Kimia Bioanorganik mempelajari interaksi antara ion logam dengan molekul biologis (seperti protein dan DNA) serta bagaimana interaksi ini menjalankan fungsi vital seperti transportasi gas, katalisis enzimatik, dan transfer elektron.
1. Peran Spesifik Logam dalam Biologi
Logam tidak hanya “ada” di dalam tubuh, tetapi dipilih secara evolusioner berdasarkan ukuran, muatan, dan sifat pengikatannya.
A. Logam Transpor dan Struktur (Makroelemen)
- $\text{Na}^+$ dan $\text{K}^+$: Berperan dalam pompa ion untuk menjaga potensial membran sel dan transmisi impuls saraf.
- $\text{Mg}^{2+}$: Menstabilkan struktur DNA dan RNA, serta menjadi kofaktor bagi enzim yang menggunakan ATP.
- $\text{Ca}^{2+}$: Berperan sebagai pemberi sinyal (messenger) kedua dalam kontraksi otot dan pembekuan darah, serta sebagai komponen struktural dalam tulang (hidroksiapatit).
B. Logam Katalitik dan Redoks (Mikroelemen/Trace)
Logam transisi seperti $\text{Fe, Cu, Mn,}$ dan $\text{Mo}$ digunakan karena kemampuannya berpindah bilangan oksidasi (reaksi redoks).
- $\text{Zn}^{2+}$: Unik karena tidak aktif secara redoks, sehingga sering digunakan sebagai asam Lewis yang stabil untuk mengaktifkan air dalam enzim atau sebagai “Zinc Fingers” untuk menstabilkan struktur protein yang mengikat DNA.
2. Sistem Pengangkut Oksigen: Hemoglobin dan Mioglobin
Keduanya menggunakan Gugus Heme, sebuah kompleks di mana ion $\text{Fe}^{2+}$ berada di tengah cincin makrosiklik yang disebut Porfirin.
- Struktur: $\text{Fe}^{2+}$ berkoordinasi dengan 4 atom Nitrogen dari cincin porfirin dan 1 atom Nitrogen dari residu asam amino histidin (Histidin Proksimal). Posisi ke-6 kosong atau diisi oleh air, dan di sinilah molekul $\text{O}_2$ akan terikat.
- Mekanisme Pengikatan: Ketika $\text{O}_2$ terikat, terjadi perubahan spin elektron pada $\text{Fe}^{2+}$ dari high-spin menjadi low-spin. Hal ini menyebabkan atom besi menjadi lebih kecil dan “masuk” ke dalam bidang cincin porfirin. Gerakan ini memicu perubahan konformasi seluruh protein (efek kooperatif), yang mempermudah subunit lain untuk mengikat oksigen.
- Mioglobin vs Hemoglobin: Mioglobin (di otot) memiliki afinitas oksigen yang lebih tinggi untuk penyimpanan, sedangkan Hemoglobin (di darah) dirancang untuk mengangkut dan melepas oksigen secara efisien.
3. Fotosintesis: Klorofil
Klorofil adalah pigmen yang bertanggung jawab untuk menyerap energi cahaya. Secara struktural, klorofil mirip dengan heme, tetapi dengan perbedaan utama:
Getty Images
- Pusat Logam: Menggunakan $\text{Mg}^{2+}$ alih-alih besi.
- Cincin: Menggunakan cincin Klorin (versi porfirin yang sedikit lebih jenuh).
- Fungsi: $\text{Mg}^{2+}$ dalam klorofil tidak terlibat dalam reaksi redoks secara langsung, tetapi berfungsi untuk menjaga kekakuan struktur cincin sehingga energi cahaya yang diserap tidak hilang sebagai panas, melainkan dapat ditransfer secara efisien ke pusat reaksi.
4. Enzim Mengandung Logam (Metalloenzymes)
Hampir sepertiga dari semua enzim membutuhkan ion logam untuk berfungsi.
A. Karbonik Anhidrase ($\text{Zn}$)
Enzim ini mengkatalisis konversi cepat $\text{CO}_2$ menjadi bikarbonat ($\text{HCO}_3^-$) di dalam darah.
- Mekanisme: Ion $\text{Zn}^{2+}$ mengikat molekul air dan menurunkan $pKa$ air tersebut secara drastis (dari 14 menjadi sekitar 7). Hal ini menghasilkan ion hidroksida ($\text{OH}^-$) yang sangat reaktif pada pH fisiologis untuk menyerang $\text{CO}_2$.
B. Vitamin $\text{B}_{12}$ (Kobalamin)
Satu-satunya vitamin yang mengandung logam berat, yaitu Kobalt ($\text{Co}$).
- Struktur: Kobalt berada di pusat cincin Korin (mirip porfirin).
- Kekhasan: Memiliki ikatan Logam-Karbon yang stabil (ikatan $\text{Co-C}$), menjadikannya contoh langka senyawa organologam yang terjadi secara alami dalam tubuh manusia. Berfungsi dalam reaksi penataan ulang kerangka karbon dan metilasi.
C. Nitrogenase ($\text{Mo}$ dan $\text{Fe}$)
Enzim yang ditemukan pada bakteri pengikat nitrogen di akar tanaman.
- Fungsi: Memecah ikatan rangkap tiga $\text{N} \equiv \text{N}$ yang sangat kuat di udara menjadi amonia ($\text{NH}_3$). Ini adalah salah satu reaksi kimia paling sulit yang dilakukan oleh alam, melibatkan pusat logam sulfur besi-molibdenum kompleks.
5. Aplikasi Medis Kimia Anorganik
Selain fungsi alami, senyawa anorganik buatan juga digunakan dalam kedokteran:
- Cisplatin ($\text{[Pt(NH}_3)_2\text{Cl}_2]$): Senyawa koordinasi platinum yang digunakan sebagai obat kemoterapi kanker. Ia bekerja dengan mengikat DNA sel kanker dan mencegah replikasi.
- Agen Kontras MRI ($\text{Gd}^{3+}$): Ion Gadolinium bersifat paramagnetik kuat dengan 7 elektron tidak berpasangan. Karena $\text{Gd}^{3+}$ bebas beracun, ia diberikan dalam bentuk kompleks kelat yang sangat stabil untuk meningkatkan kualitas gambar MRI.