UNIT 02 Fisiologi Membran, Saraf, dan Otot

BAB 4: Transpor Zat melalui\ Membran-Membran Sel••l\ I' Alih Bahasa: dr. M. Djauhari Widjajakusumah Editor: drg. Antonia TanzilGarnbar 4-1 menunjukkan perkiraan konsentrasi elektrolit Protein yang berbeda mempunyai fungsi yang berbedaclan zat lain yang penting dalam cairan ekstraselular clan pula. Beberapa protein mempunyai ruang yang berair dicairan intraselular. Perhatikan bahwa cairan ekstraselular sepanjang molekul tersebut clan memungkinkan air clanmengandung sejumlah besar natrium tetapi hanya ion atau molekul tertentu untuk bergerak bebas; proteinmengandung sedikit kalium. Dalam cairan intraselular ini disebut protein kanal. Protein lainnya, yang disebutkeadaan yang ada sebaliknya. Cairan ekstraselular juga protein pembawa, berikatan dengan molekul atau ion yangbanyak mengandung ion klorida, sedangkan cairan akan ditranspor; dan perubahan bentuk pada molekulintraselular mengandung sangat sedikit klorida. Tetapi protein kemudian akan memindahkan zat melalui celahkonsentrasi fosfat clan protein dalam cairan intraselular protein tersebut ke sisi lain membran. Protein kanal clanjauh lebih besar dibandingkan dalam cairan ekstraselular. protein pembawa biasanya sangat selektif sehingga hanyaBerbagai perbedaan ini sangat penting untuk kehidupan ion atau molekul jenis tertentu saja yang dapat melaluisel. Tujuan bab ini adalah untuk menguraikan bagaimana membran.mekanisme transpor membran sel menimbulkanperbedaan-perbedaan tersebut. \"Difusi\" versus \"Transpor Aktif.\" Transpor melalui membran sel, baik secara langsung melalui lapisan lipid Sawar Lipid Membran Sel dan Protein ganda maupun melalui protein, terjadi melalui salah satu Transpor Membran Sel dari dua proses dasar: difusi atau transpor aktif.Struktur membran yang menyelubungi bagian luar CAI RAN CAI RANsetiap sel tubuh telah dibahas di Bab 2 clan ditunjukkan EKSTRASELULAR INTRASELULARpada Gambar 2-3 clan 4-2. Membran tersebut hampirseluruhnya terdiri atas lapisan lipid ganda, namun Na+--------------- 142 mEq/L --- ----- 10 mEq/Lmembran sel juga mengandung sejumlah besar molekul K+ ----------------- 4 mEq/L ------ ---- 140 mEq/Lprotein dalam lipid, clan banyak di antaranya yang Ca++ -------------- 2,4 mEq/L --- ----- 0,0001 mEq/Lmenembus membran sepenuhnya, seperti ditunjukkan Mg++ --------------1 ,2 mEq/L --- ----- 58 mEq/LGambar 4-2. c1- ---------------- 103 mEq/L --- ----- 4 mEq/L HC03 ------------ 28 mEq/L ---- -----10 mEq/L Lapisan lipid ganda tidak tercampur dengan cairan Fosfat ----------- 4 mEq/L ------ -----75 mEq/Lekstraselular maupun cairan intraselular. Oleh karena S04 -------------- 1 mEq/L ------ -----2 mEq/Litu, lapisan lipid ganda ini dapat berfungsi sebagai sawar Glukosa --------- 90 mg/di ------ ----- O sampai 20 mg/diyang menghambat pergerakan molekul air clan zat larut- Asam amino --- 30 mg/di ------ ----- 200 mg/di ?air antara kompartemen cairan ekstraselular clan cairanintraselular. Akan tetapi, seperti yang ditunjukkan dalam Kolesterol }Garnbar 4-2 oleh panah sisi paling kiri, ada beberapazat yang dapat menembus lapisan lipid ganda ini, yang Fosfolipid 0,5 g/dl-------- ---- 2 sampai 95 g/dlberdifusi langsung melalui zat lipid itu sendiri; ha! initerutama terjadi pada zat larut-lipid, yang akan dibahas Lemak Netralkemudian. P02 --------------- 35 mm Hg --- ---- 20 mm Hg ? Molekul protein dalam membran mempunyai sifat PC02 -------------46 mm Hg --- ---- 50 mm Hg?yang berbeda sama sekali dalam mentranspor zat-zat. pH ----------------- 7,4 ------------- ---- 7,0Struktur molekul tersebut menembus keutuhan lapisanlipid ganda, yang membentuk suatu jalur alternatif melalui Protein ---------- 2 g/dl ---------- ---- 16 g/dlmembran sel. Oleh karena itu, sebagian besar protein yangmenembus ini dapat berfungsi sebagai protein transpor. (5 mEq/L) (40 mEq/L) Gambar 4-1 Komposisi zat kimia dalam cairan ekstraselular dan intraselular. 45

l Unit II Fisiologi Membran, Saraf, dan Otot Protein pembawa clan daya inti yang lain dari molekul A akan mendorong molekul B, yang akan memindahkan sebagian energi '---y----1 Difusi pergerakan molekul A ke molekul B. Akibatnya, molekul terfasilitasi B memperoleh energi kinetik untuk pergerakannya, Difusi sedangkan gerakan molekul A menjadi lambat, yang se de rhana mengalami kehilangan sebagian energi kinetiknya. Jadi, seperti yang diperlihatkan dalam Gambar 4-3, satu Difusi Transpor aktif molekul dalam suatu larutan akan saling bertubrukan di antara molekul-molekul lainnya, mula-mula dalam satuGambar 4-2 Jalur transpor melalui membran sel, dan mekanisme arah, kemudian ke arah lain, yang lain lagi, clan seterusnya,dasar transpor tersebut. yang bertubrukan secara acak sebanyak ribuan kali setiap detik . Gerakan molekul yang terus-menerus ini di antara Meskipun terdapat banyak variasi pada kedua molekul yang satu dengan yang lain dalam cairan ataumekanisme dasar tersebut, difusi berarti gerakan acak dalam gas, disebut difusi.molekul dari zat-zat, molekul demi molekul, baikmelalui ruang-ruang antarmolekul di membran atau Ion berdifusi dengan cara yang sama seperti molekul,berkombinasi dengan protein pembawa. Energi yang bahkan partikel koloid yang tersuspensi berdifusi denganmenyebabkan difusi adalah energi gerakan kinetik normal cara yang serupa, kecuali bahwa koloid tersebut berdifusisuatu materi. dengan sangat lambat dibandingkan dengan zat molekul akibat ukuran partikel koloid tersebut yang besar. Berbeda dengan ha! itu, transpor aktif berarti gerakanion atau zat lainnya menembus membran dalam bentuk Difusi melalui Membran Selkombinasi dengan protein pembawa sedemikian rupasehingga protein pembawa menyebabkan zat bergerak Difusi melalui membran sel terbagi atas dua subtipe yangmelawan gradien energi, seperti dari tempat konsentrasi disebut difusi sederhana dan difusi terfasilitasi. Difusirendah ke tempat konsentrasi tinggi. Pergerakan semacam sederhana berarti bahwa gerakan kinetik molekul atauini membutuhkan sumber energi tambahan selain energi ion terjadi melalui suatu celah membran atau melaluikinetik. Pembahasan berikut akan memberikan penjelasan ruang antarmolekul tanpa berinteraksi dengan proteinyang lebih detail mengenai dasar-dasar fisika clan kimia pembawa dalam membran. Kecepatan difusi ditentukanfisik dari kedua proses tersebut. oleh jumlah zat yang tersedia, kecepatan gerakan kinetik, clan jumlah ukuran celah pada membran yang dapat dilalui Difusi oleh molekul atau ion.Semua molekul clan ion dalam cairan tubuh, termasuk Difusi terfasilitasi membutuhkan interaksi denganmolekul air clan zat-zat terlarut, berada dalam gerakan suatu protein pembawa. Protein pembawa membantuyang konstan, clan setiap partikel bergerak dengan caranya lewatnya molekul atau ion melalui membran denganmasing-masing. Gerakan partikel inilah yang disebut para mengikat molekul atau ion tersebut secara kimiawiahli fisika sebagai \"panas\"-makin besar pergerakannya, sehingga dapat keluar-masuk membran dengan cara ini.makin tinggi suhunya-dan gerakan tersebut tidakpernah berhenti dalam kondisi apa pun, kecuali pada Difusi sederhana dapat terjadi melalui membran selsuhu no! mutlak. Ketika sebuah molekul yang bergerak, dengan dua cara: (1) melalui celah pada lapisan lipid ganda,A, mendekati molekul yang diam, B, daya elektrostatik jika zat yang berdifusi larut dalam lipid, clan (2) melalui kanal berair yang menembus beberapa protein transporGambar 4-3 Difusi sebuah molekul cair selama seperseribu detik. yang besar, seperti yang ditunjukkan dalam Gambar 4-2 pada sisi kiri. Difusi Zat Larut-Lipid melalui Lapisan Lipid Ganda. Salah satu faktor terpenting yang menentukan kecepatan suatu zat melalui lapisan lipid ganda adalah sifat kelarutan lipid dari zat tersebut. Contoh, kelarutan oksigen, nitrogen, karbon dioksida, dan alkohol dalam lipid adalah tinggi, sehingga semua zat ini dapat langsung larut dalam lapisan lipid ganda clan berdifusi melalui membran sel dengan cara yang sama seperti difusi partikel larutan yang terjadi dalam larutan encer. Oleh sebab itu, kecepatan difusi setiap zat tersebut melalui membran berbanding langsung dengan sifat kelarutan lipidnya. Sejumlah besar zat khususnya oksigen dapat diangkut dengan cara ini; oleh karena itu, oksigen dapat dihantarkan ke dalam sel seolah-olah hampir tidak ada membran sel.46

Difusi Air dan Molekul Tidak Larut-Lipid Lainnya Bab 4 Transpor Zat melalui Membran-Membran Selmelalui Kanai Protein. Meskipun air bersifat sangat tidak Permeabilitas Selektif Berbagai Kanai Protein. Banyaklarut dalam lipid membran, air dapat lewat dengan mudah kanal protein bersifat sangat selektif untuk melakukanmelalui kanal di dalam molekul protein yang sepenuhnya transpor satu atau lebih ion atau molekul spesifik. Ini adalahmenembus membran. Kecepatan molekul air untuk akibat karakteristik kanal itu sendiri, seperti diameternya,menembus kebanyakan membran sel darah merah setiap bentuknya, serta jenis muatan listrik clan ikatan kimia didetik kira-kira sebesar 100 kali volume sel darah merah sepanjang permukaan dalamnya.itu sendiri. Kanal kalium memungkinkan lewatnya ion-ion kalium Molekul tidak larut-lipid lainnya dapat lewat melalui menembus membran sel 1.000 kali lebih mudah daripadakanal protein dengan cara yang sama seperti molekul air lewatnya ion-ion natrium. Namun, selektivitas yang tinggijika molekul tersebut larut dalam air clan berukuran cukup ini tidak dapat dijelaskan hanya berdasarkan diameterkecil. Namun, semakin besar ukurannya, kemampuan ion, karena ion kalium sedikit lebih besar daripada ionpenetrasinya menurun drastis. Misalnya, diameter natrium. Bagaimana mekanisme selektivitas ion yang luarmolekul urea hanya 20 persen lebih besar daripada biasa ini? Pertanyaan ini terjawab sebagian ketika strukturdiameter molekul air, tetapi kemampuannya berpenetrasi suatu kanal kalium bakteri ditemukan melalui kristalografimelalui pori-pori membran sel kira-kira seribu kali lebih sinar-X. Kanai kalium ternyata mempunyai strukturkecil daripada kemampuan penetrasi air. Meskipun tetramerik terdiri atas empat subunit protein identik yangdemikian, dengan mempertimbangkan kecepatan menyelubungi suatu pori sentral (Gambar 4-4). Di puncakpenetrasi air yang mengagumkan jumlah penetrasi urea pori kanal terdapat lengkung pori yang membentuk filteryang dicapai tersebut masih memungkinkan terjadinya selektif yang sempit. Filter selektif tersebut dilapisi olehtranspor urea yang cepat melalui membran dalam waktu oksigen karbonil. Ketika ion kalium terhidrasi masuk kebeberapa menit. filter selektif, ion-ion itu akan berinteraksi dengan oksigen karbonil clan melepaskan sebagian besar molekul airDifusi melalui Pori-pori dan Kanal Protein- yang terikat, sehingga memungkinkan ion kalium yangPermeabilitas Selektif dan Kanal-Kanal Berpintu terdehidrasi melewati kanal. Namun, oksigen karbonilRekonstruksi tiga-dimensi secara komputerisasi pori-pori Lengkung poriclan kanal-kanal protein telah memperlihatkan saluranberbentuk tabungyang terbentang dari cairan ekstraselular Gambar 4-4 Struktur kanal kalium. Kanai tersebut terdiri ataske cairan intraselular. Oleh karena itu, zat dapat bergerak empat subunit (hanya dua yang diperlihatkan), masing-masingdengan cara difusi sederhana langsung melalui pori-pori mempunyai dua heliks transmembran. Suatu filter selektif yangclan kanal-kanal ini dari satu sisi membran ke sisi yang sempit terbentuk dari lengkung pori, dan oksigen karbonil melapisilain. dinding filter selektif, membentuk tempat bagi ikatan sementara ion-ion kalium terdehidrasi. lnteraksi antara ion kalium dengan Pori-pori tersusun dari protein-protein integral oksigen karbonil menyebabkan ion kalium melepaskan molekulmembran sel yang membentuk tabung-tabung terbuka air yang terikat, memungkinkan ion kalium terdehidrasi tersebutmenembus membran clan selalu terbuka. Namun, diameter melewati pori.pori clan muatan listriknya menyebabkan selektivitasyang memungkinkan hanya molekul-molekul tertentumelewatinya. Misalnya, pori protein, disebut akuaporinatau kanal air memungkinkan aliran air yang cepat melaluimembran-membran sel tetapi tidak melewatkan molekul-molekul lain. Setidaknya 13 jenis akuaporin yang berbedaterdapat di berbagai sel dalam tubuh manusia. Akuaporinmempunyai pori yang sempit yang memungkinkanmolekul air berdifusi melalui membran satu demi satu.Pori tersebut demikian sempit sehingga ion terhidrasitidak dapat menembusnya. Sebagaimana dibahas dalamBab 29 clan 75, kepadatan sebagian akuaporin (misalnya,akuaporin-2) dalam membran sel tidak bersifat statismelainkan berubah dalam berbagai kondisi fisiologis . Dua karakteristik penting yang membuat kanal proteinmenjadi berbeda adalah: (1) kanal tersebut sering bersifatpermeabel selektif terhadap zat tertentu, clan (2) banyakkanal tersebut dapat dibuka atau ditutup oleb pintu yangdiatur oleh sinyal listrik (kanal berpintu listrik) atau zat-zat kimia yang berikatan dengan protein kanal (kanalberpintu ligan) . 47

Unit II Fisio/ogi fvfembran, Saraf, dan Otot Pintu Na+terletak sangat berjauhan, sehingga tidak dapat berinteraksi >Bagian dalam tertutup 11secara erat dengan ion-ion natrium yang lebih kecil,dengan demikian dicegah secara efektif oleh filter selektif Bagian luaruntuk melewati pori. Bagian luar Filter selektif yang berbeda untuk berbagai kanal iondiyakini menentukan, pada sebagian besar, kekhususan Gambar 4-5 Transpor ion natrium dan kalium melalui kanalkanal untuk kation atau anion, seperti Na+, K+, clan Ca++, protein. juga diperlihatkan perubahan bentuk molekul proteinyang dapat melalui kanal. yang bertujuan untuk membuka atau menutup \"gerbang\" yang menjaga kanal. Salah satu kanal protein terpenting, yang disebut kanalnatrium (sodium channel), hanya berdiameter 0,3 x 0,5 dengan protein kanal; ha! ini menyebabkan perubahannanometer, tetapi yang lebih penting, permukaan dalam bentuk atau perubahan ikatan kimia pada molekuldari kanal ini dilapisi oleh asam amino yang mempunyai protein sehingga pintu dapat membuka atau menutup.muatan negatif yang kuat, seperti yang dilukiskan Inilah yang disebut pintu kimiawi atau pintu ligan.dengan tanda negatif di bagian dalam kanal protein Salah satu contoh terpenting dari pintu kimiawi adalahdalam Gambar 4-5 (5) sebelah atas. Muatan negatif yang efek asetilkolin terhadap kanal yang disebut kanalkuat ini dapat menarik ion natrium yang terdehidrasi ke asetilkolin. Asetilkolin akan membuka pintu kanal,dalam kanal, yang sebenarnya menarik ion natrium dari yang merupakan suatu pori-pori berdiameter kira-molekul air yang menghidrasi ion tersebut. Begitu berada kira 0,65 nanometer yang bermuatan negatif sehinggadalam kanal, ion natrium ini kemudian berdifusi keluar- memungkinkan molekul yang tidak bermuatan ataumasuk sesuai dengan aturan difusi yang biasa. Jadi, kanal ion bermuatan positif yang berdiameter lebih kecilnatrium secara spesifik bersifat selektif untuk lewatnya untuk dapat lewat. Pintu ini sangat penting untukion natrium. penghantaran sinyal saraf dari satu sel saraf ke sel saraf lainnya (lihat Bab 45) clan dari sel sarafke sel otot untuk Pintu pada Kanai Protein. Pintu pada kanal protein menimbulkan kontraksi otot (lihat Bab 7).merupakan suatu cara untuk mengatur permeabilitasion pada kanal tersebut. Keadaan ini ditunjukkan dalam Pintu Kanai dalam Keadaan Terbuka versus PintuGambar 4-5 sebelah atas clan bawah, yang selektif untuk Kanai dalam Keadaan Tertutup. Dalam Gambar 4-6Aion natrium clan kalium. Sebagian pintu ini diyakini diperlihatkan karakteristik yang sangat menarik darisebenarnya mempunyai perluasan struktur mirip pintu kebanyakan kanal berpintu listrik. Gambar tersebutpada molekul protein transpor, yang dapat menutupi menunjukkan dua rekaman arus listrik yang mengalirpembukaan kanal atau dapat ditarik dari kanal yang melalui sebuah kanal natrium pada saat terdapat gradienterbuka dengan cara mengtibah bentuk molekul protein potensial membran sebesar kira-kira 25 milivolt.itu sendiri. Perhatikan bahwa kanal menghantarkan arus listrik dengan prinsip \"gaga! atau tuntas'; yaitu pintu kanal membuka Pembukaan clan penutupan pintu diatur dengan dua dan menutup dengan cepat, dan setiap pembukaancara utama berikut. berlangsung sepersekian milidetik sampai beberapa milidetik. Keadaan ini menunjukkan cepatnya perubahan1. Pintu listrik. Dalam ha! ini, perubahan bentuk molekul yang dapat terjadi selama pembukaan dan penutupan pintu atau ikatan kimia pada pintu timbul sebagai respons molekul protein. Pada suatu nilai potensial listrik tertentu, terhadap potensial listrik yang menembus membran kanal dapat tetap tertutup sepanjang waktu atau hampir sel. Misalnya, seperti yang diperlihatkan pada Gambar selalu tertutup, sedangkan pada suatu nilai potensial listrik 4-5 sebelah atas, pada saat terdapat muatan negatif lainnya, kanal dapat terbuka sepanjang waktu atau hampir kuat pada bagian dalam membran sel, pintu natrium selalu dalam keadaan terbuka . Pada nilai potensial listrik di bagian luar akan tetap tertutup rapat; sebaliknya, bila bagian dalam membran kehilangan muatan negatifnya, pintu ini akan terbuka secara tiba-tiba sehingga memungkinkan sejumlah besar ion natrium mengalir masuk melalui pori-pori natrium. Keadaan ini merupakan mekanisme dasar timbulnya potensial aksi pada saraf yang menghantarkan sinyal saraf. Pada Gambar 4-5 sebelah bawah, pintu kalium berada di ujung dalam pada kanal kalium, clan pintu ini akan membuka bila bagian dalam membran sel bermuatan positif. Pembukaan pintu-pintu tersebut turut berperan pada terjadinya terminasi potensial aksi, yang akan dibicarakan lebih detail di Bab 5.2. Pintu kimiawi (ligan). Beberapa pintu kanal akan terbuka karena pengikatan suatu zat kimia (ligan)48

Bab 4 Transpor Zat melalui Membran-Membran Selantara kedua keadaan tersebut, seperti yang diperlihatkan 0 2 4 6 8 10 Idalam gambar, pintu cenderung membuka dan menutupsecara bergantian, yang menghasilkan nilai arus listrik A Milidetikrata-rata di antara nilai maksimum dan minimum. Menuju perekam Metode Patch-Clamp untuk Merekam Aliran ArusIon melalui Kanal-kanal Tunggal. Siapapun mungkin \"Potongan\"bertanya-tanya mengenai cara yang mungkin secara membran ---t+-----'teknis dapat dipakai untuk merekam aliran listrik ion yangmelalui sebuah kanal seperti yang diperlihatkan pada BGambar 4-6A. Hal ini dapat dicapai dengan menggunakanmetode \"patch-clamp\" yang diilustrasikan pada Gambar Gambar 4-6 A, Rekaman aliran listrik yang melalui kanal natrium4-6B. Caranya sangat sederhana, sebuah mikropipet, yang berpintu listrik, yang menunjukkan prinsip \"gagal atau tuntas\" padaujungnya berdiameter hanya 1 atau 2 µm, ditempelkan pembukaan dan penutupan kanal. 8, Metode \"patch-clamp\" untukpada sisi luar membran sel. Kemudian di bagian dalam merekam aliran listrik yang melalui sebuah kanal protein. Sebelahpipet dipasang pengisap untuk mengisap membran ke kiri, rekaman dilakukan pada sebuah \"potongan\" membran seldalam ujung pipet. Hal ini akan membentuk suatu sekat hidup. Sebelah kanan, rekaman dilakukan pada sebuah potongandi sekeliling tepi pipet yang menyentuh membran sel. membran yang sudah diambil dari sel.Hasilnya adalah suatu \"potongan\" kecil membran padaujung pipet tempat arus aliran listrik dapat direkam. Apakah yang membatasi kecepatan difusi terfasilitasi? Jawaban yang mungkin adalah mekanisme Cara lain, seperti yang diperlihatkan pada Gambar yang diilustrasikan pada Gambar 4-8. Gambar ini4-6B, potongan kecil membran sel yang terdapat pada memperlihatkan protein pembawa dengan pori-poriujung pipet dapat diambil dari sel. Pipet bersama potongan yang cukup besar untuk mentranspor molekul tertentuyang melekat padanya kemudian dimasukkan ke dalam melalui sebagian jalur. Gambar ini juga memperlihatkansuatu larutan bebas. Hal ini memungkinkan konsentrasi \"reseptor\" pengikat di bagian dalam protein pembawa.ion di kedua sisi, yaitu dalam mikropipet dan di dalam Molekul yang akan ditranspor memasuki pori-pori danlarutan, dapat diubah sesuai keinginan. Juga, tegangan menjadi terikat. Kemudian, dalam waktu sepersekianlistrik antara kedua sisi membran dapat diatur sesuai detik, terjadi perubahan bentuk atau perubahan kimiawikeinginan-yaitu, \"clamped\" pada tegangan yang sudahditentukan. Kita dapat membuat potongan semacam inidengan ukuran yang cukup kecil sehingga hanya satuprotein kanal yang ditemukan pada potongan membranyang dipelajari. Dengan mengubah-ubah konsentrasi iondan tegangan listrik yang melintasi membran, kita dapatmenentukan karakteristik transpor dan sifat pintu sebuahkanal.Difusi TerfasilitasiDifusi terfasilitasi disebut juga difusi yang diperantaraipembawa (carrier-mediated diffusion) karena zat yangditranspor dengan cara ini berdifusi melalui membrandengan bantuan protein pembawa yang spesifik. Artinya,pembawa akan memfasilitasi difusi zat ke sisi lain. Difusi terfasilitasi berbeda dengan difusi sederhanadalam hal-hal penting berikut. Walaupun kecepatandifusi melalui kanal yang terbuka meningkat secaraproporsional dengan konsentrasi zat yang berdifusi,pada difusi terfasilitasi, kecepatan difusi mendekati nilaimaksimum, yang disebut vmaks selama ada peningkatankonsentrasi zat yang berdifusi. Perbedaan antara difusisederhana dan difusi terfasilitasi ini diperlihatkan padaGambar 4-7. Gambar tersebut menunjukkan bahwa ketikakonsentrasi zat meningkat, kecepatan difusi sederhanaterus meningkat secara proporsional, namun pada difusiterfasilitasi, kecepatan difusi tak dapat melebihi nilaiv maks 49

Unit II Fisiologi fvfembran, Saraf, dan Otot Molekul yang Ditranspor Tempat ikatan Protein pembawa dan perubahan bentuk Konsentrasi zat Pelepasan ikatan·Gambar 4-7 Pengaruh konsentrasi zat terhadap kecepatan difusimelalui suatu membran pad a difusi sederhana dan difusi terfasilitasi. Gambar 4-8 Postulat mekanisme difusi terfasilitasi.Di sini diperlihatkan bahwa difusi terfasilitasi mendekati kecepatan di bagian dalam. Kecepatan difusi zat ke bagian dalammaksimum yang disebut vmaks' sebanding dengan konsentrasi molekul di bagian luar karena konsentrasi tersebut menentukan banyaknyapada protein pembawa, sehingga pori-pori sekarang molekul yang membentur bagian luar membran setiapterbuka ke sisi membran yang berlawanan. Oleh karena detik. Sebaliknya, kecepatan difusi molekul ke bagian luardaya ikat reseptor lemah, pergerakan termal molekul yang sebanding dengan konsentrasi molekul di bagian dalamterikat akan menyebabkan molekul tersebut memisahkan membran. Oleh karena itu, kecepatan difusi neto ke dalamdiri clan dilepas pada sisi membran yang berlawanan. sel sebanding dengan konsentrasi bagian luar dikurangiKecepatan transpor molekul melalui mekanisme ini tidak konsentrasi bagian dalam, atau:pernah dapat melebihi kecepatan perubahan molekulprotein pembawa yang bolak-balik antara kedua keadaan Difusi neto oo (C -C;)tersebut. Meskipun demikian, perhatikan secara saksama 0bahwa mekanisme ini memungkinkan molekul yangditranspor dapat bergerak-yaitu \"berdifusi\"-bolak-balik C adalah konsentrasi bagian luar clan Ci adalahmelalui membran. k~nsentrasi bagian dalam. Zat-zat terpenting yang melintasi membran selmelalui proses difusi terfasilitasi di antarariya adalah Pengaruh Potensial Listrik Mernbran terhadap Difusiglukosa clan sebagian besar asam amino. Dalam hal lon-\"Potensial Nernst\". Jika suatu potensial listrikglukosa, setidaknya lima molekul pentranspor glukosa mengalir melintasi membran, seperti yang diperlihatkantelah ditemukan di berbagai jaringan. Sebagian dari pada Gambar 4-9B, muatan listrik ion akan menyebabkanpadanya juga dapat mentranspor beberapa monosakarida ion tersebut bergerak melalui membran meskipun tidaklain yang mempunyai struktur mirip dengan glukosa, terdapat perbedaan konsentrasi untuk menimbulkantermasuk galaktosa clan fruktosa . Salah satu dari pergerakannya. Jadi, pada bagian kiri Gambar 4-9B,padanya, pentranspor glukosa 4 (GLUT4), digiatkan oleh konsentrasi ion negatif adalah sama pada kedua sisiinsulin yang juga dapat meningkatkan kecepatan difusi membran, namun pada sisi kanan membran, terdapatterfasilitasi untuk glukosa sebesar 10 sampai 20 kali lipat muatan positif clan muatan negatif pada sisi kirinyadi jaringan peka-insulin. Inilah mekanisme dasar insulin sehingga menciptakan suatu gradien listrik di keduadalam mengatur pemakaian glukosa dalam tubuh, yang sisi membran. Muatan positif akan menarik ion negatif,telah dibahas dalam Bab 78. sementara muatan negatif menolaknya. Oleh karena itu, terjadi difusi neto dari kiri ke kanan. Setelah beberapaFaktor-Faktor yang Memengaruhi Kecepatan Neto waktu, sejumlah besar ion negatif telah berpindah keDifusi kanan, clan terbentuk kondisi seperti yang digambarkan pada Gambar 4-9B sebelah kanan, yaitu perbedaanSampai saat ini, sudah jelas bahwa banyak zat dapat konsentrasi ion terjadi dengan arah yang berlawananberdifusi melalui membran sel. Hal yang biasanya penting dengan arah perbedaan potensial listrik. Pada saat tersebut,adalah kecepatan neto difusi suatu zat dalam arah yang perbedaan konsentrasi cenderung menggerakkan ion kediinginkan. Kecepatan neto tersebut ditentukan oleh kiri, sedangkan perbedaan muatan listrik cenderungbeberapa faktor. menggerakkan ion ke kanan. Bila perbedaan konsentrasi meningkat cukup tinggi, kedua efek tersebut akan Kecepatan Difusi Neto Sebanding denganBeda Konsentrasi pada Membran. Gambar 4-9Amemperlihatkan suatu membran sel dengan zatkonsentrasi tinggi di bagian luar dan konsentrasi rendah50

