Biologi Sekolah Menengah Atas · Grades 10–12

1Susunan Kimia Makhluk Hidup

Biarkan sepotong roti terlalu lama di atas pemanggang dan roti itu menghitam: yang tersisa sebagian besar karbon. Timbang sepotong apel segar, keringkan sehari dalam oven hangat, lalu timbang lagi: lima perenam massanya telah pergi sebagai uap air. Roti, apel, pohon ek, ubur-ubur, kamu — setiap makhluk hidup tersusun, pada dasarnya, dari daftar bahan kimia pendek yang sama, dan daftar itu bukan daftar penyusun batuan. Bab ini membongkar materi hidup, bahan demi bahan, dan bertanya apa yang membuatnya khas.

1.1 Unsur: atom yang sama dengan batuan, dalam perbandingan yang berbeda

Definisi 1.1 (Komposisi kimia materi hidup)

Yang disebut komposisi kimia sebuah cuplikan materi hidup adalah daftar unsur kimia yang dikandungnya, beserta fraksi massa cuplikan yang diwakili masing-masing unsur. Komposisi itu diukur dengan membongkar cuplikan secara kimia — membakarnya, menimbang apa yang menguap dan apa yang tersisa, menganalisis gas yang dilepaskan — bukan dengan mengamatinya.

Proposisi 1.2 (Empat unsur menyusun 96% tubuh makhluk hidup)

Menurut massa, materi hidup hampir seluruhnya tersusun dari empat unsur: oksigen (O), karbon (C), hidrogen (H) dan nitrogen (N). Dalam tubuh manusia keempatnya meliputi sekitar 65%, 18.5%, 9.5% dan 3.2% massa — 96% bersama-sama. Kalsium, fosfor, kalium, belerang, natrium, klorin dan magnesium berbagi sebagian besar sisa 4% itu, dan selusin unsur renik (besi, seng, iodin, tembaga…) hadir jauh di bawah 0.1% namun tak tergantikan. Keempat unsur yang sama mendominasi dalam bakteri, tanaman gandum atau paus, dengan perbandingan yang serupa.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Unsur yang sama, dua resep yang sangat berbeda: fraksi massa unsur utama dalam tubuh manusia dan dalam batuan kerak Bumi (batang kecil tidak diberi label: kalsium 1.5% dari tubuh; karbon 0.02% dari kerak, hidrogen 0.14%, nitrogen 0.002%; silikon, aluminium dan besi hanya renik dalam tubuh). Karbon, hidrogen dan nitrogen berlimpah dalam materi hidup dan langka dalam batuan; silikon, aluminium dan besi sebaliknya.

Contoh 1.3 (Materi hidup dibandingkan batuan)

Kerak Bumi juga 46% oksigen, tetapi unsur berikutnya adalah silikon (28%), aluminium (8%) dan besi (5.6%). Karbon menyusun 0.02% kerak dan nitrogen 0.002%, berhadapan dengan 18.5% dan 3.2% tubuh. Jadi makhluk hidup bukanlah cuplikan lingkungannya: ia memekatkan beberapa unsur dengan faktor seribu atau lebih. Penyaringan itulah tanda kimia pertama kehidupan.

Catatan 1.4 (Dari mana atom-atom itu datang)

Setiap atom itu biasa saja: karbon dalam ototmu dahulu adalah karbon dioksida udara sebelum sebuah tumbuhan mengikatnya, nitrogen dalam proteinmu dahulu adalah nitrogen udara sebelum bakteri tanah menangkapnya. Yang istimewa pada kehidupan bukanlah atomnya, melainkan cara atom-atom itu dirakit dan perbandingan saat semuanya dikumpulkan.

1.2 Air dan garam mineral

Definisi 1.5 (Materi mineral dan materi organik)

Molekul makhluk hidup terbagi menjadi dua kelompok. Kelompok pertama, materi mineral, tersusun dari molekul yang juga ada di luar makhluk hidup: air dan garam mineral terlarut (ion seperti $\mathrm{Na^+}$ , $\mathrm{K^+}$ , $\mathrm{Ca^{2+}}$ , $\mathrm{Cl^-}$ , fosfat dan bikarbonat). Kelompok kedua, materi organik, tersusun dari molekul yang dibangun di atas kerangka atom karbon yang terikat pada hidrogen, dan biasanya pada oksigen serta nitrogen — molekul yang, di Bumi, hanya dibuat oleh makhluk hidup atau berasal dari sisa-sisanya.

