Air
Air dan manusia > Zona biologis

Air merupakan cairan singular, oleh karena kapasitasnya untuk membentuk jaringan molekul 3 dimensi dengan ikatan hidrogen yang mutual. Hal ini disebabkan karena setiap molekul air mempunyai 4 muatan fraksional dengan arah tetrahedron, 2 muatan positif dari kedua atom hidrogen dan dua muatan negatif dari atom oksigen. Akibatnya, setiap molekul air dapat membentuk 4 ikatan hidrogen dengan molekul disekitarnya. Sebagai contoh, sebuah atom hidrogen yang terletak di antara dua atom oksigen, akan membentuk satu ikatan kovalen dengan satu atom oksigen dan satu ikatan hidrogen dengan atom oksigen lainnya, seperti yang terjadi pada es. Perubahan densitas molekul air akan berpengaruh pada kemampuannya untuk melarutkan partikel. Oleh karena sifat muatan fraksional molekul, pada umumnya, air merupakan zat pelarut yang baik untuk partikel bermuatan atau ion, namun tidak bagi senyawa hidrokarbon.
Konsep tentang sel sebagai larutan yang terbalut membran, pertama kali dipelajari oleh ilmuwan Rusia bernama Troschin pada tahun 1956. Pada monografnya, Problems of Cell Permeability, tesis Troschin mengatakan bahwa partisi larutan yang terjadi antara lingkungan intraseluler dan ekstraseluler tidak hanya ditentukan oleh permeabilitas membran, namun terjadi akumulasi larutan tertentu di dalam protoplasma, sehingga membentuk larutan gel yang berbeda dengan air murni.
Pada tahun 1962, Ling melalui monografnya, A physical theory of the living state, mengutarakan bahwa air yang terkandung di dalam sel mengalami polarisasi menjadi lapisan-lapisan yang menyelimuti permukaan protein dan merupakan pelarut yang buruk bagi ion. Ion K+ diserap oleh sel normal, sebab gugus karboksil dari protein cenderung untuk menarik K+ daripada ion Na+. Teori ini, dikenal sebagai hipotesis induksi-asosiasi juga mengutarakan tidak adanya pompa kation, ATPase, yang terikat pada membran sel, dan distribusi semua larutan ditentukan oleh kombinasi dari gaya tarik menarik antara masing-masing protein dengan modifikasi sifat larutan air dalam sel. Hasil dari pengukuran NMR memang menunjukkan penurunan mobilitas air di dalam sel namun dengan cepat terdifusi dengan molekul air normal. Hal ini kemudian dikenal sebagai model two-fraction, fast-exchange.
Keberadaan pompa kation yang digerakkan oleh ATP pada membran sel, terus menjadi bahan perdebatan, sejalan dengan perdebatan tentang karakteristik cairan di dalam sitoplasma dan air normal pada umumnya. Argumentasi terkuat yang menentang teori mengenai jenis air yang khusus di dalam sel, berasal dari kalangan ahli kimiawan fisis. Mereka berpendapat bahwa air di dalam sel tidak mungkin berbeda dengan air normal, sehingga perubahan struktur dan karakter air intraseluler juga akan dialami dengan air ekstraseluler. Pendapat ini didasarkan pada pemikiran bahwa, meskipun jika pompa kation benar ada terikat pada membran sel, pompa tersebut hanya menciptakan kesetimbangan osmotik seluler yang memisahkan satu larutan dari larutan lain, namun tidak bagi air. Air dikatakan memiliki kesetimbangan sendiri yang tidak dapat dibatasi oleh membran sel.
Para ahli lain yang berpendapat bahwa air di dalam sel sangat berbeda dengan air pada umumnya. Air yang menjadi tidak bebas bergerak oleh karena pengaruh permukaan ionik, disebut sebagai air berikat (bahasa Inggris: bound water), sedangkan air di luar jangkauan pengaruh ion tersebut disebut air bebas (bahasa Inggris: bulk water).
Air berikat dapat segera melarutkan ion, oleh karena tiap jenis ion akan segera tertarik oleh masing-masing muatan fraksional molekul air, sehingga kation dan anion dapat berada berdekatan tanpa harus membentuk garam. Ion lebih mudah terhidrasi oleh air yang reaktif, padat dengan ikatan lemah, daripada air inert tidak padat dengan daya ikat kuat. Hal ini menciptakan zona air, sebagai contoh, kation kecil yang sangat terhidrasi akan cenderung terakumulasi pada fase air yang lebih padat, sedangkan kation yang lebih besar akan cenderung terakumulasi pada fase air yang lebih renggang, dan menciptakan partisi ion seperti serial Hofmeister sebagai berikut:
catatan
densitas air berikat semakin tinggi ke arah kanan.
Interaksi antara molekul air berikat dan gugus ionik diasumsikan terjadi pada rentang jarak yang pendek, sehingga atom hidrogen terorientasi ke arah anion dan menghambat interaksi antara populasi air berikat dengan air bebas. Orientasi molekul air berikat semakin terbatas permukaan molekul polielektrolit bermuatan negatif antara lain DNA, RNA, asam hialorunat, kondroitin sulfat, dan jenis biopolimer bermuatan lain. Energi elektrostatik antara molekul biopolimer bermuatan sama yang berdesakan akan menciptakan gaya hidrasi yang mendorong molekul air bebas keluar dari dalam sitoplasma.
Pada umumnya, konsenstrasi larutan polielektrolit yang cukup tinggi akan membentuk gel. Misalnya gel agarose atau gel dari asam hialuronat yang mengandung 99,9% air dari total berat gel. Tertahannya molekul air di dalam struktur kristal gel merupakan salah satu contoh kecenderungan alami setiap komponen dari suatu sistem untuk bercampur dengan merata. Molekul air dapat terlepas dari gel sebagai respon dari tekanan udara, peningkatan suhu atau melalui mekanisme penguapan, namun dengan turunnya rasio kandungan air, daya ikat ionik yang terjadi antara molekul zat terlarut yang menahan molekul air akan semakin kuat.
Meskipun demikian, pendekatan ionik seperti ini masih belum dapat menjelaskan beberapa fenomena anomali larutan seperti,
perbedaan sifat air di dalam sitoplasma oosit hewan katak dengan air di dalam inti sel dan air normal
turunnya koefisien difusi air di dalam Artemia cyst dibandingkan dengan koefisien air yang sama pada gel agarose dan air normal
lebih rendahnya densitas air pada Artemia cyst dibandingkan air normal pada suhu yang sama
anomali trimetilamina oksida pada jaringan otot
kedua kandungan air normal, dan air dengan koefisien partisi 1,5 yang dimiliki mitokondria pada suhu 0-4 °C
Fenomena anomali larutan ini dianggap terjadi pada rentang jarak jauh yang berada di luar domain pendekatan ionik.
Energi pada molekul air menjadi tinggi ketika ikatan hidrogen yang dimiliki menjadi tidak maksimal, seperti saat molekul air berada dekat dengan permukaan atau gugus hidrokarbon. Senyawa hidrokarbon kemudian disebut bersifat hidrofobik sebab tidak membentuk ikatan hidrogen dengan molekul air. Daya ikat hidrogen pada kondisi ini akan menembus beberapa zona air dan partisi ion, sehingga dikatakan bahwa sebagai karakter air pada rentang jarak jauh. Pada rentang ini, molekul garam seperti Na2SO4, sodium asetat dan sodium fosfat akan memiliki kecenderungan untuk terurai menjadi kation Na+ dan anionnya.