Asetilkolin telah banyak dikenal sebagai neurotransmitter. Asetilkolin berperan sebagai kurir pembawa pesan yang memfasilitasi komunikasi antar sel, salah satunya adalah sel syaraf. Di dalam otak, terdapat jutaan sel syaraf. Jika jumlah kurir pembawa pesan (asetilkolin) cukup, komunikasi berjalan lancar. Jika berlebih, sel syaraf akan kuwalahan. Lalu, bagaimana jika kurang? akan ada banyak pesan yang tidak tersampaikan. Tentu tidak bagus. Ini lah yang mendasari munculnya hipotesis kolinergis: kurangnya jumlah asetilkolin (deplesi asetilkolin) pada otak yang mengantarkan pada penyakit Alzheimer.
Asetilkolin memiliki banyak kemungkinan konformasi. Konformasi asetilkolin menentukan reaktivitasnya. Untuk kasus penyakit Alzheimer, reaksi hidrolisis asetilkolin harus dihambat supaya deplesi asetilkolin tidak makin parah. Itu sebabnya studi tentang konformasi asetilkolin menjadi penting. Jika faktor penentu preferensi konformasi asetilkolin diketahui, perekayasaan dapat dilakukan. Sehingga, preferensi konformasi asetilkolin di dalam larutan (di dalam tubuh manusia) dapat direkayasa menjadi konformer yang paling tidak reaktif pada rekasi hidrolisis.
Studi komputasi yang diterbitkan pada jurnal Molecules tahun 2020 (10.3390/molecules25030670) dan ChemistrySelect tahun 2023 (10.1002/slct.202204151) mengemukakan bahwa asetilkolin memiliki tujuh konformer stabil di fase gas dan enam di pelarut air. Meskipun jumlahnya tereduksi, konformer-konformer tersebut, berdasarkan energi elektroniknya, dapat dikelompokkan menjadi low-energy konformer dan high-energy konformer. Pengelompokkan tersebut dikarakterisasi oleh sudut torsional yang tersusun atas atom CC(=O)
O
C. Sudut torsional dengan konformasi trans memberikan konformer dengan low-energy konformer. Sebaliknya, sudut torsional dengan konformasi cis memberikan konformer dengan high-energy konformer. Beda energi antara konformer low-energy dan high-energy mencapai 0,35 eV.
Perbedaan energi yang signifikan antara low-energy dan high-energy konformer dapat dijelaskan dengan Bent’s rule. Bent’s rule merupakan sebuah aturan yang dikemukakan oleh seorang kimiawan terkenal, Henry A. Bent pada tahun 1960. Bent’s rule berisi tiga aturan sebagai berikut. Pertama, s-character cenderung terkonsentrasi pada orbital dengan gugus elektropositif. Kedua, panjang ikatan menjadi lebih pendek akibat s-character meningkat. Ketiga, panjang ikatan menjadi lebih pendek seiring dengan hadirnya substituen elektronegatif. Setiap aturan dapat diturunkan dari dua aturan lainnya.
Bent’s rule banyak dipakai karena dapat menjembatani antara elektronegativitas dan hibridisasi. Elektronegativitas didefinisikan sebagai kemampuan atom untuk menarik elektron bersama dalam ikatan kovalen. Elektronegativitas merupakan sifat penting yang dimiliki suatu unsur dan berguna dalam merasionalisasi stabilitas, struktur, dan sifat-sifat suatu molekul dan padatan. Sedangkan hibridisasi adalah konsep dasar dalam kimia yang menjelaskan bagaimana orbital atomik yang berbeda, tetapi memiliki energi yang sama, bergabung untuk membentuk satu set orbital hibrida yang setara. Orbital hibrida ini memiliki bentuk dan orientasi yang berbeda dari orbital asli, sehingga menghasilkan sifat ikatan kimia yang berbeda.