Proposisi 1.6 (Air adalah penyusun utama)

Air adalah molekul paling berlimpah pada setiap makhluk hidup: sekitar 60% sampai 65% massa manusia dewasa, 75% pada bayi baru lahir, 85% pada apel, 95% pada ubur-ubur, tetapi hanya 13% pada butir gandum yang dorman. Kadar air sebuah cuplikan diukur dengan menimbangnya, mengeringkannya pada sekitar $105\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ sampai massanya berhenti turun, lalu menimbangnya lagi: massa yang hilang adalah airnya.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Contoh 1.7 (Mengeringkan sepotong apel)

Sepotong apel segar bermassa $24.0\,\mathrm{g}$ dikeringkan sampai massanya mantap pada $3.6\,\mathrm{g}$ . Air yang hilang: $24.0 - 3.6 = 20.4\,\mathrm{g}$ , yaitu $20.4/24.0 = 0.85$ , atau 85% massa segarnya. Sisa $3.6\,\mathrm{g}$ itu adalah bahan kering: molekul organik ditambah garam mineral. Bakar bahan kering itu dan sekitar $0.1\,\mathrm{g}$ abu pucat — garam mineralnya — bertahan; sisanya, bagian organiknya, telah pergi sebagai karbon dioksida dan uap air.

Sepotong apel segar dan potongan yang sama setelah dikeringkan: yang tersisa adalah bahan kering, seperenam massa semula. Selebihnya adalah air.

Proposisi 1.8 (Apa yang dikerjakan air)

Air adalah tempat kimia sebuah sel berlangsung: air melarutkan garam, gula dan sebagian besar molekul organik kecil, sehingga semuanya dapat bertemu dan bereaksi; air mengangkutnya dari satu tempat ke tempat lain (plasma darah 90% air, getah jauh lebih banyak lagi); dan karena memanaskannya menuntut banyak energi, air meredam suhu organisme terhadap perubahan mendadak. Kehilangan 10% air tubuh adalah keadaan darurat medis; biji yang dorman, pada 13%, sekadar mematikan kimianya sampai air kembali.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Contoh 1.9 (Garam mineral yang dapat disebutkan namanya)

Kalsium fosfat mengeraskan tulang dan gigi (kalsium 1.5% massa tubuh, hampir seluruhnya di rangka). Ion natrium dan klorida menetapkan kadar garam darah, mendekati $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ ; ion kalium terpekat di dalam sel; besi duduk di jantung hemoglobin; iodin diperlukan untuk membuat hormon kelenjar tiroid. Garam mineral tidak pernah menjadi sumber energi, tetapi tubuh yang kekurangan salah satunya gagal pada satu tugas yang tertentu.

1.3 Molekul organik: empat keluarga

Definisi 1.10 (Karbohidrat, lipid, protein, asam nukleat)

Molekul organik tergolong ke dalam empat keluarga:

karbohidrat (gula) hanya mengandung karbon, hidrogen dan oksigen. Gula sederhana berupa satuan tunggal, seperti glukosa $\mathrm{C_6H_{12}O_6}$ ; karbohidrat majemuk berupa rantai ratusan atau ribuan satuan glukosa — pati dan selulosa pada tumbuhan, glikogen pada hewan.
lipid (lemak dan minyak) juga hanya mengandung C, H dan O, tetapi dengan oksigen yang jauh lebih sedikit, dan tidak larut dalam air. Yang paling lazim adalah trigliserida, masing-masing terbuat dari satu molekul gliserol yang bergabung dengan tiga rantai asam lemak yang panjang.
protein berupa rantai asam amino: dua puluh jenis asam amino, semuanya mengandung nitrogen, terangkai dalam urutan yang tepat menjadi rantai lima puluh sampai beberapa ribu satuan yang melipat menjadi bentuk yang tertentu.
asam nukleat (DNA dan RNA) berupa rantai nukleotida, yang mengandung fosfor di samping C, H, O dan N; keduanya menyimpan dan mewariskan keterangan genetik, dan menjadi pokok Bab 3.