Bagian dalam Bab 4 Tra nspor Zat melalui Membran-Membran Sel A Membran lainnya, ini berarti bahwa jumlah semua gaya molekul yang membentur kanal pada sisi membran tersebut lebih·-~,,,--_,,-,\-- + besar daripada jumlah gaya di sisi lainnya. Pada sebagian besar keadaan, ha! ini disebabkan jumlah molekul yang B \ .- membentur membran per detik lebih besar pada salah satu sisi daripada tekanan di sisi lainnya. Akibatnya, c peningkatan energi yang tersedia akan menyebabkan pergerakan neto molekul dari sisi yang bertekanan-Gambar 4- 9 Pengaruh beda konsentrasi (A), beda potensial listrik tinggi ke arah sisi yang bertekanan-rendah. Pengaruhyang memengaruhi ion-ion negatif (B), dan beda tekanan (C) yang perbedaan tekanan ini diilustrasikan pada Gambar 4-9C, yang memperlihatkan sebuah piston yang menimbulkanmenimbulkan difusi molekul dan ion melalui membran sel. tekanan tinggi pada salah satu sisi suatu \"pori-pori;' sehingga menyebabkan lebih banyak molekul membentursaling mengimbangi. Pada suhu tubuh normal (37°C), pori-pori pada sisi tersebut clan, karena itu, lebih banyakperbedaan muatan listrik yang mengimbangi perbedaan molekul yang \"berdifusi\" ke sisi lainnya.konsentrasi ion univalent- seperti ion natrium (Na•)-dapat ditentukan dengan rumus berikut, yang disebut Osmosis melalui Membran Permeabel Selektif-persamaan Nernst: \"Difusi Neto\" Air EMF (dalam milivolt) = ±61 log C1 Selama ini, zat yang paling banyak berdifusi melalui membran sel adalah air. Jumlah air yang berdifusi di setiap c2 arah melalui membran sel darah merah per detik sebanyak kira-kira 100 kali volume sel itu sendiri. Namun, pada EMF merupakan electromotive force (voltase) antara keadaan normal, jumlah yang berdifusi dalam dua arahsisi 1 clan sisi 2 dari membran, sedangkan Ct, merupakan benar-benar seimbang sehingga tidak terjadi pergerakan neto air sedikitpun. Oleh karena itu, volume sel tetapkonsentrasi pada sisi 1, clan c2merupakan konsentrasi konstan. Akan tetapi, pada keadaan tertentu, dapat terjadi perbedaan konsentrasi air antara kedua sisi membran,pada sisi 2. Persamaan ini sangat penting artinya dalam demikian pula halnya dengan konsentrasi zat lain. Bila ha!memahami transmisi impuls saraf, clan akan dibahas jauh itu terjadi, timbul pergerakan neto air melalui membran,lebih mendalam di Bab 5. yang mengakibatkan sel membengkak atau mengerut, bergantung arah pergerakan air. Proses pergerakan neto Pengaruh Perbedaan Tekanan antara Kedua Sisi air ini disebabkan oleh adanya perbedaan konsentrasi airMembran. Kadang-kadang, timbul perbedaan tekanan yang disebut osmosis.yang bermakna antara kedua sisi membran yang dapatmengalami difusi. Keadaan ini terjadi, misalnya, pada Sebagai contoh osmosis, marilah kita mengasumsikanmembran kapiler darah yang terdapat di semua jaringan suatu keadaan seperti yang tampak pada Gambar 4-10,tubuh. Tekanan di bagian dalam kapiler kira-kira 20 mm Hg dengan air murni yang terdapat pada salah satu sisilebih besar daripada di bagian luar. Sebenarnya tekanan membran sel dan larutan natrium klorida pada sisi lainnya.berarti penjumlahan semua gaya dari berbagai molekulyang membentur satu satuan luas permukaan pada satu Air Larutan NaClsaat tertentu. Oleh karena itu, bila tekanan pada salah (,) 0satu sisi membran lebih besar daripada tekanan di sisi <: 00 g I,) ,, (. 00 (,) (,) 0 (,) Q 0 (,) Q 0 00 Osmosis Gambar 4-10 Osmosis di membran sel bila larutan nat riu m klorida ditempatkan di satu sisi membran dan air ditempatkan di sisi yang lain. 51

Unit II Fisiologi /11embran, Saraf, dan Otot adalah sama untuk setiap partikel kecil, yang berlaku juga untuk setiap partikel besar. Akibatnya, faktor yangMolekul air dapat melalui membran sel dengan mudah, menentukan tekanan osmotik suatu larutan adalahsedangkan ion natrium clan klorida sulit melaluinya. Oleh konsentrasi larutan yang ditentukan oleh jumlah partikelkarena itu, larutan natrium klorida sebenarnya m erupakan (yang sama dengan konsentrasi molarnya jika larutancampuran dari molekul air yang bersifat permeabel, clan tersebut merupakan molekul yang tidak terurai) clanion natrium serta ion klorida yang bersifat nonpermeabel, bukan ditentukan oleh massa zat terlarut.atau dengan kata lain, membran bersifat p ermeabelselektifuntuk air tapi tidak untuk ion natrium clan klorida. \"Osmolalitas\"--Osmol. Untuk menyatakan konsentrasiNamun, adanya natrium clan klorida telah menggantikan suatu larutan yang ditentukan oleh jumlah partikel,beberapa molekul air pada sisi membran tempat ion- digunakan satuan yang disebut osmol sebagai penggantiion ini berada clan, karena itu, menurunkan konsentrasi satuan gram.molekul air sehingga lebih rendah daripada konsentrasiair murni. Akibatnya, sebagaimana yang diperlihatkan Satu osmol adalah 1 gram berat molekul untuk zatpada Gambar 4-10, lebih banyak molekul air yang terlarut yang mengalami osmosis aktif. Jadi, 180 grammembentur kanal pada sisi kiri, tempat air murni berada, glukosa, yang merupakan 1 gram berat molekul glukosa,dibandingkan pada sisi kanan, yang sudah berkurang setara dengan 1 osmol glukosa karena molekul glukosakonsentrasi airnya. Dengan demikian, pergerakan neto tidak terurai menjadi ion. Jika suatu zat terlarut teruraiair terjadi dari kiri ke kanan-artinya, osmosis terjadi clan menjadi dua ion, 1 gram berat molekul zat terlarut akanair murni ke dalam larutan natrium klorida. menghasilkan 2 osmol karena jumlah partikel osmotik aktif sekarang adalah dua kali lebih besar daripada zatTekanan Osmotik terlarut yang tidak terurai. Oleh karena itu, bila NaCl terurai sepenuhnya, 1 gram berat molekul natriumJika dalam keadaan seperti Gambar 4-10 diberikan klorida, 58,5 gram, akan setara dengan 2 osmol.tekanan pada larutan natrium klorida, osmosis air kedalam larutan tersebut akan menjadi lambat, terhenti, Suatu larutan yang mengandung 1 osmol zat yangatau bahkan berbalik arah. Besarnya tekanan yang secara terlarut dalam 1 kilogram air dikatakan mempunyaipasti diperlukan untuk menghentikan proses osmosis air osmolalitas sebesar 1 osmol/ kg, clan larutan yangdisebut tekanan osmotik larutan natrium klorida. mengandung 1/1.000 osmol zat terlarut per kilogram mempunyai osmolalitas 1 mOsm /kg. Nilai osmolalitas Prinsip suatu perbedaan tekanan yang melawan normal cairan ekstraselular clan intrasel adalah kira-osmosis ditunjukkan dalam Gambar 4-11, yang kira 300 mOsm! kg air.memperlihatkan membran permeabel selektif yangmemisahkan dua kolom cairan, satu kolom mengandung Hubungan Osmolalit as dengan Tekananair murni clan kolom lain mengandung larutan air clan zat Osmotik. Pada suhu tubuh normal, 37°C, nilaiterlarut yang tidak akan menembus membran. Osmosis konsentrasi 1 osmol/L akan menimbulkan tekananair dari ruang B ke dalam ruang A menyebabkan keduatingkat kolom cairan terpisah semakin jauh, sampai A Bakhirnya timbul perbedaan tekanan yang cukup besar diantara kedua sisi membran untuk melawan efek osmotik. 0 00Perbedaan tekanan di sepanjang membran pada saat ini 0sama dengan tekanan osmotik larutan yang mengandungzat terlarut yang tak dapat berdifusi. 00 G0 0 0 Pentingnya Jumlah Partikel Osmotik (KonsentrasiMolar) dalam Menentukan Tekanan Osmoti k. Tekanan 00 0osmotik yang dihasilkan partikel dalam larutan ditentukan 000oleh jumlah partikel per unit volume cairan clan bukanoleh massa partikel, tak peduli partikel tersebut berupa 0 00molekul atau ion. Alasan untuk keadaan ini adalahbahwa rata-rata setiap partikel dalam larutan, tanpa 0 Q 00 0memperhatikan massanya, menghasilkan jumlah tekananyang sama terhadap membran. Oleh karena itu, partikel °0 o0 Membranbesar, yang mempunyai massa (m) lebih besar daripada 0O semipermeabelpartikel kecil, bergerak dengan kecepatan (v) yang lebih Q gQrendah. Partikel kecil bergerak dengan kecepatan yanglebih tinggi sehingga energi kinetik rata-ratanya (k), yang 0Qditentukan oleh persamaan: 0 0 0 () k =mv-2 2 00 0 0 0 0 0 0 o I, Q0 0 0 Q 01 0I 0 o:0 0 0 o o •I Gambar 4-11 Gambaran tekanan osmotik akibat osmosis yang terjadi melalui membran semipermeabel.52

Bab 4 Tra nspor Zat melalui Membran- Membran Selosmotik dalam larutan sebesar 19.300 mm Hg. Demikian aktif sekunder. Pada transpor aktif primer, energi secara •pula, konsentrasi 1 mOsm/L setara dengan tekanan langsung diperoleh dari pemecahan adenosin trifosfatosmotik sebesar 19,3 mm Hg. Dengan mengalikan nilai ini (ATP) atau beberapa senyawa fosfat berenergi-tinggidengan nilai konsentrasi cairan tubuh sebesar 300 mOsm, lainnya. Pada transpor aktif sekunder, energi sekunderakan memberi total perhitungan tekanan osmotik cairan diperoleh dari energi yang tersimpan dalam bentukini sebesar 5.790 mm Hg. Akan tetapi hasil pengukuran perbedaan konsentrasi ion clan molekul atau zat ionyang diperoleh, rata-rata hanya sekitar 5.500 mm Hg. antara kedua sisi membran, yang ditimbulkan oleh prosesPerbedaan ini disebabkan banyaknya ion dalam cairan transpor aktif primer sebelumnya. Kedua jenis transportubuh, seperti ion natrium clan klorida, yang tarik-menarik aktif tersebut bergantung pada protein pembawa yangdengan sangat kuat; akibatnya, kedua ion tersebut tidak menembus membran sel, yang juga terjadi pada prosesdapat bergerak dengan bebas dalam cairan tubuh clan difusi terfasilitasi. Akan tetapi, pada proses transportak dapat menimbulkan potensial tekanan osmotik yang aktif, fungsi protein pembawa berbeda dengan proteinsesungguhnya. Oleh karena itu, nilai tekanan osmotik pembawa pada proses difusi terfasilitasi karena mampucairan tubuh yang sesungguhnya kira-kira 0,93 kali nilai memberikan energi kepada zat yang ditranspor untukyang dihitung. bergerak melawan gradien elektrokimia. Berikut adalah beberapa contoh transpor aktif primer clan transpor aktif lstilah \"Osmolaritas\". Osmolaritas adalah konsentrasi sekunder disertai penjelasan yang lebih detail mengenai osmolar yang dinyatakan dengan osmol per liter larutan prinsip dasar kedua proses tersebut. dan bukan osmol per kilogram air. Meskipun sudah ditentukan bahwa osmol per kilogram air (osmolalitas) yang Transpor Aktif Primer menentukan tekanan osmotik, untuk larutan yang encer seperti yang terdapat dalam tubuh, perbedaan kuantitatif Pompa Natrium- Kalium antara osmolaritas dan osmolalitas adalah kurang dari 1 persen. Oleh karena jauh lebih praktis untuk mengukur Zat-zat yang ditranspor oleh transpor aktif primer di osmolaritas daripada osmolalitas, osmolaritas biasa dipakai antaranya adalah natrium, kalium, kalsium, hidrogen, di hampir semua studi faal. klorida, clan beberapa ion lainnya. Mekanisme transpor aktif yang paling detail dipelajari adalah pompa natrium- \"Transpor Aktif\" Zat melalui Membran kalium (Na •-K•), yaitu suatu proses transpor yang memompa ion natrium keluar melalui membran yangKadang, sejumlah besar konsentrasi zat dibutuhkan di terdapat di semua sel clan pada saat yang sama, memompadalam cairan intraselular walaupun cairan ekstraselular ion kalium dari luar ke dalam. Pompa ini bertanggunghanya mengandung zat dengan konsentrasi yang kecil. jawab untuk menjaga perbedaan konsentrasi natrium clanHal ini terjadi, misalnya, untuk ion kalium. Sebaliknya, kalium di antara kedua sisi membran sel clan berperankonsentrasi ion lainnya harus dipertahankan dalam untuk menciptakan tegangan listrik yang bersifat negatifjumlah yang sangat rendah di dalam sel walaupun di dalam sel. Bab 5 akan menunjukkan bahwa pompakonsentrasinya dalam cairan ekstraselular besar. Hal ini ini juga merupakan dasar bagi fungsi saraf, yang akankhususnya terjadi untuk ion natrium. Tak satupun dari menghantarkan sinyal ke seluruh sistem saraf.kedua keadaan tersebut yang dapat terwujud melaluiproses difusi sederhana, karena difusi sederhana pada Gambar 4-12 memperlihatkan komponen fisik dasarakhirnya akan menyetarakan konsentrasi pada kedua pompa Na•-K•. Protein pembawa merupakan suatusisi membran. Sebagai gantinya, beberapa sumber energi kompleks yang terdiri atas dua protein globulus yangharus menimbulkan pergerakan masif ion kalium ke terpisah: protein yang lebih besar disebut subunit adalam sel clan menyebabkan pergerakan masif ion natriumke luar sel. Proses pada saat membran sel menggerakkan Bagian luar 3Na+molekul atau ion \"menanjak naik\" melawan suatu gradienkonsentrasi (atau \"menanjak naik\" melawan gradien listrik ..... . 3Na+ +atau gradien tekanan), disebut transpor aktif. 2K+ Pi ;' Berbagai macam zat yang ditranspor secara aktifsetidaknya melalui beberapa membran sel meliputi ion AT Pnatrium, ion kalium, ion kalsium, ion besi, ion hidrogen,ion klorida, ion iodin, ion urat, beberapa jenis gula, clan Bagian dalamsebagian besar asam amino. Gambar 4-12 Postulat mekanisme pompa natrium-kalium. ADP, Transpor Aktif Primer dan Transpor Akt if adenosin difosfat; ATP, adenosin trifosfat; Pi, ion fosfat.Sekunder. Transpor aktif terbagi dalam dua tipeberdasarkan sumber energi yang dipakai untukmenimbulkan transpor: transpor aktifprimer dan transpor 53

Unit II Fisio/ogi Membran, Saraf, dan Otot sekali lagi bahwa pompa ini akan memompa tiga ion Na+ keluar dari sel setiap terjadi pemasukan dua ion K+ kedengan berat molekul kira-kira 100.000, clan protein yang dalam. Membran sel juga memiliki permeabilitas yanglebih kecil disebut subunit ~ dengan berat molekul sekitar jauh lebih rendah terhadap ion natrium dibandingkan ion55.000. Walaupun fungsi protein yang lebih kecil belum kalium, sehingga begitu ion natrium berada di luar, iondiketahui (kecuali bahwa protein ini mungkin menahan tersebut sangat cenderung untuk tetap berada di sana.kompleks protein dalam membran lipid), protein yang Jadi, keadaan ini memungkinkan ion untuk dapat keluarlebih besar memiliki tiga keistimewaan khusus yang dari sel, clan akan mencetuskan proses osmosis air yangpenting untuk menjalankan fungsi pompa tersebut: keluar dari sel. Bila sel mulai membengkak karena suatu sebab, pompa Na+-K+akan menjadi aktif secara otomatis,1. Memiliki tiga reseptor tempat pengikatan ion natrium clan akan mengeluarkan lebih banyak ion ke luar clan pada bagian protein yang menonjol ke dalam sel. membawa air besertanya. Oleh karena itu, pompa Na+-K+ menjalankan peran pemantauan yang berkesinambungan2. Memiliki dua reseptor untuk ion kalium pada bagian untuk mempertahankan volume normal sel. luar protein. Sifat Elektrogenik Pompa Na+-K•. Kenyataan bahwa3. Bagian dalam protein yang terletak dekat dengan tempat pompa Na•-K• memindahkan tiga ion Na+ke luar sel untuk pengikatan natrium, memiliki aktivitas ATPase. setiap dua ion K• yang masuk ke dalam berarti bahwa akhirnya, akan ada satu muatan positif yang pindah dari Pada saat dua ion kalium terikat pada bagian luar dalam sel ke luar sel pada setiap siklus pompa. Hal iniprotein pembawa clan tiga ion natrium terikat pada bagian menimbulkan kepositifan di luar sel sedangkan ion positifdalamnya, fu ngsi ATPase pada protein akan menjadi aktif. berkurang jumlahnya di dalam sel yang berarti bagianATPase yang aktif ini kemudian akan memecahkan satu dalam sel berada dalam kenegatifan. Oleh karena itu, pompamolekul ATP, yang terurai menjadi adenosin difosfat Na•-K• dikatakan bersifat elektrogenik karena menimbulkan(ADP) clan membebaskan energi yang berasal dari sebuah potensial listrik di antara kedua sisi membran sel. Sepertiikatan fosfat berenergi-tinggi. Energi yang dibebaskan ini, yang dibahas di Bab 5, potensial listrik tersebut merupakankemudian, diyakini menyebabkan perubahan bentuk clan kebutuhan dasar di dalam serabut saraf clan otot untukkimiawi pada molekul protein pembawa, yang mendorong menghantarkan sinyal saraf clan otot.tiga ion natrium keluar clan tiga ion kalium ke dalam. Transpor Aktif Primer untuk Ion Kalsium Seperti enzim-enzim lain, pompa Na+-K+ ATPasedapat berfungsi dalam arah yang sebaliknya. Jika gradien Mekanisme transpor aktif primer yang penting lainnyaelektrokim ia untuk ion Na+ clan K+ cukup meningkat adalah pompa kalsium. Ion kalsium normalnyasecara eksperimental sehingga energi yang tersimpan dipertahankan pada konsentrasi yang sangat rendahdalam gradien tersebut lebih besar daripada energi dalam sitosol intraselular di hampir semua sel tubuh,kimiawi yang dihasilkan dari pemecahan ATP, kedua ion dengan konsentrasi kira-kira 10.000 kali lebih keciltersebut akan bergerak mengikuti gradien konsentrasinya daripada konsentrasinya dalam cairan ekstraselular.clan pompa Na+-K+akan menyintesis ATP dari ADP clan Keadaan ini diwujudkan terutama melalui dua pompafosfat. Bentuk pompa Na+-K+ yang terfosforilasi, karena kalsium transpor aktif primer. Sebuah pompa terdapatitu, dapat menyumbangkan fosfatnya pada ADP untuk di membran sel clan memompa kalsium ke luar sel.memproduksi ATP atau menggunakan energi yang Pompa lainnya memompa ion kalsium ke dalam satu ataudimiliki untuk mengubah bentuk pompa clan memompa lebih organel intrasel yang bervesikel seperti retikulumNa+keluar sel clan K+ke dalam sel. Konsentrasi relatif ATP, sarkoplasma sel otot clan mitokondria yang terdapat diADP, clan fosfat serta gradien elektrokimia untuk Na+-K+, semua sel. Di setiap pompa tersebut, protein pembawaakan menentukan arah reaksi enzim. Pada beberapa menembus membran clan berfungsi sebagai suatu enzimsel, misalnya sel saraf yang memiliki aktivitas listrik, 60 ATPase, yang memiliki kemampuan yang sama untuksampai 70 persen dari kebutuhan energi sel ditujukan memecahkan ATP seperti ATPase pada protein pembawauntuk pemompaan Na+keluar clan K+ke dalam sel. natrium. Perbedaannya adalah bahwa protein ini memiliki tempat pengikatan yang sangat spesifik untuk kalsium dan Pompa Na+-K+ Penting dalam Pengaturan Volume bukan untuk natrium.Sel. Salah satu fungsi terpenting pompa Na+-K+ adalahuntuk mengatur volume setiap sel. Tanpa fungsi pompa Transpor Aktif Primer untuk Ion Hidrogenini, kebanyakan sel tubuh akan membengkak sampaipecah. Mekanisme yang mengontrol volume tersebut Transpor aktif primer untuk ion hidrogen penting diadalah sebagai berikut. Di dalam sel terdapat sejumlah dua tempat di dalam tubuh: (1) di kelenjar gaster padabesar protein clan molekul organik lain yang tidak lambung dan (2) di bagian akhir tubulus distal dan duktusdapat keluar dari sel. Kebanyakan komponen tersebut koligentes kortikalis pada ginjal.bermuatan negatif clan karena itu, akan menarik sejumlahbesar kalium, natrium, dan ion positif lainnya. Semua Di kelenjar gaster, sel-sel parietal yang terletak di lapisanmolekul dan ion ini akan menyebabkan terjadinya osmosis dalam memiliki mekanisme aktif primer yang palingair ke dalam sel. Jika ha! ini tidak dikendalikan, sel akan poten dari bagian tubuh manapun untuk mentranspormembengkak sampai pecah. Mekanisme normal yangmencegah ha! tersebut adalah pompa Na+-K+. Perhatikan54

ion hidrogen. Ini adalah dasar terjadinya sekresi asam Bab 4 Transpor Zat melalui Membran-Membran Selhidroklorida pada proses pencernaan di lambung. Padaujung sekretorik sel parietal, konsentrasi ion hidrogen yang berpasangan. Hal tersebut dicapai dengan adanyadapat meningkat sejuta kali lipat dan kemudian dilepaskan protein pembawa lain dalam membran sel. Dalam halbersama dengan ion klorida untuk membentuk asam ini, pembawa bertindak sebagai titik pengikatan untukhidroklorida. ion natrium dan untuk zat yang ikut ditranspor bersama natrium. Begitu keduanya terikat, gradien energi ion Di tubulus renal, khususnya intercalated cells di bagian natrium akan menyebabkan ion natrium dan zat lain yangakhir tubulus distal dan duktus koligentes kortikalis, ikut ditranspor, masuk ke dalam sel.terjadi juga proses transpor ion hidrogen melalui transporaktif primer. Dalam hal ini, sejumlah besar ion hidrogen Pada transpor-tukar, ion natrium juga berusaha untukakan disekresikan dari darah ke dalam urin yang bertujuan berdifusi ke dalam sel karena gradien konsentrasinyauntuk membuang ion hidrogen (hidrogen) yang berlebihan yang besar. Namun, kali ini, zat yang ditranspor beradadari cairan tubuh. Ion hidrogen dapat disekresikan ke di dalam sel dan harus ditranspor ke luar. Oleh karenadalam urin dengan melawan gradien konsentrasi sebesar itu, ion natrium akan berikatan dengan protein pembawakira-kira 900 kali lipat. pada bagian protein yang menonjol ke permukaan luar membran, sedangkan zat yang akan ditranspor berikatanAktivitas Energi Transpor Aktif Primer dengan bagian protein pembawa yang menonjol ke dalam. Setelah keduanya terikat, terjadi perubahan bentuk, danJumlah energi yang diperlukan untuk mentranspor energi yang dibebaskan oleh pergerakan ion natrium kesuatu zat secara aktif melalui membran ditentukan oleh dalam akan menyebabkan zat yang ditranspor tersebutbanyaknya zat yang dapat dipekatkan selama transpor. bergerak ke luar.Dibandingkan dengan energi yang diperlukan untukmemekatkan zat sebanyak 10 kali lipat, maka untuk Ko-Transpor Glukosa dan Asam Amino Bersama Ionmemekatkan zat sebanyak 100 kali lipat dibutuhkan Natriumenergi dua kali lebih banyak, dan untuk memekatkannya Glukosa dan banyak asam amino ditranspor ke dalam1.000 kali lipat dibutuhkan energi tiga kali lebih banyak. sebagian besar sel dengan melawan gradien konsentrasiDengan kata lain, energi yang dibutuhkan sebanding yang besar; mekanisme untuk hal ini seluruhnyadengan logaritma dari kadar zat yang dipekatkan, seperti dilakukan melalui mekanisme ko-transpor yang tampakyang dinyatakan oleh rumus berikut. pada Gambar 4-13. Perhatikan bahwa protein pembawa memiliki dua tempat pengikatan pada sisi luarnya, satu Energi (dalam kalori per osmol) =1.400 log C1 untuk natrium dan satu lagi untuk glukosa. Konsentrasi ion natrium juga tinggi di luar dan rendah di dalam, yang c2 memberi energi untuk proses transpor. Keistimewaan protein tersebut adalah bahwa perubahan bentuk yangJadi, dalam satuan kalori, jumlah energi yang diperlukan memungkinkan pergerakan natrium ke dalam tidakuntuk memekatkan 1 osmol zat sebanyak 10 kali lipat akan terjadi sampai molekul glukosa ikut terikat. Begituadalah sekitar 1.400 kalori; atau untuk sebanyak 100 kali keduanya terikat, secara otomatis terjadi perubahanlipat, diperlukan energi 2.800 kalori. Kita dapat mengetahui bentuk, dan natrium serta glukosa ditranspor ke dalam selbahwa energi yang dikeluarkan untuk memekatkan zat di dalam waktu yang bersamaan. Oleh karena itulah maka,dalam sel atau untuk mengeluarkan zat dari sel dengan hal ini disebut sebagai suatu mekanisme ko-transpormelawan gradien konsentrasi, dapat berjumlah sangat natrium-glukosa. Ko-transporter natrium-glukosa terutamabesar. Beberapa sel, seperti sel yang melapisi tubulus ginjal merupakan mekanisme yang sangat penting dalamdan banyak sel kelenjar, mengeluarkan sebanyak 90 persen mentranspor glukosa melalui sel-sel epitel ginjal dan usus,energinya hanya untuk tercapainya fungsi tersebut. sebagaimana telah dibahas dalam Bab 27 dan 65.Transpor Aktif Sekunder-Ko-Transpor dan Tempat pengikatanTranspor-Tukar natriumBila ion natrium ditranspor keluar dari sel melalui transpor Gambar 4-13 Postulat mekanisme ko-transpor natrium untukaktif primer, biasanya timbul gradien konsentrasi yang glukosa.besar dari natrium di kedua sisi membran sel-konsentrasiyang tinggi di luar sel dan konsentrasi yang sangat rendah 55di dalamnya. Gradien ini menandakan adanya cadanganenergi, karena natrium yang berlebih di luar membran selselalu berusaha untuk berdifusi ke dalam. Dalam kondisiyang sesuai, energi difusi natrium tersebut dapat menarikzat lain untuk ikut bersama natrium melalui membran sel.Fenomena ini disebut ko-transpor; ini adalah salah satubentuk transpor aktifsekunder. Agar natrium dapat menarik zat lain untuk ikutbersama dengannya, dibutuhkan suatu mekanisme

Unit II Fisio/ogi fvfembran, Saraf, dan Otot Transpor Aktif melalui Lapisan-Lapisan Sel Ko-transpor natrium untuk asam amino terjadi dengan Di banyak tempat di dalam tubuh, zat harus ditransporcara yang sama seperti untuk glukosa, kecuali bahwa asam seluruhnya melalui lapisan-lapisan sel dan bukan melaluiamino menggunakan kelompok (set) protein transpor membran sel. Transpor jenis ini terjadi melalui (1) epitelyang berbeda. Ada lima protein transpor asam amino usus, (2) epitel tubulus ginjal, (3) epitel semua kelenjaryang telah dikenali, dan masing-masing bertanggung eksokrin, (4) epitel kandung empedu, dan (5) membranjawab untuk mentranspor sekelompok asam amino sesuai pleksus koroideus otak, serta membran lainnya.karakteristik molekul yang spesifik. Mekanisme dasar untuk transpor zat melalui lapisan- Ko-transpor natrium pada glukosa dan asam amino lapisan sel adalah (1) transpor aktif melalui membran selkhususnya terjadi melalui sel epitel saluran cerna dan sel pada salah satu sisi sel yang terdapat di lapisan tersebuttubulus renal pada ginjal, yang bertujuan mencetuskan dan kemudian (2) difusi sederhana atau difusi terfasilitasiproses absorpsi zat-zat tersebut ke dalam darah, yang melalui membran pada sisi sel yang berlawanan.akan dibahas di bab-bab berikutnya. Gambar 4-15 memperlihatkan suatu mekanisme untuk Mekanisme ko-transpor lain yang penting setidaknya transpor ion natrium melalui lapisan epitel usus, kandunguntuk beberapa sel meliputi ko-transpor ion kiorida, ion empedu, dan tubulus renal. Gambar ini memperlihatkaniodin, ion besi, dan ion urat. bahwa sel epitel saling berhubungan erat pada ujung luminal sel tersebut melalui pertautan yang disebutTranspor-Tukar Natrium untuk Ion Kalsium dan Ion \"kisses''. Brush border di permukaan sel yang menghadapHidrogen ke lumen bersifat permeabel terhadap ion natrium dan air. Oleh karena itu, natrium dan air berdifusi denganDua mekanisme transpor-tukar (transpor yang terjadi mudah ke dalam sel. Kemudian, pada bagian basal danberlawanan arah dengan ion utama) yang penting, lateral membran sel, ion natrium secara aktif ditransporterutama adalah transpor-tukar natrium-kalsium dan masuk ke dalam cairan ekstraselular di sekitar jaringantranspor-tukar natrium-hidrogen (Gambar 4-14). ikat dan pembuluh darah. Hal ini akan menciptakan gradien konsentrasi ion natrium yang tinggi di kedua Transpor-tukar kalsium terjadi di seluruh atau hampir sisi membran tersebut, yang kemudian menyebabkanseluruh membran sel, dengan ion natrium yang bergerak terjadinya osmosis air. Jadi, transpor aktif ion natriumke dalam dan ion kalsium ke luar, dan keduanya terikat pada sisi basolateral sel epitel tidak saja mentranspor ionpada protein transpor yang sama namun disesuaikan natrium tetapi juga mentranspor air.untuk tujuan transpor-tukar. Transpor-tukar kalsiumini adalah jenis transpor tambahan selain transpor aktif Mekanisme ini digunakan hampir semua zat makanan,primer kalsium yang terjadi di beberapa sel. ion, dan zat lainnya yang diabsorbsi ke dalam darah dan usus; proses reabsorbsi zat yang sama dan filtrat Transpor-tukar natrium-hidrogen terjadi di beberapa glomerulus oleh tubulus renal juga menggunakanjaringan. Contoh yang penting khususnya adalah transpor mekanisme tersebut.yang terjadi di dalam tubulus proksimal ginjal tempat ionnatrium bergerak dari dalam lumen ke dalam sel tubulus, Seluruh bacaan ini memaparkan sejumlah contohsedangkan ion hidrogen ditranspor ke dalam lumen. berbagai jenis transpor yang dibahas dalam bab ini.Mekanisme ini tidak begitu kuat dalam menghasilkanpemekatan ion hidrogen dibandingkan dengan mekanisme Brush Bagian bawahtranspor aktif primer untuk ion hidrogen yang terjadi di border me mbranbeberapa bagian tubulus renal yang lebih distal, tetapimekanisme ini dapat mentranspor sejumlah besar ionhidrogen, yang merupakan kunci untuk pengaturan ionhidrogen dalam cairan tubuh, yang akan dibahas secaradetail di Bab 30. '\ Na+ -:;;;;;;;-~~r~~spor © .....:a.;;;.._.,.._ aktif Osmosis '- Bagian luar c Na+ ~ dan ~· Mj Q) H20 ~ E ~ ::i _J ~Gambar 4-14 Transpor-tukar natrium pada kalsiu m dan ion Gambar 4-1 S Mekanisme dasar transpor aktif melalu i suatuhidrogen. lapisan sel.56