Pada kasus ini, Bent’s rule, dengan analisis s-character, dipakai untuk mengevaluasi pengaruh elektronegativitas atom oksigen pada hibridisasi ikatan C=O dan CO, serta perannya pada kestabilan konformer asetilkolin. Evaluasi dilakukan dengan teknik studi komparasi delapan molekul sederhana dari keluarga butana (CH3
CH2
O
CH4) dan butanon (CH3
C(=O)
O
CH4). Atom oksigen pada ikatan C
O disubstitusi dengan atom boron, karbon, dan nitrogen (C
Z) untuk mengetahui pengaruh perubahan nilai elektronegativitas. Sedangkan butana dan butanon dipilih untuk mengetahui pengaruh kehadiran gugus karbonil (hibridisasi ikatan C=O). Hasil analisis molekul-molekul sederhana tersebut dipakai untuk menjelaskan molekul utama, yaitu asetilkolin.
Hasil kalkulasi berbasis density-functional theory menunjukkan bahwa kehadiran atom oksigen pada gugus karbonil berperan penting pada kestabilan konformer asetilkolin. Plot beda energi antar konformer terhadap (1) nilai elektronegativitas dan (2) nilai s-character ikatan CZ memberikan pola yang sama: linier untuk butana dan eksponensial untuk butanon. Artinya, kehadiran gugus karbonil, hibridisasi ikatan C=O, mengubah kestabilan konformer asetilkolin secara signifikan (dari linier menjadi eksponensial) baik di fase gas maupun pelarut air.
Hasil penelitian ini telah membuktikan aplikasi Bent檚 rule dalam teori kimia fundamental. Studi ini dapat diterapkan lebih lanjut pada molekul-molekul serupa lainnya, yang berpotensi mengarah pada aplikasi yang lebih luas dalam bidang sains.
Hasil dari penelitian ini telah diterbitkan pada Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences pada 15 Oktober 2024 dengan judul Electronegativity Effects on Conformational Stability Using Bent’s Rule: From Simple Molecules to Acetylcholine dan dapat diakses secara bebas melalui https://doi.org/10.11113/mjfas.v20n5.3635.
Penulis artikel: Roichatul Madinah, S.Si, dan Febdian Rusydi, S.T., M.Sc., Ph.D.Asetilkolin telah banyak dikenal sebagai neurotransmitter. Asetilkolin berperan sebagai kurir pembawa pesan yang memfasilitasi komunikasi antar sel, salah satunya adalah sel syaraf. Di dalam otak, terdapat jutaan sel syaraf. Jika jumlah kurir pembawa pesan (asetilkolin) cukup, komunikasi berjalan lancar. Jika berlebih, sel syaraf akan kuwalahan. Lalu, bagaimana jika kurang? akan ada banyak pesan yang tidak tersampaikan. Tentu tidak bagus. Ini lah yang mendasari munculnya hipotesis kolinergis: kurangnya jumlah asetilkolin (deplesi asetilkolin) pada otak yang mengantarkan pada penyakit Alzheimer.
Asetilkolin memiliki banyak kemungkinan konformasi. Konformasi asetilkolin menentukan reaktivitasnya. Untuk kasus penyakit Alzheimer, reaksi hidrolisis asetilkolin harus dihambat supaya deplesi asetilkolin tidak makin parah. Itu sebabnya studi tentang konformasi asetilkolin menjadi penting. Jika faktor penentu preferensi konformasi asetilkolin diketahui, perekayasaan dapat dilakukan. Sehingga, preferensi konformasi asetilkolin di dalam larutan (di dalam tubuh manusia) dapat direkayasa menjadi konformer yang paling tidak reaktif pada rekasi hidrolisis.
Studi komputasi yang diterbitkan pada jurnal Molecules tahun 2020 (10.3390/molecules25030670) dan ChemistrySelect tahun 2023 (10.1002/slct.202204151) mengemukakan bahwa asetilkolin memiliki tujuh konformer stabil di fase gas dan enam di pelarut air. Meskipun jumlahnya tereduksi, konformer-konformer tersebut, berdasarkan energi elektroniknya, dapat dikelompokkan menjadi low-energy konformer dan high-energy konformer. Pengelompokkan tersebut dikarakterisasi oleh sudut torsional yang tersusun atas atom CC(=O)
O
C. Sudut torsional dengan konformasi trans memberikan konformer dengan low-energy konformer. Sebaliknya, sudut torsional dengan konformasi cis memberikan konformer dengan high-energy konformer. Beda energi antara konformer low-energy dan high-energy mencapai 0,35 eV.