Keempat keluarga molekul organik. Setiap molekul besar adalah rantai satuan pembangun yang kecil; jati diri satuannya, dan cara rantainya tersusun, menentukan apa yang dikerjakan molekul itu.

Contoh 1.11 (Membaca label makanan)

Sebuah label pada roti gandum utuh berbunyi, per $100\,\mathrm{g}$ : karbohidrat $41\,\mathrm{g}$ (dengan gula $3\,\mathrm{g}$ ), lemak $3\,\mathrm{g}$ , protein $9\,\mathrm{g}$ , serat $7\,\mathrm{g}$ , garam $1.1\,\mathrm{g}$ . Sisanya — sekitar $39\,\mathrm{g}$ — adalah air. “Karbohidrat” di sini sebagian besar pati, “gula” yang sederhana, “serat” adalah selulosa (karbohidrat yang tidak dapat kita cerna), “lemak” adalah lipid, dan “garam” adalah garam mineral. Sebuah label adalah analisis kimia yang dibulatkan.

Proposisi 1.12 (Untuk apa masing-masing keluarga)

Keempat keluarga itu membagi pekerjaan sebuah sel, dengan tumpang tindih:

karbohidrat adalah bahan bakar sehari-hari (glukosa) dan simpanan jangka pendeknya (pati, glikogen), dan selulosa adalah bahan bangunan dinding sel tumbuhan;
lipid adalah simpanan energi jangka panjang yang padat ( $38\,\mathrm{kJ}$ per gram, berhadapan dengan $17\,\mathrm{kJ}$ per gram untuk karbohidrat dan protein), dan lipid membran membentuk selubung setiap sel;
protein adalah mesinnya: enzim yang menjalankan setiap reaksi, serat yang mengerutkan otot, pengangkut, antibodi, reseptor;
asam nukleat menyimpan petunjuk untuk membangun protein.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Komposisi tubuh manusia dewasa menurut massa, dalam persen. Angkanya berubah menurut usia dan perawakan (atlet yang ramping membawa lebih sedikit lipid, bayi baru lahir lebih banyak air), tetapi air selalu mendominasi dan karbohidrat bebas tidak pernah lebih dari sekitar 1%.

Catatan 1.13 (Molekul besar dan wujud kehidupan)

Molekul batuan kecil dan berulang (kristal kuarsa adalah $\mathrm{SiO_2}$ yang berulang tanpa akhir). Molekul khas kehidupan sangat besar — satu protein dapat memuat sepuluh ribu atom, satu molekul DNA bermiliar-miliar — dan bermakna: urutan satuan pembangunnya membawa pesan. Tidak ada di dunia mineral yang menyerupai molekul yang urutannya berarti sesuatu.

1.4 Mengenali penyusunnya

Metode 1.14 (Uji baku untuk keempat keluarga)

Setiap keluarga punya satu uji sederhana yang memberi hasil kasatmata.

Air: sehelai kertas kobalt klorida biru berubah merah muda; atau keringkan cuplikannya dan ukur massa yang hilang.
Pati: setetes larutan iodin berubah dari cokelat kekuningan menjadi biru kehitaman.
Gula sederhana (glukosa, fruktosa…): panaskan dengan pereaksi Fehling atau Benedict; larutan birunya memberi endapan merah bata.
Protein: uji biuret — beberapa tetes tembaga sulfat dalam larutan basa berubah ungu.
Lipid: cuplikannya meninggalkan noda tembus cahaya yang tidak mengering pada kertas; zat warna merah Sudan III mewarnainya.
Garam mineral: bakar bahan keringnya sampai habis; abu yang bertahan bersifat mineral. Ion tertentu dikenali lewat pengendapan (perak nitrat untuk klorida, misalnya).

Selalu jalankan satu kontrol dengan air murni, dan satu lagi dengan cuplikan yang sudah pasti positif, agar yakin pereaksinya bekerja dan perubahan warnanya berarti seperti yang kamu kira.

