Fisiologi Saraf, Indera dan Otot

FISIOLOGI
SARAF, INDERA DAN OTOT
Bambang Kiranadi, PhD

Judul:
Fisiologi Saraf, Indera dan Otot
Penulis:
Bambang Kiranadi, PhD
Tata letal:
Sudarto
Desain Cover:
Bondan Widantoro
Penerbit:
Lembaga Penerbit Fakultas Ekonomi Universitas Indonesia
ISBN:
978-979-24-5433-8
Hak Cipta© 2017 pada Penulis dilindungi Undang-Undang

Untuk murid muridku yang telah mengajari fisiologi dan biologi.
Juga untuk keluargaku Tridjati, Abraham, Lazarus, Zakeus,
Oskar, Tobias, Anggito Koesoema dan Maria Anastasia.

Prakata
Setiap kali kita mengawali pelajaran fisiologi, selalu
diawali dengan struktur sel dan tentunya struktur membran sel.
Membran sebagai pembatas ruang antara bagian dalam
dan bagian luar sel menampilkan fenomena fenomena yang
mempengaruhi perilaku sel dan peristiwa fisiologi. Oleh karena
itu buku ini diawali dengan penjelasan tentang struktur
membran.. Peranan kanal pada kehidupan sel menjadi perhatian
yang serius dalam buku ini. Kita ketahui bahwa selama sel masih
hidup selalu ada pergerakan ion-ion. Ada pompa yang tetap
menjaga gradient atau perbedaan konsentrasi ion-ion dan juga
protein membran jang menjaga komunikasi antara dunia luar dan
dalam sel. Juga protein-protein lain yang berfungsi sebagai
transporter. Dengan mengetahui perilaku perlengkapan
perlengkapan sel tadi maka studi fisiologi menjadi lebih mudah.
Penjelasan tentang membran diberi sedikit nuansa biofisika agar
pembaca lebih jelas memahami fenomena transport. Buku kecil
ini hanya membahas proses proses fisiologi pada sel sel yang
mudah tereksitasi atau yang menghasilkan potensial
elektrokimia.. Buku kecil ini adalah bekal dari saya ketika hendak
memberi kuliah fisiologi saraf, indera daan otot. Bekal ini tidak
diberikan semuanya kepada mahasiswa akan tetapi persiapan
ketika menghadapi pertanyaan pertanyaan.

Gambar gambar dari buku ini diambil dari sumber materi
materi ajar di internet yang tidak mencantumkan copy right. Bagi
yang tidak ada sumbernya dituliskan sumber yang tidak dapat
ditelusuri lagi dan ada beberapa yang memang dibuat sendiri.
Buku ini jelas bukan text book melainkan berbagi pengalaman
bagaimana orang dengan latar belakang kimia mempelajari ilmu
kehidupan.
Kepada semua pihak yang telah mensponsori terbitnya
buku ini saya sangat berterima kasih dan akan tetap
mengingatnya selalu terutama kepada Departemen Fisiologi dan
Farmakologi melalui Prof Wasmen Manalu dan Dr Rita Ekastuti.
Kepada Prof Arif Boediono yang selalu mempercayai saya, Dr
Triyoso Purnawarman dan teman temanku Teguh Poeworo dan
Bambang Warih Koesoema.
Akhirnya untuk kebesaran dan kemuliaan ilmu
pengetahuan.
B. Kiranadi (Amicorum Scientiae)
3170004

Daftar Isi
Prakata.......................................................................................vii
Daftar Isi ....................................................................................ix
BAB I STRUKTUR MEMBRAN, TRANSPORT ANTAR
MEMBRAN KESETIMBANGAN ION DAN POTENSIAL
ELEKTROKIMIA....................................................................1
1-1 Struktur Membran .........................................................2
1-2 Membran Sebagai Pembatas Permeabilitas...................9
1-3 Mekanisme Transport Pasif.........................................10
1-4 Protein Yang Menjadi Perantara (Memediasi) Transport
Pada Membran............................................................28
1-5 Keseimbangan Ion Dan Potensial Membran Pada
Keadaan Istirahat (Resting) ........................................42
1-6 Transport Menembus Membran, Bukan Melalui
Membran.....................................................................51
1-7 Komunikasi didalam sel ..............................................52
BAB II KONTROL DAN INTEGRASI................................69
2.1Anatomi Saraf………………………………………... 70
2.2 Impuls Saraf.................................................................76
2.3 Neurotransmiter Merubah Permeabilitas
Membran.....................................................................86
2.4 Eksitatori Dan Inhibitori Potensial Postsinaptik.................89

2.5 Neurotransmiter Pada Sistem Saraf ....................................91
2.6 Prinsip Dasar Proses Pengolahan Informasi .......................94
2.7 Sistem Saraf Hewan Sederhana ....................................... 103
2.8 Sistem Saraf Hewan Vertebrata....................................... 108
2.9 Sistem Saraf Pusat ........................................................... 113
2.10 Tulang Belakang............................................................ 113
2.11 Sistem Saraf Tepi.......................................................... 141
2.12 Kontrol Saraf Pada Pergerakan..................................... 148
2.13 Kontrol Otak Untuk Pergerakan Dan Kedudukan......... 162
2.14 Sistem Saraf Otonom..................................................... 194
BAB III INDERA DAN TRANSFORMASI
INFORMASI............................................................... 214
3.1 Sistem Somatosensori...................................................... 217
3.2 Reseptor Sentuhan ........................................................... 219
3.3 Pembedaan Dua Titik....................................................... 224
3.4 Sistem Retikular............................................................... 229
3.5 Sistem Penglihatan........................................................... 230
3.6 Sistem Cita Rasa.............................................................. 246
3.7 Sistem Penciuman............................................................ 256
3.8 Sistem Pendengaran......................................................... 269
BAB IV OTOT DAN BIOELEKTRIK.............................. 286
4.1 Sitoskelaton...................................................................... 286
4.2 Otot Rangka ..................................................................... 287

4.3 Energetik Kontraksi Otot ................................................. 299
4.4 Kontraksi Tunggal Serabut Otot ...................................... 304
4.5 Karakteristik Kontraksi Otot............................................ 306
4.6 Otot Jantung..................................................................... 309
4.7 Otot Polos......................................................................... 326

Fisiologi Syaraf, indera dan Otot
1
Bab I
STRUKTUR MEMBRAN, TRANSPOR ANTAR
MEMBRAN KESETIMBANGAN ION DAN POTENSIAL
ELEKTROKIMIA
Setiap sel, baik sel saraf maupun sel-sel organ dikelilingi oleh
plasma membran yang memisahkan bagian luar atau ekstraseluler
dengan bagian dalam atau intraseluler. Plasma membran berfungsi
sebagai batas permeabilitas sehingga perbedaan konsentrasi antara
intraseluler dan ekstraseluler tetap besar. Plasma membran mengandung
protein-protein dengan fungsi khasnya seperti enzim, reseptor, saluran
untuk melewatkan ion-ion dan senyawa senyawa kimia yang harus
melalui membran, antingen dan lain-lain fungsi regulasi membran.
Di dalam sel terdapat organel-organel yang strukturnya mirip
dengan plasma membran seperti mitokondria, endoplasmik retikulum
dan lain-lainnya. Banyak proses seluler di dalam sel berlangsung pada
dinding membran organel seperti sintesis ATP pada mitokondria yang
diawali dengan proses transpor elektron dan fosforilasi oksidatif.
Banyak penampilan membran pada sel mirip satu sama lain. Akan
tetapi berdasarkan fungsinya ada struktur yang membedakan antara satu
sel dengan sel yang lain misalnya sel otak hanya dapat mentransportasikan
glukosa sebagai energi sedangkan sel hati dapat mentranspor baik
glukosa maupun lemak.
1.1 Struktur Membran
Protein dan fosfolipid merupakan konstituen yang paling banyak
di membran. Setelah diteliti lebih jauh ternyata struktur membran adalah
senyawa fosfolipid berlapis ganda (bilayer) dengan gugus non polar dari
lipid (lemaknya) saling berhadapan.

2
Gambar 1.1 Gliserol dengan 3 OH yang merupakan struktur dasar dari
lipid membran sel. Perhatikan gugus OH tempat berikatan asam
lemaknya.
https://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/part2/lipid.htm
Fosfolipid merupakan turunan dari gliserol, artinya struktur
dasar lipidnya adalah gliserol dan gugus fosfatnya berikatan dengan
gugus OH ketiga yang bebas (gambar1.2). Gugus fosfolipid merupakan
gugus yang polar atau hidrofilik sedangkan gugus lemaknya non polar
atau hidrofobik. Pada sel hewan ada lipid jenis lain yakni spingomelin
yang merupakan turunan dari serin dan bukan dari gliserol. Pada
lingkungan air atau cairan seluler, gugus lipid cenderung berjauhan
dengan kondisi lingkungan sedangkan gugus fosfat menghadap ke
lingkungannya. Struktur fosfolipid ini mempunyai kecenderungan untuk
membentuk lapis ganda. Kecenderungan pembentukan lapis ganda lipid
adalah ekor dari asam lemak akan saling berhadapan, akan tetapi tidak
saling mengikat, hanya saling berhadapan.
Gambar 1.2 : Struktur fosfolipid, gugus polar fosfat dan gugus non polar
lemak.
Pada membran ada juga protein-protein yang terikat padanya
dan merupakan bagian integral dari membran tersebut (gambar 1.4 ).

3
Gambar 1.3 Spingomelin, jenis lipid lain pada sel hewan, turunan dari
serin
Protein-protein tersebut terdiri dari dua kelompok, yakni bagian
ekstrinsik yang terikat pada lemak dan letaknya periferal, tidak
berpenetrasi di sepanjang fosfolipid. Letaknya bisa di ekstra maupun
intraseluler. Dalam studi struktur membran, bagian perifer membran
dapat dipisahkan dengan mengubah komposisi ion di medianya tanpa
mengubah integritas membran. Bagian intrinsik dapat berpenetrasi
sepanjang membran fosfolipid, artinya membentang sepanjang intra dan
ekstraseluler, mereka hanya dapat dipisahkan dengan menggunakan
detergen.
Gambar 1.4: Fosfolipid digambarkan dalam bentuk gugus polar fosfat
yang hidrofilik, bulat di atas dan asam lemak non polar yang hidrofobik,
berupa ekor dari lipid
http://www.biologyjunction.com/cell%20%20notes%20bi.htm

4
Komposisi Membran
Fosfolipid yang ada di membran sel hewan biasanya berupa
fosfatidilkholin atau lesitin (gambar 1.5), sphingomelin, fosfatidilserin
dan fosfatidletanolamin. Fosfolipid lain jumlahnya relatif lebih sedikit
seperti fosfatidilgliserol, fosfatidilinositol dan kardiopilin.
Gambar 1.5 : Fosfatidilkolin, lipid dengan fosfat dan kolin. Bisa juga
dengan serin, etanol amin, inositol.
Gambar 1.6: Galaktosa, merupakan glikolipid serebroside yang paling
banyak di otak. Galaktosa penting pada pembentukan membran otak

5
Gambar 1.7: Kolesterol merupakan bagian yang penting dari membran.
http://lipidlibrary.aocs.org/Analysis/content.cfm?ItemNumber=39227
Kolesterol (gambar 1.7) juga merupakan bagian yang penting
pada plasma membran. Adanya kolesterol akan membuat membran lebih
lentur. Akan tetapi terlampau banyak kolesterol akan membuat
membran menjadi kaku.
Protein pada membran fungsinya khusus menjaga sistem sel dari
lingkungannya. Ion dapat keluar–masuk membran karena ada saluran
yang dibentuk oleh protein. Lubang yang terbentuk mempunyai diameter
yang sama dengan diameter ion yang akan melaluinya. Pompa dapat
memompa ion keluar atau masuk ke dalam sel, berupa enzim yang terikat
pada membran. Reseptor merupakan perangkat yang dapat menangkap
signal baik fisik maupun senyawa kimia dari ekstraseluler untuk
disampaikan ke intraseluler. Reseptor merupakan alat komunikasi
antara dunia luar sel dan dunia dalam sel. Masih banyak lagi protein yang
terikat pada membran dengan fungsi yang berbeda beda. Glikoprotein
adalah protein yang berikatan kovalen dengan karbohidrat. Seperti kita
ketahui glikolipid, letaknya menghadap ke ekstraseluler demikian juga
gugus NH2 dari protein akan menghadap keluar sel sedangkan COOH
akan menghadap ke intraseluler.
Komposisi glikolipid di membran tidak banyak. Misalnya di otak
hanya sekitar 5% saja dari keseluruhan komposisi membran sedangkan
di bagian lain dari membran lebih sedikit. Glikolipid pada epitel berfungsi
melindungi permukaan dari situasi yang berubah-ubah seperti pH dan
enzim-enzim penghancur. Glikolipid juga memegang peranan pada
waktu sel mengenali signal. Pada penderita diabetes di mana konsentrasi
glukosa darah tinggi, glukosa akan mudah sekali berikatan dengan
protein membran sehingga posisi gula heksosa yang merupakan bagian
dari glikoprotein seperti manosa atau galaktosa digantikan oleh glukosa.
Akibatnya fungsi dari glikoprotein membran menjadi berkurang. Akibat