Daftar Pustaka Bab 4 Transpor Zat melalui Membran-Membran SelAgre P, Kozono D: Aquaporin water channels: molecular mechanisms for Gadsby DC: Ion channels versus ion pumps: the principal difference, in human diseases, FEBS Lett 555: 72, 2003. principle, Nat Rev Mo/ Cell Biol 10:344, 2009.Ashcroft FM: From molecule to malady, Nature 440:440, 2006. Jentsch TJ , Stein V, Weinreich F, Zdebik AA: Molecular structure andBenos DJ, Stanton BA: Functional domains within the degenerin/ epithelial physiological function of chloride channels, Physiol Rev 82:503, 2002. sodium channel (Deg/ENac) superfamily of ion channels, j Physiol Kaupp UB, Seifert R: Cyclic nucleotide-gated ion channels, Physiol Rev 520:631, 1999. 82:769, 2002.Benziane B, Chibalin AV: Frontiers: skeletal muscle sodium pump regulation: a translocation paradigm, Am j Physiol Endocrinol Metab 295:E553, King LS, Kozono D, Agre P: From structure to disease: the evolving tale of 2008. aquaporin biology, Nat Rev Mo/ Cell Biol 5:687, 2004.Biel M, Wahl-Schott C, Michalakis S, Zong X: Hyperpolarization-activated cation channels: from genes to function, Physiol Rev 89:847, 2009. Kleyman TR, Carattino MD, Hughey RP: ENaC at the cutting edge: regulationBlaustein MP, Zhang J, Chen L, et al: The pump, the exchanger, and of epithelial sodium channels by proteases, j Biol Chem 284:20447, endogenous ouabain: signaling mechanisms that link salt retention to 2009. hypertension, Hypertension 53:291 , 2009.Breer S: Amino acid transport across mammalian intestinal and renal Mazzochi C, Benos DJ, Smith PR: Interaction of epithelial ion channels with epithelia, Physiol Rev 88:249, 2008. the actin -based cytoskeleton, Am j Physiol Renal Physiol 291 :F1113,Decoursey TE: Voltage-gated proton channels: what's next ? j Physiol 2006. 586:5305, 2008.Decoursey TE: Voltage-gated proton channels and other proton transfer Peres A, Giovannardi S, Bossi E, Fesce R: Electrophysiological insights into pathways, Physiol Rev 83:475, 2003. the mechanism of ion-coupled cotransporters, News Physiol Sci 19:80,DiPolo R, Beauge L: Sodium/calcium exchanger: influence of metabolic 2004. regulation on ion carrier interactions, Physiol Rev 86:155, 2006.Drummond HA, Jernigan NL, Grifoni SC: Sensing tension: epithelial Russell JM: Sodium-potassium-chloride cotransport, Physiol Rev 80:211 , sodium channel/acid-sensing ion channel proteins in cardiovascular 2000. homeostasis, Hypertension 51: 1265, 2008. Shin JM, Munson K, Vagin 0 , Sachs G: The gastric HK-ATPase: structure, function, and inhibition, Pflugers Arch 457:609, 2009. Tian J, Xie ZJ : The Na-K-ATPase and calcium-signaling microdomains, Physiology (Bethesda) 23:205, 2008. 57



BAB 5 Potensial Membran dan Potensial Al,si Alih Bahasa: dr. M. Djauhari Widjajakusumah Editor: drg. Antonia TanzilDi hampir semua sel tubuh terdapat potensial listrik di dalam. Ion-ion ini juga bermuatan positif. Sekarang,yang melintasi membran. Selain itu, pada beberapa sel, membran menjadi sangat permeabel terhadap ion natriummisalnya sel saraf clan sel otot, mampu membangkitkan tetapi tidak permeabel untuk semua ion lainnya. Difusi ionsendiri impuls elektrokimia yang cepat berubah natrium bermuatan positif ke bagian dalam membentukpada membrannya clan impuls ini digunakan untuk potensial membran di kutub yang berlawanan sepertimenghantarkan sinyal sepanjang membran saraf atau otot. pada Gambar 5- lA, dengan muatan negatif di luar danPada tipe sel lainnya, seperti sel kelenjar, makrofag, clan sel muatan positif di dalam. Sekali lagi, potensial membranyang bersilia, perubahan lokal pada potensial membran meningkat cukup tinggi dalam beberapa milidetik untukjuga mengaktifkan banyak fungsi sel. Pembicaraan kita menghambat difusi ion natrium selanjutnya ke dalam;saat ini berhubungan dengan potensial membran yang namun, saat ini, pada serabut saraf mamalia, potensialnyadibangkitkan, baik pada keadaan istirahat maupun pada adalah sekitar positif61 milivolt di dalam serabut.saat sel saraf clan sel otot beraktivitas. Jadi, pada kedua bagian Gambar 5-1, kita mengetahui Fisika Dasar Potensial Membran bahwa perbedaan konsentrasi ion yang melintasi membran permeabel yang selektif, dalam kondisi tertentu,Potensial Membran yang Disebabkan oleh Difusi menimbulkan potensial membran. Di akhir bab ini, akan ditunjukkan bahwa banyak perubahan yang cepat pada \"Potensial Difusi\" yang Disebabkan Perbedaan potensial membran, yang diamati selama transmisi impulsKonsentrasi Ion pada Kedua Sisi Membran. Pada saraf clan otot, berasal dari terjadinya perubahan cepatGambar 5- lA, konsentrasi kalium di bagian dalam pada potensial difusi tersebut.membran serabut saraf sangat tinggi, sedangkan di bagianluar membran sangat rendah. Mari kita asumsikan bahwa Hubungan Potensial Difusi t erhadap Perbedaanmembran pada contoh ini bersifat permeabel terhadap Konsentrasi-Potensia l Nernst. Nilai potensial difusiion kalium tetapi tidak terhadap ion lainnya. Oleh karena yang melintasi suatu membran, yang berbanding terbalikgradien konsentrasi kalium dari dalam sel ke luar selbesar, terdapat kecenderungan kuat untuk sejumlah besar POTENSIAL DIFUSIion kalium berdifusi ke luar melalui membran. Ketikahal tersebut terjadi, ion kalium membawa muatan listrik (Anion) - Sera! Saraf (Anion) - Sera! Sarafpositif ke luar, sehingga membentuk elektropositivitas -+ -di luar membran clan elektronegativitas di dalam akibat ---+ -(Anion) - - - : (Anion) -:anion-anion negatif yang tetap tertinggal clan tidak + -berdifusi ke luar bersama kalium. Dalam waktu satu +- - --,+ -milidetik atau lebih, perbedaan potensial antara bagian - -dalam dan luar, yang disebut sebagai potensial difusi, + -menjadi cukup besar untuk menghambat difusi kalium K+JI--+~---=-->~..,.. K+ - ;'\",._ + ' + -neto selanjutnya ke bagian luar, meskipun gradien - + -konsentrasi ion kalium cukup tinggi. Pada serabut saraf )t;~' -+...-_--::...;.. ' - ,,..:::.- ~-.....~mamalia normal, perbedaan potensial yang dibutuhkan -adalah sekitar 94 milivolt, dengan keadaan negatif di Na+ ~ --- - N a+ -dalam membran serabut. ',~-~- -:+:J..;.,1. (j( ---+ + Gambar 5- lB menjelaskan fenomena yang sama seperti +pada Gambar 5- lA, tetapi sekarang dengan konsentrasi + +ion natrium yang tinggi di luar membran dan rendah +- - + -+ - (-94 mV) + (+61 mV) + +- - + -+ + +- - + -+ + A B Gambar 5-1 A, Pembentukan potensial \"difusi\" yang melintasi membran sel, yang disebabkan oleh difusi ion ka li um dari bagian dalam sel ke bagian luar melalui suatu membra n yang bersifat permeabel selektif hanya terhadap kalium. 8, Pembentukan \"potensial difusi\" bila membran hanya perm eabel untuk ion natrium. Perhatikan bahwa potensial membran di sisi dala m bersifat negatif bila ion kalium berdifusi, dan positif bi la ion natrium berdifusi karena gradien konsentrasi yang berlawanan pada kedua ion ini. 59

Unit II Fisiologi Membran, Saraf. dan Ototdengan difusi net suatu partikel ion melalui membran membran seluruhnya akan didominasi oleh gradiendisebut potensial Nernst untuk ion tersebut, yaitu suatu konsentrasi ion natrium saja, clan potensial yangistilah yang telah diperkenalkan dalam Bab 4. Besarnya dihasilkan akan sama nilainya dengan potensial Nernstpotensial Nernst ini ditentukan oleh perbandingan untuk natrium. Hal ini berlaku juga untuk masing-masingkonsentrasi ion spesifik tersebut pada kedua sisi kedua ion yang lain jika membran menjadi permeabelmembran. Semakin besar perbandingan ini, semakin selektif untuk salah satu ion saja.besar kecenderungan ion tersebut berdifusi ke satu arah,clan oleh karena itu, semakin besar pula potensial Nernst Ketiga, gradien konsentrasi ion positif yang berasalyang dibutuhkan untuk mencegah difusi neto tambahan. dari sisi dalam membran terhadap sisi luar menimbulkanPersamaan berikut, yang disebut persamaan Nernst, dapat elektronegativitas di sisi dalam membran. Hal inidipakai untuk menghitung potensial Nernst untuk setiap disebabkan oleh kelebihan ion positif yang berdifusi keion univalen pada suhu tubuh normal 98,6°F (37°C): luar bila konsentrasinya di sisi dalam lebih besar daripada di sisi luar. Peristiwa ini membawa muatan positif keEMF .. ) =± 61 x 1og Konsentrasi sisi dalam sisi luar namun meninggalkan anion negatif yang tidak ( m1 11vo1t -------- dapat berdifusi di sisi dalam, sehingga menimbulkan Konsentrasi sisi luar elektronegativitas di dalam. Efek yang berlawanan terjadi bila didapati gradien untuk ion negatif. Dalamdengan EMF sebagai gaya penggerak elektron. konteks ini, gradien ion klorida dari sisi luar ke sisi dalam Bila menggunakan rumus m1, biasanya telah menyebabkan keadaan negatif di dalam sel sebab kelebihan ion klorida bermuatan negatif berdifusi ke dalam, sambildiasumsikan bahwa potensial pada cairan ekstraselular meninggalkan ion positif yang tidak dapat berdifusi di sisidi luar membran tetap pada potensial no!, clan potensial luar.Nernst adalah potensial di dalam membran. Juga, tandapotensial adalah positif (+) jika ion yang berdifusi dari Keempat, seperti yang akan dijelaskan nanti,dalam ke luar merupakan ion negatif, clan negatif (-) jika permeabilitas kanal natrium clan kalium akan mengalamiion ini merupakan ion positif. Jadi, bila konsentrasi ion perubahan cepat selama transmisi impuls saraf, sedangkankalium positif di sisi dalam besarnya 10 kali konsentrasinya permeabilitas kanal klorida tidak mengalami begitudi sisi luar, maka log 10 adalah 1, jadi potensial Nernst banyak perubahan selama proses tersebut. Oleh karenayang dihitung menjadi -61 milivolt di dalam membran. itu, perubahan permeabilitas terhadap natrium clan kalium yang cepat terutama bertanggung jawab untuk transmisiPerhitungan Potensial Difusi bila Membran Bersifat sinyal di sarafyang merupakan subjek dari sebagian besarPermeabel terhadap Beberapa Macam Ion ha! yang dibicarakan dalam sisa bab ini.Bila membran bersifat permeabel terhadap beberapa Pengukuran Potensial Membranmacam ion, potensial difusi yang timbul bergantung padatiga faktor: (1) polaritas muatan listrik masing-masing Metode untuk mengukur potensial membran secara teoriion, (2) permeabilitas membran (P) terhadap masing- bersifat sederhana namun sering kali sulit secara praktikmasing ion, clan (3) konsentrasi (C) masing-masing ion karena kebanyakan serabut berukuran kecil. Gambardi sisi dalam (i) clan di sisi luar (o) membran. Jadi, pada 5-2 menunjukkan sebuah pipet kecil yang diisi denganrumus berikut, yang disebut persamaan Goldman, suatu larutan elektrolit. Pipet tersebut ditusukkan melaluiatau persamaan Goldman-Hodgkin-Katz, dihasilkan membran sel ke bagian dalam serabut.Kemudian elektrodaperhitungan potensial membran di sisi dalam membran lain, yang disebut \"elektroda indifferen'; ditempatkan dibila dua ion positif univalen, yakni natrium (Na+) clan dalam cairan ekstrasel, clan perbedaan potensial antarakalium (K+), clan satu ion negative univalen, yakni ion bagian dalam clan bagian luar serabut diukur denganklorida (CI-), ikut terlibat. menggunakan sebuah voltmeter yang tepat. Voltmeter ini merupakan alat elektronik yang sangat canggih clan EMF (milivolt) Mari kita pelajari kegunaan clan makna dari persamaan Elektrodaini. Pertama, ion natrium, kalium, clan klorida sebenarnyamerupakan ion terpenting yang terlibat dalam timbulnya +++++++++++ perak-perakpotensial membran dalam serat saraf clan otot, serta di ~r..c;:-:,:::~r.=im•\"\"?/~-.Z:i:=i:O:::..::--... kloridasel neuron pada sistem saraf pusat. Gradien konsentrasimasing-masing ion yang melintasi membran ini 6.\"membantu menentukan voltase potensial membran. - - - - - - - - - (-90 __ - -- - - Kedua, tingkat kegunaan tiap-tiap ion dalam +++++++++ m~++++++++menentukan voltase berbanding lurus denganpermeabilitas membran terhadap ion tertentu tersebut. Gambar 5-2 Pengukuran potensial membran pada sebuah seratArtinya, jika membran memiliki permeabilitas no! saraf dengan menggunakan mikroelektroda.terhadap ion kalium maupun ion klorida, potensial60

mampu mengukur voltase yang rendah walaupun ada Bab 5 Potensial Mem bran da n Potensial Aksitahanan yang sangat besar terhadap aliran listrik yangmelalui ujung mikropipet, biasanya memiliki diameter waktu 1/10.000 detik. Pola perubahan ion yang cepatlumen kurang dari 1 µm clan dengan tahanan lebih dari ini menimbulkan sinyal saraf yang akan kita bicarakansejuta ohm. Agar dapat merekam perubahan yang cepat kemudian dalam bab ini.pada potensial membran selama transmisi impuls saraf,mikroelektroda dihubungkan dengan sebuah osiloskop, Potensial Membran lstirahat Sarafseperti yang dijelaskan nanti dalam bab ini. Potensial membran istirahat pada serat saraf besar Bagian bawah Gambar 5-2 memperlihatkan potensial ketika tidak mentransmisikan sinyal saraf adalahlistrik yang diukur pada setiap titik di dalam atau di dekat sekitar -90 milivolt. Artinya, potensial di dalam seratmembran serat saraf, yang dimulai pada sisi kiri gambar adalah 90 milivolt lebih negatif daripada potensial diclan terus ke kanan. Selama elektroda berada di sisi luar cairan ekstraselular di luar serabut. Pada beberapamembran saraf, potensial yang terekam adalah nol, yang paragraf berikut, sifat transpor membran saraf istirahatmerupakan potensial dari cairan ekstraselular. Selanjutnya, bagi natrium clan kalium serta berbagai faktor yangsaat elektroda perekam melewati area perubahan voltase menentukan nilai potensial istirahat dibahas.pada membran sel (yang disebut lapisan dipolar listrik),potensial akan turun secara tiba-tiba ke -90 milivolt. Transpor Aktif Ion Natrium dan Kalium melaluiKetika bergerak melintasi pusat serabut, potensial Membran-Pompa Natrium-Kalium (Na+-K+). Pertama-menetap pada tingkat yang stabil di nilai -90 milivolt, tama, mari kita ingat kembali pembicaraan pada Bab 4tetapi segera berbalik kembali ke not dalam seketika saat bahwa semua membran sel tubuh mempunyai pompabergerak melewati membran pada sisi yang berlawanan. Na+-K+ yang sangat kuat clan secara terus-menerus mentranspor transports ion natrium keluar dari serabut Untuk membentuk potensial negatifdi dalam membran, clan ion kalium ke dalam, seperti yang digambarkan padahanya ion-ion positif saja yang harus diangkut ke luar sisi kiri Gambar 5-4. Selanjutnya, perhatikan bahwa inidalam jumlah secukupnya agar dapat membentuk lapisan adalah pompa elektrogenik sebab lebih banyak muatanlistrik dipolar pada membran itu sendiri. Semua ion yang positif yang dipompa keluar daripada ke dalam (tigatertinggal di dalam serabut saraf dapat berupa ion negatif ion Na+ ke luar untuk setiap dua ion K+yang ke dalam),clan ion positif, seperti ditunjukkan pada bagian atas yang meninggalkan defisit ion positif di dalam; hal iniGambar 5-3. Oleh karena itu, hanya diperlukan sedikit menyebabkan potensial negatif di dalam membran sel.sekali ion yang harus dipindahkan melalui membran agardapat membentuk \"potensial istirahat\" normal sebesar Pompa Na+-K+ m1 juga menimbulkan gradien-90 milivolt di dalam serat saraf; dengan kata lain, hanya konsentrasi yang besar untuk natrium clan kalium disekitar 1/3.000.000 sampai 1/ 100.000.000 muatan positif kedua sisi membran saraf istirahat. Gradien tersebuttotal dalam serabut yang perlu dipindahkan. Juga, sedikit adalah sebagai berikut.ion positif dalam jumlah yang sama bergerak dari luarke dalam serabut sehingga dapat membalikkan potensial Na+(di luar):42 mEq/Ldari -90 milivolt menjadi sebesar +35 milivot dalam Na• (di dalam): 14 mEq/L Sera! saraf K+ (di luar): 4 mEq/L -+-+-+-+-+-+-+- +-+ +--+-+--+ +-+ K+(di dalam): 140 mEq/L -+-+-+-+-+-+-+- +-+ +--+-+--++-+ 3Na+ Sisi luar Filter -+-+-+-+-+-+-+- +-++--+-+--++-+ selektif -+-+-+-+-+-+-+- +-++--+-+--++-+ -+-+-+-+-+-+-+- +-++--+-+--++-+Gambar 5-3 Penyebaran ion yang bermuatan negatif dan positif ADP Na+ K+di dalam cairan ekstraselular yang mengelilingi serat saraf dandi cairan di dalam serabut; perhatikan jajaran muatan-muatan Kanaf K+negatif sepanjang permukaan dalam membran dan muatan positif \"bocor\"sepanjang permukaan luar. Gambar bawah memperlihatkanperubahan potensial membran yang berlangsung tiba-tiba dan Gambar 5-4 Sifat fungsional pompa Na+-K+ dan kanal \"bocor\"terjadi di kedua sisi serat. K+(kalium-natrium).ADP, adenosin difosfat;ATP, adenosin trifosfat. Kanai \"bocor\" K+juga melewatkan sedikit ion Na+ ke dalam sel, tetapi jauh lebih permeabel terhadap K•. 61

Unit II Fisiologi fvtembran, Saraf, dan Otot kira-kira 100 kali lebih besar daripada permeabilitasnya terhadap natrium. Dengan menggunakan nilai ini padaPerbandingan kedua ion ini masing-masing dari dalam ke persamaan Goldman, akan kita dapatkan potensial diluar adalah: dalam membran sebesar -86 milivolt, yang mendekati potensial kalium, seperti yang tampak pada gambar. Na • di dalam /N a• di luar = 0,1 Kontribusi Pompa Na•-K•. Pada Gambar 5-5C, K+ di dalam /K+ di luar = 35,0 pompa Na•-1<• digambarkan menyediakan penambahan kontribusi pada potensial istirahat. Dalam gambar ini, Kebocoran Kalium melalui Membran Saraf. Bagian pemompaan tiga ion natrium ke luar terus terjadi untukkanan Gambar 5-4 menunjukkan suatu protein kanal, setiap dua ion kalium yang dipompa masuk ke bagian dalamkadang disebut \"daerah pori berdua\", kanal kalium, atau membran. Kenyataan bahwa terdapat lebih banyak ionkanal \"bocor\" kalium, dalam membran saraf yang dapat natrium yang dipompa ke luar daripada kalium ke dalamdilalui oleh ion-ion kalium sekalipun pada sel istirahat. akan menyebabkan hilangnya muatan positif yang terus-Struktur dasar kanal kalium telah dibahas dalam Bab 4 menerus dari bagian dalam membran; ha! ini menciptakan(Gambar 4-4). Kanal-kanal bocor I(• ini juga dapat dilewati penambahan derajat kenegatifan (penambahan sekitarsedikit ion natrium, tetapi jauh lebih permeabel terhadap -4 milivolt) di dalam melampaui penambahan yangkalium dari pada terhadap natrium, normalnya sekitar didapatkan dari difusi saja. Oleh karena itu, seperti yang100 kali lebih permeabel. Seperti yang akan dibahas nanti, diperlihatkan pada Gambar 5-SC, potensial membranperbedaan permeabilitas ini adalah faktor kunci dalammenentukan nilai potensial membran istirahat yang K+normal. 4 mEq/LAsal Potensial Membran lstirahat Normal 140 mEq/L (-94 mV)Gambar 5-5 menggambarkan faktor-faktor penting pada (-94 mV)pembentukan potensial membran istirahat normal sebesar-90 milivolt. Faktor-faktor tersebut adalah sebagai berikut. A Kontribusi Potensial Difu si Kalium. Pada Gambar Na+ K+5-5A, kita membuat asumsi bahwa pergerakan ion melalui 142 mEq/L 4 mEq/Lmembran hanyalah difusi dari ion kalium, seperti yangdigambarkan oleh kanal terbuka antara simbol kalium Na+ K+ (-86 mV)(K•) di dalam clan di luar membran. Oleh karena tingginya 14 mEq/L 140 mEq/Lperbandingan antara ion kalium di dalam dan di luar, yakni (+61 mV) (-94 mV)35:1, potensial Nernst yang sesuai dengan perbandinganini adalah -94 milivolt karena logaritma 35 adalah 1,54, Bdan hasil ini dikali dengan -61 milivolt sama dengan -94milivolt. Oleh karena itu, jika ion kalium adalah satu- + +satunya faktor yang menyebabkan potensial istirahat, + +potensial istirahat dalam serabut ini akan setara dengan Difusi +-94 milivolt, seperti yang diperlihatkan pada gambar. + Na• ~ --+--~ ...........Na• + Kontribusi Difusi Natrium melalui Membran +Saraf. Gambar 5-SB menjelaskan sedikit penambahan Pompa 14 mEq/L +permeabilitas membran saraf bagi ion natrium, yang + +disebabkan oleh sedikit difusi ion natrium melalui kanal 142 mEq/L + +\"bocor\" K•-Na•. Perbandingan ion natrium dari dalam ke + +luar membran adalah 0,1; dan menghasilkan perhitungan + +potensial Nernst untuk sisi dalam membran sebesar + 61 +milivolt. Namun dalam Gambar 5-5B juga ditunjukkan Difusi +potensial Nernst untuk difusi kalium sebesar -94 milivolt. +Bagaimana ha! ini dapat sating memengaruhi, dan apa K+) : ....+-- ~ .. ~ K+ +yang akan menjadi potensial akhir? Pertanyaan ini dapat +dijawab dengan persamaan Goldman yang telah dijelaskan Pompa +sebelumnya. Secara intuisi, kita dapat mengetahui bahwa +bila membran sangat permeabel terhadap kalium tetapi + 140 mEq/L +hanya sedikit permeabel terhadap natrium, adalah logis 4 mEq/L +bahwa difusi kalium akan berperan jauh lebih besar bagipotensial membran daripada difusi natrium. Pada serabut +saraf normal, permeabilitas membran terhadap kalium + (-90 mV)62 + (Anion)· c (Anion)· + Gambar 5-5 Pembentukan potensial membran istirahat di serat saraf dalam tiga kondisi: A. bila potensial membran seluruhnya disebabkan oleh difusi kalium saja; 8, bila potensial membran disebabkan oleh difusi natrium dan kalium; dan C, bila potensial membran disebabkan oleh difusi ion natrium dan kalium ditambah pemompaan kedua ion ini oleh pompa Na•-K•.