Contoh 1.15 (Menganalisis sebuah kentang)

Sepotong kentang mentah: kertas kobalt klorida berubah merah muda (air); iodin langsung berubah biru kehitaman (pati, berlimpah); Fehling hanya memberi rona jingga yang samar (sedikit gula bebas); biuret memberi ungu pucat (ada protein, sekitar 2% massa segarnya); tidak ada noda tembus cahaya (hampir tidak ada lipid). Pengeringan menyisakan 22% massanya; pembakaran sisa itu meninggalkan 1% abu. Kentang adalah simpanan pati yang terbungkus air — tepat seperti yang diperlukan tumbuhan untuk bertahan melewati musim dingin di bawah tanah.

Proposisi 1.16 (Kesatuan komposisi)

Apa pun organismenya — bakteri, jamur, tumbuhan, hewan — uji yang sama menemukan keempat keluarga yang sama, terbuat dari satuan pembangun yang sama: dua puluh asam amino yang sama, glukosa yang sama, empat nukleotida yang sama. Makhluk hidup menjadi khas bukan karena memiliki atom istimewa atau satuan pembangun istimewa, melainkan karena perbandingan yang dipertahankannya, molekul yang sangat besar yang dirakitnya, dan keterangan yang dibawa molekul-molekul itu. Kesatuan kimia ini adalah salah satu alasan terkuat bahwa seluruh makhluk hidup berbagi satu asal usul, alasan yang akan diangkat Bab 6.

Bukti. Diterima tanpa bukti pada tingkat ini. ∎

Roti yang terlalu lama di atas pemanggang. Sisa hitamnya sebagian besar karbon: molekul organik roti itu telah kehilangan hidrogen dan oksigennya sebagai uap air dan karbon dioksida, meninggalkan kerangka karbonnya.

1.5 Latihan

Latihan 1.1 ★

Sebutkan empat unsur yang menyusun 96% massa tubuh makhluk hidup, beserta persentasenya kira-kira pada manusia.

Solusi

Solusi Latihan 1.1.

Oksigen (sekitar 65%), karbon (18.5%), hidrogen (9.5%) dan nitrogen (3.2%): bersama-sama 96% massa tubuh.

Latihan 1.2 ★

Pilah menjadi materi mineral dan materi organik: air, glukosa, natrium klorida, trigliserida, kalsium fosfat, asam amino, karbon dioksida.

Solusi

Solusi Latihan 1.2.

Mineral: air, natrium klorida, kalsium fosfat, karbon dioksida (sebuah senyawa karbon, tetapi dibuat di luar kehidupan dan tanpa kerangka karbon–hidrogen). Organik: glukosa, trigliseridanya, asam aminonya.

Latihan 1.3 ★

Sehelai daun selada segar bermassa $12.0\,\mathrm{g}$ dikeringkan sampai massanya tetap: $0.6\,\mathrm{g}$ . Berapa kadar airnya, dalam persen?

Solusi

Solusi Latihan 1.3.

Air yang hilang $12.0 - 0.6 = 11.4\,\mathrm{g}$ ; $11.4/12.0 = 0.95$ : daun itu mengandung 95% air.

Latihan 1.4 ★

Uji mana yang kamu pakai untuk menunjukkan bahwa sebutir biji kacang mengandung (a) pati, (b) protein, (c) lipid? Sebutkan hasil yang diharapkan pada tiap hal.

Solusi

Solusi Latihan 1.4.

(a) Larutan iodin pada biji yang ditumbuk: biru kehitaman. (b) Pereaksi biuret: ungu. (c) Tumbuk bijinya di atas kertas: noda tembus cahaya yang tidak mengering; Sudan III mewarnainya merah.

Latihan 1.5 ★

Sebutkan satuan pembangun tiap keluarga: karbohidrat, lipid, protein, asam nukleat.

Solusi

Solusi Latihan 1.5.

Karbohidrat: gula sederhana seperti glukosa. Lipid: gliserol dan asam lemak. Protein: asam amino (dua puluh jenis). Asam nukleat: nukleotida (empat jenis).

Latihan 1.6 ★★

Dengan gambar pertama bab ini, berapa kali lipat karbon lebih pekat dalam tubuh manusia daripada dalam kerak Bumi? Dan nitrogen? Beri tanggapan.

Solusi

Solusi Latihan 1.6.

Karbon: $18.5/0.02 \approx 900$ kali lebih pekat. Nitrogen: $3.2/0.002 = 1600$ kali. Materi hidup bukan cuplikan lingkungannya: ia mengumpulkan beberapa unsur langka dengan faktor seribuan, dan itulah tanda kimia kehidupan.