6
dari perubahan ini maka banyak proses seluler akan terganggu. Ikatan
glukosa dengan protein ini dikenal dengan nama advanced glycosylation
end products (AGE).
Gambar 1.8: Ilustrasi membran dan bagian-bagiannya seperti protein
yang terikat pada membran. Gugus NH2 ada di luar sel dan COOH di dalam
sel. Perhatikan bahwa kolesterol merupakan bagian dari membran
http://www.newworldencyclopedia.org/entry/Cell_membran
1.2 Membran Sebagai Pembatas Permeabilitas
Membran biologi berfungsi sebagai pembatas pergerakan bebas
pada sel. Hampir semua molekul pada sistem kehidupan larut dalam air
dan kurang larut dalam pelarut non polar. Jadi sebagian besar molekul
akan lebih sulit larut dalam lingkungan yang kurang polar seperti pada
ikatan lemak yang letaknya di sebelah dalam membran. Akibatnya
membran sebelah dalam menjadi pembatas pergerakan molekul-molekul
yang larut dalam air. Pembatas ini memungkinkan membran menjaga
perbedaan konsentrasi yang besar antara ekstraseluler dan intraseluler.
Letak di mana proses seluler terjadi juga bergantung dari kemampuan
membran menjaga permeabilitasnya, misalnya pada mitokondria
membrannya akan menjaga agar enzim-enzim reaksi asam trikarboksilat
tidak dapat keluar dari mitokondria sehingga reaksi-reaksi siklus
trikarboksilat hanya terjadi di dalam mitokondria. Perjalanan molekul-
molekul yang penting pada membran dengan kecepatan tertentu
merupakan titik pusat kehidupan sel. Sebagai contoh adalah ambilan
molekul nutrien, pelepasan hasil hasil buangan dan sekresi molekul-
molekul. Pada umumnya beberapa molekul bergerak dari satu sisi

7
membran ke sisi yang lain dan dalam beberapa hal molekul bergerak
keluar/masuk membran melalui molekul yang membentuk membran.
Transpor molekul pada membran ada yang pasif, tanpa energi dan ada
yang aktif, memerlukan energi.
1.3 Mekanisme Transpor Pasif
Ada tiga jalur utama agar materi dapat masuk ke dalam membran
tanpa harus dibantu oleh energi metabolisme.
1. Senyawa kimia yang berukuran kecil seperti oksigen akan masuk
tanpa bantuan apapun dan bergerak secara pasif dengan mudah.
Karbon dioksida ukuran molekulnya juga relatif kecil, demikian juga
air sekalipun relatif polar akan bergerak keluar masuk dengan mudah.
Transpor ini disebut difusi sederhana.
2 Transpor glukosa yang sekalipun berukuran relatif besar dan polar
dapat masuk ke dalam sel. Perpindahan ini memerlukan bantuan
protein pembawa dan tanpa melibatkan energi misalnya transpor
glukosa di hati dan di sel β pankreas (GluT2). Proses tersebut disebut
transpor dengan fasilitas atau facilitated transpor dan dikatagorikan
sebagai transpor pasif (gambar 1.9). Protein yang terikat di membran
hanya berubah tata letaknya untuk memberi jalan kepada glukosa.
Seperti sistem buka dan tutup untuk memasukkan glukosa .
Gambar 1.9 Glukosa dari ekstraseluler akan masuk ke dalam sel melalui
protein yang berubah tata letak strukturnya.
https://physiologue.wordpress.com/category/membran-transpor/

8
3. Transpor pasif sederhana, materi hanya bergerak masuk dan keluar
tanpa halangan karena adanya lubang yang diameternya pas dengan
diameter materi tersebut misalnya kanal ion. Protein kanal ukurannya
sama dengan diameter ion yang akan melewatinya. Protein tersebut
disebut kanal, misalnya kanal ion. Diameter kanal sama dengan
diameter ion yang akan dilalui
1.3.1 Difusi
Pada percobaan dengan lapis ganda lemak (lipid bilayer) buatan,
maka ion-ion seperti natrium (Na+) dan kalium (K+) akan terjebak di
dalam lapis ganda lemak untuk waktu yang cukup lama. Perlu waktu
sekitar satu hari agar ion-ion tersebut dapat berpindah dari ekstrasel ke
intrasel. Air dapat bergerak dengan cepat dan tidak dapat dihitung
kecepatannya. Berdasarkan informasi-informasi di atas transpor melalui
membran lapis ganda lemak dipengaruhi oleh ukuran relatif, polaritas
relatif, sifat ion, jarak yang ditempuh dan osmosis.
1.3.1a Ukuran relatif
Molekul kecil akan lebih permeabel dibandingkan dengan molekul
besar. Molekul yang relatif kecil seperti air, oksigen dan karbon dioksida
relatif permeabel terhadap membran. Pada contoh di atas, glukosa
dengan berat molekul yang besar sekitar 180 akan lambat untuk dapat
melalui lapis ganda lemak secara pasif. Oleh karena itu diperlukan
protein pembawa yang dapat memindahkan glukosa atau molekul
nutrient lain yang ukurannya besar (gambar 1.10).
1.3.1b Polaritas
Umumnya lapis ganda lemak relatif permeabel terhadap senyawa-
senyawa non polar dan kurang permeabel terhadap senyawa polar. Oleh
karena itu banyak obat-obatan yang bersifat polar dibuat menjadi non
polar agar dapat masuk dan ditransportasikan melalui lapis ganda lemak.
Setelah senyawa sampai di tempat tujuannya (intrasel) maka ikatan non
polar tersebut akan diputus oleh media di sekelilingnya sehingga molekul
tersebut dapat berfungsi di sasarannya.

9
1.3.1c Ion
Senyawa polar atau ionik tidak dapat masuk melalui membran
dengan mudah. Kira-kira diperlukan 40 kkalori/mol untuk dapat memin-
dahkan ion dari fasa air ke fasa nonpolar (gambar 1.10). Tidak mungkin
melarutkan garam ke dalam minyak atau natrium atau klorida melewati
pembatas yang nonpolar. Ketidakpermeabelan membran terhadap ion-
ion ini diperlukan agar perbedaan konsentrasi ion-ion di bagian luar sel
dengan di dalam sel tetap ada agar sel dapat berfungsi sebagaimana seha-
rusnya. Perbedaan konsentrasi ion-ion yang besar antara ekstraseluler
dengan intraseluler diperlukan pada sistem saraf agar dapat terjadi
potensial aksi. Hal tersebut dapat terjadi karena adanya kanal ion
(gambar 1.11). Pada umumnya kanal mempunyai dua pintu yakni untuk
membuka dan menutup. Terbuka maupun tertutupnya kanal yang bergan-
tung kepada senyawa kimia seperti neurotransmiter disebut ligand gated
channel, yang dipengaruhi tegangan listrik disebut voltage gated channel
dan yang aktif karena regangan disebut stretch sensitive channel. Kanal
tidak berpintu akan selalu terbuka dan memudahkan ion bergerak keluar
masuk tanpa hambatan contohnya kanal air.
Untuk mendapatkan gambaran yang jelas tentang hubungan
permeabilitas membran dengan polaritas, ukuran molekul atau ion
seperti diilustrasikan pada gambar 1.10 dapat dilihat pada tabel 1.1.
1.3.1d Jarak difusi
Jarak difusi diberikan oleh persamaan Einstein yakni
 
2
2X Dt  .............................................................................. 1
Jarak kuadrat difusi dinyatakan dalam (X)2, D adalah konstanta dan t
adalah waktu. Jika jarak yang ditempuh adalah 1m dan konstanta difusi
110-5cm detik-1 maka proses perpindahannya akan memerlukan waktu
0,5 milidetik dan jika jaraknya adalah 10 m maka waktu untuk berdifusi
menjadi 50 milidetik. Persamaan Einstein menunjukkan bahwa waktu
yang diperlukan untuk berdifusi bertambah dengan kuadrat dari jarak
difusi.
Persamaan tersebut dapat memberikan gambaran berapa jarak
rata-rata dari difusi selama waktu t dan gambaran kasar dari waktu yang

10
diperlukan untuk berdifusi. Dapat dilihat bahwa untuk ukuran mikrosko-
pik difusinya berlangsung dengan sangat cepat sedangkan untuk
makroskopik berlangsung dengan lambat.
Gambar 1.10: Permeabilitas beberapa molekul terhadap membran. Gas
akan mudah masuk, senyawa polar kecil akan dapat masuk, polar tetapi
besar dan ion akan mengalami penolakan.
http://life.nthu.edu.tw/~d857401/advance.html
Gambar 1.11: Protein membran yang dapat melewatkan ion atau muatan
polar. Ada yang berpintu dan ada yang tidak berpintu
https://physiologue.wordpress.com/category/membran-transpor/

11
Sel dengan jarak 100 m dari kapiler akan memerlukan waktu 5
detik untuk mendapat asupan nutrien. Ini relatif cepat untuk memenuhi
kebutuhan metabolismenya. Axon (batang saraf) dengan panjang 1cm
akan sulit menggantungkan dirinya dengan proses difusi karena akan
diperlukan waktu 14 jam untuk sampai di tempat tujuannya. Jadi tidak
mengherankan jika transpor pada axon memerlukan molekul tertentu di
sepanjang ujung axon tersebut agar dapat membawa materi yang akan
dilepaskan diujung saraf dan menempuh jarak yang relatif jauh dengan
waktu yang lebih cepat.
Tabel 1.1 Hubungan antara diameter materi dengan permeabilitas
terhadap membrane
Materi Diameter
Permeabilitas
relative
Molekul air 0,3 1,0
Molekul Urea 0,36 6x10-4
Ion klorida terhidrasi 0,386 10-8
Ion Kalium terhidrasi 0,396 6x10-10
Ion Natrium hidrat 0,512 2x10-10
Gliserol 0,62 6x10-4
Glukosa 0,86 9x10-6
1.3.1e Koefisien difusi
Koefisien difusi D berbanding lurus dengan kecepatan difusi molekul
yang ada di lingkungannya. Semakin besar molekul dan semakin kental
larutannya maka koefisien difusinya akan semakin kecil. Persamaan ini
disebut persamaan Stoke-Einstein, dan jari-jari molekul disebut jari-jari
Stoke-Einstein.

12
6
kT
D
r 
 .................................................................................. 2
k = konstanta Boltzman
T = Temperatur absolut (kT berbanding lurus dengan
(energi kinetik)
r = jari-jari molekul
 = viskositas dari media
Untuk molekul besar, harga D berbanding terbalik dengan jari-jari
molekul yang berdifusi. Karena berat molekul berbanding lurus dengan
r3, maka D berbanding terbalik dengan akar pangkat tiga dari berat
molekul. Jadi molekul dengan 1/8 masa molekul lain akan berdifusi dua
kali lebih cepat dari molekul yang lebih besar. Pada molekul dengan berat
molekul sekitar 300, maka D berbanding terbalik dengan akar berat
molekul (√𝐵𝑀).
1.3.1.f Difusi melalui membran
Difusi akan mencapai mencapai keadaan konstan pada kompar-
temen yang dituju dan waktunya juga tertentu. Difusi sepanjang membran
selular cenderung akan membuat konsentrasi di kedua kompartemen
menjadi sama dan laju difusinya diberikan oleh persamaan Ficks berikut.
J =-D A x ∆C/∆X................................................................ 3
J = laju kecepatan difusi dalam gram atau
mol per satuan waktu
D = Koefisien difusi zat terlarut pada membran
A = luas permukaan membran
C = Perbedaan konsentrasi antar kompartemen
X = Ketebalan membrane
Sebagai contoh adalah koefisien difusi (D) urea di plasma
membran adalah 1 x 10-7 cm2/sec dan luas permukaan membran (A)
adalah 1 x 10-6 cm2, ketebalan membran (Δx) = 100 Å = 10 nm = 1 x 10-6
cm. Konsentrasi urea di luar plasma membran Cout = 1 mM = 1 mmole/1

13
= 1 μmole/cm3 dan di dalam sel Cin = 0.5 mM = 0.5 μmole/cm3. Berapa
laju difusi urea ke dalam sel?
J = (1 x 10-7 cm2/sec) (1 x 10-6 cm2)(0.5 μmole/cm3)/(1 x 10-6 cm)
= 5 x 10-8 μmoles/sec
Difusitas senyawa terhadap membran sel dapat berupa senyawa
atau molekul yang larut dalam lemak dan yang tidak larut dalam lemak.
Hipotesis bahwa senyawa yang larut dalam pelarut non polar akan masuk
ke dalam membran dengan lebih baik dibuktikan oleh Overton dan
Meyer. Perbandingan antara kelarutan zat terlarut dalam minyak olive
dibandingkan dengan kelarutan dalam air dipakai sebagai kelarutan zat
dalam media nonpolar. Perbandingan ini disebut perbandingan minyak
olive/koefisien partisi air atau perbandingan Overton-Mayer. Permeabilitas
terhadap plasma membran bertambah dengan bertambahnya kelarutan
dalam lemak. Kelarutan etanol 1000 kali lebih tinggi dari kelarutan
gliserol dalam lemak (mengapa kepala anda cepat terpengaruh jika anda
minum alkohol dibandingkan dengan kalau anda minum air, yang bahkan
tidak merasakan apa-apa).
Permeabilitas senyawa atau molekul yang larut dalam air
terhadap membran hanya ada pada molekul-molekul yang sangat kecil
dan tidak bermuatan. Senyawa ini akan berdifusi dengan cepat; lebih
cepat dari ramalan Overton-Mayer. Air akan berdifusi lebih cepat
dibandingkan yang diramalkan berdasarkan jari-jari maupun prediksi
Overton–Meyer.
Permeabilitas yang tinggi terhadap air sulit untuk dijelaskan.
Mungkin senyawa yang larut molekul dengan berat molekul yang kecil
dapat larut dalam air sehingga dapat melewati membran fosfolipid tanpa
harus larut pada membran tersebut. Anggapan lain adalah adanya protein

