuan volume larutan,
sehingga tekanan osmotik tidak bergantung pada jenis zat terlarut. Besarnya tekanan osmotik berbanding lurus terhadap konsentrasi larutan. Tekanan osmotik yang cukup besar dapat memecahkan membran (Ahmad 2000). Tekanan osmotik erat hubungannya dengan larutan isotonik, hipertonik, dan hipotonik yang memberi pengaruh terhadap bentuk sel. Contoh fenomena tekanan osmotik adalah prinsip kerja infus. Praktikum ini bertujuan membuat dan mengamati koloid liofil dan koloid liofob serta pengendapannya oleh garam, membuat buffer asetat dan fosfat dengan campuran volume yang berbeda untuk mengetahui tingkatan pH, serta mengamati tekanan osmotik cairan sel darah merah segar.
Waktu dan Tempat Praktikum biofisik 2 mengenai larutan koloid, buffer, dan tekanan osmotik dilaksanakan di Laboratorium Departemen Biokimia pada hari Jumat, 20 September 2013 pukul 08.00 sampai dengan 11.00.
Alat dan Bahan Alat yang digunakan pada praktikum ini adalah beberapa gelas piala 250 ml, batang pengaduk, beberapa tabung reaksi, pipet Mohr berukuran 5 ml, Ph meter, pH indikator universal, pipet volumetrik, pipet tetes, bulb hitam, mikroskop, water bath, dan kaca preparat. Bahan yang digunakan adalah cairan gelatin, cairan pati, akuades, biru berlin, ferihidroksida, NaCl 10%, MgSO4, koloid yang sudah jadi (giemsa, CuSO4, biru berlin, eosin), asam asetat 0.1 N, Na-asetat 0.1 N, Na2HPO4 1/15 M, KH2PO4 1/15 M, NaCl 0.3%, NaCl 0.9%, NaCl 5%, dan darah segar.
Prosedur Percobaan Larutan koloid liofil dan liofob. Larutan gelatin dan larutan pati telah disiapkan oleh asisten praktikum untuk koloid liofil. Larutan biru berlin dan ferihidroksida juga telah disipkan asisten untuk para praktikan sebagai koloid liofob.
Pengendapan koloid liofil dengan larutan NaCl 10%. Sebanyak 3 ml NaCl 10% dan 3 ml larutan pati dicampurkan ke dalam tabung reaksi kosong. Jika endapan bersifat jenuh, maka ditambahkan akuades. Jika tidak menemukan endapan, maka campuran tersebut ditambahkan MgSO4. Pengendapan koloid liofob dengan larutan garam. Larutan biru berlin sebanyak 3 ml dicampurkan dengan 3 ml NaCl 10%, kemudian warna endapan diamati. Larutan ferihidroksida sebanyak 3 ml dicampurkan juga dengan 3 ml NaCl 10% dan warna endapan juga diamati. Sifat larutan koloid. Larutan koloid yang akan diamati telah disiapkan oleh asisten, berupa larutan giemsa, CuSO4, biru berlin, dan eosin. Sifat-sifat koloid tersebut diamati jika terjadi difusi atau tidak. Buffer standar asetat. Asam asetat dengan konsentrasi 0.1 N disiapkan, pindahkan ke dalam 5 tabung reaksi berbeda dengan volume masing-masing 9.25, 8.2, 6.3, 10, dan 5.25 ml. Buffer Na-asetat juga disiapkan dengan volume masingmasing 0.75, 1.8, 3.7, 15, dan 9.75 ml. Keduanya yang sudah diurutkan, kemudian dicampur. Ukuran pH ditentukan pertama kali dengan pH indikator universal, lalu dihitung lagi menggunakan pH meter untuk mencari besar pH sebenarnya. Buffer standar fosfat. Larutan Na2HPO4 dengan konsentrasi 1/15 M disiapkan ke dalam 5 tabung dengan volum 0.5, 3, 6.625, 12.5, dan 17. 875 ml. Larutan KH2PO4 konsentrasi 1/15 M disiapkan dengan volum 9.5, 22, 18.375, 12.5, dan 7.125 ml. Keduanya yang sudah diurutkan, kemudian dicampur. Ukuran pH ditentukan pertama kali dengan pH indikator universal, lalu dihitung lagi menggunakan pH meter untuk mencari besar pH sebenarnya.