Latihan 1.7 ★★

Seorang dewasa bermassa $70\,\mathrm{kg}$ mengandung 62% air. Hitung massa air dalam tubuhnya, lalu massa bahan keringnya. Jika protein 17% massa tubuh, berapa massa proteinnya?

Solusi

Solusi Latihan 1.7.

Air: $0.62 \times 70 = 43.4\,\mathrm{kg}$ . Bahan kering: $70 - 43.4 = 26.6\,\mathrm{kg}$ . Protein: $0.17 \times 70 = 11.9\,\mathrm{kg}$ .

Latihan 1.8 ★★

Sebatang sereal mengandung, per $100\,\mathrm{g}$ , $60\,\mathrm{g}$ karbohidrat, $12\,\mathrm{g}$ lipid dan $8\,\mathrm{g}$ protein. Dengan nilai energi Proposisi 1.12, hitung energi yang dipasok $100\,\mathrm{g}$ batang itu, dan fraksi yang berasal dari lipid.

Solusi

Solusi Latihan 1.8.

Karbohidrat $60 \times 17 = 1020\,\mathrm{kJ}$ ; lipid $12 \times 38 = 456\,\mathrm{kJ}$ ; protein $8 \times 17 = 136\,\mathrm{kJ}$ ; seluruhnya $1612\,\mathrm{kJ}$ , sekitar $1600\,\mathrm{kJ}$ . Lipid memasok $456/1612 \approx 28\%$ energinya dengan hanya 12% massanya.

Latihan 1.9 ★★

Larutan iodin diteteskan pada sepotong roti, sepotong keju dan sepotong gula. Ramalkan hasilnya pada tiap hal dan jelaskan.

Solusi

Solusi Latihan 1.9.

Roti: biru kehitaman — tepung sebagian besar pati. Keju: tidak ada perubahan warna selain rona iodinnya sendiri — protein dan lipid, tanpa pati. Gula: tidak berubah — sukrosa adalah gula sederhana, bukan pati; iodin hanya mengenali rantai pati yang panjang.

Latihan 1.10 ★★

Mengapa bahan kering tumbuhan terbakar, sedangkan abu yang ditinggalkannya tidak? Termasuk keluarga materi apa masing-masing?

Solusi

Solusi Latihan 1.10.

Bahan keringnya sebagian besar organik: molekul karbon–hidrogen yang bergabung dengan oksigen, melepaskan energi, karbon dioksida dan air. Abunya adalah garam mineral, yang sudah sepenuhnya bergabung dengan oksigen; tidak ada lagi di dalamnya yang dapat terbakar.

Latihan 1.11 ★★

Diberikan dua larutan: satu glukosa, satu pati. Uji Fehling positif hanya untuk yang pertama, iodin hanya untuk yang kedua. Padahal pati terbuat dari glukosa. Usulkan penjelasannya.

Solusi

Solusi Latihan 1.11.

Pereaksi Fehling bereaksi dengan gugus kimia bebas yang dibawa molekul glukosa tunggal; dalam pati satuan glukosanya saling bergabung dan gugus itu terkunci di dalam rantai, sehingga pereaksinya tidak menemukan apa pun. Sebaliknya iodin menyusup ke dalam rantai pati panjang yang melingkar, yang tidak dibentuk molekul glukosa tunggal. Tiap uji mengenali sebuah struktur, bukan sebuah unsur.

Latihan 1.12 ★★★

Sebutir gandum mengandung 13% air; kecambah gandum tiga hari setelah perkecambahan mengandung 88%. Jelaskan perubahan itu, dan apa yang diberitahukannya tentang peran air dalam kimia butir gandum.

Solusi

Solusi Latihan 1.12.

Butir gandum itu telah menyerap air besar-besaran. Pada 13% cadangannya padat dan enzimnya tidak dapat bekerja: kimia butir itu dimatikan dan ia bertahan dalam keadaan dorman. Air melarutkan simpanannya, membiarkan enzimnya bekerja dan mengantarkan hasilnya ke embrio yang tumbuh: kimianya hidup lagi hanya setelah air berlimpah.