Bab 5 Potensial Membran dan Potensial Aksineto bila semua ini bekerja pada waktu yang bersamaanadalah sekitar -90 milivolt. Kesimpulannya, potensial difusi sendiri yangdisebabkan oleh difusi kalium clan natrium akan memberipotensial membran sekitar -86 milivolt, clan hampirsemua ha! ini ditentukan oleh difusi kalium. Selanjutnya,penambahan potensial membran sebesar -4 milivolt olehpompa Na•-K• elektrogenik, menghasilkan potensialmembran istirahat neto sebesar -90 milivolt. Potensial Aksi Saraf IKelebihanSinyal saraf dihantarkan oleh potensial aksi, yang +35merupakan perubahan cepat pada potensial membranyang menyebar secara cepat di sepanjang membran serat lstirahatsaraf. Setiap potensial aksi dimulai dengan perubahanmendadak clan potensial membran negatif istirahat 0 0, 1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7normal menjadi potensial positif clan kemudian berakhir Milidetikdengan kecepatan yang hampir sama clan kembali kepotensial negatif. Untuk menghantarkan sinyal saraf, Gambar 5-6 Potensial aksi tipikal yang direkam melalui metodepotensial aksi bergerak di sepanjang serat saraf sampai yang digambarkan pada bagian atas gambar.tiba di ujung serat. kanal kalium terbuka lebih dari biasanya. Selanjutnya, Bagian atas Gambar 5-6 menjelaskan perubahan yang difusi ion kalium yang berlangsung cepat ke bagian luarterjadi pada membran selama potensial aksi, dengan akan membentuk kembali potensial membran istirahatpenghantaran muatan positif ke bagian dalam serabut negatif yang normal. Peristiwa ini disebut repolarisasipada masa mulainya dan kembalinya muatan positif membran.ke bagian luar pada ujung membran. Bagian bawahgambar menunjukkan secara grafis perubahan yang Untuk menjelaskan secara lebih lengkap faktor-faktorterjadi berturut-turut pada potensial membran selama yang menyebabkan depolarisasi clan repolarisasi, kitaseperbeberapa puluh ribu detik, yang menjelaskan akan menguraikan sifat-sifat khusus dari kedua jenis kanalmula timbulnya potensial aksi secara mendadak clan transpor lain yang melalui membran saraf: kanal natriumpengembalian yang hampir sama cepatnya. clan kalium bergerbang voltase. Urutan tahap potensial aksi adalah sebagai berikut. Kanal Natrium dan Kalium Berpintu Listrik Tahap lstirahat. Ini adalah potensial membran Pelaku utama yang menyebabkan peristiwa depolarisasiistirahat sebelum terjadinya potensial aksi. Membran clan repolarisasi membran saraf selama potensial aksidikatakan menjadi \"terpolarisasi\" selama tahap ini karena adalah kanal natrium berpintu listrik. Kanal kaliumadanya potensial membran negatif sebesar -90 milivolt. berpintu listrikjuga berperan penting dalam meningkatkan kecepatan repolarisasi membran. Kedua kanal dengan Tahap Depolarisasi. Pada saat ini, membran tiba- pintu listrik ini akan menunjangpompaNa•-K• dan kanaltiba menjadi permeabel terhadap ion natrium, sehingga bocor Na•-K+.sejumlah besar ion natrium bermuatan positif berdifusike dalam akson. Keadaan \"terpolarisasi\" normal sebesar Kanai Berpintu Listrik untuk Natrium-Aktivasi dan-90 milivolt segera dinetralisasi oleh ion natrium lnaktivasi Kanaibermuatan positif yang mengalir masuk, clan potensial Bagian atas Gambar 5-7 menjelaskan kanal berpintumeningkat dengan cepat ke arah positif. Keadaan ini listrik untuk natrium untuk tiga keadaan berbeda. Kana!disebut depolarisasi. Pada serabut saraf besar, sejumlah ini mempunyai dua pintu, satu di dekat sisi luar kanalbesar ion natrium bermuatan positif yang bergerak ke yang disebut pintu aktivasi clan yang lain di dekat sisidalam menyebabkan potensial membran secara nyata dalam disebut pintu inaktivasi. Pada bagian kiri atas\"melampaui\" nilai no! clan menjadi sedikit positif. Pada diperlihatkan (secara skematis) keadaan kedua pintu inibeberapa serabut yang lebih kecil, clan pada banyak neuronsistem saraf pusat, potensial hanya mendekati nilai no! 63clan tidak melampaui sampai keadaan positif. Tahap Repolarisasi. Dalam waktu seperbeberapa puluhribu detik sesudah membran menjadi sangat permeabelterhadap ion natrium, kanal natrium mulai tertutup dan

Unit II Fisio/ogi fvlembran, Saraf, dan Otot mempercepat proses repolarisasi, clan menimbulkan pemulihan sempurna pada potensial membran istirahatpada membran istirahat normal bila potensial membran dalam waktu seperbeberapa puluh ribu detik kemudian.sebesar -90 milivolt. Pada keadaan ini, pintu aktivasitertutup, yang mencegah masuknya setiap ion natrium ke Metode Penelitian untuk Mengukur Pengaruhbagian dalam serabut melalui kanal natrium ini. Voltase t erhadap Pembukaan dan Penutupan Kanai Berpint u Listrik-\"Klem Voltase\". Penelitian orisinal yang Aktivasi Kanai Natrium. Jika potensial membran memunculkan pengertian kuantitatif tentang kanal natriummenjadi kurang negatif ketimbang pada keadaan istirahat, dan kalium begitu jeniusnya sehingga ilmuwan yang berhasilmeningkat dari -90 milivolt menjadi no!, clan akhirnya menemukan ini, yaitu Hodgkin dan Huxley, mendapatkanmencapai suatu voltase-biasanya antara -70 clan -50 hadiah Nobel. Intisari penyelidikan ini ditunjukkan padamilivolt-yang menyebabkan perubahan bentuk yang Gambar 5-8 dan 5-9.tiba-tiba pada pintu aktivasi, akan membalikkan pintusepenuhnya menjadi posisi terbuka. Keadaan ini disebut Gambar 5-8 menjelaskan suatu alat percobaan yangkeadaan teraktivasi; pada keadaan ini, ion natrium dapat disebut klem voltase, yang dipakai untuk mengukur alirantertuang ke dalam melalui kanal, yang akan meningkatkan ion melalui bermacam-macam kanal. Ketika menggunakanpermeabilitas natrium membran sebesar 500 sampai 5.000 alat ini, dua elektroda disisipkan ke dalam serta saraf. Salahkali lipat. satunya dipakai untuk mengukur voltase potensial membran, dan yang lainnya untuk menyalurkan aliran listrik ke dalam lnaktivasi Ka nai Natrium. Bagian kanan atas pada atau ke luar serat saraf. Alat ini dipakai dengan cara beri.kut.bagian atas Gambar 5-7 menunjukkan tahap ketiga dari Peneliti menentukan berapa voltase yang ia inginkan untukkanal natrium. Kenaikan voltase yang sama besarnya yang timbul di dalam serat saraf. Bagian elektronik dari alatmembuka pintu aktivasi juga menutup pintu inaktivasi. tersebut kemudian diatur sampai voltase yang diinginkan, danWalaupun begitu, pintu inaktivasi menutup dalam alat ini secara otomatis akan memasukkan listrik positif atauwaktu seperbeberapa puluh ribu detik sesudah pintu negatif melalui elektroda yang dialiri listrik dengan suatu arusaktivasi terbuka. Dengan kata lain, perubahan bentuk pada kecepatan yang dibutuhkan untuk menahan voltase,yang membalikkan pintu inaktivasi menjadi tertutup seperti yang terbaca pada elektroda voltase, pada nilai yangmerupakan proses yang lebih lambat daripada proses diatur oleh operator. Bila potensial membran secara tiba-perubahan bentuk yang membuka pintu aktivasi. Oleh tiba naik dari -90 milivolt menjadi no!, kanal natrium dankarena itu, sesudah kanal natrium tetap terbuka selama kalium berpintu listrik akan terbuka, dan ion natrium clanseperbeberapa puluh ribu detik, pintu inaktivasi menutup kalium mulai bergerak melalui kanal. Untuk mengimbangiclan ion natrium tidak lagi dapat tertuang ke dalam efek gerakan ion ini pada nilai voltase intraselular yangmembran. Pada saat ini, potensial membran mulai pulih diharapkan, aliran listrik dimasukkan secara otomatis melaluikembali ke keadaan membran istirahat, yang merupakan elektroda arus dari klem voltase untuk menjaga agar voltaseproses repolarisasi. intraselular tetap pada nilai no! yang diperlukan. Untuk mencapai keadaan ini, aliran yang dimasukkan harus setara Sifat penting lain clan proses inaktivasi kanal natriumadalah bahwa pintu yang inaktif tidak akan terbuka lagi Pintu aktivasi Na+ Na+ Filter selektif Na+sampai potensial membran kembali ke atau mendekatinilai potensial membran istirahat asalnya. Oleh karena ~.'\ ~itu, biasanya tidaklah mungkin bagi kanal natrium untuk ~~ .~' . ~ t1 .x!m™terbuka lagi tanpa lebih <lulu terjadi repolarisasi pada ~~.serabut saraf. Pintu nonaktivasi · Teraktivasi Tidak teraktivasiKanai Kali um Berpintu Listrik dan Aktivasi nya (-90 ke +35 mV) (+35 ke-90 mV, lstirahatBagian bawah Garnbar 5-7 memperlihatkan dua keadaan (-90 mV) lam bat)kanal kalium berpintu listrik: selama keadaan istirahat(kiri) clan menuju akhir potensial aksi (kanan). Selama Di dalam K+ Aktivasi lambatkeadaan istirahat, pintu kanal kalium tertutup, clan ion lstirahat (+35 ke-90 mV)kalium terhalangi melalui kanal ini ke luar. Bila potensial (-90 mV)membran meningkat dari (clan) -90 milivolt menuju no!,perubahan voltase ini menyebabkan perubahan bentuk Gambar 5-7 Sifat-sifat kanal natrium (atas) dan kalium (bawah)yang membuka pintu clan memudahkan peningkatan berpintu listrik, memperlihatkan secara berurutan aktivasi dandifusi kalium ke luar melalui kanal. Namun, karena terjadi inaktivasi kanal natrium serta aktivasi lambat kanal kalium ketikasedikit perlambatan pada pembukaan kanal kalium ini, potensial membran berubah dari nilai negatif istirahat yang normalpada banyak bagian, kanal kalium hanya terbuka pada menjadi nilai positif.saat yang bersamaan ketika kanal natrium mulai menutupakibat inaktivasi. Jadi, menurunnya jumlah natrium yangmasuk ke dalam sel clan peningkatan pengeluaran kaliumyang bersamaan waktunya dari sel secara bersama-sama64

Bab 5 Potensial Mem bran dan Potensial Aksidengan aliran arus neto yang melalui kanal membran, namun menjadi +10 milivolt clan, 2 milidetik kemudian kembali •dengan polaritas yang berlawanan. Untuk mengukur berapa lagi menjadi -90 milivolt. Perhatikan adanya pembukaanbesar aliran arus yang terjadi di setiap saat, elektroda arus kanal natrium yang berlangsung mendadak (tahap aktivasi)dihubungkan dengan suatu osiloskop yang merekam aliran dalam waktu kurang dari sepermilidetik sesudah potensialarus, seperti yang digambarkan pada layar osiloskop pada membran meningkat menjadi nilai positif. Walaupun begitu,Gambar 5-8. Akhirnya, peneliti mengatur konsentrasi ion selama beberapa milidetik berikutnya, kanal natrium secaradengan nilai yang lain dari normal baik di dalam clan di luar otomatis akan tertutup (tahap inaktivasi).serat saraf clan mengulang pengujian. Hal ini dapat dilakukandengan mudah bila digunakan serat saraf besar yang diambil Perhatikan pembukaan (aktivasi) kanal kalium. Kanai inidari beberapa hewan invertebrata, khususnya akson cumi- terbuka secara lambat dan terbuka seluruhnya hanya setelahcumi raksasa, yang kadang diameternya dapat sebesar 1 ml. kanal natrium telah hampir tertutup seluruhnya. Selanjutnya,Bila natrium adalah satu-satunya ion yang permeabel di begitu kanal kalium terbuka, kanal akan tetap terbuka padalarutan bagian dalam clan luar akson cumi-cumi, klem voltase waktu terjadinya potensial membran positif dan tidak akanhanya mengukur aliran arus yang melalui kanal natrium. Bila tertutup lagi sampai setelah potensial membran menurunkalium adalah satu-satunya ion yang permeabel, hanya aliran kembali menjadi nilai negatif.arus yang melalui kanal kalium yang terukur. Ringkasan Peristiwa-Peristiwa yang Menyebabkan Makna lain dari penelitian mengenai aliran ion melalui Potensial Aksimasing-masing jenis kanal ialah untuk menghambat sejeniskanal pada suatu saat. Misalnya, kanal natrium dapat Gambar 5-10 menjelaskan bentuk ringkas urutandihambat oleh toksin yang disebut tetrodotoksin dengan peristiwa yang terjadi selama dan segera sesudah potensialmemberikannya di bagian luar membran sel tempat pintu aksi. Bagian bawah gambar menunjukkan perubahanaktivasi natrium berada. Sebaliknya, ion tetraetilamonium pada konduktans membran untuk ion natrium danmenghambat kanal-kanal kalium bila bahan ini diberikan kalium. Pada keadaan istirahat, sebelum potensial aksipada bagian dalam serat saraf. dimulai, konduktans ion kalium adalah 50 sampai 100 kali lebih besar daripada konduktans ion natrium. Hal Gambar 5-9 menjelaskan perubahan khas pada ini disebabkan oleh makin banyaknya ion kalium yangpenghantaran kanal natrium clan kalium berpintu listrik mengalami kebocoran melalui kanal bocor dan melebihiketika terjadi perubahan mendadak pada potensial jurnlah ion natrium yang mengalami kebocoran. Walaupunmembran karena penggunaan klem voltase clan -90 milivolt begitu, pada saat terjadinya potensial aksi, kanal natrium segera menjadi aktif dan mempermudah peningkatanGambar 5-8 Metode \"klem voltase\" yang dipakai untuk· konduktans natrium sampai 5.000 kali lipat. Selanjutnya,mempelajari alira n ion melalui kanal spesifik. dalam waktu sepersekian milidetik akan terjadi proses inaktivasi yang menutup kanal natrium. Terjadinya Kanai Na+ potensial aksi juga menyebabkan kanal kalium menjadi berpintu listrik, sehingga kanal tersebut mulai membukavi«- 30 lebih lambat dalam sepersekian milidetik setelah kanal natrium terbuka. Pada akhir potensial aksi, pengembalian5lliij l- 20 potensial membran ke keadaan negatif menyebabkan kanal kalium tertutup kembali ke keadaan semula, namun:I 0 sekali lagi hanya sesudah mengalami perlambatan sebesar sepersekian milidetik atau lebih.e-g 10 Bagian tengah Gambar 5-10 menunjukkan~o ~E o,i.----~ perbandingan konduktans natrium terhadap konduktans kalium pada setiap saat selama potensial aksi, dan di- 90 rnV +10 rnV -90 rnV atasnya adalah gambar potensial aksinya. Pada bagian awal potensial aksi, perbandingan konduktans natrium Potensial membran terhadap kalium meningkat lebih dari seribu kali lipat. Oleh karena itu, lebih banyak ion natrium yang mengalir 0 12 3 ke dalam serabut daripada ion kalium yang ke luar. Waktu (milidetik) lnilah yang menyebabkan potensial membran menjadi positif pada saat terjadinya potensial aksi. KemudianGambar 5-9 Perubahan yang tipikal pada konduktansi kanal ion kanal natrium mulai menutup dan kanal kalium mulainatrium dan kalium bila potensial membran tiba-tiba meningkat membuka, sehingga perbandingan konduktans bergeserda ri nilai istirahat normal sebesar -90 milivolt menjadi nilai jauh ke arah konduktanskalium yang tinggi, tetapi denganpositif sebesar +10 milivolt dalam waktu 2 milidetik. Gambar konduktans natrium yang rendah. Hal ini akan sangatini menjelaskan bahwa kanal natrium akan terbuka (aktif) dan mempercepat pengeluaran ion kalium, sementara ionkemudian akan menutup (inaktif) sebelum mencapai 2 milidetik, natrium yang mengalir masuk hampir nol. Akibatnya,seda ngkan kanal kalium hanya terbuka (aktif), dan kecepatan potensial aksi dengan cepat kembali ke nilai semula.pembukaan jauh lebih lambat daripada kanal natrium. 65

Unit II Fisiologi Membran, Saraf dan Otot Kelebihan > molar, yang berbeda dengan konsentrasi di bagian luar sebesar kira-kira io-3 molar. +60 .§. +40 c: Selain itu, terdapat kanal kalsium berpintu listrik. Oleh +20 Ill karena kadar ion kalsium 10.000 kali lebih besar di cairan ekstraselular ketimbang intraselular, terjadilah gradien difusi 100 0 .0 yang sangat besar untuk terjadinya aliran pasif ion kalsium E ke dalam sel. Kanai ini sedikit permeabel terhadap ion -20 natrium clan ion kalsium, tetapi permeabilitasnya terhadap Q) kalsium kira-kira 1.000 kali lebih besar ketimbang terhadap natrium dalam keadaan fisiologis normal. Bila kanal-kanal+~~+ 10 -40 E tersebut membuka sebagai respons terhadap rangsang yang mendepolarisasi membran sel, ion kalsium akan clan mengalir -60 iii masuk ke dalam sel. 'ici:iIcl:l Icl:l -80 Fungsi utama kanal-berpintu listrik ion kalsium adalah -100 .S! berkontribusi dalam fase depolarisasi potensial aksi diIll Ill beberapa sel. Tetapi pengakitifan pintu kanal kalsium 0 berlangsung lambat, membutuhkan waktu 10 sampai 20 kali:!ii: :!ii: 0,1 Potensial CL lebih lama dari waktu untuk mengaktifkan kanal natrium. 0,01 \, Oleh karena itulah kanal -kanal kalsium ini dinamakan kanal :::J :::J / positif ikutan lambat, sebaliknya dari kanal natrium, yang dinamakan kanal cepat. Dengan demikian, pembukaan kanal-kanal kalsium\"cO: \"cO: Rasio konduktans menyebabkan terjadinya depolarisasi yang berlangsung lebih lama, sedangkan kanal-kanal natrium berperan penting00 dalam menginisiasi potensial aksi.~~ Kanai kalsium dijumpai banyak sekali di otot jantung clan otot polos. Ternyata, pada beberapa macam otot polos, 0,001 hampir-hampir tidak dijumpai kanal natrium cepat, sehingga 100 potensial aksi hampir seluruhnya disebabkan oleh aktivasi kanal kalsium lambat. 10 Kenaikan Permeabilitas Kanai Natrium Bila Terdapat 0,1 Kekurangan Ion Kalsium. Konsentrasi ion kalsium di cairan ekstraselular juga mempunyai pengaruh yang besar terhadap 0,01 nilai voltase yang membuat kanal natrium menjadi teraktivasi. 0,005 1----~--~--- Dalam keadaan kekurangan ion kalsium, kanal natrium akan teraktivasi (terbuka) oleh peningkatan yang sangat kecil 0 0,5 1,0 1,5 potensial listrik membran dari nilai normalnya, yang sangat negatif. Oleh karena itu, serat saraf menjadi sangat mudah Milidetik tereksitasi, kadang melepaskan muatan secara beruntun tanpa provokasi clan bukan menetap pada keadaan istirahat.Gambar 5-10 Peru bahan pada konduktans natrium dan kalium Ternyata, konsentrasi ion kalsium hanya perlu turun sebesarselama potensial aksi. Konduktans natrium meningkat beberapa 50 persen di bawah nilai normal sebelum timbul pelepasanribu kali lipat pada tahap-tahap awal potensial aksi, sedangkan muatan spontan di banyak saraf perifer, yang sering kalikonduktans kalium meningkat hanya sekitar 30 kali lipat pada ta hap menyebabkan \"tetani:' Hal ini kadang mematikan akibatlanjut potensial aksi dan beberapa waktu singkat sesudahnya. (Kurva kontraksi tetanik pada otot pernapasan.ini disusun berdasarkan teori dari makalah Hodgkin dan Huxleytetapi ditransposisi dari akson cumi-cumi untuk menerapkannya Mungkin, ion kalsium memengaruhi kanal natriumpada potensial membran serat saraf mamalia besar.) dengan cara berikut. Ion-ion ini tampaknya berikatan dengan permukaan luar molekul protein kanal natrium. Muatan Peran Ion Lainnya Selama Potensial Aksi positif ion-ion kalsium ini kemudian mengubah keadaan listrik sodium protein kanal natrium itu sendiri, dengan Sejauh ini, kita hanya mempertimbangkan peran ion demikian mengubah nilai voltase yang dibutuhkan untuk natrium clan kalium saja pada pembentukan potensial aksi. membuka pintu natrium. Sebenarnya, sedikitnya ada dua macam ion lagi yang harus dipertimbangkan: anion negatif clan ion kalsium. lnisiasi Potensial Aksi Ion-Ion Bermuatan Negatif (Anion) yang Tidak Sampai di sini, kita telah membahas mengenai perubahan Permeabel di Dalam Akson. Di dalam akson terdapat permeabilitas membran terhadap natrium clan kalium juga banyak ion bermuatan negatif yang tidak dapat melewati pembentukan potensial aksi itu sendiri, namun kita belum kanal membran. Ion-ion ini meliputi anion dari molekul membahas apa yang menginisiasi potensial aksi. Jawaban protein clan banyak komponen fosfat organik, senyawa untuk pertanyaan tersebut sebenarnya cukup sederhana. sulfat, clan sebagainya. Oleh karena ion-ion ini tidak dapat meninggalkan sisi dalam akson, setiap defisit ion positif di dalam membran akan menimbulkan kelebihan anion negatif yang tidak permeabel ini. Oleh karena itu, ion-ion negatif yang tidak permeabel ini bertanggungjawab atas muatan negatif di dalam serabut bila terdapat kekurangan neto ion kalium yang bermuatan positif dan ion positif lainnya. Ion Kalsium. Hampir seluruh membran sel tubuh mempunyai pompa kalsium yang mirip dengan pompa natrium, clan kalsium bekerja bersama dengan (atau menggantikan) natrium di beberapa set untuk menghasilkan sebagian besar potensial aksi. Seperti halnya pompa natrium, pompa kalsium akan mentranspor ion-ion kalsium dari bagian dalam ke bagian luar membran sel (atau ke dalam retikulum endoplasma sel), yang menimbulkan gradien ion kalsium kira-kira 10.000 kali lipat. Hal ini menyebabkan konsentrasi ion kalsium di bagian dalam sel kira-kira JQ-766

Bab 5 Potensial Membran dan Potensial Aksi Siklus Umpan Batik Positif Membuka Kanal + + ++++++++++++++++ + ++++ Natrium. Pertama, selama membran serabut saraf tetaptidak terganggu, tidak ada potensial aksi yang timbul pada ()~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ) serat saraf. Meskipun demikian, bila ada peristiwa apa pun yang menyebabkan kenaikan awal yang cukup tinggi A +++++++++++++++++++++++pada potensial membran dari - 90 milivolt menjadi nilai no!, peningkatan voltase itu sendiri menyebabkan banyak /\"\"'4..~ kanal natrium berpintu listrik mulai terbuka. Hal ini akan mempercepat masuknya ion natrium, yang menyebabkan (]==========~===~~~~)peningkatan pada potensial membran, sehingga makin membuka lagi kanal natrium berpintu listrik dan lebih B ++ ++ ++++++++--+++++ + +++banyak aliran ion natrium yang masuk ke dalam serat. ~~ Proses ini merupakan siklus umpan balik positif yang,ketika umpan balik ini cukup kuat, terus berlanjut /\"\"'4.. ~sampai seluruh kanal natrium berpintu listrik menjaditeraktivasi (terbuka) . Kemudian, dalam sepersekian () ~~~~~~~~~~~~~~~~)milidetik, peningkatan potensial membran menyebabkan c ++++++++++----++++++ + +penutupan kanal natrium dan pembukaan kanal kalium, ~ ~dan potensial aksi segera berakhir. /\"\"'4.. ~ Nilai Ambang untuk lnisiasi Potensial Aksi. Suatu ++--- - ----------- ---++potensial aksi tidak akan timbul sampai peningkatan awalpada potensial membran cukup besar untuk menciptakan --:;- ++++++ + + ++ + ++ +++i.; -umpan balik positifseperti yang telah dijelaskan di paragrafsebelumnya. Hal ini terjadi bila jumlah ion Na• yang ~ f\"\"\"t;..memasuki serabut menjadi lebih besar daripada jumlah --+++ +++ +++++++ +++++ --ion l(+ yang meninggalkan serabut. Biasanya dibutuhkanpeningkatan potensial membran yang berlangsung secara D t..:'.:,i ------------ - - -- ~+tiba-tiba sebesar 15 sampai 30 milivolt. Oleh karena itu,peningkatan yang berlangsung tiba-tiba pada potensial Gambar 5-11 Penyebaran potensial aksi dalam dua arah dimembran dalam serabut saraf besar dari -90 milivolt sepanjang serab ut kondu ktif.menjadi sekitar -65 milivolt biasanya akan menyebabkantimbulnya suatu letupan potensial aksi. Nilai -65 milivolt sampai berjarak 1 sampai 3 milimeter hingga di atasini dikatakan sebagai nilai ambang untuk perangsangan. nilai ambang voltase untuk memulai potensial aksi. Oleh karena itu, kanal natrium pada tempat yang baru ini segera Penyebaran Potensial Aksi terbuka, seperti yang diperlihatkan pada Gambar 5-llC dan D, dan potensial aksi yang meletup menjadi tersebar.Dalam paragraf sebelumnya, kita telah membicarakan Daerah depolarisasi yang baru ini menghasilkan sirkuitpotensial aksi yang terjadi pada salah satu titik di lokal aliran listrik lebih lanjut di sepanjang membran, danmembran. Namun, potensial aksi yang timbul pada salah menimbulkan depolarisasi yang progresif. Jadi, prosessatu titik manapun di membran yang mudah terangsang depolarisasi terjadi sepanjang keseluruhan panjangbiasanya akan mengeksitasi bagian membran yang di serabut. Tansmisi proses depolarisasi sepanjang serabutdekat titik tersebut, sehingga terjadi penyebaran potensial otot atau saraf disebut impuls sarafatau impuls otot.aksi di sepanjang membran. Mekanisme ini diperlihatkanpada Gambar 5-11. Gambar 5-llA menggambarkan Arah Penyebaran. Seperti yang diperlihatkan padasuatu serat saraf normal dalam keadaan istirahat, dan Gambar 5-11, membran yang mudah tereksitasi tidakGambar 5-1 lB memperlihatkan serat saraf yang telah mempunyai satu arah penyebaran, namun potensial aksitereksitasi di bagian tengahnya-sehingga pada bagian berjalan dalam semua arah menjauhi rangsangan-bahkantengah ini terjadi kenaikan mendadak pada permeabilitas sepanjang semua cabang serat saraf-sampai keseluruhanterhadap natrium. Arah panah menjelaskan \"sirkuit lokal\" membran menjadi terdepolarisasi.aliran listrik dari daerah membran yang terdepolarisasike daerah membran yang sedang istirahat di dekatnya. Prinsip Semua-atau-Tidak Sama Sekali. Begitu suatuDengan kata lain, muatan listrik positif dibawa oleh ion potensial aksi timbul pada titik mana pun dalam membrannatrium yang berdifusi kedalam melewati membran yang serabut normal, proses depolarisasi berjalan sepanjangterdepolarisasi dan selanjutnya beberapa milimeter pada membran jika kondisinya memungkinkan, atau tidakkedua arah di sepanjang inti akson. Muatan positif ini berjalan sama sekali jika keadaan tidak memungkinkan.meningkatkan voltase di dalam serabut besar bermielin Keadaan ini disebut prinsip gagal-atau-tuntas (all-or- nothings), dan prinsip tersebut berlaku di semua jaringan normal yang mudah tereksitasi. Adakalanya, potensial aksi mencapai suatu titik pada membran di mana titik tersebut tidak menimbulkan voltase yang cukup untuk merangsang daerah membran berikutnya. Bila ha! ini terjadi, penyebaran depolarisasi akan terhenti. Oleh karena itu, agar penjalaran impuls terjadi terus-menerus, 67

Unit II Fisiologi Membran, Saraf, dan Otot puncak spike potential selama beberapa milidetik, dan kemudian bam repolarisasi dimulai. Plateau (garis datar)perbandingan potensial aksi terhadap nilai ambang untuk seperti ini diperlihatkan pada Gambar 5-13; kita dapatperangsangan pada setiap saat hams lebih lebih besar segera melihat bahwa pendataran sangat memperpanjangdari 1. Hal semacam \"lebih besar dari l\" ini disebutfaktor periode depolarisasi. Potensial aksi tipe ini terjadi di dalampengaman untuk penyebaran. serabut otot jantung, tempat pendataran berlangsung selama 0,2 sampai 0,3 detik dan menyebabkan kontraksi Penetapan Kembali Gradien Ion Natrium otot jantung pada periode waktu yang sama. dan Kalium sesudah Terjadinya Potensial Aksi-Arti Penting Metabolisme Energi Penyebab pendataran ini adalah gabungan dari beberapa faktor. Pertama, pada otot jantung ada dua macam kanalTransmisi setiap potensial aksi di sepanjang suatu serat yang terlibat dalam proses depolarisasi: (1 ) kanal natriumsaraf akan sedikit mengurangi perbedaan konsentrasi teraktivasi-voltase yang biasa, disebut kanal cepat, dan (2)natrium dan kalium di sisi dalam dan sisi luar membran, kanal kalsium-natrium teraktivasi-voltase, yang membukakarena ion natrium berdifusi ke dalam selama depolarisasi secara lambat dan karena itu disebut kanal lambat.dan ion kalium berdifusi ke luar selama repolarisasi. Pembukaan kanal cepat menyebabkan timbulnya bagianUntuk satu potensial aksi, pengamh ini begitu kecil mncing dari potensial aksi, sedangkan pembukaan kanalsehingga tak dapat diukur. Bahkan, 100.000 sampai 50 lambat kalsium-natrium, yang berlangsung lama, temtamajuta impuls dapat ditransmisikan oleh serat saraf besar akan membiarkan ion kalsium memasuki serabut, dansebelum perbedaan konsentrasi mencapai ke suatu nilai paling bertanggung jawab untuk terbentuknya plateauyang menyebabkan terhentinya konduksi potensial aksi. pada potensial aksi.Walaupun begitu, dengan berjalannya waktu, perbedaankonsentrasi natrium dan kalium pada membran perlu Faktor kedua yang mungkin bertanggung jawabditetapkan kembali. Hal ini dapat dicapai melalui kerja sebagian terhadap timbulnya pendataran adalah bahwapompa Na+-K+ dengan cara seperti yang telah dijelaskan kanal kalium berpintu listrik terbuka lebih lambat darisebelumnya perihal penetapan awal potensial istirahat. biasanya, yang sering kali tidak terlalu membuka sampaiArtinya, ion natrium yang telah berdifusi ke dalam sel akhir pendataran. Keadaan ini akan memperlambatselama potensial aksi dan ion kalium yang telah berdifusi kembalinya potensial membran ke nilai negatif normalke luar hams dikembalikan ke keadaan semula oleh sekitar -80 sampai -90 milivolt.pompa Na+-K+. Oleh karena pompa ini membutuhkanenergi untuk bekerja, \"pengisian kembali\" serat saraf ini VImerupakan proses metabolik aktif, dengan menggunakanenergi yang berasal dari sistem energi adenosin trifosfat cC:l!(ATP) di sel. Gambar 5-12 memperlihatkan bahwaserat saraf menghasilkan panas yang berlebihan selama Cl!pengisian kembali, yang mempakan ukuran pengeluaran Q.energi ketika frekuensi impuls meningkat. ~ Suatu gambaran khusus dari pompa Na+-K+ ATPaseadalah bahwa tingkat aktivitasnya terangsang dengan :Jsangat kuat bila terdapat kelebihan ion natrium yangberkumpul di dalam membran sel. Ternyata, aktivitas '0.C..pemompaan meningkat kira-kira sebanding denganpangkat tiga konsentrasi natrium intraselular. Jadi, a.bila konsentrasi natrium di dalam sel meningkat dari10 menjadi 20 mEq/L, aktivitas pompa tidak hanya Saat istirahat ----+meningkat dua kali namun meningkat kira-kira delapankali lipat. Oleh karena itu, mudah dimengerti bagaimana 0 100 200 300proses \"pengisian kembali\" serabut saraf dapat dibuat . lmpuls per detikbegitu cepat menjadi suatu gerakan kapan pun perbedaankonsentrasi ion natrium dan kalium yang melewati Gambar 5-12 Pembentukan panas pada serat saraf sewaktumembran mulai \"berkurang:' istirahat dan sewaktu terjadi peningkatan progresif kecepatan perangsangan . Plateau (Garis Datar) pada Beberapa Potensial Aksi +60Pada beberapa keadaan, membran yang tereksitasi tidak +40akan segera mengalami repolarisasi sesudah depolarisasi;bahkan, potensial tetap pada keadaan mendatar mendekati +2068 0-0 ~ -20 :§ -40 -60 -80 -100 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 O,s9 Detik Gambar 5-1 3 Potensial aksi (dalam milivolt) dari serabut Purkinje jantung, memperlihatkan \"pendataran\" (plateau).

