Kehidupan sel sangat tergantung kepada ribuan ikatan kimia yang saling berinteraksi dan bereaksi dengan sangat indah serta teratur dalam koordinasi antara satu molekul dengan molekul lainnya sehingga pada satu waktu dan tempat akan mempengaruhi instruksi sel secara genetik dan juga lingkungannya.
Bagaimana Konsep Ikatan Kimia Molekul Dalam Biologi Sel?
Bagaimana sel dapat mengambil makanannya dan mendapatkan informasi sari lingkungannya? Bagaimana sel merubah energi dari makanan untuk bekerja (berpindah, melakukan sintesis untuk menghasilkan komponen penting, reproduksi)? Bagaimana sel melakukan hubungan dan interaksi dengan sel yang dalam suatu jaringan? Bagaimana sel-sel tersebut saling berkomunikasi antar satu dengan yang lainnya sehingga organisme dapat menjalankan seluruh fungsinya? Maka semua pertanyaan tersebut merupakan tujuan yang akan dapat terjawab dengan mempelajari Biologi Sel.
Keseluruhan ikatan kimia yang terjadi antar molekul untuk menunjang kehidupan sel yang pada akhirnya akan menunjang kehidupan organisme terjadi dalam lingkungan air. Hal ini merupakan dasar penting, dimana air merupakan molekul yang sangat berlimpah dalam sistem biologi. Banyak biomolekul (seperti gula) tersedia dalam air, dengan ikatan antar molekul yang digambarkan sebagai hidrofilik (menyukai air), dan terdapat biomolekul lain (seperti lemak triagliserol) yang bersifat hidrofobik (menghindari air). Sedangkan biomolekul lainnya dapat memiliki sifat keduanya karena adanya ikatan antar molekul yang unik sehingga memiliki sifat amfipatik (memiliki daerah dengan sifat hidrofilik dan hidrofobik) seperti terdapat pada fosfolipid . Keseluruhan molekul dengan sifat-sifat unik tersebut akan membangun membran sel dan selueuh organel yang ada dalam sel.
Molekul merupakan gabungan antar atom melalui ikatan kimiawi sehingga mencerminkan sifat molekul bersangkutan. Sifat unsur kimiawi dan sifat senyawa yang dibentuk untuk menunjang kehidupan dihasilkan dari struktur atomnya. Atom memiliki neutron, proton, dan elektron yang nantinya dapat dipergunakan sebagai acuan dalam menentukan berat atom yang dinyatakan sebagai dalton . Keberadaan elektron dalam atom tersebut akan mempengaruhi jumlah energi yang dihasilkan oleh suatu atom, sehingga saat atom berinteraksi untuk membentuk molekul akan menjadikan sifat atom tercermin pada molekul yang dihasilkan melalui ikatan kimiawi kovalen dan ionik.
Gambar 2.1. menunjukkan pentingnya ikatan kimia yang terjadi antar molekul dalam sel. Ikatan kovalen merupakan pemakaian bersama sepasang elektron valensi oleh dua atom. Keberadaan ikatan kovalen menjadikan atom-atom seperti asam amino secara bersama menjadi saling terhubung, sedangkan ikatan non kovalen menolong terhubungnya protein untuk berikatan antar protein sehingga secara bersama akan menjadi struktur komplementer yang memiliki fungsi khusus. Demikian bahwa molekul-molekul kecil akan menjadi struktur dasar untuk menyusun molekul besar. Contohnya adalah secara umum informasi akan dibawa oleh makromolekul DNA, yang tersusun dari empat molekul kecil yang saling berikatan yaitu adenin (A), tymin (T), Guanin (G), dan Citosin ©.
Kemampuan satu atom menarik elektron-elektron dari suatu ikatan kovalen disebut elekronegativitas atom tersebut. Semakin elekronegativitas suatu atom maka akan semakin kuat atom menarik elektron-elektron yang digunakan bersama ke arahnya sendiri. Ikatan tersebut disebut sebagai ikatan kovalen nonpolar, seperti ikatan yang terjadi antar hidrogen (H2) dan oksigen (O2) membentuk molekul air. Sebaliknya jika suatu atom lebih elektronegatif dibanding atom yang lain, maka suatu elektron tidak akan digunakan bersama secara setara yang disebut sebagai ikatan kovalen polar, misalkan ikatan pada molekul air tersebut.