Latihan 1.13 ★★★

Plasma darah mengandung sekitar $9\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ natrium klorida dan sekitar $1\,\mathrm{g}/\mathrm{L}$ glukosa. Seorang pasien menerima $500\,\mathrm{mL}$ larutan infus. Berapa massa garam dan glukosa yang harus dikandungnya agar setara dengan plasma? Mengapa air murni akan berbahaya?

Solusi

Solusi Latihan 1.13.

Garam: $9 \times 0.5 = 4.5\,\mathrm{g}$ ; glukosa: $1 \times 0.5 = 0.5\,\mathrm{g}$ . Air murni akan mengencerkan plasmanya; air lalu akan masuk ke dalam sel darah merah, yang akan menggembung dan pecah.

Latihan 1.14 ★★★

Lipid menyimpan $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ , glikogen $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ ; lebih lanjut, tiap gram glikogen dalam tubuh disimpan bersama sekitar $3\,\mathrm{g}$ air. Seseorang membawa $0.5\,\mathrm{kg}$ glikogen dan $10\,\mathrm{kg}$ lipid. Hitung energi tiap simpanan, dan massa yang harus dibawa tubuh untuk menyimpan energi simpanan lipid itu sebagai glikogen terhidrasi. Simpulkan mengapa hewan menyimpan lemak.

Solusi

Solusi Latihan 1.14.

Glikogen: $500 \times 17 = 8500\,\mathrm{kJ}$ . Lipid: $10000 \times 38 = 3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ . Untuk menyimpan $3.8 \times 10^{5}\,\mathrm{kJ}$ sebagai glikogen: $380000/17 \approx 22.4\,\mathrm{kg}$ glikogen, ditambah tiga kali massa itu berupa air, seluruhnya sekitar $90\,\mathrm{kg}$ — lebih berat daripada orangnya. Lemak menyimpan kira-kira sembilan kali lebih banyak energi tiap kilogram yang dibawa, dan itulah sebabnya hewan yang harus bergerak menyimpan cadangannya sebagai lipid.

Latihan 1.15 ★★★

“Makhluk hidup terbuat dari atom yang sama dengan batuan, jadi tidak ada yang istimewa secara kimia pada kehidupan.” Bahas pernyataan ini dalam satu paragraf pendek, dengan tiga alasan tepat dari bab ini.

Solusi

Solusi Latihan 1.15.

Atomnya memang biasa saja, tetapi (1) perbandingannya tidak: materi hidup memekatkan karbon seribu kali lipat dan nitrogen jauh lebih banyak lagi, berhadapan dengan kerak oksigen–silikon; (2) molekulnya tidak: hanya makhluk hidup yang merakit karbon menjadi rantai raksasa — protein, pati, DNA — yang ukurannya tidak ada tandingannya di dunia mineral; (3) molekul itu membawa keterangan dalam urutan satuannya, dan tidak ada kristal yang berbuat begitu. Kehidupan istimewa secara kimia dalam penataannya, bukan dalam atomnya.

1.6 Soal: Karbon dalam Diri Seorang Manusia

Soal 1.1

Soal akhir pekan — dari ladang gandum ke sebuah tubuh: audit materi, dari air dalam sebutir gandum sampai jumlah kilogram karbon yang dibawa seseorang

Sebuah kelas mengikuti materi dari ladang gandum sampai ke tubuh salah seorang muridnya. Data: sebutir gandum mengandung 13% air, dan bahan keringnya kira-kira 70% pati, 12% protein, 2% lipid, 2% mineral, sisanya selulosa. Tepung roti kurang lebih mempertahankan komposisi bagian dalam butirnya. Murid itu, Lea, bermassa $60\,\mathrm{kg}$ ; pakai komposisi orang dewasa pada gambar kedua (air 60%, protein 17%, lipid 16%, mineral 6%, karbohidrat 1%). Fraksi massa unsur di dalam tiap keluarga: ambil karbohidrat 40% karbon, lipid 77% karbon, protein 53% karbon dan 16% nitrogen.

Bagian I — Butir gandumnya.