lrama pada Beberapa j aringan Peka Bab s Pote nsial Membran dan Potensial Aksi Rangsang-Pelepasan Muatan Beruntun potensial aksi. Selanjutnya, pada akhir potensialPelepasan impuls yang diinduksi sendiri berlangs~ng aksi, membran akan mengalami repolarisasi. Setelahberurutan terjadi secara normal di jantung, di sebagian penundaan lain selama beberapa milidetik atau detik,besar otot polos, dan di banyak neuron sistem saraf pusat. eksitasi spontan menyebabkan depolarisasi kembali, danPelepasan yang berirama ini menyebabkan (1) detak yang secara spontan timbul potensial aksi yang baru. Siklus initeratur pada jantung, (2) gerak peristalsis ritmik pada akan berlangsung berulang-ulang sehingga terjadi eksitasiusus halus, dan (3) peristiwa neuronal seperti pengaturan berirama di jaringan yang mudah tereksitasi oleh dirinyaritmik pada pernapasan. sendiri. Selain itu, hampir semua jaringan lain yang mudah Mengapa membran pusat pengendali jantung tidaktereksitasi dapat mengalami pelepasan secara berurutan berdepolarisasi segera setelah ia terepolarisasi, tetapijika ambang rangsang untuk stimulasi sel jaringan malah terlambat hampir satu detik sebelum mulai timbulmenurun sampai cukup rendah. Sebagai contoh, bahkan potensial aksi yang berikut? Jawabannya dapat dijumpaipada serabut saraf yang besar sekalipun serta serabut dengan mengamati kurva bertuliskan \"konduktansotot rangka, yang normalnya sangat stabil, mengalami kalium\" pada Gambar 5-14. Gambar ini memperlihatkanpelepasan muatan yang berurutan bila serabut-serabut bahwa menuju akhir setiap potensial aksi, dan berlanjuttersebut ditempatkan di dalam larutan yang mengandung selama masa singkat sesudahnya, membran menjadi lebihobat veratrine atau bila konsentrasi ion kalsium menurun permeabel terhadap ion kalium. Peningkatan aliran keluardi bawah nilai kritis, dan kedua keadaan tersebut ion kalium akan membawa sejumlah besar muatan positifmeningkatkan permeabilitas natrium pada membran. ke luar membran, sehingga menimbulkan kenegatifan yang lebih besar di bagian dalam serabut daripada yang Proses Re-eksitasi yang Diperlukan untuk lrama seharusnya terjadi. Hal ini berlangsung terus selama hampir satu detik sesudah potensial aksi sebelumnyaSpontan. Agar terjadi irama spontan, membran, bahkan berakhir, sehingga menarik potensial membran untukdalam keadaan alaminya, harus cukup permeabel untuk mendekati potensial Nernst untuk kalium. Keadaanion natrium (atau untuk ion kalsium dan natrium yang ini disebut hiperpolarisasi, yang juga ditunjukkan padamelalui kanal kalsium-natrium lambat) agar dapat Gambar 5-14. Selama keadaan ini berlangsung, tidakmempermudah terjadinya depolarisasi membran akan terjadi re-eksitasi sendiri. Namun, peningkatanotomatis. Jadi, Gambar 5-14 menggambarkan bahwa konduktans kalium (dan keadaan hiperpolarisasi) secarapotensial membran \"istirahat\" pada pusat pengendalian bertahap akan menghilang, seperti yang tampak padairama jantung hanya sebesar - 60 sampai -70 milivolt. gambar setelah setiap potensial aksi selesai, dan denganNilai ini bukan merupakan voltase yang cukup negatif demikian mempermudah potensial membran sekaliuntuk mempertahankan kanal natrium dan kalsium agar lagi meningkat hingga mencapai nilai ambang untuktertutup secara total. Oleh karena itu, terjadi urutan perangsangan. Kemudian, secara mendadak, timbulperistiwa sebagai berikut. (1) beberapa ion natrium dan potensial aksi yang baru, dan proses tersebut terjadiion kalsium mengalir ke dalam; (2) hal ini meningkatkan berulang-ulang.voltase membran ke arah positif, yang selanjutnyameningkatkan permeabilitas membran; (3) semakin Aspek Khusus Transmisi Sinyal dalam Batang Sarafbanyak ion yang mengalir ke dalam; dan (4) permeabilitasakan lebih meningkat, dan seterusnya, sampai terbentuk Serat Saraf Bermielin dan Tidak Bermielin. Gambar 5-15 memperlihatkan potongan melintang sarafkecil umum, dan lrama Nilai memperlihatkan banyak serat saraf besar yang membentuk potensial a mba ng sebagian besar daerah potongan melintang. Namun demikian, pengamatan yang cermat mengungkap lebih aksi banyak lagi serat yang sangat kecil dan terletak di antara serabut besar. Serat besar tersebut bermielin, dan serabut I kecil tidak bermielin. Rata-rata batang saraf terdiri atas dua kali lebih banyak serat yang tidak bermielin daripada serat Detik yang bermielin.Hiperpola risasi Gambar 5-16 memperlihatkan serabut bermielin yang khas. Inti bagian tengah serabut disebut akson, danGambar 5-14 Potensial aksi berirama (dalam milivolt) yang membran akson merupakan membran yang sebenarnyaserupa dengan potensial ya ng terekam pada pusat pengat~ r irama menghantarkan potensial aksi. Bagian tengah aksonjantung. Pe rh atika n hubungan nya denga n konduktans kal1um dan dipenuhi dengan aksoplasma, yang merupakan cairankea daa n hiperpolarisasi. intraselular kental. Yang mengelilingi akson adalah selubung mielin, yang sering kali sangat lebih tebal daripada aksonnya sendiri. Kira-kira satu kali setiap 1 sampai 3 mm sepanjang akson, selubung mielin diselingi oleh nodus Ranvier. Selubung mielin di sekeliling akson dibentuk oleh sel- sel Schwann dengan cara berikut. Mula-mula membran 69

Unit II Fisiologi fvfembran, Saraf, dan Otot menetapkan kembali perbedaan konsentrasi natrium dan kalium di antara membran setelah timbulnya serangkaian sel Schwann akan menyelubungi akson. Selanjutnya sel impuls saraf. Schwann mengelilingi akson bcberapa kali, dan membuat banyak lapisan membran sel Schwann yang terdiri atas Gambaran lain dan penjalaran secara melompat pada substansi lipid sfingomielin. Substansi ini adalah insulator serabut bermielin yang besar adalah sebagai berikut. Insulasi listrik yang baik sekali dan mengurangi aliran ion yang yang baik sekali yang disediakan oleh membran mielin melalui membran kira-kira 5.000 kali lipat. Pada sambungan dan penurunan kapasitansi membran sebesar 50 kali lipat antara setiap dua sel Schwann yang berurutan di sepanjang memungkinkan terjadinya repolarisasi dengan sangat sedikit akson, terdapat daerah kecil yang tidak terisolasi dengan pemindahan ion. panjang hanya 2 sampai 3 µm dimana ion-ion masih dapat mengalir dengan mudah melalui membran akson Kecepatan Konduksi pada Serat Saraf. Kecepatan konduksi pada serat saraf bervariasi dari 0,25 m /detik pada cairan ekstraselular dan cairan intraselular di dalam serat tak bermielin yang sangat kecil sampai sebesar 100 m l akson. Daerah inilah yang disebut nodus Ranvier. detik (panjang lapangan sepak bola dalam 1 detik) pada serat bermielin yang sangat besar. Konduksi \"Melompat\" pada Serabut Bermielin dari Nodus ke Nodus. Walaupun hampir tidak ada ion-ion dapat Perangsangan-Proses Pencetusan Potensial Aksi mengalir melewati selubung mielin yang tebal pada saraf bermielin, ion-ion itu dapat mengalir dengan mudah melewati Pada dasarnya, setiap faktor yang menyebabkan ion natrium nodus Ranvier. Oleh karena itu, potensial aksi timbul hanya mulai berdifusi ke dalam melalui membran dalam jumlah pada nodus. Namun potensial aksi tersebut dikonduksikan cukup banyak dapat menimbulkan pembukaan regeneratif dari nodus ke nodus, seperti yang diperlihatkan pada Gambar kanal natrium secara otomatis. Hal ini dapat merupakan 5-17; ha! ini disebut konduksi melompat. Artinya, aliran arus akibat dari gangguan mekanis pada membran, pengaruh listrik mengalir melalui sekeliling cairan ekstraselular di luar kimiawi pada membran, atau adanya aliran listrik di selubung mielin dan melalui aksoplasma di dalam akson dari nodus ke nodus, yang merangsang nodus-nodus secara berurutan satu per satu. )adi, impuls saraf melompat-lompati serat, yang merupakan asal dan istilah \"melompat''. Penjalaran secara melompat ini mempunyai makna tersendiri berdasarkan dua alasan berikut. Pertama, dengan menyebabkan proses depolarisasi melompati interval yang cukup jauh di sepanjang sumbu serat saraf, mekanisme ini meningkatkan kecepatan penghantaran saraf pada serat bermielin sebesar 5 sampai 50 kali lipat. Kedua, konduksi melompat akan menghemat energi akson karena hanya nodus saja yang berdepolarisasi, yang memungkinkan kehilangan ion-ion sampai 100 kali lebih sedikit daripada yang seharusnya terjadi seperti yang diperlukan, dan karena itu hanya membutuhkan sedikit metabolisme untuk Nodus Ranvier Akson tidak bermielin kecil yang Sitoplasma sel Schwann 8 Gambar 5-16 Fungsi sel Schwann untuk menginsulasi serat saraf. A, Pembungkusan oleh membran sel Schwann yang mengelilingi sebuah akson besar untuk membentuk selubung mielin pada serat saraf bermielin. 8, Pembungkusan parsial membran dan sitoplasma sel Schwann yang mengelilingi sejumlah serat saraf yang tidak bermielin (tampak dalam potongan melintang) . (A. dimodifikasi dari Leeson dan Leeson: Histology. Philadelphia, W.B. Saunders, 1979.)70

Bab 5 Potensial Membran dan Potensial Aksi seluruh membran. Semua faktor ini dipakai di berbagai. titik +60 ~--------------, +40 Potensial aksi-- ~• _~~~b~~\"n\"'\"='=A-=k:=o=:tol=a-s;:m:;: a Nodus Ranv1er +20 Potensial ._..,......... _____, , ._........... _____, , ~....... _____,, di bawah 0- 0 nilai ambang 23 .~ -20Gambar 5-17 Penghantaran secara melompat sepanjang akson akutbermielin. Ali ran arus dari nodus ke nodus digambarkan oleh anak :ii -40panah . -60 C....-.L-~:::..:..::==~1---~-l----'i.----1 dalam tubuh untuk mencetuskan potensial aksi saraf atau otot: tekanan mekanis untuk mengeksitasi ujung-ujung 0 234 saraf sensorik pada kulit, neurotransmiter kimia untuk mentransmisikan sinyal-sinyal dari satu neuron ke neuron Milidetik berikutnya di otak, clan arus listrik untuk mentransmisikan sinyal di antara sel-sel otot yang berurutan di jantung clan Gambar 5-18 Pengaruh peningkatan voltase untuk menghasilkan usus. Untuk dapat mengerti proses perangsangan ini mari suatu potensial aksi. Perhatikan terbentuknya \"potensial sub- kita mulai membahas prinsip-prinsip stimulasi listrik. ambangakut\" bila rangsangan yang dibutuhkan untuk mencetuskan potensial aksi berada di bawah nilai ambang. Eksitasi Serat Saraf oleh Elektroda Logam Bermuatan Negatif. Cara yang biasa digunakan untuk mengeksitasi regeneratif otomatis pada potensial aksi. Pada titik B, sarafatau otot dalam laboratorium percobaan adalah dengan rangsangan dibuat lebih besar, tapi sekali lagi, intensitas mengalirkan listrik ke permukaan saraf atau otot lewat dua masih tetap tidak cukup. Namun, rangsangan ternyata elektroda kecil, yang salah satunya bermuatan negatif dan mengganggu potensial membran setempat selama 1 yang lainnya bermuatan positif. Bila ha! ini terjadi, membran milidetik atau lebih sesudah kedua rangsangan yang lemah yang mudah tereksitasi menjadi terstimulasi pada elektroda ini. Perubahan potensial lokal ini disebut potensial lokal akut, negatif. clan bila gaga! untuk menimbulkan potensial aksi, potensial ini disebut potensial sub-ambang akut. Penyebab dari efek ini adalah sebagai berikut. Ingatlah bahwa potensial aksi ditimbulkan oleh terbukanya kanal Pada titik C dalam Gambar 5-18, rangsangan bahkan natrium bergerbang voltase. Selanjutnya, kanal ini dibuka lebih kuat. Sekarang potensial lokal telah mencapai tingkat oleh penurunan voltase listrik istirahat normal yang melintasi yang dapat menimbulkan suatu potensial aksi, yang disebut membran. Artinya, aliran negatif yang berasal dari elektroda 'nilai ambang, tetapi ha! ini hanya terjadi sesudah \"periode akan mengurangi voltase di sisi luar membran menjadi nilai laten\" yang singkat. Pada titik D, rangsangan masih lebih negatif yang mendekati voltase pada potensial negatif di kuat, potensial lokal akut juga lebih kuat, clan potensial aksi sisi dalam serabut. Hal ini akan mengurangi voltase listrik terjadi setelah suatu periode laten yang singkat. yang melintasi membran clan memudahkan kanal natrium terbuka, sehingga menimbulkan potensial aksi. Sebaliknya, Jadi, gambar tersebut memperlihatkan bahwa bahkan pada elektroda positif, masuknya muatan positif di sisi rangsangan yang lemah pun dapat menimbulkan perubahan luar membran saraf akan meningkatkan perbedaan voltase potensial aksi lokal pada membran, tetapi intensitas potensial yang melintasi membran clan bukan menurunkannya. lokal harus meningkat sampai nilai ambang sebelum Hal ini akan menyebabkan keadaan hiperpolarisasi, yang potensial aksi terjadi. akan menurunkan kemampuan eksitasi serabut ketimbang menimbulkan potensial aksi. \"Periode Refrakter\" setelah Potensial Aksi, Saat Rangsangan yang Baru Tidak Dapat Dihasilkan Nilai Ambang untuk Eksitasi\"dan \"Potensial Loka!Akut\". Pada serabut yang mudah tereksitasi, potensial aksi yang baru Rangsangan listrik yang lemah mungkin tidak mampu tidak dapat terjadi selama membran masih dalam keadaan merangsang suatu serabut. Namun, bila voltase rangsangan depolarisasi akibat potensial aksi sebelumnya. Alasannya dinaikkan, tercapailah suatu titik terjadinya stimulasi. adalah bahwa dalam waktu singkat sesudah potensial aksi Gambar 5-18 menunjukkan efek pemberian rangsangan mulai timbul, kanal natrium (atau kanal kalsium, atau yang berulang-ulang dengan kekuatan yang semakin besar. keduanya) menjadi tidak aktif, dan tidak ada sejumlah sinyal Rangsangan yang lemah di titik A menyebabkan potensial perangsangan yang diberikan kepada kanal pada tahap ini membran berubah dari -90 menjadi -85 milivolt, namun yang akan membuka pintu yang tidak aktif. Satu-satunya perubahan ini tidak cukup untuk menimbulkan proses keadaan yang dapat membuka pintu ini kembali adalah kembalinya potensial membran ke atau mendekati nilai potensial membran istirahat semula. Selanjutnya, dalam waktu sepersekian detik berikutnya pintu tidak aktif kanal ini akan terbuka, dan potensial aksi yang baru dapat dimulai. Periode ketika potensial aksi yang kedua tidak dapat dicetuskan, bahkan dengan rangsangan yang kuat, disebut periode refrakter absolut. Pada serat saraf bermielin yang besar, periode ini berlangsung sekitar 1/2.500 detik. Oleh karena itu, kita dapat menghitung bahwa serat semacam ini dapat mentransmisikan impuls dalam jurnlah maksimum sekitar 2.500 impuls per detik . 71

Unit II Fisiologi Membran, Saraf, dan Ototlnhibisi Eksitabilitas-\"Stabilisator\" dan Anestesi Lokal sendiri pada dasarnya terdiri atas penembak elektron danMasih ada faktor-faktor lain yang kerjanya berlawanan dengan layar fluoresen yang akan ditabrak oleh elektron. Di tempatfaktor-faktor yang dapat meningkatkan eksitabilitas kanal elektron-elektron membentur layar, bahan fluoresen akandisebut faktor stabilisasi-membran, yang dapat menurunkan berpendar. Bila berkas elektron tersebut bergerak melintasieksitabilitas. Contohnya, konsentrasi ion kalsium pada cairan layar, bintik cahaya yang berpendar juga akan memindahkanekstraselular yang tinggi akan menurunkan permeabilitas clan menarik garis fluoresen pada layar.membran terhadap ion natrium clan secara bersamaanakan mengurangi eksitabilitas. Oleh karena itu, ion kalsium Selain penembak elektron clan permukaan fluoresen,dikatakan sebagai \"stabilisator'.' tabung sinar katoda dilengkapi dengan dua susun lempeng bermuatan listrik-salah satu terletak pada kedua sisi berkas Anestesi Lokal. Di antara agen-agen stabilisator yang elektron, clan yang lainnya terletak di atas clan di bawah. Sirkuitpaling penting, ada bermacam-macam agen yang dipakai pengatur elektronik yang sesuai akan mengubah voltase padadalam klinik sebagai anestesi lokal, termasuk prokain clan lempeng ini sehingga berkas elektron dapat membelok ke atastetrakain. Sebagian besar agen ini bekerja langsung pada clan ke bawah sebagai responsnya terhadap sinyal listrik yangpintu aktivasi clan kanal natrium, yang membuat pintu ini datang dari elektroda-elektroda perekam pada saraf. Berkasmenjadi jauh lebih sulit untuk terbuka clan dengan demikian dari elektron-elektron ini juga berjalan secara horizontalmengurangi eksitabilitas membran. Bila eksitabilitas menurun melewati layar pada kecepatan waktu yang konstan olehsedemikian rendah sehingga perbandingan kekuatan sirkuit listrik internal dan osiloskop. Hal ini akan menghasilkanpotensial aksi terhadap nilai ambang eksitabilitas (disebut rekaman yang tampak pada muka tabung sinar katoda pada\"faktor pengaman\") berkurang sampai di bawah 1,0; maka gambar, yang memberikan gambaran dasar waktu secaraimpuls-impuls saraf gaga! melewati saraf yang dianestesi. horizontal dan perubahan voltase pada elektroda saraf yang diperlihatkan secara vertikal. Perhatikan pada ujung sisi kiri Perekaman Potensial Membran dan Potensial Aksi rekaman terdapat artifak rangsangan kecil yang disebabkan oleh rangsangan listrik yang digunakan untuk mencetuskan Osiloskop Sinar Katoda. Di awal bab ini, kita mengetahui potensial aksi saraf. Kemudian semakin ke kanan, gambaranbahwa potensial membran berubah sangat cepat ketika terjadi tersebut menjadi rekaman potensial aksi itu sendiri.potensial aksi. Bahkan, sebagian besar kompleks potensialaksi serat saraf yang besar berlangsung kurang dari 1/1.000 Daftar Pustakadetik. Pada beberapa gambar dalam bab ini, suatu pengukurlistrik telah memperlihatkan perekaman perubahan potensial Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al: Molecular Biology of the Cell, ed 3, Newini. Namun, harus dimengerti bahwa setiap alat ukur yangmampu merekam sebagian besar potensial aksi pasti mampu York, 2008, Garland Science.berespons secara luar biasa cepat. Untuk tujuan praktis, satu- Biel M, Wahl- Schott C, Michalakis S, Zeng X: Hyperpolarization-activatedsatunya jenis alat ukur yang umum yang mampu beresponssecara akurat terhadap perubahan potensial membran yang cation channels: from genes to function , Physiol Rev 89:847, 2009.cepat adalah osiloskop sinar katoda. Blaesse P, Airaksinen MS, Rivera C, Kaila K: Cation -chloride cotra nsporters Gambar 5-19 memperlihatkan suatu komponen dasardari sebuah osiloskop sinar katoda. Tabung sinar katoda itu and neuronal function, Neuron 61 :820, 2009.Potensial a ksi Piring Dai S, Hall DD, Hell JW: Supra molecular assemblies and localized regulationyang terekam horizontal of voltage-gated ion channels, Physiol Rev 89:411 , 2009. Pene mbak e lektron Hodgkin AL, Huxley AF: Quantitative description of membrane current and\ its application to conduction and excitation in nerve, } Physiol (Lond)Stimulus 117:500, 1952. a rtifact Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM: Principles of Neural Science, ed 4, New York, 2000, McGraw-Hill. Kleber AG, Rudy Y: Basic mechanisms of cardiac impulse propagat ion and associated arrhythmias, Physiol Rev 84:431, 2004. Lujan R, Maylie J,Adelman JP: New sites of action for GIRK and SK channels, Nat Rev Neurosci 10:475, 2009. Mangoni ME, Nargeot J: Genesis and regulation of the heart automaticity, Physiol Rev 88:919, 2008. Perez-Reyes E: Molecular physiology of low-voltage-activated T-type calcium channels, Physiol Rev 83:117, 2003. Poliak S, Peles E: The local differentiation of myelinated axons at nodes of Ranvier, Nat Rev Neurosci 12:968, 2003. Schafer DP, Rasband MN: Glial regulation of the axonal mem brane at nodes of Ranvier, CurrOpin Neurobiol 16:508, 2006. Vacher H, Mahapatra DP,Trimmer JS: Localization and targeting of voltage- dependent ion chan nels in mammalian central neurons, Physiol Rev 88:1407, 2008.Gambar 5-19 Osilosko p sinar katoda untu k merekam potensialaksi ya ng berla ngsung sementara.72

BAB 6 l(ontraksi Otot Rangka Alih Bahasa: dr. Trinovita Andraini Editor: drg. Antonia TanzilKira-kira 40 persen dari seluruh tubuh terdiri atas otot polimer besar yang bertanggung jawab untuk kontraksirangka, dan ~ungkin 10 persen lainnya berupa otot polos otot sesungguhnya. Filamen-filamen ini dapat dilihatdan otot jantung. Beberapa prinsip dasar yang sama pada pandangan longitudinal dengan mikrograf elektronmengenai kontraksi dapat diterapkan pada ketiga jenis otot pada Gambar 6-2 dan digambarkan secara diagram padayang berbeda ini. Di bab ini, terutama akan dibahas fungsi Gambar 6-1, bagian E sampai L. Filamen tebal dalamotot rangka; fungsi khusus otot polos akan dibicarakan di diagram adalah miosin dan filamen tipis adalah aktin.Bab 8, dan otot jantung dibicarakan di Bab 9. Perhatikan pada Gambar 6- lE bahwa filamen miosin Fisiologi Anatomi Otot Rangka dan aktin sebagian saling bertautan sehingga miofibril memiliki pita terang dan gelap yang berselang-seling,Serabut Otot Rangka seperti digambarkan pada Gambar 6-2. Pita-pita terang hanya mengandung filamen aktin dan disebut pita I karenaGambar 6-1 menunjukkan organisasi otot rangka yang bersifat isotropik terhadap cahaya yang dipolarisasikan.memperlihatkan bahwa semua otot rangka dibentuk Pita-pita gelap mengandung filamen-filamen miosin,oleh sejumlah serabut yang diameternya berkisar dari 10 dan ujung-ujung filamen aktin tempat pita-pita tersebutsampai 80 µm . Masing-masing serabut ini terbuat dari tumpang-tindih dengan miosin, yang disebut pita A karenarangkaian subunit yang lebih kecil, yang juga diperlihatkan bersifat anisotropik terhadap cahaya yang dipolarisasikan.pada Gambar 6-1 dan dibicarakan di paragraf berikut. Perhatikan juga penonjolan-penonjolan kecil dari samping filamen miosin pada Gambar 6- lE dan L. Penonjolan ini Sebagian besar otot rangka, masing-masing serabutnya merupakan jembatan silang. Interaksi antara jembatanmembentang di seluruh panjang otot. Kecuali pada sekitar silang dan filamen aktin tersebut adalah peristiwa yang2 persen serabut, masing-masing serabut biasanya hanya menyebabkan kontraksi.dipersarafi oleh satu ujung saraf, yang terletak di dekatbagian tengah serabut. Gambar 6-lE juga menunjukkan bahwa ujung-ujung filamen aktin melekat pada lempeng Z. Dari lempeng ini, Sarkolema adalah Membran Tipis yang Membungkus filamen-filamen tersebut memanjang dalam dua arahSerabut Otot. Sarkolema terdiri atas membran sel yang untuk saling bertautan dengan filamen miosin. Lempengsebenarnya, yang disebut membran plasma, dan sebuah Z, yang terdiri atas protein filamentosa, yang berbeda darilapisan luar yang terdiri atas satu lapisan tipis materi filamen aktin dan miosin, berjalan menyilang melewatipolisakarida yang mengandung sejumlah fibril kolagen miofibril dan juga menyilang dari satu miofibril ke miofibriltipis. Di setiap ujung serabut otot, lapisan permukaan lainnya, dan melekatkan miofibril satu dengan yang lain disarkolema ini bersatu dengan serabut tendon, dan serabut sepanjang serabut otot. Oleh karena itu, seluruh serabuttendon kemudian berkumpul menjadi berkas untuk otot mempunyai pita terang dan gelap, seperti yangmembentuk tendon otot dan kemudian berinsersi ke terdapat pada tiap-tiap miofibril. Pita-pita ini memberidalam tulang. corak Jurik pada otot rangka dan otot jantung. Miofibril Tersusun dari Filamen Aktin dan Bagian miofibril (atau serabut otot utuh) yang terletakMiosin. Setiap serabut otot mengandung beberapa ratus antara dua lempeng Z yang berurutan disebut sarkomer.sampai beberapa ribu miofibril, yang diperlihatkan sebagai Bila serabut otot berkontraksi, seperti yang ditunjukkanbulatan-bulatan kecil terbuka pada potongan melintang pada bagian bawah Gambar 6-5, panjang sarkomer kira- kira 2 µm. Pada ukuran panjang ini, filamen aktin tumpangpada Gambar 6-1 C. Setiap miofibril (Gambar 6- lD dan E) tindih seluruhnya dengan filamen miosin, dan ujungtersusun oleh sekitar 1.500filamen miosin yang berdekatan filamen aktin mulai tumpang tindih satu sama lain. Sepertidan 3.000filamen aktin, yang merupakan molekul protein yang akan didiskusikan nanti, pada ukuran panjang ini, otot mampu menimbulkan kekuatan kontraksi terbesarnya. 73

Unit II Fisiologi f'v1embran , Saraf, dan Otot OTOTRANGKA I I '''' ' Lempeng Z Pita A Pita 1''............ . . ----+~ .~.......·.......··.,,._.-.-_..._,; ' ' .... \. l \"..\"..\"..\"..' 1 \"'\"'\"\"- : \".e:--If J /,..,. ~.... ~ ...\", L-<. ,' ~'---< . . .... J J r--< - / .& ...: ~~ I \ '-y-' / \ Pita H I\ Molekul G-aktin I\ I\ QoQ~Oo J z-'---- Sarkomer - - - - ' Z I I ,E I \ I I I \' I Filamen F-aktin K I I I I I I I I I I I I I I I I I I I ....I.I I ..... 000 0000 F 000 00 0000 000 GGambar 6-1ditunjukkan .74

Gambar 6-2 Mikrograf elektron miofibril otot, menunjukkan Bab 6 Kontraksi Otot Rangkasusunan detail filamen aktin dan miosin. Perhatikan mitokondriaterletak di antara miofibril. (Dari Fawcett DW:The Cell. Philadelphia, disebut sarkoplasma, yang mengandung sejumlah besarW.B. Saunders, 1981.) kalium, magnesium, dan fosfat, ditambah berbagai enzim protein. Juga terdapat sejumlah besar mitokondria yang terletak sejajar dengan miofibril. Mitokondria menyuplai miofibril yang berkontraksi sejumlah besar energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP) yang dibentuk oleh mitokondria. Retikulum Sarkoplasma merupakan Retikulum Endoplasma Khusus pada Otot Rangka. Di dalam sarkoplasma juga terdapat banyak retikulum (Gambar 6-4) yang mengelilingi miofibril setiap serabut otot disebut retikulum sarkoplasma. Retikulum ini mempunyai susunan khusus yang sangat penting pada pengaturan kontraksi otot, seperti yang dibahas di Bab 7. Semakin cepat tipe kontraksi suatu serabut otot, maka serabut tersebut mempunyai makin banyak retikulum sarkoplasma. Titin, Molekul Berbentuk Filamen, Menjaga Filamen Mekanisme Umum Kontraksi OtotMiosin dan Aktin Tetap Berada di Tempat. Hubunganbersebelahan antara filamen miosin dan aktin sulit Timbul dan berakhirnya kontraksi otot terjadi dalamdipertahankan. Hal ini dipertahankan oleh sejumlah urutan tahap-tahap berikut.besar molekul protein berbentuk filamen yang disebuttitin (Gambar 6-3). Setiap molekul titin mempunyai 1. Suatu potensial aksi berjalan di sepanjang sebuah sarafberat molekul sekitar 3 juta, yang menjadikannya protein motorik sampai ke ujungnya pada serabut otot.molekul terbesar dalam tubuh. Juga, karena berbentukfilamen, titin juga sangat elastis. Molekul titin yang elastis 2. Di setiap ujung, saraf menyekresi zat neurotransmiter,ini berfungsi sebagai kerangka yang menahan filamen yaitu asetilkolin, dalam jumlah sedikit.miosin dan aktin agar tetap berada di tempatnya sehinggaperangkat kontraksi sarkomer ini dapat bekerja. Salah 3. Asetilkolin bekerja pada daerah setempat padasatu ujung molekul titin bersifat elastis dan terikat pada membran serabut otot untuk membuka banyak kanallempeng Z, bekerja sebagai pegas dan mengubah panjang kation \"berpintu asetilkolin\" melalui molekul proteinsarkomer saat berkontraksi dan relaksasi. Bagian molekul yang terapung pada membran.titin lainnya menambatkan titin pada filamen tipis miosin.Molekul titin sendiri nampaknya juga bertindak sebagai 4. Terbukanya kanal berpintu asetilkolin memungkinkanpola untuk pembentukan awal bagian filamen kontraktil sejumlah besar ion natrium untuk berdifusi ke bagiansarkomer, terutama filamen miosin. dalam membran serabut otot. Hal ini menyebabkan Sarkoplasma merupakan Cairan lntraselular diantara Miofibril. Banyak miofibril setiap serabut ototterletak saling bersisian dalam serabut otot. Ruangdi antara miofibril diisi oleh cairan intraselular yangAktin (filamen tipis) Lempeng Z Gambar 6-4 Retikulum sarkoplasma di ruang ekstraselular di antara miofibril, yang menunjukkan sistem longitudinal yangGambar 6-3 Organisasi protein dalam sarkomer. Setiap molekul berjalan sejajar dengan miofibril. Pada potongan melintangtitin memanjang dari /empeng Z menuju garis M. Sebagian molekul terlihat juga tubulus T (panah) yang berjalan menuju bagian luartitin sangat berhubungan dengan filamen tipis miosin, sedangkan membran dan penting untuk menghantarkan sinyal listrik ke dalambagian lainnya bersifat elastis dan mengubah panjang sarkomer pusat serabut otot. (Dari Fawcett DW: The Cell. Philadelphia, W.B.saat berkontraksi dan relaksasi. Saunders, 1981 .) 75