Hasil dan pembahasan Koloid adalah campuran heterogen yang sukar dibedakan antara zat pelarut dan terlarutnya. Jika cahaya melewati larutan sejati, pengamat yang melihatnya dari arah tegak lurus terhadap sinar tidak melihat sinar. Tetapi dalam suspensi koloid cahaya dibaurkan ke segala arah dan dapat dilihat dengan mudah. Sifat ini mula-mula dipelajari oleh Tyndall pada tahun 1869, dan dikenal dengan efek Tyndall. Koloid mempunyai berbagai macam sifat umum, di antaranya ukuran partikel (10-7-10-4 cm), filtrabilitas (kemampuan melewati saringan),
difusibilitas (daya difusi koloid kecil karena ukuran partikelnya sangat besar dibandingkan partikel sejati), sifat penampakan (sistem koloid sering jernih sejernih larutan sejati, bila dibiarkan menjadi tidak transparan), luas permukaan (perbandingan luas terhadap volume sangat besar sehingga memegang peranan dalam penentuan siat-sifat fisik sistem koloid), muatan partikel (karena ada muatan + dan – pada permukaan), efek Tyndall, fleksibilitas (karena rotasi sekitar ikatan C-C dan ikatan lain dalam larutan sehingga bentuk molekul terus berubah di bawah pengaruh gerakan termal), solvasi (koloid yang terlarut sering berada pada satu lapisan molekuler sehingga dengan kuat mengikat pelarut sebagai bagian dari partikel), kecepatan sedimentasi, adsorpsi (penempelan partikel pada permukaan zat padat), dan gerak Brown (gerak yang tidak teratur). Koloid liofil merupakan koloid yang suka terhadap air karena akan saling tarik menarik dengan pelarutnya. Ciri-ciri koloid liofil yaitu terdiri atas senyawa organik, afinitas terhadap pelarut bear, muatannya berasal dari ionisasi, dan dapat diendapkan dengan cara menghilangkan muatan dan mantel air. Sedangkan koloid liofob merupakan sol yang benci terhadap pelarut dan mempunyai ciri-ciri di antaranya tersusun atas senyawa-senyawa anorganik, afinitas terhadap pelarut kecil, muatannya berasal dari adsorpsi yang dipilih, dan dapat diendapkan dengan ion yang berlawanan. Cara pembuatan koloid hidrofob ada 2 yaitu cara dispersi dan kondensasi. Cara dispersi yaitu pemecahan partikel besar menjadi koloid. Dispersi dapat dilakukan dengan cara disintegrasi mekanik, disintegrasi elektrolit, dan peptisasi. Sedangkan cara kondensasi yaitu pembuatan koloid dari partikel kecil. Kondensasi dapat ditempuh dengan dua cara yaitu dengan proses AC dan dengan cara dengan reaksi kimia dalam larutan. Stabilitas larutan koloid hidrofil berbeda dengan koloid hidrofob. Koloid hidrofil mempunyai afinitas yang besar terhadap pelarutnya sehingga partikel mendapatkan ’’mantel air’’ yang dapat menahan koagulasi koloid di samping muatan listriknya. Untuk mengendapkan muatan koloid hidrofil dari ionisasi gugus tertentu dalam molekulnya misalnya pada protein dari gugus –NH2 dan –COOH dibutuhkan elektrolit muatan berlawanan dan alat dehidratasi (misalnya alkohol). Fenomena ’’salting out’’ merupakan peristiwa tertariknya mantel air koloid hidrofil oleh elektrolit yang berkonsentrasi tinggi. Selanjutnya pada koloid hidrofob terdapat gaya tarik-
menarik di antar partikel sejenis. Gaya tarik-menaik tersebut diatasi oleh gaya tolak-menolak sehingga larutan koloidal tetap berada dalam bentuk larutan. Apabila koloid hidrofob ditambah elektrolit ( K+ Cl- ) pada koloid yang bermuatan +, maka ion Cl- ditarik oleh partikel koloid sehingga menekan lapisan rangkap. Kaidah Schulze Hardy berisi pernyataan jika elektrolit cukup konsentrasinya, koloid tidak dapat tolak-menolak lagi sehingga terjadi endapan (hanya tinggal kohesi). Semakin besar muatan ion yang berlawanan dengan koloid maka makin kuat ion ditarik oleh partikel koloidal sehingga makin sedikit yang dibutuhkan untuk pengendapan. Proses pemurniaan