14
pada membran yang menyebabkan tingginya permeabilitas air pada
membran. Protein tersebut kemudian dikenal sebagai aquaporin.
Plasma membran pada dasarnya akan sulit dilewati oleh molekul
yang terlarut dalam air dengan berat molekul lebih besar dari 200. Ion
mempunyai muatan oleh karena itu sulit untuk melewati batas pemisah
ini. Pergerakan ion ke dalam sel akan melalui sistem transpor yakni kanal.
Beberapa kanal atau protein yang terikat pada membran sangat spesifik;
misalnya, kanal K+ hanya melewatkan ion K+ dan Na+ hanya ion Na+. Ada
juga yang bisa melewatkan ion-ion pada ukuran tertentu. Beberapa ion
bergerak setelah timbulnya tegangan listrik atau voltage gated seperti
misalnya Ca2+ masuk ke sel jantung setelah terjadinya potensial aksi yang
diakibatkan oleh masuknya ion Na+ ke dalam sel. Ada juga permeabilitas
terhadap ion yang dikontrol oleh neurotransmiter. Pada jantung misalnya,
permeabilitas membran berubah terhadap ion K+ jika ada asetilkolin dan
terhadap Na+ jika ada noradrenalin.
Sekalipun beberapa molekul yang terlarut dalam air penting
untuk metabolisme seperti misalnya asam amino atau glukosa, perge-
rakannya untuk dapat masuk ke dalam membran tidak mudah. Oleh
karena itu diperlukan protein tertentu yang terikat pada membran yang
fungsinya melewatkan substrat tersebut.
1.3.2 Osmosis
Osmosis adalah pergerakan air dari potensial air yang lebih tinggi
(zat terlarut lebih rendah) ke arah potensial air yang lebih rendah
(konsentrasi zat terlarut lebih tinggi). Prosesnya adalah proses fisika
tanpa energi, melalui membran yang semi permeabel (permeabel
terhadap pelarut tapi tidak terhadap zat terlarut). Osmosis di sini
berhubungan dengan tekanan yang timbul untuk melawan pergerakan
air. Dalam biologi hal ini sangat penting karena pergerakan pelarut ini
akan mengurangi perbedaan konsentrasi yang sangat besar.
Tekanan osmotik atau osmolaritas dari larutan bergantung
kepada partikel yang ada di larutan. Derajat ionisasi dari zat terlarut
harus dipertimbangkan. 1M larutan glukosa (1.000mM), 0,5M larutan
NaCl dan 0,333M larutan CaCl2 secara teoritis akan mempunyai tekanan
osmotik yang sama yakni 1.000 mOsm. Akan tetapi ternyata ada penyim-
pangan dari harga idealnya. Van’t Hoff menurunkan penyimpangan
tersebut dengan menggunakan persamaan berikut.
icRT  ................................................................................... 4

15
π = tekanan osmotik dalam atm atau mm Hg
T= Temperatur absolut dalam oK
i = Jumlah ion yang terbentuk selama disosiasi molekul
terlarut. NaCl dan KCl = 2, CaCl2 = 3 dan glukosa=1
c = konsentrasi dalam molar (mol/liter pelarut)
Penggunaan persamaan di atas pada sitoplasma tidak memberikan
harga tekanan osmotik larutan yang sebenarnya. Perbedaannya cukup
berpengaruh. Seperti kita ketahui ion Na+ merupakan kation utama dari
cairan ekstraseluler dan konsentrasinya sekitar 150mEq/l dan Cl– sekitar
120mEq/l. Akan tetapi ion Na+ tidak semuanya berikatan dengan ion Cl–,
ada yang berikatan dengan HCO3
–, 𝑃𝑂4
3−
dan juga dengan senyawa
organik. Larutan NaCl pada konsentrasi ini akan berbeda dengan
persamaan vant’ Hoff dan untuk itu diberikan persamaan koreksi yang
dinyatakan dalam
i cRT  ............................................................................... 4a
dengan  adalah koefisien osmotik untuk NaCl harganya 0,93, harga KCl
0,92 dan harga CaCl2 adalah 0,86 dan i untuk NaCl = 2, CaCl2 = 3. Masih
banyak lagi data eksperimen yang telah diperoleh dan dibuat tabel pada
berbagai hand booK of chemistry. Akan tetapi contoh di atas adalah ion-
ion utama dalam sel.
1.3.2a Pengukuran osmolalitas
Pengukuran tekanan osmotik cairan dapat menggunakan metoda
tidak langsung. Pengukuran berdasarkan osmolalitas larutan. Osmolalitas
dapat diukur berdasarkan sifat koligatif larutan. Terjadi penurunan atau
kenaikan titik didih atau titik beku larutan karena adanya zat terlarut. Zat
terlarut di sini adalah ion-ion yang tidak permeabel terhadap membran
seperti Na+, K+, Cl– dan Ca2+. Dalam dunia klinik, cairan tubuh dinyatakan
dalam tonisitas. Pengukuran tonisitas cairan berdasarkan sifat koligatif
larutan, yakni turunnya titik beku air karena senyawa ionik seperti
misalnya NaCl yang terlarut dalam air. Jadi tonisitas berdasarkan adanya
ion-ion yang tidak permeabel yang terlarut. Persamaannya diberikan
sebagai:
1,86fT ic  ............................................................................ 5

16
Tf adalah perubahan titik beku dan angka 1,86 adalah konstanta titik
beku zat pelarut atau dalam hal ini air. Koefisen osmotik φ untuk NaCl
adalah 0,93 dan i untuk NaCl adalah 2, dan c dalam milimolal (mol/1000
gram pelarut). Jika konsentrasi darah diukur dengan osmometer
seharusnya titik bekunya menunjukkan 0o
C akan tetapi pengukuran
menunjukkan penurunan titik beku sebesar –0,56o
C, maka osmolalitas
atau konsentrasi ion-ion di darah adalah 0,56/1,86 = 0,3 molal atau
osmolalitasnya 0,3 Osm atau 300 mOsm. Jika satu mOsm larutan setara
dengan 19,3 mm Hg, maka tekanan osmotik darah tersebut adalah 19,3 x
300 = 5.790 mm Hg. Pengukuran langsung hanya memberikan harga
sekitar 5.500 mm Hg karena adanya ikatan ion yang sangat kuat dan tidak
mudah terdisosiasi dan juga faktor koreksi φ yang besarnya 0,93.
Akibatnya osmolalitas maupun osmolaritas terkoreksi. Dari penjelasan di
atas jelas terlihat bahwa osmolaritas berbeda dengan osmolalitas.
Larutan 0,9% M NaCl (140 mEq NaCl atau 280 mOsm) dan larutan
glukosa 5% (280 mOsm) mempunyai tekanan osmotik yang sama atau
dikatakan isosmotik. Cairan 5% glukosa disebut hipotonis walaupun
isosmatik karena glukosa bukan senyawa ionik sedangkan larutan 0,9%
NaCl disebut isotonis. Campuran 5% dekstrosa dan 0,9% NaCl adalah
larutan hiperosmotik akan tetapi isotonis. Untuk memperjelas istilah
istilah tersebut dapat dilihat pada tabel 1.1. Cairan cairan tersebut umum
dipakai sebagai pengganti cairan tubuh.
Percobaan pengukuran osmolalitas dan tekanan osmotik larutan
di atas sangat sederhana, kita cukup menggunakan termometer yang
dapat mengukur suhu di bawah nol derajat Celcius. Larutan dibekukan
dan diamati titik bekunya, kemudian titik bekunya dibandingkan dengan
titik beku air. Adanya perbedaan titik beku zat terlarut dengan turunnya
titik beku air (∆Tf) disebabkan oleh adanya zat terlarut dan ini setara
dengan konsentrasi zat terlarut dalam molal.
Tabel 1.2 Beberapa contoh cairan pengganti
Larutan Dikenal sebagai Osmolaritas Osmolalitas
0,9% NaCl Normal salin Isosmotik Isotonik
5% Dextrosa dalam
0,9% NaCl
DW-normal salin Hiperosmotik Isotonik
5% dekstrosa D5W Isosmatik Hipotonik

17
0,45% NaCl Setengah salin Hiposmotik Hipotonik
5% dekstrosa
dalam 0,45% saline
D5 setengah salin Hiperosmotik Hipotonik
Jika sel dimasukan ke dalam cairan yang hipertonik, maka sel
akan mengkerut (shrinking) karena air dari intraseluler akan keluar sel
agar konsentrasi ion-ion intraselluler menjadi sedekat mungkin dengan
konsentrasi ion-ion ekstraseluler. Kondisi ini mirip dengan dehidrasi air
tubuh. Demikian juga apabila dimasukan ke dalam cairan hipotonik maka
sel akanmengembang (swelling) karena air akan masuk ke dalam sel agar
konsentrasi ion-ion di ekstraseluler mendekati konsentrasi ion-ion di
intraseluler. Kondisi ini mirip dengan hiperhidrasi. Jika sel darah merah
mengembang sampai 1,4 kali lebih besar dari konsentrasi semestinya
maka sel akan pecah (lysis) dan pada keadaan ini membran sel darah
merah akan berubah sifat-sifat membrannya yakni molekul besar seperti
haemoglobin akan keluar dari sel dan sesaat membran akan permeabel
terhadap molekul-molekul besar.
Pengukuran tekanan osmotik maupun osmolalitas cairan tubuh di
laboratorium yang sederhana sering menggunakan metoda ini sekalipun
alat yang lebih canggih yang mampu membekukan larutan dan dilengkapi
dengan mikro prosesor telah banyak dimiliki oleh laboratorium laborato-
rium. Dalam kehidupan sehari hari cairan isosmotik dan isotonis sering
digunakan pada hewan dan manusia yang mengalami kehilangan cairan
tubuh. Cairan pengganti mempunyai konsentrasi yang sama dengan
konsentrasi ion-ion di tubuh.
Glukosa atau dekstrosa sering digunakan untuk mejaga tekanan
osmotik dan pemberi energi. Tabel 1.2 menunjukkan cairan pengganti
yang sering digunakan berdasarkan diagnosis klinis. Larutan DW adalah
dekstrosa dalam air, dengan DW5 artinya dekstrosa 5%.
Bagaimana dengan air kelapa yang sering diklaim sebagai cairan
isotonis? Harus dilihat berapa konsentrasi ion Na+ di air kelapa. Apabila
kurang dari 0.9% maka cairan tersebut adalah hipotonis. Akan tetapi bisa
jadi air kelapa hipertonis karena kandungan gulanya tinggi.
1.3.2b Pengaruh larutan yang permeabel terhadap tekanan
osmotik

18
Larutan yang permeabel secara efektif akan seimbang dengan
plasma membran. Karena itu larutan yang permeabel hanya berpengaruh
sesaat pada volume sel. Misalnya 0,154M NaCl ada di luar sel dan ada
bersama-sama dengan 0,05M gliserol, maka pada awalnya tekanan osmotik
larutan ekstraseluler akan lebih besar daripada larutan intraseluler dan
setelah beberapa saat akan seimbang dengan intraseluler dan sel akan
kembali mengembang ke keadaan semula.
1.3.2c Pengaturan volume sel
Ion K+ dan Cl– terdistribusi secara merata pada plasma membran,
dan distribusinya dijaga oleh ion-ion yang tidak permeabel seperti
protein dan nukleotida di dalam sitoplasma.
Mengapa ketidakseimbangan osmotik tidak menjadikan sel untuk
mengembang dan pecah secara tiba-tiba? Hal ini disebabkan secara aktif
sel akan memompa ion Na+ keluar sel dan K+ kembali ke dalam sel (gambar
1.16) sehingga tekanan osmotik akan kembali ke keadaan semula.
1.4 Protein yang Menjadi Perantara Transpor pada Membran
Beberapa senyawa akan keluar atau masuk membran melalui
sistem pembawa yang khas, merupakan bagian intrinsik dari membran.
Transpor tersebut dikatakan sebagai transpor yang menggunakan
mediasi atau perantara. Ion-ion tertentu atau molekul dapat masuk ke
dalam mitokondria atau endoplasmik retikulum dengan menggunakan
sistem perantara. Perantaraan ini dapat menggunakan sistem fasilitas
danmenggunakan perangkat pasif. Transpor ini cenderungmenyeimbang-
kan konsentrasi ion-ion. Transpor lain adalah transpor aktif atau pompa
di mana senyawa atau ion dapat dipindahkan dari konsentrasi yang lebih
rendah ke konsentrasi yang lebih tinggi.
1.4.1 Transpor dengan fasilitas (facilitated transport)
Beberapa senyawa diperlukan untuk dapat keluar masuk membran
akan tetapi permeabilitas terhadap membran sel sangat rendah.
Diperlukan protein pembawa khusus untuk memindahkan materi yang
relatif impermeabel terhadap membran agar dapat berpindah dari
konsentrasi yang tinggi ke yang lebih rendah. Transpor ini menggunakaan

19
protein yang terikat pada membran dan sangat spesifik. Mekanismenya
mirip dengan mekanisme reaksi enzimatik.
Gambar 1.12: Transpor fasilitas, Na+ yang tiggi di luar sel mempunyai
energi potensial yang dapat dipakai memindahkan glukosa yang polar.
http://life.nthu.edu.tw/~d857401/advance.html
Sifat-sifat sistem transpor fasilitas ini dapat satu komponen saja
yang masuk dan disebut simport. Glukosa dapat masuk ke dalam sel dari
saluran pencernaan dengan bantuan molekul protein yang ada di
membran. Masuknya glukosa harus berpasangan dengan Na+ dan apabila
tidak ada ion Na+ maka transpor tidak akan terjadi (gambar 1.12). Energi
yang dihasilkan akibat perbedaan konsentrasi Na+ di luar dandi dalam sel
akan dipakai untuk memindahkan glukosa. Transpornya disebut simport.
Penggunaan energi dalam simport tidak berlangsung secara langsung,
karena ion Na+ yang tinggi di luar sel akan bergerak masuk ke dalam sel
sehingga akan dihasilkan potensial elektrokimia. Demikian juga dengan
masuknya asam amino ke dalam sel harus bersama-sama dengan ion
natrium. Potensial elektrokimia yang terjadi dapat di konversikan
menjadi energi (gambar 1.12). Potensial elektrokimia ini mirip dengan
tegangan listrik di rumah yang dapat dipakai untuk menghidupkan
lampu, lemari es dan alat alat listrik lain. Ada juga yang masuk dengan
cara pertukaran dan disebut antiport, misalnya Na+ keluar sel dan Ca2+
masuk ke dalam sel.
Secara ringkas transpor dengan fasilitas mempunyai sifat sifat sebagai
berikut.
1. Transpor molekul atau senyawa dengan berat molekul yang sama
dan dapat larut dalam lemak maupun difusi sederhana.