Sebutir gandum bermassa $45\,\mathrm{mg}$ dikeringkan. Berapa massa air yang hilang, dan berapa massa keringnya?
Hitung massa pati, protein dan lipid dalam bahan kering satu butir.
Uji mana pada Metode 1.14 yang akan memastikan masing-masing ketiga penyusun itu pada butir yang ditumbuk?
Butir itu ditanam dan disiram; tiga hari kemudian kecambahnya mengandung 88% air. Jelaskan mengapa perkecambahan tidak dapat mulai pada 13%.
Satu hektar menghasilkan $8\,\mathrm{t}$ gandum. Berapa massa air yang ikut terpanen, dan berapa massa bahan keringnya?

Bagian II — Rotinya.

Sebuah roti dipanggang dari $500\,\mathrm{g}$ tepung, $320\,\mathrm{g}$ air dan $10\,\mathrm{g}$ garam; roti itu kehilangan $130\,\mathrm{g}$ air dalam oven. Berapa massa roti matangnya, dan berapa kadar airnya dalam persen?
Dengan komposisi kering butir gandum sebagai komposisi tepung, perkirakan massa pati dan protein dalam roti itu.
Dengan $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ untuk karbohidrat dan protein serta $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ untuk lipid, perkirakan kandungan energi roti itu.
Lea memakan $120\,\mathrm{g}$ roti ini. Berapa bagian dari kebutuhan harian sekitar $10\,000\,\mathrm{kJ}$ yang tertutupi olehnya?
Mengapa garam dalam roti itu bukan sumber energi, dan untuk apa garam itu di dalam tubuh?

Bagian III — Tubuhnya: air dan keluarga molekul.

Hitung massa air dalam tubuh Lea.
Hitung massa protein, lipid, mineral dan karbohidrat.
Lea kehilangan $1.2\,\mathrm{kg}$ lewat keringat selama lari panjang. Berapa bagian air tubuhnya itu? Mengapa harus segera diganti?
Darahnya, sekitar $4.5\,\mathrm{L}$ , mengandung 55% plasma, dan plasma mengandung 90% air. Perkirakan massa air dalam darahnya (ambil $1\,\mathrm{kg}$ per liter). Berapa bagian air tubuhnya itu? Di mana sisanya?
Bayi baru lahir mengandung 75% air. Jelaskan dalam satu kalimat mengapa bayi lebih rentan terhadap kekurangan cairan daripada orang dewasa.

Bagian IV — Tubuhnya: unsur-unsurnya.

Dengan fraksi karbon tiap keluarga, hitung massa karbon dalam karbohidrat, lipid dan protein Lea, lalu massa karbon seluruhnya.
Berapa bagian massa tubuhnya berupa karbon? Bandingkan dengan 18.5% pada Proposisi 1.2 dan beri tanggapan atas kesesuaiannya.
Hitung massa nitrogen dalam proteinnya. Dari mana nitrogen itu akhirnya berasal?
Air mengandung 89% oksigen menurut massa. Hitung massa oksigen yang dibawa air tubuhnya saja, dan bandingkan dengan 65% pada Proposisi 1.2. Molekul mana yang menjelaskan sebagian besar oksigen tubuh?
Nyatakan hasilnya dalam satu kalimat: berapa kilogram karbon yang dibawa seorang bermassa $60\,\mathrm{kg}$ , dan lewat dua proses biologi mana karbon itu meninggalkan udara dan masuk ke dalam tubuh?

Solusi

Solusi Soal 1.1.

1. Air $0.13 \times 45 = 5.9\,\mathrm{mg}$ ; massa kering $39.2\,\mathrm{mg}$ .

2. Pati $0.70 \times 39.2 \approx 27.4\,\mathrm{mg}$ ; protein $0.12 \times 39.2 \approx 4.7\,\mathrm{mg}$ ; lipid $0.02 \times 39.2 \approx 0.8\,\mathrm{mg}$ .

3. Iodin (biru kehitaman) untuk pati; biuret (ungu) untuk protein; noda tembus cahaya pada kertas atau Sudan III untuk lipid.

4. Pada 13% simpanannya padat dan enzimnya tidak aktif; air harus melarutkan cadangannya dan membiarkan reaksinya berjalan sebelum embrionya dapat tumbuh. Perkecambahan mulai dengan menyerap air, dan 88% pada kecambahnya adalah tanda bahwa kimianya menyala.