Unit II Fisiologi fvfembran, Saraf. dan Otot yang berurutan sedikit saling tumpang tindih satu sama lain. Sebaliknya, pada keadaan kontraksi, filamen aktin depolarisasi setempat yang kemudian menyebabkan ini tertarik ke dalam di antara filamen miosin, sehingga pembukaan kanal natrium berpintu listrik (voltage- ujung-ujungnya sekarang saling tumpang tindih satu gated sodium channels) . Peristiwa mt akan sama lain dengan pemanjangan yang maksimal. Lempeng menimbulkan suatu potensial aksi pada membran. Z juga ditarik oleh filamen aktin sampai ke ujung filamen5. Potensial aksi akan berjalan di sepanjang membran miosin. Jadi, kontraksi otot terjadi dengan mekanisme serabut otot dengan cara yang sama seperti potensial pergeseran filamen. aksi berjalan di sepanjang membran serat saraf.6. Potensial aksi akan menimbulkan depolarisasi Tetapi apa yang menyebabkan filamen- filamen aktin membran otot, dan banyak aliran listrik potensial aksi bergeser ke dalam di antara filamen-filamen miosin? Hal mengalir melalui pusat serabut otot. Di sini, potensial ini disebabkan oleh kekuatan yang dibentuk oleh interaksi aksi menyebabkan retikulum sarkoplasma melepaskan jembatan silang clan filamen miosin dengan filamen aktin. sejumlah besar ion kalsium, yang telah tersimpan di Pada keadaan istirahat, kekuatan ini tidak aktif, tetapi bila dalam retikulum ini. sebuah potensial aksi berjalan di sepanjang membran7. Ion kalsium menginisiasi kekuatan menarik antara serabut otot, ha! ini akan menyebabkan retikulum filamen aktin dan miosin, yang menyebabkan sarkoplasma melepaskan ion kalsium dalam jumlah besar, kedua filamen tersebut bergeser satu sama lain, dan yang dengan cepat mengelilingi miofibril. Ion-ion kalsium menghasilkan proses kontraksi. ini kemudian mengaktifkan kekuatan di antara filamen8. Setelah kurang dari satu detik, ion kalsium dipompa aktin clan miosin, clan mulai terjadi kontraksi. Tetapi kembali ke dalam retikulum sarkoplasma oleh pompa energi juga diperlukan untuk berlangsungnya proses membran Ca++, clan ion ini tetap disimpan dalam kontraksi. Energi ini berasal dari ikatan berenergi tinggi retikulum sampai potensial aksi otot yang baru datang pada molekul ATP, yang diuraikan menjadi adenosin lagi; pengeluaran ion kalsium dari miofibril akan difosfat (ADP) untuk membebaskan energi. menyebabkan kontraksi otot terhenti. Pada beberapa bagian berikut, kita akan membahas Kita sekarang membahas perangkat molekular pada hal-hal yang telah diketahui mengenai perincian prosesproses kontraksi otot. molekular kontraksi. Mekanisme Molekuler pada Kontraksi Otot Sifat Molekular Filamen Kontraktil Mekanisme Pergeseran Filamen pada Kontraksi Filamen Miosin Tersusun oleh Banyak MolekulOtot. Gambar 6-5 menunjukkan mekanisme dasar Miosin. Setiap molekul miosin, yang diperlihatkanterjadinya kontraksi otot. Gambar tersebut menunjukkan pada Gambar 6-6A, mempunyai berat molekul kira-kirakeadaan relaksasi suatu sarkomer (atas) clan keadaan 480.000. Gambar 6-6B memperlihatkan susunan berbagaikontraksi (bawah). Pada keadaan relaksasi, ujung-ujung molekul yang membentuk sebuah filamen miosin, sertafilamen aktin yang memanjang dari dua lempeng Z interaksi filamen ini pada salah satu sisi dengan ujung- ujung kedua filamen aktin. IA I Ekor ~z z Dua rantai berat1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 11111111111111 I 111111 111111 t 1111111 1111111 1111111 A1111111 It 11111 1111111 1111111 1111111 11111111111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 Fi lamen aktin Relaksasi IA I ~z z 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 Jembatan silang Engsel Badan 1111111 11111.11 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 1111111 Kontraksi B Filamen miosinGambar 6-5 Keadaan relaksasi dan kontraksi sebuah miofibril, Gambar 6-6 A, Molekul miosin. 8, Gabungan banyak molekulmenunjukkan (atas) pergeseran filamen aktin (abu-abu) ke dalam miosin yang membentuk filamen miosin. Juga terlihat ribuanruangan antara filamen-miosin (hitam), dan (bawah) menarik jembatan si/ang miosin dan interaksi antara kepala jembatanmembran Z ke arah membran Z yang lain. silang dan filamen aktin yang berdekatan.76

Bab 6 Kontraksi Otot Rangka Molekul miosin (Gambar 6-6A) terdiri atas enam rantai Sisi aktif Kompleks troponin polipeptida-dua rantai berat, masing-masing denganberat molekul kira-kira 200.000 clan empat rantai ringan F-aktin Tropomiosindengan berat molekul masing-masing sekitar 20.000. Duarantai berat saling melilit satu sama lain untuk membentuk Gambar 6-7 Filamen aktin, terdiri atas dua untai heliks F-aktinheliks ganda, yang disebut sebagai ekor molekul miosin. dan dua untai molekul tropomiosin yang tepat berada dalamSalah satu ujung dari masing-masing rantai ini melipatsecara bilateral ke dalam suatu struktur polipeptida lekukan antar-untaian aktin. Terlekat pada salah satu ujung setiapglobular yang disebut kepala miosin. Jadi, terdapat duakepala bebas pada molekul miosin heliks ganda. Empat molekul tropomiosin adalah kompleks troponin yang menginisiasirantai ringan juga bagian dari kepala miosin, yaitu duadi setiap kepala. Rantai-rantai ringan ini membantu kontraksi.mengatur fungsi kepala selama kontraksi otot. protein F-aktin untai ganda, yang digambarkan oleh dua Filamen miosin dibentuk oleh 200 atau lebih molekul untai berwarna terang pada Gambar 6-7. Kedua untaimiosin tunggal. Bagian tengah clan salah satu filamen- membelit dalam suatu heliks dengan cara yang samafilamen ini ditunjukkan pada Gambar 6-6B, yang seperti molekul miosin.memperlihatkan bagian ekor clan molekul miosin terikatbersama membentuk bagian badan filamen, sementara Setiap untai heliks ganda F-aktin terdiri atas molekulbanyak kepala dari molekul menggantung keluar pada G-aktin terpolimerisasi, yang masing-masing mempunyaibagian samping badan. Sebagian dari badan di setiap berat molekul sekitar 42.000. Pada setiap molekul G-aktinmolekul miosin juga menggantung ke samping bersama melekat satu molekul ADP. Diperkirakan bahwa molekuldengan kepala, sehingga menyediakan suatu lengan yang ADP ini adalah bagian aktif pada filamen aktin yangmemperpanjang kepala keluar dari badan, seperti yang berinteraksi dengan jembatan silang filamen miosindiperlihatkan pada gambar. Bagian lengan clan kepala untuk menimbulkan kontraksi otot. Bagian aktif padayang menonjol bersama-sama disebut jembatan silang. kedua untai F-aktin clan heliks ganda diatur bergantian,Masing-masing jembatan silang ini bersifat fleksibel di membentuk satu tempat aktif di seluruh filamen aktindua titik yang disebut engsel-salah satu merupakan kira-kira setiap 2,7 nanometer.tempat lengan meninggalkan badan dari fitamen miosin,clan yang satunya tempat kepala melekat pada lengan. Setiap filamen aktin panjangnya kurang lebih 1 µm.Lengan yang berengsel akan mempermudah lengan untuk Bagian dasar filamen aktin disisipkan dengan kuat ke dalammemanjang jauh keluar dari badan filamen miosin atau lempeng Z; ujung-ujung filamen tersebut menonjol padadibawa mendekat ke arah badan. Kepala yang berengsel kedua arah untuk berada dalam ruangan antara molekulselanjutnya berpartisipasi pada proses kontraksi yang miosin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6-5.sebenarnya, seperti yang akan dibahas di bagian berikut. Molekul Tropomiosin. Filamen aktin juga mengandung Panjang total setiap filamen miosin adalah seragam, protein lain, yaitu tropomiosin. Setiap molekul tropomiosinhampir tepat 1,6 µm . Tetapi, perhatikanlah bahwa tidak mempunyai berat molekul 70.000 clan panjang 40ada kepala jembatan silang di bagian tengah filamen nanometer. Molekul tersebut terbungkus secara spiralmiosin sepanjang kira-kira 0,2 µm karena lengan berengsel mengelilingi sisi heliks F-aktin. Pada keadaan istirahat,memanjang menjauh dari bagian tengah. molekul tropomiosin terletak pada bagian atas tempat aktif untai aktin, sehingga tidak dapat terjadi penarikan Sekarang, untuk melengkapi gambaran ini, filamen antara filamen aktin clan miosin untuk menimbulkanmiosin itu sendiri terpuntir sehingga setiap pasangan kontraksi.jembatan silang yang berurutan akan dipindahkan padaporosnya dari tempat semula sampai 120 derajat. Keadaan Troponin dan Perannya pada Kontraksi Otot. Masihini menjamin bahwa jembatan silang akan memanjang ke ada molekul protein lain yang melekat di sepanjang sisisegala arah di sekitar fitamen. molekul tropomiosin, yang disebut troponin. Molekul ini sebenarnya merupakan kompleks yang terdiri atas Aktivitas ATPase di Kepala Miosin. Ciri-ciri lain dari tiga subunit protein yang terikat secara longgar, yangkepala miosin yang sangat penting untuk kontraksi otot masing-masing memiliki peran spesifik pada pengaturanadalah bahwa ia dapat berfungsi seperti enzim ATPase. kontraksi otot. Salah satu subunit (troponin I) mempunyaiSeperti dijelaskan nanti, kemampuan ini menyebabkan afinitas yang kuat terhadap aktin, yang lainnya (troponinkepala mampu memecah ATP clan menggunakan energi T) terhadap tropomiosin, clan yang ketiga (troponin C)yang berasal dari ikatan fosfat berenergi tinggi ATP untuk terhadap ion-ion kalsium. Kompleks ini diduga untukmenjalankan proses kontraksi. melekatkan tropomiosin pada aktin. Afinitas troponin yang kuat terhadap ion-ion kalsium diduga mencetuskan Filamen Aktin Tersusun oleh Aktin, Tropomiosin, dan proses kontraksi, seperti yang akan diterangkan di bagian berikut.Troponin. Kerangka fitamen aktin adalah suatu molekul 77

Unit II Fisiologi Membran, Saraf, dan Otot yang baru ini menyebabkan kepala menekuk ke arah lengan clan menarik filamen aktin bersama dengannya. Penekukanlnteraksi Satu Filamen Miosin, Dua Filamen Aktin kepala ini disebut power stroke. Kemudian, segera sesudahdan Ion Kalsium untuk Menimbulkan Kontraksi ' menekuk, kepala secara otomatis terlepas dari bagian aktif. Selanjutnya, kepala kembali ke arah memanjangnya. Penghambatan Fila men Aktin oleh Kompleks Pada posisi ini, kepala berkombinasi dengan bagianTroponin-Tropom iosin; Pengaktifan oleh Ion aktif yang baru berikutnya di sepanjang filamen aktin;Kalsium. Sebuah filamen aktin murni tanpa adanya kemudian kepala menekuk lagi untuk menimbulkankompleks troponin-tropomiosin (tapi dengan kehadiran power stroke yang baru, clan filamen aktin menggerakkanion magnesium clan ATP) akan berikatan secara cepat tahap lainnya. Jadi, kepala jembatan silang membelok keclan kuat dengan kepala molekul miosin. Lalu, jika depan clan belakang clan setapak demi setapak berjalan dikompleks troponin-tropomiosin ditambahkan pada sepanjang filamen aktin, serta menarik ujung dua filamenfilamen aktin, ikatan antara aktin clan miosin ini tidak aktin yang berurutan ke bagian tengah filamen miosin.akan terbentuk. Oleh karena itu, diduga bahwa bagianaktif pada filamen aktin normal dari otot yang sedang Setiap satu jembatan silang diduga bekerja secararelaksasi akan dihambat atau secara fisik ditutupi oleh independen, clan masing-masing melekat clan menarikkompleks troponin-tropomiosin. Akibatnya, tempat ini dalam suatu siklus berulang yang berkesinambungan.tidak dapat melekat pada kepala filamen miosin untuk Oleh karena itu, semakin banyak jumlah jembatan silangmenimbulkan kontraksi. Sebelum terjadinya kontraksi, yang berhubungan dengan filamen aktin pada suatuefek penghambatan kompleks troponin-tropomiosin itu waktu, semakin besar kekuatan kontraksinya.sendiri harus dihambat. ATP sebaga i Sumber Energi untuk Kontraksi- Keadaan tersebut membawa kita kepada peran ion Peristiwa Kimiawi pada Pergerakan Kepala Miosin. Bilakalsium. Dengan adanya ion kalsium dalam jumlah sebuah otot berkontraksi, timbul suatu kerja clanbesar, efek penghambatan troponin-tropomiosin membutuhkan energi. Sejumlah besar ATP dipecahterhadap filamen aktin itu sendiri dihambat. Mekanisme membentuk ADP selama proses kontraksi; semakinpenghambatan ini tidak diketahui, tetapi salah satu besar jumlah kerja yang dilakukan oleh otot, semakindugaan adalah sebagai berikut. Bila ion kalsium bergabungdengan troponin C, clan setiap molekul troponin C dapat besar jumlah ATP ·yang dipecahkan, yang disebut efekberikatan secara kuat dengan empat ion kalsium, kompleks Fenn. Berikut ini adalah perkiraan rangkaian peristiwatroponin ini diduga akan mengalami perubahan bentuk bagaimana hal tersebut dapat terjadi:ya~g menarik molekul tropomiosin clan memindahkannyaleb1h dalam ke lekukan antara dua untai aktin. Keadaan 1. Seb.elum kontraksi mulai terjadi, kepala jembatan silangini \"membuka\" bagian aktif dari aktin, sehingga benk.atan dengan ATP. Aktivitas ATPase dari kepalamemungkinkan kompleks ini menarik kepala jembatan m10sm segera memecah ATP tetapi meninggalkan hasilsilang miosin clan menyebabkan terjadinya kontraksi. pemecahannya, ADP dan ion fosfat, yang terikat pada~alaup.un ini merupakan mekanisme yang masih berupa kepala. Pada keadaan ini, bentuk kepala memanjangh1potes1s, mekanisme ini menekankan bahwa hubungan secara tegak lurus ke arah filamen aktin tetapi masihnormal antara kompleks troponin-tropomiosin clan aktin belum melekat pada aktin.diubah oleh ion kalsium, clan membentuk kondisi baruyang menimbulkan kontraksi. 2. Bila kompleks troponin-tropomiosin berikatan dengan ion kalsium, bagian aktif pada filamen aktin menjadi lnteraksi antara Filamen Aktin yang \"Teraktivasi\" terbuka, clan kepala miosin kemudian berikatan dengandan jembatan Silang Miosin-Teori \"Berjalan-bersa ma\" bagian ini, seperti yang tampak pada Gambar 6-8.Kontraksi. Segera sesudah filamen aktin menjadit~raktivasi oleh ion kalsium, kepala jembatan silang dari 3. Ikatan antara kepala jembatan silang clan bagian aktiff1lamen miosin menjadi tertarik ke bagian aktif filamen filamen aktin menyebabkan perubahan bentuk kepala,aktin, clan hal ini, dalam beberapa cara, akan menyebabkan menyebabkan kepala menekuk ke arah lengan jembatanterjadinya kontraksi. Meskipun interaksi antara jembatansilang clan aktin yang menimbulkan kontraksi ini sebagian ....,___ __.P_,ergerakan Sisi yang aktif Filamen aktinmasih bersifat teoretis, salah satu teori yang buktinya telah Filamen miosinada, yaitu teori \"berjalan-bersama\" (\"walk-along\" theory)kontraksi. Gambar 6-8 Mekanisme \"berjalan-bersama\" (\"Walk-along\") untuk kontraksi otot. Gambar 6-8 menggambarkan mekanisme berjalan-bersama yang telah didalilkan untuk kontraksi. Gambarini menunjukkan kepala dari dua jembatan silang yangmelekat clan terlepas dari bagian aktif filamen aktin.Telah didalilkan bahwa bila sebuah kepala melekat padabagian aktif, perlekatan ini secara serentak menyebabkanperubahan besar pada kekuatan intramolekular antarakepala clan lengan jembatan silangnya. Kelompok kekuatan78

silang. Kedudukan ini memberikan power stroke untuk Bab 6 Kontraksi Otot Rangka menarik filamen aktin. Energi yang mengaktifkan power stroke adalah energi yang telah disimpan, seperti tegangan aktif yang ditimbulkan oleh serabut otot yang sebuah senjata yang \"terkokang'; oleh perubahan berkontraksi. Di sebelah kanan, ditunjukkan dengan bentuk yang terjadi pada kepala saat molekul ATP warna hitam, merupakan berbagai derajat tumpang telah dipecahkan sebelumnya. tindih filamen miosin dan aktin pada berbagai panjang sarkomer. Di titik D pada diagram, filamen aktin telah4. Begitu kepala jembatan silang menekuk, keadaan ini tertarik ke ujung filamen miosin, tanpa adanya tumpang m:enyebabkan pelepasan ADP dan ion fosfat yang tindih aktin-miosin. Di titik ini, tegangan yang dibentuk sebelumnya melekat pada kepala. Di tempat pelepasan oleh otot yang teraktivasi adalah nol. Kemudian, bila ADP, terikat molekul ATP yang baru. Ikatan ATP baru sarkomer memendek dan filamen aktin mulai tumpang ini kemudian menyebabkan terlepasnya kepala dari tindih dengan filamen miosin, tegangan meningkat aktin. secara progresif sampai panjang sarkomer berkurang menjadi kira-kira 2,2 µm. Pada saat ini, filamen aktin5. Setelah kepala terpisah dari aktin, molekul ATP telah tumpang tindih pada semua jembatan silang filamen yang baru dipec.ah untuk memulai siklus baru, yang miosin tetapi masih belum mencapai pusat filamen miosin. menimbulkan suatu power stroke yang baru. Artinya, Dengan pemendekan selanjutnya, sarkomer tetap tegang energi sekali lagi \"mengokang\" kepala kembali ke sepenuhnya sampai titik Btercapai, saat panjang sarkomer kedudukan tegak lurusnya dan siap untuk memulai sekitar 2,0 µm. Pada saat ini, ujung-ujung kedua filamen siklus power stroke yang baru. aktin mulai saling tumpang tindih, selain tumpang tindih dengan filamen miosin. Pada waktu panjang sarkomer6. Bila kepala yang terkokang (disertai dengan energi berkurang dari 2 µm menjadi sekitar 1,65 µm, pada titik simpanannya yang berasal dari pemecahan ATP) A, kekuatan kontraksi berkurang dengan cepat. Pada berikatan dengan bagian aktif yang baru pada filamen titik ini, kedua lempeng Z sarkomer bersentuhan dengan aktin, kepala menjadi tidak terkokang dan sekali lagi ujung-ujung filamen miosin. Kemudian, bila kontraksi menyediakan power stroke. terus berlangsung sehingga lebih memendekkan panjang sarkomer, ujung-ujung filamen miosin menjadi kusut Dengan demikian, proses akan berlangsung terus dan, seperti yang ditunjukkan dalam gambar, kekuatansampai filamen aktin menarik membran Z menyentuh kontraksi mencapai nol, namun sarkomer sekarangujung akhir filamen miosin atau sampai beban pada otot berkontraksi sampai mencapai ukuran terpendeknya.menjadi terlalu besar untuk terjadi tarikan selanjutnya. Pengaruh Panjang Otot terhadap Kekuatan Kontraksijumlah Tumpang Tindih Filamen Aktin dan Miosin pada Otot yang Utuh. Kurva atas pada Gambar 6-10Menentukan Tegangan yang Dihasilkan oleh Otot mirip dengan kurva pada Gambar 6-9, tetapi kurva padayang Berkontraksi Gambar 6-10 memperlihatkan tegangan otot yang utuh dan lengkap, bukan satu serabut otot saja. Otot yangGambar 6-9 memperlihatkan efek panjang sarkomer dan lengkap memiliki banyak sekali jaringan ikat di dalamnya;jumlah tumpang tindih filamen aktin-miosin terhadap demikian pula, sarkomer di berbagai bagian otot tidak selalu berkontraksi dalam jumlah yang sama. Oleh karena itu, kurva tersebut memiliki beberapa perbedaan dimensi 100c: 50 A .... Tegangan selamata D 234 0 kontraksicO:l Panjang sarkomer (mikrometer) 0ta c:COl)l,.c..:.. ta. . Cl) cO:lc: I/I ta8.111 ... Ol~.J:. ~ Cl)E I-cta: Cl)CL. 0 0Gambar 6-9 Diagram panjang-tegangan untuk satu sarkomer 0 ++ +yang mengalam i kontraksi penuh, menggambarkan kekuatan 1/2 Normalkontraksi maksimum bila panjang sarkomer antara 2,0 sampai 2,2 normal 2x normalmikrometer. Pada bagian kanan atas diperlihatkan posisi relatif Panjang ototfilamen aktin dan miosin pada berbagai panjang sarkomer dari titik Gambar 6-10 Hubungan antara panjang otot dan tegangan ototA ke titik D. (Dimodifikasi dari Gordon AM, Huxley AF, dan Julian sebelum dan selama kontraksi otot.FJ: The length-tension diagram ofsingle vertebrate striated musclefibers.). Physiol. 171 :28P, 1964.) 79

Unit II Fisiologi fvfembran, Saraf, dan Otot ~ 30 :;::;dari kurva yang digambarkan untuk satu serabut otot,tetapi hal itu menunjukkan bentuk umum yang sama Q)untuk lerengpada rentang normal kontraksi, seperti yangterlihat pada Gambar 6-10. ~ ~ Perhatikan pada Gambar 6-10 bahwa bila otot berada ·u;dalam keadaan panjang istirahat normalnya, yaitu pada 20panjang sarkomer sekitar 2 µm, ia akan berkontraksi saat .;,:aktivasi dengan kekuatan kontraksi mendekati maksimum.Tapi,peningkatan tegangan yang muncul selama kontraksi, ~yang disebut tegangan aktif akan menurun bila otot \"Ediregangkan melebihi panjang normalnya-yaitu, hingga ...;0,:panjang sarkomer lebih dari 2,2 µm. Hal ini diperlihatkandengan adanya penurunan panjang panah dalam gambar cco: 10pada panjang otot yang melebihi normal. co Hubungan antara Kecepat an Kontraksi dan Beban 0. Sebuah otot rangka akan berkontraksi cepat bila ia berkontraksi tanpa melawan beban-mencapai keadaan Q) kontraksi penuh kira-kira dalam 0,1 detik untuk otot rata-rata. Bila beban diberikan, kecepatan kontraksi akan u menurun secara progresif seiring dengan penambahan Q) beban, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6-11. Dengan demikian, bila beban telah ditingkatkan sampai sama dengan ::..:: kekuatan maksimum yang dapat dilakukan otot tersebut, kecepatan kontraksi menjadi no! dan tidak terjadi kontraksi Berat kontraksi (kg) sama sekali, walaupun terjadi aktivasi serabut otot. Gambar 6- 11 Hubungan antara beban dan kece patan kontraksi Penurunan kecepatan kontraksi dengan beban ini pada sebuah otot rangka dengan potongan meli nta ng sebesar 1 disebabkan oleh kenyataan bahwa beban pada otot yang cm persegi dan panjang 8 cm. berkontraksi adalah kekuatan berlawanan arah yang melawan kekuatan kontraksi akibat kontraksi otot. Oleh karena itu, energi dibutuhkan untuk: (1) memompa ion kalsium kekuatan neto yang tersedia untuk menimbulkan kecepatan dan sarkoplasma ke dalam retikulum sarkoplasma pemendekan akan berkurang secara sesuai. setelah kontraksi berakhir, dan (2) memompa ion-ion natrium dan kalium melalui membran serabut otot untuk Energetika Kontraksi Otot mempertahankan lingkungan ionik yang cocok untuk pembentukan potensial aksi serabut otot.Hasil Kerja Selama Kontraksi Otot Konsentrasi ATP di dalam serabut otot, kira-kira 4Bila suatu otot berkontraksi melawan suatu beban, otot milimolar, cukup untuk mempertahankan kontraksiini akan melakukan kerja. Hal ini berarti bahwa ada energi penuh hanya selama 1 sampai 2 detik. ATP tersebutyang dipindahkan dari otot ke beban eksternal, sebagai pecah untuk membentuk ADP, yang memindahkancontoh, untuk mengangkat suatu objek ke tempat yang energi dari molekul ATP ke perangkat kontraksi serabutlebih tinggi atau untuk mengimbangi tahanan pada waktu otot. Lalu, seperti yang sudah dijelaskan di Bab 2, ADPmelakukan gerak. mengalami refosforilasi untuk membentuk ATP baru dalam sepersekian detik lagi, yang membiarkan otot untuk Pada perhitungan matematis, kerja ini didefinisikan melanjutkan kontraksi. Terdapat beberapa sumber energioleh persamaan berikut. untuk proses refosforilasi ini. W=LxD Sumber energi pertama yang digunakan untuk menyusun kembali ATP adalah substansi keratinfosfat,dengan W adalah hasil kerja, L adalah beban, dan D adalah yang membawa ikatan fosfat berenergi tinggi yang serupajarak pergerakan terhadap beban. Energi yang dibutuhkan dengan ikatan ATP. Ikatan fosfat berenergi tinggi dariuntuk melakukan kerja berasal dari reaksi kimia di sel otot kreatinfosfat memiliki jumlah energi bebas yang sedikitselama kontraksi, yang dibicarakan dalam bagian berikut. lebih tinggi daripada yang dimiliki oleh setiap ikatan ATP, yang dibicarakan lebih menyeluruh di Bab 67 dan 72. OlehSumber Energi untuk Kontraksi Otot karena itu, kreatinfosfat segera dipecahkan, dan pelepasan energinya menyebabkan terikatnya sebuah ion fosfat baruKita telah melihat bahwa kontraksi otot bergantung pada pada ADP untuk menyusun kembali ATP. Namun, jumlahenergi yang disediakan oleh ATP. Sebagian besar energi total kreatinfosfat pada serabut otot juga sangat kecil-ini dibutuhkan untuk menjalankan mekanisme \"berjalan- hanya sekitar lima kali lebih besar daripada jumlah ATP.bersama\" (walk-along mechanism) ketika jembatan silang Oleh karena itu, kombinasi energi dari ATP cadangan danmenarik filamen-filamen aktin, tetapi sejumlah kecil kreatinfosfat di dalam otot dapat menimbulkan kontraksi otot maksimal hanya untuk 5 sampai 8 detik.80 Sumber energi penting kedua, yang digunakan untuk menyusun kembali kreatinfosfat dan ATP, adalah \"glikolisis\" dari glikogen yang sebelumnya tersimpan dalam sel otot. Pemecahan glikogen secara enzimatik menjadi asam piruvat dan asam laktat yang berlangsung dengan cepat akan membebaskan energi yang digunakan untuk mengubah ADP menjadi ATP; ATP kemudian dapat digunakan secara langsung untuk memberi energi bagi kontraksi otot tambahan dan juga untuk membentuk kembali simpanan kreatinfosfat.