larutan koloid dapat dilakukan dengan penyaringan ultra dan dialisis. Penyaringan ultra merupakan proses pemisahan suspensi koloid dari pelarut dan terlarut dengan saringan yang permeabel terhadap semua partikel kecuali partikel koloid (Petrucci 1985). Pada proses ini digunakan pompa vakum atau pompa tekan dan saringan ”Bechold” atau kertas nitroselulosa. Sedangkan dialisis merupakan proses pemisahan zat terlarut dari sistem koloid dengan cara difusi melalui membran yang sesuai. Membran dialisis bersifat permeabel terhadap ion-ion dan partikel-partikel terlarut lain yang ada dalam larutan tetapi tidak permeabel terhadap partikel koloid. Hasil percobaan menunjukkan koloid liofob dari biru berlin dan ferrihidroksida ternyata terdapat endapan yang lumayan banyak bila dibadingkan dengan koloid liofil. Hal ini membuktikan bahwa benar koloid liofob dapat diendapkan dengan ion berlawanan karena dengan penambahan ion dengan konsentrasi yang cukup tinggi menyebabkan berkurangnya bahkan hilangnya adhesi antarpartikel koloid. Sedangkan pada percobaan, tabung reaksi yang berisi koloid liofil (pati) tidak terdapat endapan. Hal ini dikarenakan tidak tersedianya MgSO4 di laboratorium untuk mengendapkan pati. Tabel 1 Pengendapan koloid dengan garam Larutan Pati Biru berlin Ferihidroksida
Keterangan
Jenis koloid Liofil Liofob Liofob
:
-
: tidak ada endapan
+
: ada endapan sedikit
++
: endapan cukup banyak
Hasil pengamatan ++ ++
Menurut Oxtoby (2001), garam dapat mengurangi gugus elektrostatik di antara partikel tersuspensi sehingga menyebabkan agregasi dan pengendapan. Bila garam ditambahkan pada dispersi koloid, gaya tolak di antara partikel koloid berkurang dan terjadi agregasi. Partikel yang teragregasi jatuh ke dasar wadah sebagai sedimen dengan rapatan rendah Sifat-sifat
larutan
koloid
diantaranya
efek
Tyndall
(peristiwa
penghamburan cahaya oleh partikel koloid), gerak Brown dari partikel koloid dalam medium pendispersi, dan adsorpsi penyerapan suatu zat di permukaan zat lain (Stoker 1991). Beberapa larutan pewarna dapat berdifusi melalui gel koloid seperti giemsa, eosin, dan CuSO4. Berdasarkan hasil percobaan, larutan giemsa, eosin, dan CuSO4 berdifusi melalui gel, sedangkan larutan biru berlin tidak berdifusi. Difusi itu sendiri merupakan suatu distribusi molekul-molekul di dalam larutan secara merata di seluruh permukaan koloid. Hasil pengamatan dengan tabel berikut menunjukkan bahwa koloid liofil mudah mengalami difusi, sedangkan koloid liofob sulit berdifusi.
Tabel 2 Pengamatan sifat-sifat larutan koloid Koloid
Jenis koloid
Hasil pengamatan
Giemsa
Liofil
Mengalami difusi
Eosin
Liofil
Mengalami difusi
Biru berlin
Liofob
Tidak mengalami difusi
CuSO4
Liofil
Mengalami difusi
Gambar
Larutan buffer merupakan larutan yang terdiri dari asam lemah atau basa lemah beserta dengan garamnya. Buffer mampu melawan perubahan pH ketika terjadi penambahan asam atau sedikit basa (Boyer 2002). Kapasitas buffer adalah keefektifan larutan buffer yang bergantung pada jumlah asam dan basa konjugat yang menyusun buffer tersebut, atau mampu mempertahankan pH sebesar pKa. Perbedaan pH meter dan pH universal tidak terlalu spesifik dalam mengukur pH karena tidak memperhitungkan konsep nilai di belakang koma. Nilai pada pH universal berupa bilangan bulat, sedangkan pH meter dapat mendeteksi nilai pH hingga beberapa angka di belakang koma sehingga lebih akurat dalam mengukur nilai pH. Hasil percobaan menunjukkan bahwa kapasitas buffer asetat semakin bertambah seiring penambahan garam dengan nilai 0.7689 sampai 1.1197. Nilai pH teoritis tidak berbeda jauh dengan nilai yang didapat oleh pH meter dan pH indikator universal, sehingga nilai kapasitas buffernya kecil.