5. Air $0.13 \times 8 = 1.04\,\mathrm{t}$ ; bahan kering $6.96\,\mathrm{t}$ , sekitar $7\,\mathrm{t}$ .

6. Massanya $500 + 320 + 10 - 130 = 700\,\mathrm{g}$ . Air dalam rotinya: dari tepung $0.13 \times 500 = 65\,\mathrm{g}$ , ditambah $320\,\mathrm{g}$ , dikurangi $130\,\mathrm{g}$ : $255\,\mathrm{g}$ , yaitu $255/700 \approx 36\%$ .

7. Bahan kering tepung $0.87 \times 500 = 435\,\mathrm{g}$ ; pati $0.70 \times 435 \approx 305\,\mathrm{g}$ ; protein $0.12 \times 435 \approx 52\,\mathrm{g}$ (lipid sekitar $9\,\mathrm{g}$ ).

8. $305 \times 17 + 52 \times 17 + 9 \times 38 \approx 5185 + 884 + 342 \approx 6400\,\mathrm{kJ}$ .

9. $120/700 \approx 0.17$ bagian rotinya: sekitar $1100\,\mathrm{kJ}$ , yaitu 11% dari $10\,000\,\mathrm{kJ}$ .

10. Garam bersifat mineral: ia sudah teroksidasi sepenuhnya dan tidak punya ikatan karbon–hidrogen untuk dibakar. Di dalam tubuh ionnya menetapkan kadar garam darah dan diperlukan bagi isyarat saraf dan otot.

11. $0.60 \times 60 = 36\,\mathrm{kg}$ air.

12. Protein $0.17 \times 60 = 10.2\,\mathrm{kg}$ ; lipid $0.16 \times 60 = 9.6\,\mathrm{kg}$ ; mineral $3.6\,\mathrm{kg}$ ; karbohidrat $0.6\,\mathrm{kg}$ .

13. $1.2/36 \approx 3.3\%$ air tubuhnya. Volume darah dan pengaturan suhu sama-sama bergantung padanya; kehilangan 10% berbahaya, sehingga minum harus memulihkannya dalam hitungan jam.

14. Plasma $0.55 \times 4.5 \approx 2.5\,\mathrm{L}$ ; air $0.9 \times 2.5 \approx 2.2\,\mathrm{kg}$ , sekitar 6% air tubuhnya. Sisanya ada di dalam sel (kira-kira dua pertiga seluruh air tubuh) dan dalam cairan antarsel.

15. Seorang bayi menukar bagian airnya yang jauh lebih besar setiap hari (minum, urine, kulit) daripada orang dewasa, sehingga kehilangan beberapa jam tanpa asupan menyingkirkan bagian yang berbahaya dari seluruh airnya.

16. Karbohidrat $0.40 \times 0.6 = 0.24\,\mathrm{kg}$ ; lipid $0.77 \times 9.6 \approx 7.4\,\mathrm{kg}$ ; protein $0.53 \times 10.2 \approx 5.4\,\mathrm{kg}$ . Seluruhnya sekitar $13\,\mathrm{kg}$ karbon.

17. $13/60 \approx 22\%$ , berhadapan dengan 18.5%. Kesesuaiannya baik mengingat fraksi keluarga yang dibulatkan dan perubahan kadar lipid antarindividu; tubuh yang lebih ramping memberi angka yang lebih rendah.

18. $0.16 \times 10.2 \approx 1.6\,\mathrm{kg}$ nitrogen. Nitrogen itu berasal dari nitrogen udara, ditangkap bakteri tanah, diserap tumbuhan dan dimakan sepanjang rantai makanan.

19. $0.89 \times 36 \approx 32\,\mathrm{kg}$ oksigen, yaitu $32/60 \approx 53\%$ massa tubuh. Air sendirian menjelaskan sebagian besar dari 65% itu; sisanya adalah oksigen di dalam molekul organik.

20. Seorang bermassa $60\,\mathrm{kg}$ membawa sekitar $13\,\mathrm{kg}$ karbon. Karbon itu meninggalkan udara sebagai karbon dioksida lewat fotosintesis pada tumbuhan, dan masuk ke dalam tubuh lewat makan dan pencernaan sepanjang rantai makanan.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 479 istilah di glosarium