20
2. Laju transpor atau pergerakan akan mengalami kejenuhan; pada
awalnya transpor berlangsung dengan cepat, kemudian makin lama
makin lambat dan mencapai maksimum Vmax (gambar 1.13).
Kejenuhan mengikuti model reaksi enzimatik.
Gambar 1.13: Transpor dengan fasilitas menunjukkan kurva maksimum.
Transpor dengan difusi pasif terus naik
3. Protein perantara ini sangat khas, hanya molekul dengan struktur
tertentu akan dapat melalui sistem ini. Sifat ini tidak absolut, tidak
seketat sistem enzim.
4. Molekul yang mempunyai struktur yang berdekatan dapat bersaing
untuk menggunakan sistem transpor yang sama, misalnya glukosa
akan bersaing dengan galaktosa. Transpor glukosa akan berkurang
jika galaktosa ada bersama sama dalam larutan karena akan
menggunakan sistem trasnsport yang sama. Ini mirip inhibisi secara
kompetitif pada reaksi enzimatik. Transporer ini disebut juga
permease dan mirip dengan reaksi katalisa enzim. Transpor ini
diawali dengan ikatan antara molekul pembawa dengan substrat atau
larutan. Ikatan ini seperti transisi kompleks.
Pada transpor gkukosa di eritrosit dan di hati, kinetika reaksinya
akan mirip dengan persamaan Michaelis Menten. Akan terjadi kejenuhan
pada kecepatan perpindahan substratnya. Seperti halnya reaksi enzimatik,
maka transpor ini akan mengalami kecepatan maksimum atau Vmax dan
dapat dilihat pada contoh (gambar 1.13). Transpor ini kadang-kadang
disebut difusi dengan fasilitas atau facilitated diffusion. Peristiwa yang

21
terjadi pada umumnya tidak berkaitan dengan metabolisme, oleh karena
itu pada umumnya tidak dihambat oleh inhibitor metabolisme. Karena
transpor dengan bantuan tidak berkaitan dengan metabolisme, maka
tidak dapat melakukan perpindahan materi yang menentang gradien
konsentrasi. Transpor dengan fasilitas akan menyeimbangkan
konsentrasi materi di luar dan di dalam sel. Glukosa, arabinosa, galaktosa
dan 3-O-metil glukosa berkompetisi menggunakan satu sistem transpor.
Pada difusi pasif seperti masuknya ion Na+ ke dalam sel maka kecepatan
difusi berbanding lurus dengan konsentrasi ion Na+. Persamaannya akan
mengikuti mengikuti persamaan linear.
1.4.2 Beberapa perhitungan energi transpor
Penjelasan rinci bagaimana protein membantu proses transpor
tidak jelas, salah satu penjelasan yang paling umum adalah terjadinya
perubahan tata letak dari molekul sistem transpor. Perubahan tadi
memungkinkan pergerakan molekul untuk berpindah dari satu komparte-
men ke kompartemen lain. Transpor ini menggunakan energi secara
tidak langsung, yang merupakan bantuan dari perpindahan ion Na+ dari
luar sel ke dalam sel. Pergerakan ini akan menghasilkan perbedaan
potensial elektrokimia E dan energi bebas ΔG. Hubungan antara energi
dan potensial elektrokimia diberikan oleh persamaan ΔG= –nFE (kimia
dasar telah membahas ini dengan jelas). Di samping energi yang berasal
dari potensial membran ada juga energi yang berdasarkan perbedaan
konsentrasi Na+ di luar dan di dalam sel dan keadaannya mengikuti
tujuan akhir dari pergerakan ion Na+ yaitu masuk ke dalam sel.
𝑋(𝑙𝑢𝑎𝑟 𝑠𝑒𝑙) 𝑋(𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑠𝑒𝑙)
Konstanta keseimbangan    di dalam sel di luar sel
K X X
Energi bebasnya mengikuti persamaan keseimbangan
di dalam sel
di luar sel
ln
a
a
N
G RT
N


  
 
  
.........................................................6
Total energi yang dihasilkan oleh pergerakan Na+ adalah
di dalam sel
di luar sel
ln
Na
G RT nFE
Na


  
  
  
........................................... 7

22
Keadaan awalnya adalah ion Na+ ada di luar sel. Oleh karena itu
sesuai dengan hukum termodinamika maka energi yang dihasilkan atau
yang digunakan berdasarkan keadaan akhir dan keadaan awal. Bilangan
oksidasi n untuk Na+ adalah 1, dan konsentrasi Na+ di dalam sel 10 mM
dan di luar sel 140 mM. Jika harga R adalah 1,987 kalori/oKmol, T tubuh
manusia 37oC atau 310oK dan F adalah bilangan Faraday, dan jika harga
F dinyatakan dalam kalori maka besarnya adalah 23,062Kkal/mol volt
danpotensialelektrokimia EuntukNa+ adalah0,07 volt(dibulatkan). Energi
yang dihasilkan berdasarkan perbedaan konsentrasi ion natrium di
dalam dan di luar sel adalah dari suku pertama persamaan 7 yakni 1,987
x 310 ln (10/140), yaitu sekitar –1,6 kkalori. Untuk pergerakan ion Na+
diambil dari suku kedua persamaan 7 dan harganya adalah 1 
23,062kkal/mol volt  –0,07Volt, yaitu sekitar –1,6 kkal/mol. Total energi
yang dihasilkan berdasarkan perbedaan konsentrasi natrium di dalam
dan di luar sel adalah –3,2 kkalori. Harga potensial Na+ sebesar 0,07 volt
akan diterangkan pada pembahasan keseimbangan ion dan potensial
istirahat membran.
Pada transpor glukosa senyawa ini harus dipindahkan dari luar
sel ke dalam sel. Karena molekul glukosa polar maka diperlukan energi
untuk mentransfer glukosa dan besarnya adalah
 
 
di dalam sel
di luar sel
Glukosa
ln
Glukosa
G RT   ............................................. 8
Jika konsentrasi glukosa di luar sel 5 mM dan di dalam sel sekitar
0,005 mM maka ΔG untuk mentranspor glukosa adalah –RT ln (0,005/5).
Maka, ΔG nya adalah –2310 ln (1/1000) = +4,3 kkal/mol. Jadi energi
yang dihasilkan dari pergerakan 1 mol Na+ tidak akan cukup untuk
mentranspor glukosa; diperlukan 2 mol Na+ untuk mentranspor glukosa.
Demikian juga untuk asam amino; jika Anda tahu konsentrasi asam
amino di luar dan di dalam sel maka Anda akan tahu berapa ion natrium
yang diperlukan untuk menggerakan asam amino untuk masuk ke dalam
sel.
Pada sel-sel yang mudah tereksitasi seperti jantung ada
mekanisme tambahan transpor yakni penukar Na+/Ca2+ (Na+/Ca2+
exchanger atau NCX). Penukar Na+/Ca2+ ini dikatagorikan sebagai penukar
antiport dan menggunakan energi yang dihasilkan dari pergerakan Na+
yang masuk ke dalam sel dan membran potensialnya:

23
   di dalam sel di luar sel
61log 61log 10 130Na
E Na Na
 
          = 68 mV.
Potensial yang dihasilkan akan digunakan untuk mengeluarkan ion Ca2+
dari dalam sel (lihat penjelasan potensial elektrokimia di bawah).
Konsentrasi ion Ca2+ di luar sel sekitar 1,0 mM atau 1.000 µM dan di
dalam sel 0,10µM (lihat tabel 1.1). Potensial elektrokimia yang dihasilkan
dari pergerakan Ca2+ adalah:
   2 2
di dalam sel di luar sel
61/ 2log 61/ 2log 10 1.000mV0,Ca
E Ca Ca
 
           122
mV (perhatikan persamaan di atas, Na+ masuk ke dalam sel berarti
keadaan akhir Na+ ada di intraseluler dan Ca2+ keluar sel dan keadaan
akhirnya Ca2+ di luar sel). Angka 61 akan dijelaskan pada pembicaraan
potensial elektrokimia.
Perbedaan potensial yang terjadi pada pertukaran Na+/Ca2+ atau
daya dorong pertukaran Na+/Ca2+ di jantung pada keadaan seimbang
disebabkan oleh masuknya 3 Na+ ke dalam sel dan 2 Ca2+ dikeluarkan dari
dalam sel sehingga potensial elektrokimia yang dihasilkan dari
pertukaran tersebut adalah 3ENa
+ – 2ECa
2+ = (370 mV) – (2122 mV) =
–36 mV (dibulatkan menjadi –40 mV). Diperlukan potensial yang dapat
mengatasi –40 mV tersebut (gambar 1.14). Karena konsentrasi Ca2+ di
dalam sel meningkat akibat masuknya Ca2+ dari luar sel maka harga ECa
2+
akan naik, misalnya konsentrasi ion Ca2+ naik dari 0,1µM ke 0,15 µM
sehingga ECa2+ akan berubah menjadi ECa2+ = –61/2 log [0,15/ 1.000] = 90
mV dan ENa+/Ca2+ nya menjadi (370) – (290) = 30 mV. Potensial elektro-
kimianya naik menjadi positif sehingga potensial elektrokimia membran
yang terbentuk dapat dipakai untuk melakukan penukaran ion Na+ dan ion
Ca2+. Penukar Na+/Ca2+ tidak terikat secara kuat dengan ion Ca2+ akan
tetapi dapat memindahkan ion Ca2+ dengan cepat (kapasitasnya tinggi),
dapat memindahkan 5.000 ion Ca2+ per detiknya. Sangat berguna untuk
mengatur konsentrasi sesaat ion Ca2+ yang besar seperti pada jantung.
Penukar Na+/Ca2+ memegang peranan penting dalam homeostasis
jantung. Jika Ca2+ tidak dikeluarkan secara cepat dari dalam sel, maka
kontraksi otot jantung akan berlangsung lebih lama, yang akibatnya akan
terjadi kelelahan otot jantung. Secara umum penukar Na+/Ca2+
mempunyai fungsi untuk mengatur kalsium kembali ke keadaan normal
setelah proses-proses seluler yang memerlukan ion Ca2+.

24
Gambar 1.14 : Pertukaran Na+ dan Ca2+ pada jantung. Homeostasis Ca
pada sel dijaga oleh pertukaran 3Na+/2Ca2+.
1.4.3 Transpor aktif
Berbeda dengan transpor pasif maka transpor aktif melibatkan
energi untuk perpindahan materinya. Materi berpindah dari konsentrasi
rendah ke konsentrasi tinggi. Analoginya memindahkan air dari kedu-
dukan yang lebih rendah ke kedudukan yang lebih tinggi. Untuk itu
diperlukan pompa air dengan energi listrik. Pada sel, energinya harus
diberikan secara langsung yakni dari hidrolisis ATP.
Andaikata senyawa dari luar sel X(luar sel) bergerak ke dalam sel
X(dalam sel) maka persamaan keseimbangannya adalah:
X(luar sel) X (dalam sel)
dan persamaan termodinamikanya adalah
 
 
0 di dalam sel
di luar sel
ln
X
G G RT
X
    ................................................ 9
Konstanta keseimbanganpergerakan Keq = [X]luar sel / [X]dalam sel = 1. Artinya
ΔGo selalu 0 maka
 
 
di dalam sel
di luar sel
ln
X
G RT
X
  ........................................................ 10
Contoh: Konsentrasi laktosa di dalam sel bakteri 0,01mM dan konsentrasi
laktosa di dalam sel harus dijaga konstan sedangkan konsentrasi laktosa

25
di luar sel hanya 0,0002mM. Energi yang diperlukan agar konsentrasi
laktosa di dalam sel tetap 0,01mM sekalipun berasal dari konsentrasi
yang rendah 0,0002 mM adalah
di dalam sel di luar selln{(laktosa) (laktosa) }
(1,987)(273 25)ln(0,01/ 0,0002)
592ln(50) 2.316 Kalori/mol=2,32KKalori/mol
G RT 
 
 
Energi yang diperlukan ini akan dapat dipenuhi dari hidrolisis 1 mol ATP
yang besarnya –7,3 KKalori/mol.
Pada transpor aktif yang melibatkan potensial elektrokimia maka
potensial tadi akan memerlukan energi ΔG. Jika n muatan ion dan Em
adalah potensial membran pada keadaan istirahat yakni –0,07 Volt, maka
 
 
di dalam sel
masuk
di luar sel
ln m
X
G RT nFE
X
   ..................................... 11
Proses sebaliknya adalah ΔG keluar sel dan tandanya berlawanan.
Contoh berikut adalah transpor ion hidrogen dari intraseluler ke lambung.
Jika konsentrasi ion H+ di intrasesuler adalah 10-7 M sedangkan di dalam
lambung adalah 10-2 M (sangat asam), maka energi yang diperlukan
untuk menjaga konsentrasi ion hidrogen di mukosa lambung agar tetap
10-2 M adalah adanya transpor ion H+ dari dalam sel ke mukosa lambung.
Kedudukan mukosa lambung adalah di luar sel.
di mukosa
keluar
di dalam sel
ln m
H
G RT nFE
H


  
  
  
................................. 12
 2 7
keluar (1,987)(310)ln 10 10 (1)(23.060)( 0,07)
7.092 1.614 8.706 Kalori/mol
G  
   
  
Perbedaan konsentrasi ion hidrogen di dalam dan di luar sel
menghasilkan potensial elektrokimia. Total energi yang diperlukan
adalah energi bebas berdasarkan gradient konsentrasi dan energi dari
potensial elektrokimia. Jumlah energinya adalah 8.705 kalori/mol.
Energi ini dapat dipenuhi dari hidrolisis 2 mol ATP.
Transpor lain yang juga memerlukan energi adalah transpor Na+
dan K+. Transpor ini diperlukan karena selama organisme masih hidup
konsentrasi ion-ion di dalam dan di luar harus selalu ada. Perbedaan ini
selalu dijaga oleh pompa Na+/K+-ATPase (gambar 1.15). Pompa ini akan

26
memompa 3Na+ keluar sel dan 2K+ ke dalam sel. Pompa ini merupakan
bagian integral dari membran, dan ini penting agar potensial listrik pada
membran tetap terjaga. Anda dapat menghitung energi yang diperlukan
oleh pompa dengan menggunakan alur pemikiran di atas yakni:
di luar sel di dalam sel
Na K
di dalam sel di luar sel
3 ln 2 lnNa K
Na K
G RT nFE RT nFE
Na K
 