Hidrogen, oksigen, karbon, nitrogen, pospor, dan sulfur adalah elemen yang banyak ditemukan dalam biomolekul. Masing-masing atom tersebut memiliki karakter dan akan berikatan secara kovalen dengan atom yang lainnya sehingga memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda dimana atom-atom tersebut dapat memiliki elektron sendiri atau menggunakan elektron secara bersama. Ikatan yang terjadi antar molekul seringkali menyebabkan suatu atom yang lebih elektronegatif akan merebut satu elektron pasangan dari molekul yang ada di sebelahnya atau yang berikatan dengannya. Sebuah atom atau molekul yang bermuatan positif disebut kation dan sebaliknya jika bermuatan negatif maka disebut anion . Karena muatan yang berlawanan tersebut, maka akan terjadi tarik menarik antar atom yang disebut sebagai ikatan kovalen, dimanakondisi lingkungan akan sangat mempengaruhi kekuatan ikatan ionik.
Gambar 2.2. menjelaskan ikatan kovalen yang terjadi antar atom sehingga membentuk struktur molekul yaitu metana dan formaldehid. Perlu dicermati bahwa model bola dan tongkat merupakan gambaran konsep ikatan atom untuk memudahkan pemahaman mengenai ikatan tersebut. Sedangkan gambaran yang mendekati kondisi nyata dan cenderung lebih akurat tampak pada gambaran tiga dimensi dimana masing-masing atom akan mengisi seluruh ruang dalam membentuk struktur melalui ikatan kovalennya.
Sebuah molekul memiliki ukuran dan bentuk yang khas, dan menjadi bagian penting dari fungsi molekul tersebut dalam sel hidup. Molekul dengan dua atom seperti H2 atau O2 selalu linier, tetapi molekul dengan lebih dari satu atom akan memiliki bentuk yang rumit. Bentuk molekul tersebut sangat penting dalam biologi karena menentukan bagaimana sebagian besar molekul kehidupan mengenali dan merespon satu sama lainnya. Misalkan, contoh pensinyalan otak dimana molekul pensinyal dilepas oleh sel pentransmisi dengan bentuk unik yang sesuai dengan bentuk molekul reseptor pada sel penerima (mirip ikatan kunci dan anak kunci). Bentuk yang saling bersesuaian tersebut akan membantu pembentukan ikatan lemah antar molekul. Dalam banyak kasus, molekul yang memiliki bentuk serupa dengan molekul sinyal otak tersebut akan dapat mempengaruhi persepsi terhadap suasana hati dan rasa sakit. Morfin, heroin, dan obat yang mengandung opium meniru bentuk molekul sinyal alami yang disebut endorfin . Efek obat buatan yang mirip endorfin tersebut adalah menimbulkan euforia (perasaan senang berlebih) dan menghilangkan rasa sakit dengan cara melekat pada reseptor endorfin di otak.
Pada banyak molekul ikatan antar atom yang berbeda tersebut menyebabkan terjadinya tarik menarik dari elektron pada ikatan kovalen sehingga dapat terjadi dua elektron dipakai bersama oleh dua atom yang berbeda. Kemampuan atom untuk menarik elektron tersebut adalah kemampuan elektronegatif . Semakin elektronegatif sebuah atom, maka akan semakin kuat atom tersebut menarik elektron-elektron yang digunakan bersama ke arahnya sendiri. Ikatan antar atom dengan kemampuan elektronegatif yang sama disebut nonpolar . Pada ikatan nonpolar ini, elektron terikat dan digunakan bersama antara dua atom, seperti ikatan pada C-C dan C-H. Sedangkan jika dua atom memiliki tingkat elektronegatifitas yang berbeda, maka ikatan antar keduanya disebut sebagai ikatan polar , dimana satu atom lebih elektronegatif dibanding atom lainnya sehingga elektron dalam ikatannya tidak digunakan secara setara.
Ikatan kimiawi antar molekul merupakan bagian penting dalam sel, karena sifat-sifat kehidupan muncul dari interaksi molekuler. Ikatan kimiawi lemah yang menghubungkan kontak antar molekul secara singkat merupakan bagian penting yang diperlukan dalam organisme hidup. Selain ikatan ionik yang relatif lemah di tengah keberadaan air maka dikenal juga ikatan hidrogen , yang terjadi apabila atom hidrogen secara kovalen terikat pada satu atom elektronegatif yang juga tertarik ke arah atom elektronegatif lainnya. Dalam sel hidup, pasangan-pasangan elektronegatif yang terlibat biasanya adalah atom oksigen atau nitrogen.
Pembentukan dan pemutusan ikatan kimiawi sehingga menyebabkan perubahan komposisi materi disebut reaksi kimiawi. Salah satu faktor yang mempengaruhi laju reaksi adalah konsentrasi reaktan, dimana semakin tinggi konsentrasi molekul reaktan maka akan semakin sering molekul-molekul tersebut bertumbukan sehingga memiliki kesempatan untuk bereaksi dan membentuk suatu produk.