Perbedaan energi yang signifikan antara low-energy dan high-energy konformer dapat dijelaskan dengan Bent’s rule. Bent’s rule merupakan sebuah aturan yang dikemukakan oleh seorang kimiawan terkenal, Henry A. Bent pada tahun 1960. Bent’s rule berisi tiga aturan sebagai berikut. Pertama, s-character cenderung terkonsentrasi pada orbital dengan gugus elektropositif. Kedua, panjang ikatan menjadi lebih pendek akibat s-character meningkat. Ketiga, panjang ikatan menjadi lebih pendek seiring dengan hadirnya substituen elektronegatif. Setiap aturan dapat diturunkan dari dua aturan lainnya.
Bent’s rule banyak dipakai karena dapat menjembatani antara elektronegativitas dan hibridisasi. Elektronegativitas didefinisikan sebagai kemampuan atom untuk menarik elektron bersama dalam ikatan kovalen. Elektronegativitas merupakan sifat penting yang dimiliki suatu unsur dan berguna dalam merasionalisasi stabilitas, struktur, dan sifat-sifat suatu molekul dan padatan. Sedangkan hibridisasi adalah konsep dasar dalam kimia yang menjelaskan bagaimana orbital atomik yang berbeda, tetapi memiliki energi yang sama, bergabung untuk membentuk satu set orbital hibrida yang setara. Orbital hibrida ini memiliki bentuk dan orientasi yang berbeda dari orbital asli, sehingga menghasilkan sifat ikatan kimia yang berbeda.
Pada kasus ini, Bent’s rule, dengan analisis s-character, dipakai untuk mengevaluasi pengaruh elektronegativitas atom oksigen pada hibridisasi ikatan C=O dan CO, serta perannya pada kestabilan konformer asetilkolin. Evaluasi dilakukan dengan teknik studi komparasi delapan molekul sederhana dari keluarga butana (CH3
CH2
O
CH4) dan butanon (CH3
C(=O)
O
CH4). Atom oksigen pada ikatan C
O disubstitusi dengan atom boron, karbon, dan nitrogen (C
Z) untuk mengetahui pengaruh perubahan nilai elektronegativitas. Sedangkan butana dan butanon dipilih untuk mengetahui pengaruh kehadiran gugus karbonil (hibridisasi ikatan C=O). Hasil analisis molekul-molekul sederhana tersebut dipakai untuk menjelaskan molekul utama, yaitu asetilkolin.
Hasil kalkulasi berbasis density-functional theory menunjukkan bahwa kehadiran atom oksigen pada gugus karbonil berperan penting pada kestabilan konformer asetilkolin. Plot beda energi antar konformer terhadap (1) nilai elektronegativitas dan (2) nilai s-character ikatan CZ memberikan pola yang sama: linier untuk butana dan eksponensial untuk butanon. Artinya, kehadiran gugus karbonil, hibridisasi ikatan C=O, mengubah kestabilan konformer asetilkolin secara signifikan (dari linier menjadi eksponensial) baik di fase gas maupun pelarut air.
Hasil penelitian ini telah membuktikan aplikasi Bent檚 rule dalam teori kimia fundamental. Studi ini dapat diterapkan lebih lanjut pada molekul-molekul serupa lainnya, yang berpotensi mengarah pada aplikasi yang lebih luas dalam bidang sains.
Hasil dari penelitian ini telah diterbitkan pada Malaysian Journal of Fundamental and Applied Sciences pada 15 Oktober 2024 dengan judul Electronegativity Effects on Conformational Stability Using Bent’s Rule: From Simple Molecules to Acetylcholine dan dapat diakses secara bebas melalui https://doi.org/10.11113/mjfas.v20n5.3635.
Penulis artikel: Roichatul Madinah, S.Si, dan Febdian Rusydi, S.T., M.Sc., Ph.D.
Link:
Baca juga: Prediksi Alzheimer melalui CNN-SVM pada platform chatbot dengan MRI