 
      
    
      
........... 13
Karena potensial elektrokimia berada pada keadaan seimbang
maka ENa
+ akan sama dengan EK
+
. Ingat bahwa pompa Na+/K+ harus selalu
bekerja setiap saat karena selama sel masih hidup perbedaan konsentrasi
Na+ dan K+ di dalam dan di luar sel harus selalu ada.
Sebagai latihan hitunglah berapa ATP diperlukan untuk mengge-
rakkan pompa. Perhatikan Na+ dikeluarkan dari dalam sel keluar dan K+
di luar sel ke dalam sel berarti keadaan akhir Na+ di luar sel dan keadaan
awal K+ di dalam sel. Apabila dihitung maka kira-kira diperlukan 3 ATP
untuk memompa ion-ion Na+dan K+
3 Na
+
2K
+

27
Gambar 1.15: Pompa Na+/K+ memerlukan energi untuk memindahkan
Na+ keluar sel dan K+ kembali ke dalam sel
Proses yang sama dipakai untuk mentranspor Ca2+ dari dalam
sitosol keluar sel, konsentrasi ion Ca2+ di sini hanya sekitar 10–7M
sedangkan di ekstraseluler sekitar 10–3M. Hampir semua sel pada plasma
membrannya mempunyai pompa Ca-ATPase agar perbedaan konsentrasi
yang besar antara ion Ca2+ di intraseluler dan di ekstraseluler tetap
terjaga.
1.5 Keseimbangan Ion dan Potensial Membran pada Keadaan
Istirahat
Sebagai akibat dari perbedaan ion-ion di dalam dan di luar sel,
maka timbul tegangan listrik atau perbedaan potensial listrik pada
membran. Hampir semua sel hewan mempunyai perbedaan tegangan
listrik sepanjang plasma membrannya. Di dalam sitoplasma potensialnya
relatif negatif dibandingkan dengan ekstraseluler. Perbedaan potensial
pada plasma membran dalam keadaan tidak tereksitasi atau istirahatnya
disebut resting membran potential atau potensial istirahat membran.
Keadaan istirahat dari potensial membran maupun keadaan tereksitasi-
nya dapat diukur dengan mikroelektroda dengan diameter 1m dan
amplifier (pengganda) listrik.
Elektroda ditancapkan perlahan-lahan ke dalam sel dan tercelup
ke dalam sitolasma. Adanya perbedaan konsentrasi ion-ion antara bagian
luar sel (ekstrasel) dan bagian dalam sel (intrasel) akan mengakibatkan
terjadinya perbedaan potensial elektrokimia, atau ada polaritas antara
intrasel dan ekstrasel.
Keadaan ini disebut terpolarisasi, berdasarkan pengamatan
perbedaan potensial yang terjadi pada waktu membran tidak tereksitasi
adalah –70 sampai dengan –95mV dan setelah diteliti lebih jauh lagi
harganya –85. Fakta yang diperoleh menunjukkan bahwa dominasi ion-
ion di sekitar sel adalah Na+, K+, Cl– dan Ca2+ (gambar 1.16).

28
Gambar 1.16: Elektroda diletakan perlahan-lahan ke sel dan masuk
sehingga mencapai intraseluler
http://people.eku.edu/ritchisong/301notes2.htm
Dari hasil analisis kimia, maka Persamaan elektrokimia untuk
membran yang semi permeabel terhadap ion diberikan oleh persamaan
Nernst:
 
 0
ln i
XRT
E
nF X
 
   
 
.................................................................. 14
RT/zF merupakan konstanta, R= 1,987 kalori/oKmol, T dalam oK dan
bilangan Faraday F adalah 23.060 kalori/volt mol. Setelah diselesai-
kan, konstanta tersebut untuk ion bermuatan 1 dan ln [X]i/[X]0 diubah
menjadi 2.303  log [X]i/[X]0 maka diperoleh harga (1,987 
310)/(123.060 kalori/volt mol) = 61 mV. Harga ini berdasarkan suhu
tubuh manusia yakni 37oC. Konsentrasi [X] menunjukkan ion yang
mendominasi pada keadaan tertentu. Tanda i menunjukkan intrasel
sedangkan 0 menunjukkan ekstrasel. Konsentrasi ion-ion di luar dan
di dalam sel pada beberapa hewan dapat dilihat pada tabel 1.3.
1.5.1 Potensial istirahat (Resting membran potential)
Pada waktu istirahat atau sel sedang tidak tereksitasi, potensial
elektrokimianya dikontrol oleh pergerakan ion K+. Membran lebih per-
meabel terhadap ion K+. Ion K+ akan keluar dari membran. Karena

29
ditinggalkan muatan positif maka muatan di dalam sel relatif lebih negatif
terhadap luar sel, membran menjadi terpolarisasi. Potensial elektro kimia
yang terjadi mengikuti persamaan Nernst dan berdasarkan hasil analisis
komposisi ion-ion di luar dan di dalam sel maka perbandingan
konsentrasi untuk ion K+ untuk saraf cumi cumi (squid giant axon) adalah
20/400. Potensial elektrokimia yang dihasilkan harganya sekitar -75mV.
Pada mamalia besar potensial elektrokimia untuk ion K+ adalah -83mV.
Tabel 1.3 menunjukkan komposisi cairan tubuh pada hewan mamalia
besar dan cumi cumi. Sekalipun komposisi mamalia besar dan cumi cumi
mempunyai perbandingan konsentrasi ion-ion Na+ dan K+ yang berbeda
akan tetapi perbandingan konsentrasi ion di dalam dan di luar sel
mendekati 10/1 sehingga potensial membran istirahat sekitar –80
sampai dengan –90mV dan potensial tereksitasi sekitar +58 mV sampai
+70 mV.
Kanal K+ dapat dikatakan bocor pada saat hiperpolarisasi karena
harga pengukuran yang diukur jauh lebih negatif dari harga perhitungan.
Berarti lebih banyak ion K+ yang keluar dari sel dan karena sel
ditinggalkan oleh muatan positif maka potensialnya menjadi sangat
negatif. Pada saat itu kanal Na+ pada membran sel saraf tertutup sama
sekali. Proses ini hanya berlangsung sesaat. Pada saat hiperpolarisasi
membran saraf tidak dapat dirangsang oleh rangsangan listrik, karena
walaupun ada rangsangan listrik kanal Na+ tetap tertutup. Hal ini disebut
perioda refraktori. Lamanya perioda refraktori relatif ini ditentukan oleh
berapa lama daya hantar ion kalium (gK) kembali ke normal. Jika
depolarisasi cukup lambat, jumlah kanal Na yang paling sedikit harus
dibuka tidak pernah tercapai, maka sebagai respons kanal K+ terbuka
sehingga refraktori akan tetap menahan depolarisasi.
Tabel 1.3 Komposisi Cairan Ekstrasel dan Intrasel serta Potensial
Elektrokimia yang Terbentuk pada Mamalia Besar dan Cumi-Cumi
Mamalia Besar
Ion
Cairan
ekstraseluler
(mM)
Sitoplasma
(mM)
Harga
potensial
(mV)
Harga
Sebenarnya
(mV)
Na+ 130 10 +70
K+ 5 140 –83 –85 s.d. –90

30
Cl– 120 4 –85
Ca2+
1,0 mM
(1.000µM)
0,1µM 122 mV
Cumi-Cumi
Ion
Cairan
ekstraseluler
(mM)
Sitoplasma
(mM)
Harga
potensial
(mV)
Harga
Sebenarnya
(mV)
Na+ 460 50 +58
K+ 20 400 –80 -90
Cl– 540 50 –68
1.5.2 Potensial tereksitasi
 Pada waktu tereksitasi maka membran akan dikontrol oleh ion
Na+. Karena ion Na+ masuk ke dalam sel maka muatan di dalam
sel relatif lebih positif dibandingkan dengan muatan di luar sel.
Pada waktu ion Na+ berdifusi masuk ke dalam sel, membran
kehilangan muatan negatif dan polaritas muatan listrik antara
bagian luar sel dan dalam sel menjadi berkurang. Situasi ini
disebut depolarisasi. Berdasarkan perbandingan komposisi ion
Na+ di luar dan di dalam sel maka harga potensial membrannya
dapat mencapai +65mV (persamaan 1.14) akan tetapi yang
terlihat pada eksperimen harganya sekitar 30 mV (gambar 1.18).
Hal ini terjadi karena pada potensial ini mulai terjadi kejenuhan
terhadap ion Na+ akibat sifat kapasitor dari membran dan pada
titik ini kanal Na+ mulai tertutup. Potensial aksi tadi hanya akan
terjadi apabila diawali oleh adanya potensial ambang atau
treshold potential yang besarnya sekitar 15 mV. Tanpa potensial
ambang potensial aksi tidak akan terjadi. Potensial yag terjadi
tidak mungkin setengah setengah, berhasil atau gagal sama
sekali (all or none)

31
Gambar 1.17: Potensial elektrokimia membran
 Pergerakan ion Na+ ke dalam sel tidak memerlukan jumlah yang
besar, cukup sedikit saja akan mempengaruhi keseluruhan
perubahan potensial membran. Dengan mengambil model
rangkaian listrik yang terdiri dari kapasitor, muatan listrik dan
potensial maka perubahan konsentrasi Na+ yang masuk ke
dalam sel mengikuti persamaan
Q CV ........................................................................... 15
V adalah beda potensial antara luar dan dalam sel dinyatakan
dalam volt , C kapasitas dari kapasitor yang melewati membran
dinyatakan dalam farad, Q muatan listrik dalam Coulomb. Hasil
eksperimen pada cumi cumi menunjukkan bahwa harga kapa-
sitans C adalah 1µF (microfarad cm–2 dalam Farad harganya 10–6
F cm–2) dan tinggi potensial aksi 100 mV atau 0,100 Volt (dari –
70 ke +30mV), maka muatan listrik yang bergerak masuk ke
dalam sel Q adalah = 10–6 Farrad cm–2 0,10 volt = 1,0  10–7
coulomb cm–2. Jika muatan 1 ion adalah 1,610–19 coulomb maka
jumlah ion yang bergerak masuk adalah 1,0  10–7 coulomb cm–2
 1 ion/1,610–19 coulomb= 6.25  1011 ion cm-2. Jika luas permu-
kaan elektroda yang dilewati ion 1µm2 (10–8cm2) maka hanya
6,025  1011  10–8= 6250 ion yang keluar masuk elektroda. Hal
yang sama juga berlaku untuk ion K+. Ada juga beberapa buku

32
yang mendasari perhitungan ion yang keluar masuk dengan
mengasumsikan luas permukaan saraf cumi cumi berkisar antara
4 sampai dengan 40 m2 dan mengabaikan keluar masuknya ion
melewati elektroda. Hasil yang akan kita peroleh tetap
menunjukkan bahwa jumlah ion yang keluar dan masuk sel jauh
lebih kecil dari konsentrasi ion-ion yang ada pada sel.
 Peristiwa depolarisasi dan hiperpolarisasi bisa berlangsung
hanya dalam waktu milidetik dan disebut potensial aksi dan
angka 6.250 ion Na+ tadi menunjukkan bahwa hanya sedikit saja
ion Na+ yang bergerak setiap detiknya. Anda dapat membuat
perhitungan senam otak untuk menghitung jumlah ion yang
masuk ke seluruh permukaan sel yang jari jarinya 10 µm dan
luasnya πr2 (sekitar 314µ m2). Akan diperoleh sekitar 2 juta ion
Na+ atau K+ yang bergerak di permukaan sel yang luasnya 314
µm2(bandingkan dengan bilangan Avogadro untuk 1 mol ion).
Ion Na+ maupun K+ tadi hanya sejumlah kecil saja yang bergerak
masuk/keluar sel. Jika anda ingin berpetualang lagi maka
volume satu sel adalah 4/3 πr3 dan volumenya sekitar 4.000µm3.
Jika konsentrasi ion Na+ di dalam sel 10 mM atau 10 mM/dm3
maka ada 6,0231021 ion di intraseluler. Karena volume sel
sekitar 4.000 µm3 maka di dalam sel ada sekitar 3× 109 ion Na+
dan ion K+ kira kira 10 kalinya. Jika ion yang keluar masuk sekitar
2 juta dan jumlah ion di dalam sel 3×109 maka pergerakanion-ion
tersebut hanya {(2  106) / (3  109)}  100% saja, atau sekitar
0,06%.
1.6 Transpor Menembus Membran, Bukan Melalui Membran
Endositosis adalah proses yang memungkinkan materi masuk ke
dalam sel tanpa harus melalui membran, misalnya pagositosis dan
pinositosis. Mengambil materi tertentu disebut pagositosis sedangkan
mengambil molekul yang terlarut disebut pinositosis. Kadang-kadang
daerah tertentu dari plasma membran melakukan endositosis. Pada
daerah ini plasma membran akan dilapisi oleh molekul yang namanya
klatrin. Daerah ini disebut coated pits (lubang pelapis) dan endositosis
menghasilkan coated vesicles. Lubang pelapis terlibat dalam receptor
mediated endocytosis (endositosis yang dimediasi oleh reseptor). Protein
yang akan diambil akan dikenali dan diikat oleh reseptor tertentu yang