Makna penting mekanisme glikolisis ini ada dua. Bab 6 Kont raksi Otot RangkaPertama, reaksi glikolisis ini dapat terjadi bahkanbila tidak ada oksigen, sehingga kontraksi otot dapat Efisiensi maksimum dapat diwujudkan hanya bila otottetap dipertahankan untuk beberapa detik clan kadang berkontraksi dengan kecepatan sedang.Bila otot berkontraksisampai lebih dari satu menit, bahkan bila tidak tersedia secara lambat atau tanpa pergerakan sama sekali, sejumlahoksigen yang dihantarkan lewat darah. Kedua, kecepatan kecil panas pemeliharaan (maintenance heat) dilepaskanpembentukan ATP oleh proses glikolisis kira-kira 2,5 kali selama proses kontraksi, walaupun demikian kerja yangkecepatan pembentukan ATP sebagai respons terhadap dilakukan hanya sedikit atau tidak ada sama sekali, sehinggazat makanan sel yang bereaksi dengan oksigen. Namun, menurunkan efisiensi menjadi nol. Sebaliknya, bila kontraksibegitu banyak produk akhir glikolisis berkumpul dalam terlalu cepat, sejumlah besar energi digunakan untuksel otot sehingga glikolisis kehilangan kemampuannya melawan gesekan viskositas di dalam otot itu sendiri, danuntuk mempertahankan kontraksi otot maksimum setelah ha! ini, juga, akan mengurangi efisiensi kontraksi. Biasanya,sekitar 1 menit. efisiensi maksimum terbentuk bila kecepatan kontraksi kira- kira 30 persen nilai maksimum. Sumber energi ketiga sekaligus yang terakhir adalahmetabolisme oksidatif. Hal ini berarti mengombinasikan Karakteristik Kontraksi Seberkas Ototoksigen dengan produk akhir glikolisis clan berbagai zatmakanan sel lainnya untuk membebaskan ATP. Lebih Banyak sifat kontraksi otot dapat diperlihatkan dengandari 95 persen energi yang digunakan oleh otot untuk menimbulkan kedutan tunggal otot. Hal ini dapat dicapaikontraksi jangka panjang yang berkesinambungan berasal dengan memberi eksitasi listrik secara tiba-tiba pada sarafdari sumber ini. Zat makanan yang dikonsumsi adalah yang menyarafi otot atau dengan melewatkan rangsangankarbohidrat, lemak, clan protein. Untuk aktivitas otot listrik singkat ke otot itu sendiri. Hal ini akan menimbulkanmaksimal yang berlangsung sangat lama-lebih dari kontraksi tunggal yang mendadak dan berlangsungberjam-jam-proporsi energi yang terbesar berasal dari sepersekian detik.lemak, tetapi untuk periode kontraksi selama 2 sampai 4jam, separuh energinya dapat berasal dari karbohidrat. Kontraksi lsometrik versus Kontraksi lsotonik. Kontraksi otot dikatakan isometrik bila otot tidak memendek selama Mekanisme terperinci proses energetika ini dibicarakan kontraksi, dan dikatakan isotonik bila otot memendek namundi Bab 67 sampai 72. Selain itu, makna penting berbagai tegangan pada otot tetap konstan selama kontraksi. Sistemmekanisme pelepasan energi saat melakukan bermacam- yang mencatat kedua jenis kontraksi otot ini ditunjukkanmacam olahraga dibicarakan di Bab 84 pada fisiologi pada Gambar 6-12.olahraga. Pada sistem isometrik, otot berkontraksi melawan Efisiensi Kontraksi Otot. Efisiensi sebuah mesin atau transduser kekuatan tanpa mengurangi panjang otot, seperti motor dihitung sebagai persentase masukan energi yang yang diperlihatkan pada bagian kanan Gambar 6-12. Pada diubah menjadi kerja, bukan menjadi panas. Persentase sistem isotonik, otot memendek melawan beban yang tetap; energi yang masuk ke otot (energi kimiawi dalam zat gizi) ha! ini digambarkan pada bagian kiri dalam gambar, yang yang dapat diubah menjadi kerja, bahkan dalam kondisi memperlihatkansuatuototyangsedangmengangkatsejumlah terbaik, adalah kura ng dari 25 persen, dan sisanya menjadi beban. Gambaran khas kontraksi isotonik bergantung pada panas. Penyebab dari efisiensi yang rendah ini karena kira- beban yang dilawan oleh kontraksi otot, serta inersia beban. kira separuh energi di dalam zat makanan akan hilang pada Namun, sistem isometrik hanya merekam perubahan pada pembentukan ATP, dan kemudian, hanya 40 sampai 45 kekuatan kontraksi otot itu sendiri saja. Oleh karena itu persen energi dalam ATP itu sendiri yang kemudian dapat sistem isometrik adalah sistem yang paling sering digunakan diubah menjadi kerja. bila kita hendak membandingkan karakteristik fungsional berbagai jenis otot.Sistem isotonik Ke pe rekam e lektronik Karakteristik Kedutan lsometrik yang Direkam dari Berbagai Otot. Tubuh manusia mempunyai otot rangka Sistem isometrik dengan berbagai ukuran-dari otot stapedius dalam telinga tengah sepanjang hanya beberapa milimeter dan berdiameterGambar 6-12 Sistem isometrik dan isotonik untuk merekam satu milimeter, hingga otot kuadrisep yang besar, yaknikontraksi otot. setengah juta kali lebih besar daripada otot stapedius. Selanjutnya, serabut-serabut dapat berdiameter sekecil 10 µm atau sebesar 80 µm. Akhirnya, energetika kontraksi otot sangat bervariasi dari otot yang satu dengan otot yang lain. Oleh karena itu, tidak mengherankan bila karakteristik mekanis kontraksi otot berbeda untuk masing-masing otot. Gambar 6-13 menunjukkan rekaman kontraksi isometrik dari tiga jenis otot. rangka: otot mata, yang mempunyai lama kontraksi isometrik kurang dari 1/50 detik; otot gastroknemius, yang mempunyai lama ko ntraksi kira- kira 1/15 detik; dan otot soleus yang mempunyai lama kontraksi kira-kira 1/5 detik. Hal yang menarik adalah bahwa lama kontraksi ini disesuaikan dengan fungsi otot 81

Unit II Fisiologi Membran, Saraf, dan Otot begitu penting. (5) Lebih sedikit mitokondria, juga karena metabolisme oksidatif tidak begitu penting. Jumlah Durasi mioglobin merah yang sedikit pada otot cepat sehingga otot depolarisasi ini dinamakan otot putih. 0 40 80 120 160 200 Mekanisme Kontraksi Otot Rangka Milidetik Unit Motorik-Seluruh Serabut otot Diinervasi olehGambar 6-13 Lama kontraksi isometrik berbagai jenis otot rangka Serat SarafTunggal. Setiap motoneuron yang meninggalkanmamalia, yang memperlihatkan masa laten antara potensial aksi medula spinalis akan mempersarafi berbagai serabut otot, dan(depolarisasi) dan kontraksi otot. jumlahnya bergantung pada jenis otot. Semua serabut otot yang dipersarafi oleh satu serat saraf disebut unit motorik. tersebut. Pergerakan mata harus sangat cepat agar dapat Pada umumnya, otot-otot kecil yang bereaksi dengan cepat mempertahankan fiksasi mata pada objek-objek dan dan yang pengaturannya harus tepat mempunyai lebih diperoleh penglihatan yang akurat. Otot gastroknemius banyak serat saraf untuk serabut otot yang lebih sedikit harus berkontraksi cukup cepat untuk menghasilkan jumlahnya (misalnya, hanya dua sampai tiga serabut otot kecepatan yang cukup pada pergerakan tungkai untuk berlari per unit motorik pada beberapa otot laring). Sebaliknya, otot dan melompat, dan otot soleus pada dasarnya berhubungan besar yang tidak memerlukan pengaturan halus, seperti otot dengan kontraksi lambat untuk menyokong tubuh terhadap soleus, mungkin mempunyai beberapa ratus serabut otot gaya gravitasi dalam waktu yang lama secara kontinu. dalam satu unit motorik. Gambaran umum untuk semua otot tubuh masih dipertanyakan, tetapi dugaan kuat adalah Serabut Otot Cepat versus Serabut Otot Lambat. sekitar 80 sampai 100 serabut otot untuk satu unit motorik. Seperti yang akan kita bicarakan lebih mendalam di Bab 84 mengenai fisiologi olahraga, setiap otot tubuh terdiri atas Serabut-serabut otot dalam setiap unit motorik tidak campuran serabut otot cepat dan lambat, serta serabut otot seluruhnya terkumpul bersama-sama dalam satu otot lain dengan kecepatan antara kedua kecepatan ekstrem di tetapi tumpang tindih dengan unit motorik lain dalam atas. Otot-otot yang bereaksi dengan cepat, terutama otot suatu berkas mikro yang terdiri atas 3 sampai 15 serabut. tibialis anterior, terutama terdiri atas serabut-serabut \"cepat\" Pertautan ini menyebabkan unit motorik yang terpisah akan dengan hanya sejumlah kecil serabut jenis lambat. Sebaliknya, berkontraksi untuk membantu unit yang lain dan bukan otot seperti otot soleus yang bereaksi lambat tetapi dengan secara keseluruhan sebagai segmen tersendiri. kontraksi yang lama terutama terdiri atas serabut-serabut \"lambat''. Perbedaan antara kedua jenis serabut ini adalah Kontraksi Otot pada Kekuatan yang Berbeda- sebagai berikut. Beda-Sumasi Kekuatan. Sumasi berarti penjumlahan setiap kontraksi kedutan untuk meningkatkan intensitas Serabut Lambat (Tipe I, Ot ot Merah). (1) Serabutnya keseluruhan kontraksi otot. Sumasi terjadi dalam dua lebih kecil. (2) Juga dipersarafi oleh serat-serat saraf yang cara: (1) dengan meningkatkan jumlah unit motorik yang lebih kecil. (3) Sistem pembuluh darah dan kapiler yang berkontraksi secara bersama-sama, yang disebut sumasi lebih luas untuk menyediakan sejumlah oksigen tambahan. serabut multipel, dan (2) dengan meningkatkan frekuensi (4) Peningkatan hebat pada jumlah mitokondria, juga untuk kontraksi, yang disebut sumasi frekuensi dan dapat membantu tingkat metabolisme oksidatif yang tinggi. (5) menimbulkan tetanisasi. Serabut-serabut mengandung sejumlah besar mioglobin, yakni suatu protein yang mengandung besi serupa dengan Sumasi Serabut Multipel. Bila sistem saraf pusat hemoglobin sel-sel darah merah. Mioglobin bergabung mengirimkan sinyal yang lemah untuk menimbulkan dengan oksigen dan menyimpan oksigen tersebut sampai kontraksi otot, yang lebih sering terangsang adalah unit diperlukan; ha! ini juga sangat mempercepat transpor motorik dalam otot yang mengandung serabut otot yang oksigen ke mitokondria. Pada otot lambat, mioglobin lebih kecil daripada unit motorik yang lebih besar. Kemudian. memberi warna kemerah-merahan sehingga dinamakan ketika kekuatan sinyal meningkat, unit motorik yang mulai otot merah. terangsang juga semakin besar, dengan unit motorik yang terbesar sering kali memiliki kekuatan kontraksi 50 kali lebih Serabut Cepat (Tipe II, Otot Putih). (1) Serabut kuat daripada kekuatan kontraksi unit yang paling kecil. Hal besar untuk kekuatan kontraksi yang besar. (2) Retikulum ini disebutprinsip ukuran. Peristiwa tersebut bersifat penting, sarkoplasma yang luas sehingga dapat dengan cepat karena dapat menghasilkan gradasi kekuatan otot untuk melepaskan ion-ion kalsium untuk memulai kontraksi. (3) menimbulkan kontraksi lemah pada tahap kecil, sementara Sejumlah besar enzim glikolisis untuk pelepasan energi tahap-tahap ini secara progresif akan menjadi semakin yang cepat melalui proses glikolisis. (4) Suplai darah yang besar saat diperlukan sejumlah besar daya. Penyebab prinsip tidak terlalu luas karena metabolisme oksidatif tidak ukuran ini adalah unit motorik yang lebih kecil dirangsang oleh serabut saraf motorik yang kecil, dan motoneuron kecil dalam medula spinalis lebih mudah terangsang daripada motoneuron yang besar, sehingga secara alami motoneuron kecil yang pertama kali akan terangsang. Gambaran penting lainnya dari sumasi serabut multipel adalah bahwa berbagai unit motorik dirangsang secara tidak sinkron oleh medula spinalis, sehingga terjadi kontraksi82

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Bab 6 Kontraksi Otot Rangka Kecepatan terhadap stimulasi (waktu per detik) Meskipun semua kemungkinan penyebab dari efekGambar 6-14 Frekuensi sumasi dan tetanisasi. tangga ini belum diketahui, diduga penyebab utamanya ialah peningkatan ion kalsium dalam sitosol akibat pelepasan ion yang saling bergantian di antara satu unit motorik clan unit yang semakin banyak dari retikulum sarkoplasma pada motorik lainnya, sehingga menimbulkan kontraksi yang setiap potensial aksi otot yang berurutan, clan kegagalan halus bahkan pada frekuensi sinyal saraf yang rendah. sarkoplasma untuk mengambil kembali ion-ion ini dengan segera. Frekuensi Sumasi dan Tet anisasi. Gambar 6-14 memperlihatkan prinsip-prinsip frekuensi sumasi clan Tonus Otot Rangka. Bahkan bila otot berada dalam tetanisasi. Ke arah kiri terlihat masing-masing kontraksi keadaan istirahat, biasanya sejumlah tegangan masih tetap kedutan yang terjadi satu persatu pada frekuensi perangsangan ada. Tegangan ini disebut tonus otot. Oleh karena serabut- yang rendah. Kemudian, ketika frekuensi meningkat, otot rangka normal tidak akan berkontraksi jika tidak ada sampailah pada suatu titik ketika kontraksi yang bani timbul potensial aksi yang merangsang serabut tersebut, tonus sebelum kontraksi yang terdahulu berakhir. Sebagai akibatnya, otot rangka secara keseluruhan dihasilkan dari impuls saraf sebagian kontraksi yang kedua akan ditambahkan pada berkecepatan rendah yang berasal dari medula spinalis. kontraksi yang pertama, sehingga kekuatan kontraksi total Impuls saraf ini, sebaliknya, diatur sebagian oleh sinyal yang meningkat secara progresif bersama dengan peningkatan dijalarkan dari otak ke motoneuron anterior medula spinalis frekuensi. Bila frekuensi mencapai titik kritis, terjadinya yang sesuai, clan sebagian lagi oleh sinyal- yang berasal dari kontraksi berikutnya akhirnya menjadi begitu cepat sehingga gelendong otot yang terdapat di dalam otot itu sendiri. Kedua kontraksi-kontraksi tersebut benar-benar bersatu bersama- ha! ini akan didiskusikan di Bab 54 dalam hubungannya sama, clan kontraksi secara keseluruhan nampak halus clan dengan fungsi medula spinalis clan gelendong otot. berlangsung terus-menerus, seperti yang tampak dalam Gambar. Peristiwa ini disebut tetanisasi. Pada frekuensi Kelelahan Otot. Kontraksi otot yang kuat clan lama yang sedikit lebih tinggi, kekuatan kontraksi akan mencapai mengakibatkan keadaan yang dikenal sebagai kelelahan otot. tingkat maksimumnya, sehingga tambahan peningkatan apa Penelitian pada atlet menunjukkan bahwa kelelahan otot pun pada frekuensi di atas titik ini tidak akan memberi efek meningkat hampir berbanding langsung dengan kecepatan peningkatan kekuatan kontraksi lebih lanju.t. Hal ini terjadi pengurangan glikogen otot. Oleh karena itu, kelelahan karena terdapat cukup ion kalsium yang dipertahankan dalam terutama disebabkan ketidakmampuan proses kontraksi sarkoplasma otot, bahkan di antara potensial aksi, sehingga clan metabolisme serabut otot untuk terus memberikan terjadi keadaan kontraksi penuh yang berlangsung terus- hasil kerja yang sama. Tapi, percobaan-percobaan juga menerus tanpa memungkinkan adanya relaksasi apa pun di telah menunjukkan bahwa transmisi sinyal saraf melalui antara potensial aksi. taut saraf-otot, yang dib!carakan di Bab 7, dapat berkurang setidaknya dalam jumlah kecil setelah aktivitas otot yang Kekuatan Maksimum Kontraksi. Kekuatan maksimum lama clan intensif, sehingga mengurangi kontraksi otot lebih pada ko ntraksi tetani sebuah otot yang bekerja pada panjang lanjut. Hambatan aliran darah yang menuju otot yang sedang otot normal, rata-rata antara 3 clan 4 kg per cm persegi otot, berkontraksi menyebabkan kelelahan otot hampir sempurna atau 50 pon per inci persegi. Oleh karena otot kuadriseps dalam satu atau 2 menit karena kehilangan suplai makanan, dapat memiliki bagian perut otot sampai 16 inci persegi, terutama kehilangan oksigen. maka tegangan sebesar 800 pon dapat diberikan pada tendo patela. Oleh karenanya, kita dapat mengerti bahwa otot Sistem Pengungkit Tubuh. Otot bekerja dengan dapat menarik tendonnya keluar dan insersinya di tulang. memberikan tegangan pada tempat-tempat insersi di dalam tulang, clan tulang-tulang kemudian membentuk Perubahan Kekuatan Otot pada Onset Kontraksi - Efek Tangga (Treppe). Bila sebuah otot memulai kontraksi Gambar 6-15 Sistem pengungkit yang diaktifkan oleh otot biseps. sesudah periode istirahat yang lama, kekuatan kontraksi permulaannya mungkin hanya setengah kekuatan dari 10 83 sampai 50 kedutan sesudahnya. Artinya, kekuatan kontraksi meningkat sampai garis mendatar (plateau), suatu fenomena yang disebut efek tangga, atau treppe.

Unit II Fisiologi fvtembran, Saraf, dan Otot Kita akan mengetahui di Bab 54 bahwa sistem saraf motorik memiliki mekanisme penting tambahan untuk berbagai jenis sistem pengungkit. Gambar 6-15 melukiskan mengompensasi berbagai beban otot ketika mengarahkan sistem pengungkit yang diaktifkan oleh otot biseps untuk proses penempatan posisi ini. mengangkat lengan bawah. Bila kita menganggap bahwa sebuah otot biseps yang besar mempunyai luas potongan Remodeling Otot untuk Penyesuaian Fungsi melintang sebesar 6 inci persegi, maka kekuatan kontraksi Semua otot tubuh secara terus-menerus dibentuk kembali maksimal adalah sekitar 300 pon. Bila lengan bawah berada (remodeled) untuk menyesuaikan fungsi-fungsi yang tepat pada sudut siku-siku dengan lengan atas, perlekatan dibutuhkan mereka. Diameternya diubah, panjangnya tendo biseps kira-kira 2 inci di sebelah anterior dari fulkrum diubah, kekuatannya diubah, suplai pembuluh darahnya sendi siku, clan panjang seluruh pengungkit lengan bawah diubah, clan bahkan tipe serabut ototnya diubah setidaknya kira-kira 14 inci. Oleh karena itu, jumlah daya angkat biseps hanya sedikit. Proses pengubahan bentuk ini (remodeling) pada tangan hanya satu per tujuh dari 300 pon kekuatan sering kali berlangsung cepat, dalam waktu beberapa minggu. otot, atau kira-kira 43 pon Bila lengan dalam keadaan Ternyata, percobaan pada hewan telah menunjukkan bahwa ekstensi penuh, perlekatan biseps akan lebih pendek dari 2 protein kontraktil otot pada otot yang lebih kecil clan aktif inci di sebelah anterior fulkrum, clan kekuatan yang dapat dapat diganti sesingkat 2 minggu. menggerakkan tangan ke depan juga lebih kecil dari 43 pon. Hipertrofi Otot dan Atrofi Otot. Bila massa total suatu Secara singkat, suatu analisis mengenai sistem pengungkit otot meningkat, peritiwa ini disebut hipertrofi otot. Bila tubuh bergantung pada pengetahuan tentang (1) tempat- massanya menurun, proses ini disebut atrofi otot. tempat insersi otot, (2) jaraknya dari fulkrum pengungkit, (3) panjang lengan pengungkit, clan (4) posisi pengungkit. Sebenarnya, semua hipertrofi otot adalah akibat dari Tubuh membutuhkan banyak jenis pergerakan, clan suatu peningkatan jumlah filamen aktin clan miosin dalam beberapa di antaranya membutuhkan kekuatan yang besar setiap serabut otot, menyebabkan pembesaran masing- serta beberapa yang lain membutuhkan jarak pergerakan masing serabut otot; ha! ini secara sederhana disebut yang jauh. Oleh karena itu, ada bermacam-macam otot; hipertrofi serabut. Hipertrofi yang sangat luas dapat terjadi beberapa otot ukurannya panjang clan berkontraksi lama, bila otot-otot diberikan beban selama proses kontraksi. clan beberapa yang lain ukurannya pendek tetapi mempunyai Untuk menghasilkan hipertrofi hampir maksimum dalam luas potongan melintang yang besar clan dapat menghasilkan waktu 6 sampai 10 minggu, hanya dibutuhkan sedikit kekuatan kontraksi yang ekstrem pada jarak yang pendek. kontraksi kuat setiap harinya. Penelitian mengenai berbagai jenis otot, sistem pengungkit, clan pengerakannya disebut kinesiologi clan merupakan Bagaimana kontraksi yang sangat kuat ini dapat komponen ilmu pengetahuan yang sangat penting pada menimbulkan hipertrofi masih belum diketahui. Namun, fisioanatomi manusia. telah diketahui bahwa selama terjadi hipertrofi, sintesis protein kontraktil otot berlangsung jauh lebih cepat, \"Sikap Posisi' suatu Bagian Tubuh Akibat Kontraksi Otot sehingga juga menghasilkan jumlah filamen aktin clan miosin Agonis dan Antagonis pada Sisi Sendi yang Berlawanan- yang bertambah banyak secara progresif di dalam miofibril. \"Koaktivasi\" Otot Antagonis. Hampir semua gerakan tubuh yang sering kali meningkat sampai 50 persen. Kemudian, disebabkan oleh kontraksi otot agonis clan antagonis pada telah diamati bahwa beberapa miofibril itu sendiri akan sisi sendi yang berlawanan yang berlangsung bersama-sama. memecah di dalam otot yang mengalami hipertrofi untuk Keadaan ini disebut koaktivasi otot agonis clan antagonis, clan membentuk miofibril yang baru, namun kepentingan ha! ini dikendalikan oleh pusat kontrol motorik otak clan medula pada hipertrofi otot biasa belum diketahui. spinalis. Bersama dengan peningkatan ukuran miofibril, sistem Posisi masing-masing bagian tubuh yang terpisah, enzim yang menyediakan energi juga bertambah. Hal ini seperti satu lengan atau satu tungkai, ditentukan oleh derajat terutama terjadi pada enzim-enzim yang dipakai untuk kontraksi relatif dari serangkaian otot agonis clan antagonis. glikolisis, yang memungkinkan terjadinya penyediaan energi Contoh, mari kita asumsikan bahwa satu lengan atau satu yang cepat selama kontraksi otot yang kuat clan singkat. tungkai ditempatkan pada posisi tengah. Untuk mencapai ha! ini, otot-otot agonis clan antagonis tereksitasi kira-kira Bila suatu otot tidak digunakan selama berminggu- sama kuat. Ingatlah bahwa otot yang lebih panjang akan minggu, kecepatan penghancuran protein kontraktil akan berkontraksi dengan kekuatan yang lebih besar daripada berlangsung lebih cepat daripada kecepatan penggantiannya. otot yang pendek, yang diperlihatkan pada Gambar 6-10, Oleh karena itu, terjadi atrofi otot. Jalur yang muncul nampak bahwa terdapat kekuatan kontraksi maksimum pada untuk menjelaskan sebagian besar degradasi protein pada panjang otot fungsional yang lengkap, clan hampir tidak ada otot yang mengalami atrofi adalah jalur ATP-dependent kekuatan kontraksi apa pun pada setengah panjang normal. ubiquitin-proteasome. Proteasome adalah kompleks protein Oleh karena itu, otot-otot panjang pada satu sisi sendi besar yang mendegradasi protein rusak atau protein yang dapat berkontraksi dengan kekuatan yang jauh lebih besar tidak dibutuhkan dengan cara proteolisis, reaksi kimia yang daripada otot yang lebih pendek pada sisi yang berlawanan. memecah ikatan peptida. Ubiquitin adalah protein pengatur Ketika sebuah lengan atau tungkai bergerak ke arah posisi yang pada dasarnya menandai sel mana yang akan menjadi tengah, kekuatan otot yang lebih panjang akan berkurang, target degradasi proteosomal. sementara kekuatan otot yang lebih pendek akan meningkat sampai kedua kekuatan setara satu sama lain. Pada tahap ini, Penyesuaian Panjang Otot. Bila otot diregangkan pergerakan lengan atau tungkai akan berhenti. Jadi, dengan hingga panjangnya melebihi normal. dapat terjadi melakukan variasi perbandingan derajat aktivasi otot-otot jenis hipertrofi yang lain. Peristiwa ini menyebabkan agonis clan antagonis, sistem saraf menentukan posisi lengan bertambahnya sarkomer baru pada ujung serabut otot, atau tungkai.84

tempat otot melekat pada tendon. Bahkan, sarkomer dapat Bab 6 Kontraksi Otot Rangkaditambahkan dengan kecepatan beberapa sarkomer permenit pada otot yang baru berkembang, yang melukiskan saraf yang tersisa akan bercabang untuk membentuk akson-kecepatan jenis hipertrofi ini. baru yang kemudian mempersarafi banyak serabut otot yang paralisis. Peristiwa ini akan menghasilkan unit motorik yang Sebaliknya, bila suatu otot secara terus-menerus besar, yang disebut unit makromotor, yang dapat mengandungtetap memendek hingga kurang dari panjang normalnya, serabut otot sebanyak lima kali jumlah normal untuk setiapsarkomer-sarkomer pada ujung-ujung serabut otot dapat motoneuron yang berasal dari medula spinalis. Hal inibenar-benar menghilang. Melalui proses inilah otot secara akan mengurangi kehalusan pengaturan yang kita miliki dikontinu dibentuk kembali untuk mencapai panjang yang seluruh otot tetapi memungkinkan otot-otot memperolehsesuai bagi kontraksi otot tertentu. kekuatannya dengan derajat kekuatan yang bervariasi. Hiperplasia Serabut Otot. Pada kondisi yang jarang, Rigor Mortisyaitu pada pembentukan kekuatan ototyang ekstrem,selain Beberapa jam setelah kematian, semua otot tubuh masukproses hipertrofi serabut, telah diamati pula terjadinya dalam keadaan kontraktur yang disebut \"rigor mortis\"; yaitu,peningkatan jumlah serabut otot yang sesungguhnya otot-otot berkontraksi dan menjadi kaku, meskipun tidak(tetapi hanya beberapa persen saja). Peningkatan jumlah terdapat potensial aksi. Kekakuan ini berasal dari kehilanganserabut ini disebut hiperplasia serabut. Bila ha! ini terjadi, semua ATP, yang dibutuhkan untuk menyebabkanmekanismenya adalah penguraian yang linear dari serabut pemisahan jembatan silang dari filamen aktin selama prosesyang telah membesar sebelumnya. relaksasi. Otot tetap berada dalam keadaan kaku sampai protein otot mengalami kerusakan setelah 15 sampai 25 jam Pengaruh Denervasi Otot. Bila suatu otot kehilangan kemudian, yang diasumsikan terjadi akibat autolisis olehsuplai sarafnya, otot tersebut tidak lagi menerima sinyal enzim-enzim yang dikeluarkan dari lisosom. Seluruh proseskontraksi yang dibutuhkan untuk mempertahankan ini berlangsung lebih cepat pada suhu yang lebih tinggi.ukuran otot yang normal. Oleh karena itu, atrofiotot hampir segera terjadi. Setelah sekitar dua bulan, Daftar Pustakaperubahan degeneratif juga mulai tampak pada serabutotot itu sendiri. Jika inervasi saraf dalam otot tersebut Allen DG, Lamb GD, Westerblad H: Skeletal muscle fatigue: cellulartumbuh kembali dengan cepat, pengembalian seluruhfungsi otot secara sempurna dapat terjadi dalam waktu mechanisms, Physiol Rev 88:287, 2008.sekurang-kurangnya 3 bulan, namun bila lebih dari waktutersebut (3 bulan), kemampuan fungsional otot menjadi Berchtold MW, Brinkmeier H, Muntener M: Calcium ion in skeletal muscle:semakin berkurang, dan setelah 1 sampai 2 tahun tidaklagi terjadi pengembalian fungsi lebih lanjut. its crucial role for muscle function, plasticity, and disease, Physiol Rev Pada tahap akhir atrofi akibat denervasi, sebagian besar 80:1215, 2000.serabut otot akan rusak clan digantikan oleh jaringanfibrosa dan jaringan lemak. Serabut-serabut yang tersisa Cheng H, LedererWj: Calcium sparks, Physiol Rev 88:1491 , 2008.hanya terdiri atas membran sel panjang dengan barisaninti sel otot tetapi dengan beberapa atau tanpa disertai Clanton TL, Levine S: Respiratory muscle fiber remodeling in chronicsifat kontraksi clan sedikit atau tanpa kemampuan untukmembentuk kembali miofibril jika saraf tumbuh kembali. hyperinflation: dysfunction or adaptation?} Appl Physiol 107:324, 2009. Clausen T: Na•-K• pump regulation and skeletal muscle contractility, Physiol Jaringan fibrosa yang menggantikan serabut-serabutotot selama atrofi akibat denervasi juga memiliki Rev 83:1269, 2003.kecenderungan untuk terus memendek selama berbulan-bulan, yang disebut kontraktur. Oleh karena itu, satu Dirksen RT: Checking your SOCCs and feet: the molecular mechanisms ofmasalah yang paling penting dalam melakukan terapi fisikadalah mempertahankan otot yang sedang mengalami Caz• entry in skeletal muscle,} Physiol 587:3139, 2009.atrofi ini agar tidak mengalami kelemahan (debilitating) Fitts RH : The cross-bridge cycle and skeletal muscle fatigue,} Appl Physioldan kontraktur yang merusak bentuk. Hal ini dicapaidengan melakukan peregangan otot-otot setiap hari atau 104:551, 2008.dengan menggunakan alat-alat yang mempertahankan Glass DJ: Signalling pathways that mediate skeletal muscle hypertrophy andotot-otot agar tetap teregang selama proses atrofiberlangsung. atrophy, Nat Cell Biol 5:87, 2003. Pemulihan Kontraksi Otot pada Poliomielitis: Gordon AM, Regnier M, Homsher E: Skeletal and cardiac musde contractile Pembentukan Unit Makromotor. Bila beberapa namun tak semua serabut saraf yang menuju otot mengalami kerusakan, activation: tropomyosin \"rocks and rolls\", News Physiol Sci 16:49, 2001. seperti yang umumnya terjadi pada poliomielitis, serabut Gunning P, O 'Neill G, Hardeman E: Tropomyosin-based regulation of the actin cytoskeleton in time and space, Physiol Rev 88:1, 2008. Huxley AF, Gordon AM: Striation patterns in active and passive shortening of muscle, Nature (Lond) 193:280, 1962. Kj<Er M: Role of extracellular matrix in adaptation of tendon and skeletal muscle to mechanical loading, Physiol Rev 84:649, 2004. Lynch GS, Ryall JG: Role of beta-adrenoceptor signaling in skeletal muscle: implications for muscle wasting and disease, Physiol Rev 88: 729, 2008. Macintosh BR: Role of calcium sensitivity modulation in skeletal muscle performance, News Physiol Sci 18:222, 2003. Phillips SM, Glover El, Rennie MJ: Alterations of protein turnover underlying disuse atrophy in human skeletal muscle.} Appl Physiol 107:645. 2009. Powers SK, Jackson MJ: Exercise-induced oxidative stress: cellular mechanisms and impact on muscle force production, Physiol Rev 88:1243, 2008. Sandri M: Signaling in muscle atrophy and hypertrophy,Physiology (Bethesda) 160, 2008. Sieck GC, Regnier M: Plasticity and energetic demands of contraction in skeletal and cardiac muscle,} Appl Physiol 90:1158, 2001. Treves S,Vukcevic M, Maj M, et al: Minor sarcoplasmic reticulum membrane components that modulate excitation-contraction coupling in striated muscles,} Physiol 587:3071, 2009. 85