Tabel 3 Buffer standar asetat Volume (ml) CH3COOH CH3COONa 0,1 N 0,1 N 9,250 0,750 8,200 1,800 6,300 3,700 10,00 15,000 5,250 19,750
pH indikator universal 3 4 4 5 5
pH terukur pH meter
pH teoritis
Kapasitas buffer
4,43 4,44 4,86 5,30 5,92
3.66 4.09 4.52 4.93 5.33
0.7689 0.8529 1.0210 1.0357 1.1197
Contoh perhitungan baris 1: Mol CH3COOH
= M x V = 0.1 x 9.250 = 0.9250 mol
Mol CH3COONa
= M x V = 0.1 x 0.750 = 0.0750 mol
Buffer asam [H+]
= Ka x = 1.76 x 10-5 x
pH
= - log [H+]
= 2.1707 x 10-4
= - log (2.1707 x 10-4) = 3.66
pKa
= - log Ka
= - log (1.76 x 10-5) = 4.76
Kapasitas buffer
=
=
= 0.7689
Hasil pengamatan pada data di bawah ini menunjukkan bahwa kapasitas buffer semakin meningkat seiring bertambahnya jumlah Na2HPO4 yang ditambahkan, dengan kisaran 0.77 sampai dengan 0.99. Nilai pH yang terukur juga tidak berbeda jauh dengan pH teoritis. Perbedaan ini lebih disebabkan tidak spesifiknya indikator yang digunakan pada pengukuran nilai pH dan kemungkinan kesalahan pengamatan nilai pH yang tertera pada label indikator
Tabel 4 Buffer standar fosfat Na2HPO4
Volume (ml) KH2PO4
0,500 3,000 6,625 12,500 7,150
pH indikator universal 5 6 6 7 7
9,500 22,000 18,375 12,500 2,850
pH terukur pH meter
pH teoritis
Kapasitas buffer
5,88 6,29 6,29 7,32 7,58
5.51 5.93 6.35 6.79 7.19
0.77 0.82 0.88 0.94 0.99
Contoh perhitungan : Mol Na2HPO4
=MxV =
x 0.5000 = 0.0333 mol
Mol KH2PO4
=MxV =
x 9.5000 = 0.6333 mol
Buffer basa [OH-]
= Ka x = 6.2 x 10-8 x
= 3.26 x 10-9
pOH
= - log [OH-] = - log (3.26 x 10-9)
pH
= 14 – pOH
= 14 – 8.49 = 5.51
pKa
= - log Ka
= - log (6.2 x 10-8)
Kapasitas buffer
=
=
= 8.49
= 7.21
= 0.77
. Percobaan pengamatan biofisika mengenai tekanan osmotik menggunakan sampel darah segar. Tekanan osmotik di dalam dan di luar sel akan mempengaruhi keluar masuknya air yang melewati membran semipermeabel. Apabila tekanan osmotik rendah (hipotonik), maka air akan keluar dari sel. Bila tekanan osmotik tinggi (hipertonik), maka air akan keluar dari sel. Tidak ada air yang keluar masuk sel bila tekanan osmotik di luar dan di dalam sel bersifat isotonik (Lehninger 1998). Data menunjukkan bahwa sel darah merah akan menggembung (hipotonik) di
dalam larutan NaCl 0.3%, bersifat isotonik di dalam NaCl 0.9%. Penambahan larutan garam dengan berbagai konsentrasi ke dalam sel dapat mengakibatkan perubahan tekanan osmotik. Sel hidup yang dipindahkan dalam larutan yang tidak isotonik dapat menyesuaikan diri dengan lingkungannya dengan cara mengubah konsentrasi airnya sehingga akhirnya konsentrasi dalam sel sama besar dengan cairan lingkungannya. Pada percobaan, terlihat sel darah merah tidak terjadi apaapa ketika ditambahkan NaCl 5%. Penambahan larutan NaCl 5% membuat lingkungan di luar sel menjadi hipertonik. Hal ini menyebabkan air dari dalam sel berdifusi ke lingkungannya sehingga sel terlihat agak mengkerut (Soemartono 1975). Keadaan isotonis pada sel darah merah yang ditambahkan NaCl 5% ini kemungkinan terjadi karena kurangnya penambahan pelarut tersebut atau kurang pencarian fokus pada mikroskop oleh praktikan. Darah memiliki banyak fungsi, yaitu menjaga persediaan air di dalam sistem pembuluh darah, ruang intraseluler, dan daerah ekstraseluler agar selalu berada dalam keadaan seimbang (homeostasis) (Koolman 1994). Darah memiliki nilai pH sekitar 7.4 yang dipertahankan oleh kombinasi sistem bufer karbonat fosfat dan protein. Bila nilai pH darah berada di bawah 7.0 atau diatas 7.8 dapat mempercepat kematian (Oxtoby 2001). Sistem bufer molekuler rendah dari darah yang terpenting dibentuk dari karbon dioksida, air, dan hidrogen karbonat. Sistem bufer lain di dalam darah terdiri atas dihidrogen fosfat dan hidrogen fosfat. Sistem ini memiliki nilai pKa yang paling menguntngkan, yaitu 7.2. Tabel 5 Tekanan osmotik sel darah merah Larutan NaCl 0,3%
Hasil pengamatan Sel menggembung
Keterangan Hipotonik
NaCl 0,9%
Sel sama besar
Isotonik
NaCl 5%
Sel sama besar
Isotonik
Gambar
Simpulan Pati yang tergolong liofil tidak menghasilkan endapan, sedangkan biru berlin dan ferihidroksida yang merupakan liofob mudah menghasilkan endapan. Giemsa, eosin, dan CuSO4 sebagai liofil bersifat mudah mengalami difusi, sedangkan biru berlin sebagai liofob tidak mudah berdifusi. . Buffer adalah sistem cairan yang cenderung mempertahankan perubahan pH jika terjadi penambahan sedikit asam (H+) atau basa (OH-). Sistem buffer fosfat penting dalam cairan intraseluler sedangkan sistem buffer yang utama di dalam plasma darah adalah buffer bikarbonat. Tekanan osmotik adalah tekanan yang ditimbulkan dari dalam pada membran akibat akumulasi air di dalam sel. Sel darah merah yang ditempatkan dalam larutan NaCl 0.3% akan menggembung (hipotonik), sel darah merah yang ditempatkan pada NaCl 0.9% tidak akan mengkerut ataupun mengembang (isotonik), dan sel darah merah yang dimasukkan ke dalam larutan NaCl 5% seharusnya mengkerut karena tekanan osmosis larutan di luar sel lebih besar daripada di dalam sel.
Daftar Pustaka Ahmad H. 2000. Larutan Asam dan Basa. Bandung: Ganesa. Boyer R. 2002. Concepts in Biochemistry 2nd Edition. Toronto: John Wiley and Sons Inc. Koolman J, Rohm K. 1994. Atlas Berwarna dan Teks Biokimia. Jakarta: Hipokrates. Lehninger AL. 1998. Dasar-Dasar Biokimia 1. Jakarta: Erlangga. Oxtoby DW. 2001. Prinsip-Prinsip Kimia Modern Edisi 4 Jilid 1. Jakarta: Erlangga. Pettrucci RH. 1985. Kimia Dasar: Prinsip dan Terapan Modern Jilid 2. Jakarta: Erlangga. Samik W. 2000. Ilmu Kesehatan Anak. Jakarta: Penerbit Buku Kedokteran EGC. Soemartono SS. 1975. Biologi I. Bogor: Biro Penataran IPB. Stoker HS, Walker EB. 1991. Fundamentals of Chemistry: General, Organic, and Biological Second Edition. Boston: Simon and Schuster, Inc.