33
terikat pada lubang pelapis tadi. Endositosis merupakan proses yang
aktif, memerlukan energi metabolisme.
Eksositosis adalah molekul yang dikeluarkan dari dalam sel yang
mirip dengan endositosis. Contohnya adalah pelepasan protein
dibeberapa sel saraf sebagai neurotransmiter, pelepasan enzim-enzim
dari sel asinar pankreas dan pelepasan hormon hormon dari kelenjar
endokrin. Protein-protein tadi akan disimpan di dalam sel sebelum
dikeluarkan.
1.7 Komunikasi di Dalam Sel
1.7.1 Sistem saraf
Komunikasiantarasel-seltereksitasibergantungkepadaperubahan
listrik yang diakibatkan oleh pergerakan ion-ion pada plasma membran
dan disebut potensial aksi. Komunikasi antar sel-sel tereksitasi misalnya
saraf yang memerlukan respons yang sangat cepat tidak dapat
menggunakan sistem difusi sederhana karena untuk menggerakkan ion
pada jarak 1cm diperlukan waktu 14 jam (lihat persamaaan 1).
Diperlukan waktu yang lama agar pesan dari saraf dapat diterima oleh
targetnya. Oleh karena itu diperlukan komunikasi yang lebih cepat yakni
komunikasi secara listrik yang dapat berespons secara cepat dalam ordo
milidetik. Komunikasi ini menimbulkan potensial aksi atau depolarisasi.
Setelah depolarisasi akan kembali ke keadaan semula atau potensial
istirahat (resting membran potential), yang harganya sekitar –70mV.
Depolarisasi berikutnya menunggu terbukanya kembali kanal natrium
dan hanya terjadi pada waktu potensial membran mendekati harga
istirahatnya. Atau mengalami repolarisasi. Proses ini dapat melibatkan
peranan neurotransmiter yang akan memediasi terbukanya kanal ion
(gambar 1.18).
1.7.2 Reseptor dan transduksi (hantaran) signal.
Dunia luar sel dan dalam sel dipisahkan oleh dinding membran
yang sulit ditembus oleh senyawa kimia. Informasi dari luar sel tidak
akan mudah untuk dapat diproses di dalam sel. Oleh karena itu
diperlukan koordinasi dan komunikasi antara dunia luar dan dunia
dalam sel. Untuk organisme yang kompleks seperti hewan tingkat tinggi
komunikasinya menggunakan sistem endokrin dan sistem saraf. Hormon

34
akan dilepaskan dari kelenjar dan dibawa oleh aliran darah dan
disampaikan ke target yang jauh sedangkan jaringan saraf akan menjulur
dan mengenai target dan melepaskan neurotransmiter. Keduanya baik
hormon maupun neurotransmiter melibatkan molekul pembawa pesan
(messenger) yang dilepaskan dari satu sel kepermukaan sel targetnya.
Kesamaan dalam mekanisme molekul pembawa pesan ini menimbulkan
dugaan pemikiran bahwa mekanisme penyampaian pesan pada sistem
saraf sama dengan sistem hormon.
Neurotransmiter atau hormon akan berikatan dengan reseptor
(gambar 1.18) dan dapat juga bertindak sebagai kanal ion misalnya
asetilkolin pada otot lurik adalah asetilkolin nikotinik dan akan ditangkap
oleh reseptor nikotinik, selanjutnya akan berinteraksi dengan kanal Na+
sehingga Na+ akan mudah masuk ke dalam sel, diikuti dengan depolar-
isasi dan proses proses seluler. Demikian juga proses-proses biokimia
lain memerlukan informasi dari luar sel sebelum diproses di dalam sel.
Rangsangan atau informasi dari luar sel tadi akan dikenali oleh protein
yang terikat pada membran dan dikenal dengan nama reseptor. Hormon,
neurotransmiter dan obat adalah rangsangan dari luar sel. Molekul
molekul pemberi signal ini bekerja melalui beberapa cara. Setelah
rangsangan berikatan dengan reseptor akan terjadi interaksi protein G
dengan enzim-enzim yang ada di bagian dalam membran dan terjadi
pembentukan second messenger seperti siklik adenosine mono fosfat
(cAMP), inositol trisfosfat (IP3), siklik guanosin monofosfat (cGMP).
Protein G yang terikat pada membran sitosol akan mengatur paras
(kandungan) second messenger. Protein G dapat mengaktifkan maupun
mendeaktifir enzim-enzim yang akan menjalankan proses seluler yang
berkaitan dengan second messenger seperti adenilat siklase, fosfolipase C
dan A.
Protein G merupakan protein trimerik (mempunyai 3 subunit)
yakni , , dan . Pada pembentukan cAMP, protein G yang tidak aktif
berikatan dengan GDP dan akan teraktifkan. GTP akan berikatan dengan
subunit α. Selanjutnya GTP dan subunit  akan mengaktifkan adenilat
siklase sehingga ATP akan berubah menjadi cAMP. Terjadi penggandaan
molekul selama proses tersebut. Dari satu molekul di reseptor sampai G
yang tidak aktif berikatan dengan GDP dan akan teraktifkan. GTP akan
berikatan dengan subunit α. Selanjutnya GTP dan subunit  akan
mengaktifkan adenilat siklase sehingga ATP akan berubah menjadi cAMP.
Terjadi penggandaan molekul selama proses tersebut. Dari satu molekul
di reseptor sampai menjadi 104 molekul dipesan kedua. Subunit  dan 

35
akan berikatan dengan reseptor yang telah berikatan dengan ligan atau
rangsangan. Setelah cAMP terbentuk, maka GTP akan terhidrolisis dan sub
unit α akan melepaskan diri dari adenilat siklase. Subunit β dan γ juga
akan melepaskan diri dari reseptor, selanjutnya subunit α, β dan γ akan
bersatu kembali (gambar 1.19). cAMP yang terbentuk akan mengaktifkan
protein kinase yang tidak aktif menjadi aktif dan selanjutnya protein
kinase yang aktif akan mengaktifkan fosforilase kinase yang tidak aktif
menjadi fosforilase kinase yang aktif. Akhirnya fosforilase kinase b yang
tidak aktif akan teraktifkan oleh fosforilase kinase dan selanjutnya akan
mengaktifkan enzim-enzim proses seluler. Contoh klasik adalah aktifasi
enzim pemecah glikogen. Glikogen akan dipecah menjadi glukosa diawali
dengan adanya aktifasi reseptor β adrenergik di membran oleh molekul
epinefrin. Kemudian terjadi aktifasi cAMP seperti telah dibahas di atas.
cAMP akan mengaktifasi protein kinase dan selanjutnya fosforilase
kinase akan teraktifasi. Tahap berikutnya adalah aktifasi enzim glikogen
fosforilase dan akhirnya terbentuk glukosa-1P. Dari sekitar 10–10 M
epinefrin akan terbentuk sekitar 10–6M glukosa-6P, sekitar 10.000 kali.
Peristiwa tersebut terjadi pada sel hati dan otot (gambar 1.20).
Gambar 1.18: Mekanisme kerja neurotransmiter dan hormon secara
umum

36
Gambar 1.19: Mekanisme transduksi signal yang melibatkan cAMP
https://mcb.berkeley.edu/courses/mcb110spring/nogales/mcb110_s2008_4signaling.pdf
Tabel 1.4 Beberapa Katagori dan Kelas dari neurotransmiter.
Amina biogenic Peptida Asam amino Lain-lain
Katekol amin Substans P Eksitatori
Nitrogen
oksida
Epineprin Neuropepida Y Glutamat ATP
Norepineprin Enkapalin Aspartat Zeng (Zn)
Dopamin Somatostatin
Asam
arahidonat
Indolamin VIP Inhibitori PAF
Serotonin
(5-HT)
-aminobutric
acid
CO (karbon
monoksida)
Histamin Glisin
Ester
Asetilkolin

37
Gambar 1. 20: Peranan cAMP dlam pemecahan glikogen. Diawali dari
rangsangan pertama sampai ke pembentukan cAMP dan aktifasi enzim
enzim yang terlibat.
Beberapa organ apabila dirangsang selnya akan menghasilkan
cAMP. Contoh contohnya dapat dilihat pada tabel 1.5 berikut.
Tabel 1.5 Fungsi cAMP pada regulasi reaksi seluler
Regulasi Sasaran Rangsangan
Pemecahan glikogen Otot, hati Epinefrin
Produksi asam
lemak
Adipose Eppinefrin
Detak jantung,
tekanan darah
Kardiovaskuler Ephinefrin
Reabsorbsi air Ginjal
Hormon anti diuretic
(ADH)
Reabsorbsi tulang Tulang
Hormon paratiroid
(PTH)

38
Jalur inhibitori seharusnya merupakan mekanisme umpan balik
pembentukan cAMP, akan tetapi apabila ada racun atau senyawa kimia
tertentu penghentian pembentukan cAMP melalui jalur protein G tidak
terjadi. Akibatnya cAMP akan terus melakukan stimulatori atau rang-
sangan. Racun pertussis yang menyebabkan wooping cough akan
menghalangi inhibitori melalui jalur tersebut. Akibatnya cAMP akan terus
merangsang terjadinya batuk. Demikian juga pada waktu terdedah racun
kolera, terjadi deaktifasi enzim fosfodiesterase yang akan mendegradasi
cAMP. Akibatnya cAMP masih terus ada dan akan mengakibatkan seluler
respons yang tidak dapat dihentikan. Dalam hal racun kolera respons
selulernya adalah mobilisasi air terus menerus. Kafein, teofilin, dan
teobromin akan menghambat pemecahan cAMP karena terjadi inhibitori
terhadap enzim fosfodiesterase. Akibatnya akan terjadi rangsangan yang
terus menerus (gambar 1.19).
Pada pembentukan second messenger inositol trisfosfat (IP3) maka
urut-urutannya adalah sebagai berikut.
1. Adanya rangsangan dari luar akan mengawali hidrolisis fosfo inositol
bisfosfat yang terikat pada membran sel. Senyawa ini terbentuk dari
transfer gugus fosfat ke fosfatidil inositol bisfoasfat (IP2).
2. Rangsangan yang berupa hormon atau neurotransmiter atau obat tadi
apabila menduduki reseptor akan bergabung dengan protein G.
Seperti halnya pada pembentukan cAMP, kompleks reseptor-protein
G akan menyebabkan ikatan dengan GTP dan memindahkan GDP dari
subunit  dan membebaskan kompleks .
3. Kompleks - GTP akan mengaktifkan fosfolipase C dan akan melepas-
kan PIP2 dari membran. Lepasnya PIP2 menghasilkan IP3 (gambar
1.21).
4. Kemudian IP3 akan merangsang gudang kalsium (endoplasmik
retikulum) untuk melepaskan kalsium (Ca2+).
5. Ion Ca2+ akan berikatan dengan kalmodulin dan juga mengaktifkan
protein kinase C dan selanjutnya akan mengaktifkan protein tidak
aktif menjadi protein aktif.
6. Protein kinase C juga diaktifkan oleh diasil gliserol yang berasal dari
hidrolisis PIP2 yang tetap terikat pada membran fosfolipid. Konser
harmoni Ca2+– kalmodulin dan diasil gliserol akan menimbulkan
respon seluler.

39
Tabel 1.6 Fungsi IP3 pada Regulasi Reaksi Seluler
Regulasi Sasaran Rangsangan
Aktifasi platelet Platelet darah Thrombin
Kontraksi otot Otot polos Asetilkolin
Sekresi insulin Pankreas endokrin Asetilkolin
Sekresi amylase Pankreas eksokrin Asetilkolin
Degradasi glikogen Hati
Anti diuretic hormon
(ADH)
Gambar 1. 21: Mekanisme signal transduksi yang melibatkan IP3. Diawal
dengan pemecahan fosfolipid dana aktifasi protein G.
Kalsium sering dikatakan sebagai second messenger karena bebe-
rapa peristiwa respons seluler banyak melibatkan Ca2+. Konsentrasi Ca2+
di sitosol naik apabila ada rangsangan dari ekstraseluler dan pemben-
tukan kompleksnya dengan kalmodulin akan mengawali respons seluler.

40
Molekul berikutnya adalah siklik guanosine monofosfat (cGMP).
Molekul ini diamati pertamakali oleh Robert Furchgott pada endotel
pembuluh darah. Asetilkolin yang terikat pada permukaan membran
endotel akan mengaktifasi pemecahan fosfolipid menjadi IP3 dan
kemudian memobilisasi kalsium di endoplasik retikulum. Selanjutnya
terjadi aktifasi kalmodulin dan diikuti dengan aktifasi nitrokside sinthase.
Peristiwa berikutnya pada permukaan endotel akan dihasilkan
nitrogen oksida (NO) yang berasal dari degradasi arginin. Proses
berikutnya akan terjadi aktifasi guanilil siklase dan mengubah guanosin
trifosfat menjadi siklik guanosin monofosfat. Selanjutnya seperti cAMP
dan IP3 maka cGMP akan mengaktifkan protein kinase G dan terjadi
dilatasi pembuluh darah akibat relaksasi otot polos (gambar 1.22). Jauh
sebelumnya, obat pembuka pembuluh darah telah lama digunakan dan
populer yakni nitrogliserin. Gugus nitro inilah yang akan mengaktifkan
pembentukan cGMP sehingga terjadi pelebaran pembuluh darah.
Gambar 1.22 : Mekanisme Pembentukan cGMP pada Pembuluh Darah.
Berasal dari Pemecahan Fosfolipid yang Menghasilkan IP3 dan Akhirnya
Pembentukan Nitorgen Oksida.
http://www.mun.ca/biology/desmid/brian/BIOL2060/BIOL2060-14/CB14.html
Obat turunan sildenafil atau populer dengan nama viagra bekerja
menghambat pemecahan cGMP karena viagra akan menghambat enzim
cGMP-spesifik fosfodiesterase. Akibatnya terjadi dilatasi pembuluh darah
di daerah erektil yang lama karena cGMP menjadi lebih lama
terdegradasi.