BAB 7 Eksitasi Otot Rangka: Penghantaran Saraf-Ototdan Rangkaian El<sitasi-l(ontraksi Alih Bahasa: dr. Trinovita Andraini Editor: drg. Antonia Tanzil Penghantaran lmpuls dari Saraf ke Serabut terdapat sejumlah besar enzim asetilkolinesterase, yang Otot Rangka: Taut Saraf-Otot merusak asetilkolin beberapa milidetik setelah dikeluarkan dari vesikel sinaps.Serabut otot rangka dipersarafi oleh serat saraf besarclan bermielin yang berasal dari motoneuron besar pada Sekresi Asetilkolin oleh Terminal Sarafkornu anterior medula spinalis. Seperti yang ditekankandi Bab 6, setiap serat saraf setelah memasuki bagian perut Bila suatu impuls saraf tiba di taut saraf-otot, sekitar 125otot, normalnya bercabang clan merangsang tiga sampai vesikel asetilkolin dilepaskan dari terminal clan masukbeberapa ratus serabut otot rangka. Masing-masing ke dalam ruang sinaps. Beberapa detail dari mekanismeujung saraf membuat suatu taut, yang disebut taut saraf- ini dapat dilihat pada Gambar 7-2, yang memperlihatkanotot, dengan serabut otot dekat pertengahan serabutnya. suatu pandangan yang diperbesar dari ruang sinapsPotensial aksi yang dibangkitkan pada serabut otot oleh dengan membran saraf di atasnya clan membran ototsinyal saraf menjalar menuju dua arah ke kedua ujung serta celah subneural di bagian bawah.serabut otot. Dengan pengecualian sekitar 2 persen serabutotot, hanya ada satu taut semacam ini per serabut otot. Pada sisi dalam permukaan membran saraf terdapat linear dense bar, yang diperlihatkan dalam bentuk Anatomi Fisiologis Taut Saraf-Otot-Motor End potongan melintang pada Gambar 7-2. Di setiap sisi dariPlate. Gambar 7-lA clan B memperlihatkan taut saraf- setiap dense bar terdapat partikel protein yang menembusotot dari serat saraf bermielin yang besar ke satu serabut membran saraf; partikel protein ini merupakan kanalotot rangka. Serat saraf membentuk suatu kompleks kalsium berpintu listrik (voltage-gated calcium channels).terminal cabang saraf yang berinvaginasi ke permukaan Bila suatu potensial aksi menyebar ke seluruh terminal,motor end plate. Motor end plate ditutupi oleh satu kanal ini akan terbuka clan memungkinkan sejumlahatau lebih sel Schwann yang menyekatnya dari cairan di ion kalsium untuk berdifusi dari ruang sinaps ke bagiansekelilingnya. dalam terminal saraf. Ion-ion kalsium ini, kemudian diduga mempunyai pengaruh tarikan terhadap vesikel Gambar 7-lC memperlihatkan suatu sketsa asetilkolin, clan menariknya ke membran saraf yangmikrografik elektron taut antara terminal akson tunggal berdekatan dengan dense bar. Vesikel tersebut lalu berfusiclan membran serabut otot. Membran yang mengalami dengan membran saraf clan mengeluarkan asetilkolinnyainvaginasi itu disebut parit sinaps atau palung sinaps, ke dalam ruang sinaps melalui proses eksositosis.clan ruangan antara terminal clan membran serabutdisebut celah sinaps atau ruang sinaps. Celah sinaps ini Walaupun beberapa detail yang telah disebut dilebarnya 20 sampai 30 nanometer. Pada bagian dasar parit atas masih merupakan dugaan, telah diketahui bahwa rangsangan yang efektif agar asetilkolin dapat dilepaskanterdapat banyak lipatan membran otot yang lebih kecil dari vesikel adalah masuknya ion kalsium, dan asetilkolinyang disebut cefafl subneuraf, yang sangat memperluas dalam vesikel tersebut kemudian dikosongkan melaluipermukaan daerah tempat transmiter sinaptik bekerja. mem.bran 1larafyang berde katan dengan dense bar. Di terminal akson terdapat banyak mitokondria yangmenyediakan adenosin trifosfat (ATP), yaitu sumber Pengaruh Asetilkolin terhadap Membran Serabutenergi yang digunakan untuk sintesis bahan transmiter Otot Pascasinaps untuk Membuka Kanai Ion. Gambarpengeksitasi, yakni asetilkolin. Asetilkolin kemudian 7-2 memperlihatkan banyak reseptor asetilkolin yangmengeksitasi membran serabut otot. Asetilkolin disintesis kecil dalam membran serabut otot; ini merupakandalam sitoplasma bagian terminal, namun dengan cepat acetylcholine-gated ion channels (kanal ion dengan pintudiabsorbsi ke dalam sejumlah vesikel sinaps yang kecil, yang diaktifkan oleh asetilkolin), dan kanal ion tersebutkira-kira 300.000, yang dalam keadaan normal terdapat terletak hampir seluruhnya dekat mulut celah subneuraldi bagian terminal end plate tunggal. Di ruang sinaps yang terletak tepat di bawah daerah dense bar, tempat asetilkolin dilepaskan ke dalam ruang sinaps. 87

Unit II Fisiologi fvfembran, Saraf dan OtotGambar 7-1 Macam-macam Selubung Aksonsudut pandang motor end plate. mielinA, Potongan longitudinal melaluiend plate. 8, Tampak permukaan Sel teloglial Bend plate. C. Gambaran A Terminal aksonmikrografik elektron pada titik di palung sinapsiskontak antara satu terminalakson dan membran serat otot.(Dari Fawcett, dimodifikasi dariR. Couteaux: dalam Bloom M,dan Fawcett DW: A Textbookof Histology. Philadelphia: W.B.Saunders, 1986.} c Celah subneural Vesikel yang digambarkan pada Gambar 7-3. Kanai tetap berada dalam keadaan konstriksi, seperti yang ditunjukkan oleh Dense bar bagian A pada gambar, sampai dua molekul asetilkolin melekat secara berurutan pada dua protein subunit Kanai kalsium alfa. Hal ini menyebabkan perubahan bentuk yang akan membuka kanal seperti yang diperlihatkan oleh bagian B Lamina basalis pada gambar. dan asetilkolineterase Kanai berpintu asetilkolin (kanal dengan pintu yang diaktifkan oleh asetilkolin} memiliki diameter sekitar 0,65 } -Reseptor nanometer, yang cukup besar untuk memungkinkan ion asetilkolin positif yang penting seperti natrium (Na•), kalium (K•), clan kalsium (Ca•) dapat bergerak dengan mudah melewati Voltase mengaktivasi pintu yang terbuka. Sebaliknya, ion-ion negatif, seperti kanal ion klorida, tidak dapat lewat karena di dalam mulut kanal Na• terdapat muatan negatif yang kuat clan menolak ion-ion negatif ini. Membran Singkatnya, terdapat jauh lebih banyak ion natrium 0101 yang mengallr melalul kanat berpintu a setilkolin daripadaGambar 7-2 Pelepasan asetilkolin dari vesikel sinaps pada ion lain mana pun, ha! ini terjadi karena dua alasan berikut.membran saraf di taut saraf-otot. Perhatikan dekatnya tempat Pertama, hanya terdapat dua ion positif dalam konsentrasipelepasan pada membran saraf dengan reseptor asetilkolin pada besar: ion natrium dalam cairan ekstraselular, clan ionmembran otot, yaitu di mulut celah subneural. kalium dalam cairan intraselular. Kedua, nilai potensial negatif pada bagian dalam membran otot, -80 sampai Setiap reseptor merupakan kompleks protein yang -90 milivolt, akan menarik ion natrium yang bermuatanmemiliki berat molekul total sebesar 275.000. Kompleks positif ke dalam serabut, sementara secara simultan akanini terdiri atas lima protein subunit, yaitu dua protein alfa mencegah keluarnya ion kalium bermuatan positif bilaclan masing-masing satu protein beta, delta, clan gamma. ion ini berusaha keluar.Molekul protein ini menembus membran, terletak salingbersisian dalam suatu lingkaran membentuk kanal tubular Seperti yang diperlihatkan pada Gambar 7-3B, efek utama pembukaan kanal berpintu-asetilkolin adalah88 memungkinkan sejumlah besar ion natrium dapat

Bab 7 Eksitasi Otot Rangka: Penghantaran Saraf-Otot dan Rangkaian Eksitasi-KontraksiB terminal saraf presinaps clan membran otot pascasinaps. (2) Sejumlah kecil asetilkolin lainnya akan berdifusi keluarGambar 7-3 Kanai berpintu-asetilkolin (acetylcholine-gated dari ruang sinaps dan kemudian tidak lagi tersedia untukchannel). A, Keadaan tertutup. 8, Setelah asetilkolin (Ach) melekat bekerja pada membran serabut otot.dan telah terjadi perubahan bentuk yang menghasilkan pembukaankanal, sehingga memungkinkan ion natrium dalam jumlah yang Waktu yang singkat saat asetilkolin menetap dalambanyak memasuki otot dan merangsang kontraksi. Perhatikan ruang sinaps-paling lama beberapa milidetik-muatan negatif pada mulut kanal yang mencegah lewatnya ion normalnya hampir selalu cukup untuk mengeksitasinegatif seperti ion klorida. serabut otot. Kemudian, penghancuran asetilkolin yang cepat akan mencegah berlanjutnya perangsangan otot kembali setelah serabut otot dipulihkan dari permulaan potensial aksi. Potensial End Plate dan Perangsangan Serabut Otot Rangka. Ion natrium yang tiba-tiba masuk ke dalam serabut otot ketika kanal berpintu asetilkolin (acetylcholine-gated channels) terbuka akan menyebabkan potensial lisrik di dalam serabut pada daerah setempat di end plate akan bertambah dalam arah positif sebesar 50 sampai 75 milivolt, clan membentuk potensial setempat yang disebut potensial end plate. Ingatlah kembali di Bab 5 bahwa kenaikan potensial membran saraf yang berlangsung tiba-tiba lebih dari 20 sampai 30 milivolt normalnya sudah cukup untuk menimbulkan aktivasi kanal natrium lebih banyak lagi, sehingga menimbulkan potensial aksi pada membran serabut otot. Gambar 7-4 menjelaskan prinsip suatu potensial end plate yang menimbulkan potensial aksi. Gambar ini menunjukkan tiga potensial end plate yang terpisah. Potensial end plate A clan C begitu lemah untuk menimbulkan suatu potensial aksi, tetapi kedua potensial tersebut menghasilkan perubahan voltase end plate setempat yang lemah, seperti terekam dalam gambar. Sebaliknya, potensial end plate B jauh lebih kuat clan menyebabkan cukup banyak kanal natrium terbuka, sehingga efek pemulihan sendiri dari semakin banyaknya ion natrium yang mengalir ke bagian dalam serabut akan menimbulkan suatu potensial aksi. Potensial end plate yang lemah di titik A disebabkan peracunan serabut ototmengalir masuk ke dalam serabut, yang bersama ion +60tersebut terbawa serta sejumlah besar muatan positif. +40Peristiwa ini akan menimbulkan suatu perubahanpotensial positif setempat di dalam membran serabut otot - +20yang disebut potensial end plate. Kemudian, potensial 0end plate ini akan menimbulkan suatu potensial aksi yang 0menyebar di sepanjang membran otot clan selanjutnya ~ -20menyebabkan kontraksi otot. :i1 -40 Penghancuran Asetilkolin yang Dilepaskan olehAsetilkolinesterase. Asetilkolin, begitu dilepaskan ke -60dalam ruang sinaps, akan terus mengaktifkan reseptorasetilkolin selama asetilkolin tersebut menetap dalam -80ruangan. Namun demikian asetilkolin ini secara cepat -100akan disingkirkan melalui dua cara: (1) Sebagian besarasetilkolin akan dihancurkan oleh enzim asetilkolinesterase, 0 15 30 45 60 75yang terutama terlekat pada suatu lapisan seperti busa Milidetikdi jaringan ikat halus yang mengisi ruang sinaps antara Gambar 7-4 Potensial end plate (dalam millivolt). A, Potensial end plate yang lemah yang terekam pada otot yang sudah teracuni kurare, terlalu lemah untuk menimbulkan potensial aksi. B, potensial end plate normal yang menimbulkan potensial aksi otot; dan C, potensial end plate yang lemah yang disebabkan oleh racun botulinum yang menurunkan pelepasan asetilkolin pada end plate, sekali lagi terlalu lemah untuk menimbulkan suatu potensial aksi otot. 89

Unit II Fisiologi fvfembran, Saraf. dan Otot potensial aksi biasanya sekitar 125 vesikel pecah. Lalu, setelah beberapa milidetik, asetilkotin diuraikan olehdengan menggunakan kurare, suatu obat yang dapat asetilkolinesterase menjadi ion asetat dan kolin, dan kolinmemblok kerja pintu asetilkolin pada kanal asetilkolin direabsorbsi secara aktif ke dalam terminal saraf untukdengan cara bersaing menempati reseptor asetilkolin. digunakan kembali bagi pembentukan asetilkolin yangPotensial end plate yang lemah di titik C disebabkan oleh baru. Seluruh rangkaian peristiwa ini terjadi dalam waktupengaruh toksin botulinum, yaitu racun bakteri yang 5 sampai 10 milidetik.mengurangi jumlah asetilkolin yang dilepaskan olehterminal saraf. 4. Jumlah vesikel yang tersedia dalam ujung saraf hanya cukup untuk memungkinkan penghantaran beberapa Faktor Keamanan Transmisi di Taut Saraf-Otot; ribu impuls saraf ke otot. Oleh karena itu, agar fungsi tautKeletihan di Taut. Biasanya, setiap impuls yang tiba di saraf-otot dapat berjalan terus, vesikel baru perlu segerataut saraf-otot akan menyebabkan kebutuhan potensial dibentuk kembali. Dalam waktu beberapa detik sesudahend plate sekitar tiga kali lebih banyak daripada kebutuhan setiap potensial aksi selesai, pada membran saraf terminaluntuk merangsang serabut otot. Oleh karena itu dikatakan muncul \"terowongan berlapis;· yang disebabkan olehtaut saraf-otot yang normal mempunyai faktor keamanan adanya protein kontraktil pada ujung saraf, khususnyayang tinggi. Biarpun begitu, rangsangan pada serabut protein klatrin, yang melekat pada membran di daerahsaraf dengan kecepatan melebihi 100 kali per detik selama vesikel asal. Dalam waktu kira-kira 20 detik, protein-beberapa menit sering kali akan mengurangi jumlah vesikel protein berkontraksi dan menyebabkan terowonganasetilkolin begitu banyak sehingga impuls kemudian gaga! pecah ke bagian dalam membran, sehingga membentukmemasuki serabut otot. Keadaan ini disebut kelelahan vesikel baru. Dalam waktu beberapa detik berikutnya,(fatigue) di taut saraf-otot, dan ha! ini sama dengan efek asetilkolin ditranspor ke dalam vesikel ini, dan selanjutnyayang menyebabkan kelelahan sinaps-sinaps dalam sistem siap untuk masuk dalam siklus pelepasan asetilkolin yangsaraf pusat jika sinaps tersebut dieksitasi secara berlebihan. baru.Bila fu ngsi berjalan normal, kelelahan bermakna di tautsaraf-otot jarang terjadi, dan bahkan hanya terjadi pada Obat yang Meningkatkan atau Membloktingkat aktivitas otot yang paling melelahkan. Penghantaran di Taut Saraf-Otot Biologi Molekuler Pembentukan dan Pelepasan Obat yang Merangsang Serabut Otot melalui Kerja Asetilkolin Mirip Asetilkolin. Banyak senyawa, antara lain metakolin, karbakol, dan nikotin, mempunyai pengaruh yang sama Oleh karena ukuran taut saraf-otot cukup besar sehingga pada serabut otot seperti yang dilakukan oleh asetilkolin. mudah dipelajari, sinaps ini adalah salah satu dari beberapa Perbedaan antara obat-obat ini dan asetilkolin ialah bahwa sinaps pada sistem saraf yang sebagian besar penjalaran obat ini tidak dirusak oleh kolinesterase atau dirusak dengan kimiawinya telah dipelajari. Pembentukan dan pelepasan sangat lambat sehingga daya kerja obat tersebut sering asetilkolin di taut ini terjadi melalui beberapa tahap: menetap selama beberapa menit hingga beberapa jam. Obat ini bekerja dengan menimbulkan daerah depolarisasi yang 1. Vesikel kecil, yang berukuran kira-kira 40 nanometer, terbatas pada lempeng akhir motorik di membran serabut dibentuk oleh badan Golgi dalam badan sel neuron otot, tempat reseptor asetilkolin berada. Kemudian, setiap motorik di medula spinalis . Vesikel ini kemudian diangkut kali serabut otot pulih dari kontraksi sebelumnya, daerah oleh aksoplasma yang \"mengalir\" melalui inti akson dari depolarisasi ini, berdasarkan kebocoran ionnya, akan badan sel pusat di medula spinalis menuju taut saraf- menimbulkan potensial aksi baru, sehingga terjadi keadaan otot yang terletak di ujung serabut saraf perifer. Kira- spasme otot. kira 300.000 vesikel-vesikel kecil ini berkumpul di bagian terminal saraf dari sebuah end plate otot rangka. Obat yang Merangsang Taut Saraf-Otot melalui lnaktivasi Asetilkolinesterase. Ada tiga macam obat yang 2. Asetilkolin disintesis dalam sitosol serabut saraf terminal telah dikenal dengan baik, yakni neostigmin, fisostigmin, namun kemudian segera diangkut melalui membran vesikel menuju bagian dalamnya, tempat asetilkolin dan diisopropil fluorofosfat, yang menginaktivasi di5impan dalam benLUk ya ng 5a nga t p e k a t, yaitu Bckitar usetill<olinesterase di sinaps sehmgga enzim tersebut lldal< lagi menghidrolisis asetilkolin. Akibatnya, pada setiap 10.000 molekul asetilkolin dalam setiap vesikel. impuls saraf yang berurutan sejumlah besar asetilkolin akan tertimbun dan selanjutnya berulang-ulang merangsang 3. Bila suatu potensial aksi tiba pada terminal saraf, serabut otot. Keadaan ini menimbulkan spasme otot bahkan potensial aksi ini akan membuka banyak kanal kalsium ketika impuls saraf mencapai otot. Sayangnya, keadaan ini dalam membran saraf terminal, sebab terminal ini juga dapat menimbulkan kematian akibat spasme laring, memiliki kanal kalsium berpintu listrik yang melimpah. yang akan mencekik orang tersebut. Akibatnya, konsentrasi ion kalsium di dalam membran terminal meningkat sekitar 100 kali lipat, yang kemudian Neostigmin dan fisosotigmin yang berkombinasi dengan meningkatkan laju fusi vesikel asetilkolin dengan asetilkolinesterase akan menginaktivasi asetilkolinesterase membran terminal kira-kira 10.000 kali lipat. Fusi ini selama beberapa jam, sesudah itu neostigmin dan membuat banyak vesikel pecah dan menimbulkan fisosotigmin dipindahkan dari asetilkolinesterase sehingga eksositosis asetilkolin ke dalam ruang sinaps. Pada setiap90

Bab 7 Eksitasi Otot Rangka: Penghantaran Saraf-Otot dan Rangkaian Eksitasi-Kontraksiasetilkolinesterase sekali lagi menjadi aktif. . Sebaliknya, yang akan memudahkan jauh lebih banyak asetilkolin untukdiisopropil fluorosfosfat yang merupakan gas racun \"saraf\" berkumpul di ruang sinaps. Dalam waktu beberapa menit,yang kuat, menginaktivasi asetilkolinesterase selama beberapa pasien yang paralisis ini dapat mulai berfungsiberminggu-minggu, sehingga menjadikannya sebagai racun hampir normal, sampai sejumlah dosis neostigmin barumematikan yang utama. dibutuhkan kembali beberapa jam kemudian. Obat yang Menghambat Penghantaran di Taut Saraf- Potensial Aksi OtotOtot. Sekelompok obat-obatan yang dikenal sebagai obatkurariform dapat mencegah masuknya impuls dari ujung Hampir semua yang dibicarakan di Bab 5 mengenaisarafke otot. Sebagai contoh, D-tubokurarin memblok kerja permulaan clan penghantaran potensial aksi dalam serabutasetilkolin pada reseptor asetilkolin di serabut otot, sehingga saraf dapat diterapkan pada serabut otot rangka, kecualimencegah terjadinya peningkatan permeabilitas kanal untuk perbedaan jumlah. Beberapa aspek kuantitatif darimembran otot yang cukup untuk memulai potensial aksi. potensial otot adalah sebagai berikut. Miastenia Gravis Menyebabkan Kelumpuhan Otot 1. Potensial membran istirahat: sekitar -80 sampai -90 milivolt pada serabut otot rangka-sama seperti yangMiastenia gravis, yang terjadi pada kira-kira 1 dari setiap terdapat pada serat saraf besar bermielin.20.000 orang, menyebabkan kelumpuhan otot akibatketidakmampuan taut saraf-otot untuk menghantarkan 2. Durasi potensial aksi: 1 sampai 5 milidetik di ototcukup sinyal dari serat sarafke serabut otot. Secara patologis, rangka-kira-kira lima kali lebih lama daripada di sarafdalam darah sebagian besar pasien miastenia gravis besar bermielin.ditemukan antibodi yang menyerang reseptor asetilkolin.Oleh sebab itu, dipercaya bahwa miastenia gravis merupakan 3. Kecepatan penghantaran: 3 sampai 5 meter/detik-penyakit autoimun karena pada pasien ini terbentuk antibodi kira-kira 1/13 kali kecepatan penghantaran padayang memblok atau merusak reseptor asetilkolinnya sendiri serabut saraf besar bermielin yang merangsang ototpada taut saraf otot pascasinaps. rangka. Tanpa memperhatikan penyebabnya, potensial end Penyebaran Potensial Aksi ke Bagian Dalamplate yang timbul di dalam serabut otot umumnya terlalu Serabut Otot melalui \"Tubulus Transversa\"lemah untuk membuka kanal natrium berpintu listriksehingga depolarisasi serabut otot tidak terjadi. Bila penyakit Serabut otot rangka demikian besarnya sehingga potensialtersebut cukup parah, pasien meninggal akibat paralisis- aksi yang menyebar di sepanjang membran permukaannyaterutama, paralisis otot pernapasan. Biasanya penyakit hampir tidak menimbulkan aliran di dalam serabut. Jadi,dapat disembuhkan selama beberapa jam dengan pemberian untuk menimbulkan kontraksi otot maksimum, arusneostigmin atau beberapa obat antikolinesterase lainnya, Garis Z Sarkolema Gambar 7-5 Sistem tubulus transversa (T)-retikulum Sistema sarkoplasma. Perhatikan bahwa tubulus T berhubungan Triad terminal dengan bagian luar membran sel, dan di dalamretikulum serabut otot, setiap tubulus T terletak berdekatan Tubulus dengan ujung retikulum sarkoplasma longitudinal transversa yang melingkupi seluruh sisi miofibril sesungguhnya Mitokondria yang berkontraksi. llustrasi ini diperoleh dari otot katak, yang mempunyai satu tubulus T per sarkomer, ;:;,--,1+--tt--- Retikulum yang berlokasi pada garis Z. Ditemukan susunan yang sarkoplasma serupa pada otot jantung mamalia, tetapi otot rangka mamalia mempunyai dua tubulus T per sarkomer, yang berlokasi di sambungan A-1. 91

Unit II Fisiologi fvfembran, Saraf, dan Otot oleh reseptor dihidropiridin yang terikat dengan kanal yang melepaskan kalsium, yang disebut juga ryanodinelistrik ini harus menembus ke dalam serabut otot di sekitar receptor channels, yang berdekatan dengan sisternamiofibril yang terpisah. Hal ini dicapai melalui penyebaran retikulum sarkoplasma (lihat Garnbar 7-6) . Aktivasipotensial aksi sepanjang tubulus transversa (tubulus T) reseptor dihydropyridine mencetuskan pembukaan kanalyang menembus sepenuhnya melalui serabut otot dari yang melepaskan kalsium dalam sisterna, seperti jugasatu sisi serabut ke sisi lain, seperti yang digambarkan dalam tubulus longitudinal yang melekat padanya. Kanaipada Gambar 7-5. Potensial aksi tubulus T menyebabkan ini tetap terbuka selama beberapa milidetik; melepaskanpelepasan ion kalsium di dalam serabut otot ke sekitar ion kalsium ke dalam sarkoplasma di sekeliling miofibrilmiofibril, dan ion kalsium ini kemudian menimbulkan dan menimbulkan kontraksi, seperti yang dibicarakan dikontraksi. Seluruh proses ini disebut rangkaian eksitasi- Bab 6.kontraksi. Pompa Kalsium untuk Membuang Ion Kalsium dari Rangkaian Eksitasi-Kontraksi Cairan Miofibril Setelah Terjadinya Kontraksi. Segera setelah ion kalsium dikeluarkan dari tubulus sarkoplasmaSistem Tubulus Transversa Retikulum Sarkoplasma dan telah berdifusi di antara miofibril, kontraksi otot terus berlangsung selama konsentrasi ion kalsium tetap tinggi.Garnbar 7-5 menggambarkan miofibril yang dikelilingi Namun, sebuah pompa kalsium yang terus-menerus aktifoleh sistem tubulus T-retikulum sarkoplasma. Tubulus yang terletak di dinding retikulum sarkoplasma akanT ukurannya kecil clan berjalan melintang ke miofibril. memompa ion kalsium keluar dan miofibril kembali keTubulus ini bermula pada membran sel dan terus dalam tubulus sarkoplasma (lihat Gambar 7-6). Pompa inimenembus dari satu sisi serabut otot ke sisi di hadapannya.Tidak terlihat dalam gambar adalah kenyataan bahwa ~ ~otensialtubulus-tubulus ini bercabang di antara tubulus itusendiri dan membentuk hamparan tubulus T yang C J t;ksisaling menjalin di antara seluruh miofibril yang terpisah.Demikian pula, karena tubulus T berasal dari membran + • : ' ~.elepasan ca++(terbuka)sel, tubulus tersebut akan terbuka ke arah luar serabut _____ ~·- +otot. Oleh sebab itu, tubulus tersebut berhubungan dengan Reseptor _ S+Ul..Sl.._ JL·.·.~cairan ekstraselular yang mengelilingi serabut otot, DHPclan tubulus T tersebut mengandung cairan ekstrasel di ,,!+ ..·..:·...•\c.:a..•+::.· Sistern a terminal isdalam lumennya. Dengan kata lain, tubulus T sebenarnyamerupakan perluasan bagian dalam membran sel. Oleh Repolarisasikarena itu, bila potensial aksi menyebar ke seluruhmembran serabut otot, suatu perubahan potensial + ca++juga menyebar di sepanjang tubulus T ke bagian dalam + Calsequestrinserabut otot. Arus listrik yang mengelilingi tubulus T ini +kemudian menyebabkan kontraksi otot. + Kanai (pteerlteuptuaps)an + ca++ Gambar 7-5 juga menunjukkan retikulum sarkoplasma, +dalam warna kuning. Retikulum sarkoplasma terdiri atas +dua bagian utama: (1) ruangan besar yang disebut sisternaterminalis yang berbatasan dengan tubulus T, dan (2) -----~ -tubulus longitudinal yang panjang dan melingkupi seluruhpermukaan miofibril yang benar-benar berkontraksi. Gambar 7-6 Rangkaian eksitasi-kontraksi otot rangka .Gambar atasPelepasan Ion Kalsium oleh Retikulum menggambarkan potensial aksi pada tubulus T yang menyebabkan perubahan konformasional pada voltage-sensing dihydropiridineSarkoplasma receptors (DHP), membuka kanal yang melepaskan kalsium padaSalah satu ciri istimewa dari retikulum sarkoplasma ialahbahwa di dalam tubulus vesikularnya terdapat kelebihan sisterna terminal retikulum sarkoplasma dan memungkinkanion kalsium dalam konsentrasi tinggi, clan banyak dari ion Ca ++ dengan cepat berdifusi masuk kedalam sarkoplasma danini akan dilepaskan dari setiap vesikel bila suatu potensial menimbulkan kontraksi otot. Selama repolarisasi (gambar bawah)aksi terjadi di tubulus T yang berdekatan. perubahan konformasional reseptor DHP menutup kanal yang Gambar 7-6 clan 7-7 menunjukkan bahwa potensialaksi dari tubulus T menyebabkan aliran arus ke dalam melepaskan Ca ++ dan Ca ++ ditranspor dari sarkoplasma masuk kesisterna retikulum sarkoplasma di tempat sisterna retikulum sarkoplasma oleh pompa kalsium yang bergantung padatersebut berbatasan dengan tubulus T. Saat potensial aksi ATP (ATP-dependent calcium pump).sampai pada tubulus-T, perubahan voltase ini diterima92