41
Transduksi signal lain yang juga dikenal adalah terlibatnya
reseptor tirosin kinase. Reseptor tirosin kinase berbeda dengan reseptor
yang berkaitan dengan protein G. Reseptor ini kadang kadang hanya
terdiri dari rantai polipeptida tunggal dan berupa protein trans membran
(gambar.1.23). Transduksi signal berawal dari ekstraseluler. Ligand akan
berikatan dengan reseptor. Ikatan ligan dengan reseptor ini akan
membentuk dimer atau membentuk kluster. Selanjutnya di intraseluler
akan terjadi fosforilasi tirosin dan tirosin yang ada di reseptor sebelahnya
akan terfosforilasi juga.
Karena reseptor memfosforilasi reseptor lain yang sama maka
disebut autofosforilasi. Tirosin kinase yang terfosforilasi akan berikatan
dengan gugus S-H2 dari protein SOSGRB2, suatu protein pensignal di
intraseluler (gambar 1.23). Contoh pada gambar gambar 1.24 adalah alur
perjalanan protein pensignal endothelial growth factor (EGF).
Ditangkapnya EGF oleh reseptor akan mengaktifkan reseptor tirosin
kinase yang telah terfosforilasi dan akan mengaktifkan fosfolipase.
Aktifasi terjadi pada fosfolipase γ (PLCγ) dan kemudian mengikuti jalur
DAG dan IP3. Fosfolipase Cγ berbeda dengan fosfolipase yang diaktifkan
oleh protein G karena fosfolipase Cγ harus diaktifkan oleh reseptor
tirosin kinase yang terfosforilasi. Alur yang lain adalah molekul SOSGRB2
akan mengaktifasi Ras, molekul monomer yang ada di protein G dan
selanjutnya akan berikatan dengan GTP. RAS dapat berikatan dengan
GTP maupun GDP dan hanya aktif apabila berikatan dengan GTP. Melalui
serangkaian reaksi akan mengaktifkan mitogen activated protein kinase
atau MAPK. Selanjutnya MAPK akan memfosforilasi protein inti dan
bergabung dengan AP-1 yakni faktor transkripsi di nukleus yang akan
merangsang ekspresi genetik untuk pertumbuhan sel. Umpan balik dari
pembentukan MPK adalah hidrolisis GTP oleh enzim GTP-ase activating
protein (GAP) (gambar 1.24). Pada sebagian besar tumor, hidrolisis Ras
dihambat sehingga proliferasi terus terjadi. Rincian dari penjelasan ini
dapat diperoleh di buku biologi molekuler terbitan setelah tahun 2000.

42
Gambar 1.23. Gugus SH2 dari protein pensignal di intraseluler yang akan
mengaktifkan pensignalan dengan cara aktifasi fosfolipase C dan RAS.
Pertanyaan yang timbul adalah mengapa signal dari luar perlu
reseptor atau penerima yang spesifik agar dapat diteruskan ke dalam sel
untuk diproses lebih jauh ? Kita dapat menggunakan analogi pesawat
telepon, signal hanya akan ditangkap oleh penerima telepon apabila kita
memutar nomor telepon tersebut atau pesawat penerima kita adalah
khas dan tidak diterima oleh pesawat telepon yang lain. Contoh lain
adalah signal televisi hanya dapat ditangkap oleh pesawat televisi
berdasarkan antena penerimanya.
Gambar 1.24 : Proses signaling yang melibatkan tirosin kinase.

43

44
Bab II
KONTROL DAN INTEGRASI
Pendahuluan
Penampilan yang kita alami sehari-hari seperti gerakan tangan
dan kaki, mendengar, cita rasa, melihat dan lain-lain ternyata melibatkan
informasi yang sangat cepat dan kompleks. Hanya sistem saraf yang
dapat menanganinya. Sistem saraf mampu untuk melakukan tugas
tersebut misalnya rasa gatal diujung kaki akan mencapai kesadaran,
selanjutnya terjadi proses menggaruk rasa gatal tersebut. Pesan tersebut
berupa potensial aksi. Sel yang dapat menghasilkan potensial aksi
disebut sel yang dapat tereksitasi. Kemampuan tereksitasi adalah
karakteristik dari sel membran. Hal ini disebabkan oleh adanya ion-ion di
sekeliling sel dan adanya kanal ion. Seperti telah kita bahas sebelumnya,
pergerakan ion-ion ini menimbulkan potensial listrik atau potensial aksi.
Pada saraf, pesan listrik akan disampaikan dari satu saraf ke saraf lain
atau dari saraf ke target organ. Untuk itu kita akan melihat anatomi dari
sistem saraf dan mengapa sistem saraf dapat menyampaikan pesan ke sel
target.
2.1 ANATOMI SARAF
Bagian-bagian dari saraf:
1. Badan saraf:
 Terdiri dari inti sel, mitokondria, endoplasmik retikulum dan
lain-lain organel.
 Daerah ini disebut juga bagian yang memberi makan saraf.
 Pada badan saraf ada serabut-serabut saraf atau dendrit,
berfungsi sebagai penerima input atau receptive area.
2. Batang saraf:
 Menghantarkan transmisi impuls atau informasi dari badan
saraf, seperti fungsi kabel listrik pada jaringan listrik.

45
Gambar 2.1: Bagian-bagian dari saraf
mrsedurso.weebly.com/uploads/5/1/3/4/5134188/neurons_.ppt
 Batang saraf dilapisi oleh pelapis yang disebut lapisan mielin
yang berbentuk segmen, dengan jarak (antar segmen) 2 mm.
 Segmen ini disebut nodus Ranvier (nodes of Ranvier). Pada
vertebrata mielin dilapisi lagi oleh sel Schwan.
 Adanya lapisan mielin dan nodus Ranvier menyebabkan
saraf dapat menghantarkan impuls dengan cepat.
 Sel Schwan adalah sel-sel pembentuk mielin. Pada saraf tepi
mielin terbentuk oleh sel Schwan pada otak oleh
oligodendrosit
3. Ujung saraf:
 Melepaskan neurotransmiter yang dihasilkan oleh badan sel
dan memberikan pesan berikutnya kepada sel target, baik
saraf lain maupun organ
2.1.1 Beberapa jenis saraf
Berdasarkan perbedaan struktur maka saraf digolongkan dalam
tiga kelompok sebagai berikut.

46
 Saraf unipolar
Mempunyai satu serabut saraf dari badan sel yang kemudian
bercabang dua: yang satu sebagai dendrit karena berhubungan
dengan perifer, yang lain sebagai batang saraf. Pada saraf perifer
bisa sangat panjang dan mencapai satu meter Contohnya adalah
saraf saraf sensorik propiosepsi (posisi tubuh). Contoh lain saraf
sensorik yang tidak panjang adalah saraf yang ke organ dalam
(viseral) dan cita rasa.
 Saraf bipolar
Mempunyai dua batang saraf yang berasal dari badan saraf.
Satu berfungsi sebagai dendrit yang lain sebagai batang saraf.
Contohnya saraf sensorik yang membawa informasi penglihatan ,
penciuman, keseimbangan dan pendengaran. Saraf di retina
membawa informasi dari retina ke sel ganglion , telinga sebelah
dalam membentuk saraf no VIII di koklea dan vestibular. Saraf
penciuman juga bipolar, berangkat dari lubang hidung (nasal
cavity) menuju ke saraf kranial no I
 Saraf multipolar
Saraf multipolar mempunyai serabut saraf yang banyak dari
satu badan sel. Contohnya saraf dari otak sebelah atas turun ke
tulang belakang dan kemudian menyebar ke seluruh otot.
Gambar 2.2 : Beberapa bentuk saraf
https://www.studyblue.com/notes/note/n/terms--intro-to-neuro/deck/7155964

47
Selanjutnya akan dibahas sistem saraf. Berdasarkan fungsinya
sistem saraf terdiri dari:
2.1.2 Saraf sensorik
Saraf ini disebut juga saraf aferen membawa impuls saraf dari
tepi tubuh ke otak atau tulang belakang. Saraf sensorik mempunyai
reseptor yang khas di ujung dendritnya atau dendrit berhubungan dekat
sekali dengan daerah penerima di kulit atau organ. Perubahan yang
terjadi di dalam maupun di luar tubuh akan merangsang ujung reseptor
atau sel reseptor dan merangsang pembentukan impuls saraf sensorik.
Hampir semua saraf sensorik unipolar; hanya sebagian kecil yang bipolar.
Interneuron
Menghubungkan saraf satu sama lain dan bentuknya multi polar.
Interneuron mentransmisikan impuls saraf dari satu titik di otak ke
tulang belakang atau dari tulang belakang ke bagian lain di otak.
Menghubungkan impuls ke bagian khas di otak untuk diinterpretasikan
atau diproses. Impuls selanjutnya atau yang lain akan dikirim ke saraf
motorik .
Saraf motorik
Saraf ini disebut juga saraf eferen dan bentuknya multi polar,
membawa impuls keluar dari otak menuju tulang belakang, selanjutnya
ke efektor atau target. Sebagian besar untuk mengirim pesan agar terjadi
kontraksi otot atau sekresi kelenjar.
Jumlah saraf di otak kita sangat banyak dan berhubungan satu
sama lain dengan sel-sel di sekelilingnya yakni sel-sel pendukung saraf:
2.1.3 Sel pendukung
Sel pendukung tidak turut serta dalam menghantarkan impuls
saraf, akan tetapi berperan dalam memperkuat kedudukan saraf
sehingga menjadi kokoh dan integritasnya terjaga. Sel-sel pendukung ini
merupakan bagian yang tidak dapat dipisahkan pada sistem saraf, dan

48
disebut sebagai neuroglia. Jumlah sel pendukung jauh lebih banyak
dibandingkan sel saraf; bisa mencapai sepuluh kali lebih banyak.
Neuroglia mengisi antar ruang, mendukung neuron, membentuk
kerangka struktur, menyediakan mielin dan melangsungkan proses
pagosit. Beberapa jenis sel neuroglia yang merupakan sel pendukung
adalah sebagai berikut ini. Lihat gambar 2.3.
1. Sel mikroglia
Tersebar di susunan saraf pusat, mendukung saraf dan
melakukan tugas untuk proses pagosit terutama bakteri. Juga
membersihkan kotoran yang ditimbulkan akibat kerusakan sel.
2. Oligodendrosit
Muncul di barisan sepanjang saraf, membentuk mielin dalam otak
dan tulang belakang. Fungsinya memberi perlindungan dan insulasi
pada saraf agar arus yang mengalir dari saraf tidak bocor.
3. Astrosit
Terdapat di antara pembuluh darah dan saraf, mendukung
struktur di sekelilingnya, ikut berperan dalam proses seluler, regulasi
nutrien dan ion untuk otak. Astrosit membentuk bekas luka pada
waktu saraf pusat mengalami kerusakan.
Gambar 2.3: Saraf dan pendukung-pendukungnya

49
Modifikasi dari Southwest Tenesse Community College Principles Anatomy and Physiology
4. Sel epindemil
Membentuk sel epitel yang melapisi bagian tertentu dari otak
misalnya koroid pleksus, membentuk lapisan dalam antar ruang di
otak (ventrikel) dan tulang belakang.
2.2 IMPULS SARAF
Impuls saraf adalah signal listrik yang berasal dari satu potensial
aksi pada salah satu bagian dari serabut saraf. Potensial aksi tadi akan
menghasilkan arus bioelektrik di targetnya, baik saraf lain atau organ.
Rambatan potensial aksi ini disebut impuls saraf.
2.2.1 Hantaran impuls
 Mielin pada serabut saraf bersifat insulator sehingga arus yang
mengalir sepanjang batang saraf tidak bocor. Pada serabut saraf yang
tidak mempunyai lapisan mielin arusnya akan bocor keluar, sehingga
daya hantar listriknya lambat. Saraf yang mempunyai mielin akan
menghantarkan listrik searah dengan batang saraf.
 Saraf bermielin tersegmentasi dan segmen tadi disebut nodus Ranvier.
Hantaran listrik yang terjadi tidak mengalir seperti halnya aliran
listrik yang melalui kabel listrik melainkan akan melompat lompat
dari satu segmen ke segmen berikutnya. Pada setiap segmen di
serabut saraf ada kanal ion Na+ dan kanal ion K+. Pada t=1 ion Na+ akan
masuk melalui nodus tadi sehingga pada titik tersebut terjadi
depolarisasi. Setelah depolarisasi terjadi repolarisasi yakni keluarnya
ion K+ sehingga terjadi muatan negatif di dalam sel. Potensial aksi
terbentuk pada nodus ini (titik A). Pada t=2 setelah repolarisasi terjadi
depolarisasi dan akan terjadi lagi potensial aksi (titik B). Proses yang
sama terjadi pada t=3 (titik C). Impuls yang berupa potensial aksi akan
melompat dari satu nodus ke nodus yang lain dan hal ini disebut
saltatori (gambar 2.4).
Kecepatan hantaran (konduksi) impuls bergantung kepada diameter
saraf. Semakin besar diameternya semakin cepat daya hantarnya.
Sebagai contoh impuls dari saraf motor yang diameternya besar dan

50
terbungkus oleh mielin yang tebal kecepatannya dapat mencapai 120
meter/detik. Bayangkan andaikata Anda mempunyai saraf yang
panjangnya 120 meter maka informasi sepanjang saraf tadi hanya
perlu 1 detik. Dapat dibayangkan mengapa pesan di dalam tubuh kita
dari saraf ke target hanya perlu beberapa milidetik saja.
Gambar 2.4 : Saraf bermielin, pada setiap segmen terjadi potensial aksi
akibat depolarisasi dan repolarisasi di nodus Ranvier. Demikian impuls
saraf merambat dari satu nodus ke nodus yang lain.
http://163.178.103.176/CasosBerne/1aFCelular/Caso4-2/HTMLC/CasosB2/Receptor/Iono1.htm
 Pada serabut yang tidak mempunyai mielin dan tipis seperti yang ada
di kulit kecepatannya sekitar 0,5 meter/detik.
Di nodus Ranvier ini juga ada pompa Na+/K+ sehingga terjadi
pemompaan Na+ keluar sel dan K+ masuk ke dalam sel sehingga
perbedaan konsentrasi di luar dan di dalam sel tetap terjaga.
2.2.2 Sinapsis

51
Ketika impuls atau pulsa listrik bergerak dari satu neuron ke
neuron lain atau ke target, maka terjadi komunikasi antara saraf dengan
targetnya, proses ini disebut sinapsis.
 Kontak antara keduanya tidak secara langsung, melainkan melalui
celah sinaptik. Impuls listrik harus melalui celah ini (gambar 2.4).
 Komunikasi antara satu sel saraf dengan sel saraf lainnya atau efektor
terjadi melalui jembatan disebut sinapsis. Sinapsis listrik adalah
ketika jembatan penghubung membentuk hubungan listrik antar sel,
sehingga datangnya potensial aksi pada sinapsis menghasilkan
depolarisasi dan terjadi hubungan arus listrik antar sel. Jenis
transmisi ini memungkinkan komunikasi dapat disampaikan kedua
arah. Sinapsis secara listrik dapat dilihat jelas pada avertebrata
karena jumlah serabut sarafnya sedikit sehingga proses tersebut
dapat teramati dengan jelas. Oleh karena itu studi sinapsis saraf
banyak menggunakan avertebrata sebagai model.
Pada mamalia proses tersebut sulit dideteksi karena strukturnya
sangat kompleks. Pada sinapsis kimia ada celah penghubung antara
satu membran dengan membran yang lainnya yang jaraknya sekitar
30 sampai dengan 50nm. Celah ini tidak memungkinkan adanya
hubungan listrik secara langsung melainkan pembawa pesan kimia
dilepaskan dari satu saraf dan ditangkap oleh reseptor saraf atau
target. Informasi ini disebut hantaran sinaptik secara kimia.
Informasi sinaptik ini hanya satu arah saja yakni dari tempat
dilepaskannya atau presinaptik ke targetnya atau postsinaptik.
Mekanisme pelepasan senyawa kimia dari presinaptik diawali
dengan adanya potensial aksi pada saraf presinaptik tersebut
kemudian diikuti dengan depolarisasi yang mengakibatkan
masuknya ion kalsium. Setelah kalsium masuk, second messenger
akan teraktifasi dan proses seluler pembentukan senyawa kimia atau
disebut neurotransmiter terjadi. Kalsium juga membantu
meleburnya senyawa kimia ini dengan ujung saraf dan diikuti dengan
pelepasan neurotransmiter di ujung saraf.
Detail dari struktur sinaptik berbeda satu dengan yang lain.
Jembatan antara saraf dengan saraf yang lain berbeda dengan jembatan
antara saraf dan otot rangka; juga berbeda pada hubungan sinaptik
antara saraf otonom dengan organ target. Pada susunan saraf pusat jarak
celah sinapsis sangat sempit, dan senyawa kimia transmiternya bergerak

52
dengan sangat mudah di celah sinaptik. Pada sinaptik di saraf otot, batang
saraf akan terbenam dalam target dan terlipat di dalam, gunanya untuk
mencegah keluarnya neurotransmiter keluar dari sasaran.
Pada saraf otonom, saraf eferennya akan menembus dan
membesar di dalamnya. Jarak sinaptiknya relatif lebih besar daripada
sinaptik pada saraf pusat. Gunanya agar penyampaian neurotransmiter
dapat mencapai organ seluas mungkin.
Sinapsistic Vesikel dan Transmisi Quantal
Ujung saraf presinaptik melepaskan sinaptik vesikel, membran
berbentuk bola bola kecil yang mengandung senyawa kimia neurotrans-
miter. Vesikel bisa pejal atau tidak pejal dalam penampilannya dengan
garis tengah antara 30 sampai 50 nm. Pelepasan asetilkolin atau neuro-
transmiter di ujung saraf dalam bentuk vesikel. Jumlah neurotransmiter
yang ada di dalam satu vesikel disebut quantal dan menentukan ukuran
potensial postsinaptik. Prosesnya berupa eksitasi atau inhibisi. Pada
jembatan neuromuskular sekitar 10.000 molekul asetilkolin berinteraksi
dengan 2000 reseptor asetilkolin nikotinik di postsinaptik.
2.3 Transpor Sepanjang Batang Saraf
Letak ujung saraf dapat saja jauh dari badan saraf. Untuk saraf
sensorik di mana daerah reseptornya ada di jari kaki, jaraknya ke ujung
saraf bisa mencapai satu meter. Neurotransmiter, vesikel sinaptik, kanal
ion dan enzim harus disintesis lokal di ujung saraf, diambil dari bagian
luar saraf atau cairan ekstraseluler dan bisa juga disintesis di badan saraf
dan akan ditranport ke ujung saraf. Yang terakhir ini lebih umum terjadi.
Prosesnya disebut transpor aksoplasma di mana mikrotubul akan
membawa vesikel dan juga mitokondria sampai ujung saraf. Mikrotubul
berjalan ke dua arah, yang satu arah lagi akan membawa hasil vesikel
yang telah kosong kembali ke badan saraf untuk didegradasi.
Kontrol Pelepasan Neurotransmiter Oleh Kalsium
Celah sinaptik terletak beberapa mikron saja dari membran
presinaptik. Ketika potensial aksi merambat pada saraf presinaptik,
adanya depolarisasi akan mengakibatkan terbukanya kanal Ca2+ dan ion
ini akan masuk ke dalam sitosol. Pada waktu Ca2+ di sitosol meningkat,
maka proses seluler yang melibatkan second messenger dan Ca2+ akan
terjadi, peluang yang mengakibatkan vesikel melebur dengan membran

53
presinaptik (gambar 2.5). Ada tenggang waktu sekitar 0.5 milidetik
antara tibanya potensial aksi dari batang saraf presinaptik dengan reaksi
yang ditimbulkan pada postsinaptik. Tenggang waktu tersebut.
menunjukkan adanya aktifasi second messenger pada batang saraf
postsinaptik atau target lainnya. Selain itu juga terjadi difusi dari
transmiter untuk melewati celah sinaptik tadi. Jumlah quanta dari
transmiter yang dilepaskan bergantung kepada konsentrasi Ca2+ yang ada.
Jumlah quanta dari neurotransmiter menentukan manfaat atau akibat
yang akan terjadi pada proses sinaptik tersebut.
Potensial aksi adalah kejadian all–or-none, ya atau tidak sama
sekali, dan amplitudonya tetap karena permeabilitas dan jumlah Na+ dan
K+ selalu tetap. Akan tetapi permeabilitas Na+ dan K+ di ujung saraf
umumnya dapat sedikit berubah, baik bertambah atau berkurang. Hal ini
disebabkan adanya kanal ion lain (misalnya kanal Ca2+) sehingga terjadi
modulasi permeabilitas terhadap kedua ion tersebut. Kontribusi kanal
lain ini akan mempengaruhi tinggi dan durasi potensial aksi dan juga
masuknya ion Ca2+ ke sitosol. Hal ini memungkinkan adanya penambahan
atau pengurangan hasil proses sinaptik.
Kemanakah Neurotransmiter Yang Telah Dilepaskan
Neurotransmiter yang dilepaskan ke celah sinaptik akan
berdifusi dengan bebas. Pergerakan acak akan menyebabkan arah yang
acak dari neurotransmiter tersebut. Beberapa akan mencapai sasaran
lalu ditangkap oleh membran postsinaptik dan beberapa akan
menghilang di cairan ekstraseluler. Beberapa ujung saraf presinaptik
dapat mengambil kembali neurotransmiter untuk didaur ulang. Pada
jembatan neuromuskular, molekul neurotransmiter dapat dipecah oleh
enzim yang ada di membran postsinaptik. Ikatan antara transmiter dan
reseptor ini merupakan proses yang reversibel. Proses ini untuk
meyakinkan bahwa neurotransmiter yang dilepaskan hanya bermanfaat
untuk beberapa saat saja di daerah postsinaptik.

54
Gambar 2.5 Proses sinapsis dua saraf. Potensial aksi di saraf 1
menyebabkan rangkaian reaksi pada saraf 1 dan melepaskan
neurotransmiter yang ditangkap oleh saraf 2 dan tejadi perubahan
permeabilitas ion pada saraf 2
Home / Science / Physiology / Synaptic Transmission by Somatik Motorneurons
http//antranik.org/category/science/physiology/
Gambar 2.6 Proses pelepasan neurotransmiter dan daur ulang dari
neurotransmiter yang telah dilepaskan. Sintesis dibadan sel saraf dan
dilepaskan di ujung saraf.

55
2.4 Neurotransmiter Mengubah Permeabilitas Membran.
Reseptor sensorik yang berupa protein membran mempunyai
situs reseptor yang akan menangkap neurotransmiter untuk selanjutnya
mengaktivasi kanal atau bergabung dengan kanal (telah dibahas di bab
I). Contoh klasik adalah reseptor asetilkolin nekotinik yang mempunyai
lima subunit protein yakni 2α, dan masing masing satu subunit β, γ dan δ.
Asetilkolin akan duduk di kedua subunit α. Kanal Na+ terletak di tengah
kelima subunit tadi. Proses terbuka atau tertutupnya kanal Na+ akan
ditentukan oleh ikatan antara asetilkolin dengan subunit reseptor yang
mengelilinginya. Terjadi perubahan sesaat potensial aksi pada target
postsinaptiknya. Potensial ini disebut potensial postsinaptik. Contoh
klasik dari peristiwa ini adalah asetilkolin pada sel otot lurik. Asetilkolin
akan mengubah permeabilitas membran sel otot terhadap ion Na+
(gambar 2.7). Jika pada kanal tidak ada reseptor neurotransmiter, maka
hubungan antara protein reseptor dan protein kanal tidak terjadi.
Gambar 2.7: Kanal Na+ terbuka bila ada asetilkolin yang menempel pada
reseptor yang terikat pada kanal. Kanal ini disebut kanal gerbang ligan
atau ligand gated channel
http://www-hsc.usc.edu/~bolger/ced/autonomic/N2-Nicotinic.html

56
Kanal lain yang dipengaruhi oleh ligan adalah kanal pembawa
pesan kedua atau second messenger. Protein G yang mempunyai 3
subunit gugus protein α, β dan γ terikat pada reseptor membran.
Mekanisme turut sertanya protein G dalam pengolahan signal adalah: (1)
Pada waktu rangsangan reseptor oleh ligan akan terjadi aktivasi ketiga
subunit protein G. (2) Gugus gugus β dan γ akan tetap berada di reseptor
sedangkan gugus α akan berikatan dengan pembawa pesan kedua GTP
untuk berikatan dengan protein kanal dan 3. kanal akan terbuka (gambar
2.8).
Contoh klasik dari protein G yang mempengaruhi permeabilitas
membran adalah pada penciuman. Protein ini akan mengubah permea-
bilitas membran terhadap kanal kalsium (Ca+2). Peran protein G dalam
mengubah permeabilitas membran terhadap ion Ca2+ akan dibahas di bab
indera penciuman.
Gambar 2.8 : Kanal yang bergantung kepada protein G. GTP berikatan
dengan dengan gugus subunit α dan mempengaruhi permeabilitas
membran terhadap ion
http://droualb.faculty.mjc.edu/Course%20Materials/Physiology%20101/Chapter%20Notes/Fall
%202011/chapter_13%20Fall%202011.htm

57
2.5 Eksitatori dan Inhibitori Potensial Postsinaptik
Akibat proses sinapsis maka terjadi perubahan permeabilitas
membran target terhadap kanal ion. Jika potensial post sinaptiknya
mengalami depolarisasi maka membran berubah permeabilitasnya
terhadap ion Na+, dan terjadi eksitasi pada postsinaptik. Potensial yang
terjadi ini dikenal dengan nama excitatory post synaptic potential atau
EPSP. Jika potensial setelah sinaptik mengalami hiperpolarisasi maka
membran lebih permeabel terhadap ion Cl– atau K+ , atau keduanya.
Mengapa Cl– menyebabkan hiperpolarisasi? Kita harus memahami bahwa
antara bagian luar dan bagian dalam sel ion Cl– ada dalam keadaan
keseimbangan elektrokimia sehingga pergerakan ion tersebut ke dalam
sel akan menyebabkan kelebihan muatan negatif di dalam sel. Inhibisi
oleh ion Cl– disebut silent inhibition. Karena bertambahnya permeabilitas
membran terhadap ion Cl– maka potensial elektrokimianya menuju ke
potensial istirahat. Potensialnya disebut inhibitori post synaptic
potential atau IPSP. Hal yang sama akan terjadi bila membran berubah
permeabilitasnya terhadap ion K+. Karena ditinggalkan ion yang
bermuatan positif maka muatan membran di dalam sel menjadi relatif
lebih negatif dan terjadilah inhibisi. Mengapa IPSP memegang peranan
penting dalam sistem saraf padahal fungsi sistem saraf yang menonjol
dan banyak dibicarakan adalah proses eksitatori? Andaikata tidak ada
proses inhibitori maka semua sistem yang melibatkan saraf akan
tereksitasi tanpa ada yang menghambat. Subyek tidak mungkin dapat
duduk dengan tenang karena setiap ada informasi akan langsung
berespon. Demikian juga gerakan yang dihasilkan akan sangat kaku dan
tidak seperti yang diharapkan karena penampilannya menjadi tidak
halus. Tangan atau kaki akan bergerak berlebihan tanpa ada yang
menghambat. Analogi dalam kehidupan sehari hari adalah seperti mobil,
yang tidak hanya dibekali dengan pedal gas tetapi juga dibekali pedal
rem.
2.6 Neurotransmiter pada Sistem Saraf.
Asetilkolin adalah neurotransmiter yang pertama kali ditemukan.
Selain bekerja pada sistem saraf somatik, asetilkolin juga bekerja pada
sistem saraf otonom. Asetilkolin juga merupakan neurotransmiter yang
ada di hipokampus dan korteks. Kekurangan asetilkolin di otak akan
menyebabkan penyakit Alzheimer. Norepinefrin merupakan neuro-
transmiter pada sistem saraf otonom. Fungsi lain norepinefrin adalah

58
meregulasi refleks bangkit dan emosi pada otak, serta terlibat dalam
regulasi stress. Norepinefrin merupakan golongan neurotransmiter
monoamine. Senyawa lain yang termasuk monoamine adalah dopamin
dan serotonin. Dopamin mengontrol perilaku emosi. Kelebihan dopamin
menyebabkan gangguan seperti schizoprenia, perilaku kompulsif, agresif
dan banyak karakter negatif lain. Dopamin juga berfungsi pada kontrol
motorik karena kekurangan senyawa ini menyebabkan penyakit
Parkinson (lihat basal ganglia). Serotonin akan mempengaruhi siklus
tidur dan kekurangan serotonin dapat menyebabkan depresi.
Transmiter yang dikatagorikan sebagai asam amino adalah
glutamat, glisin, dan gamma amino butiric acid (GABA). Glutatamat
merupakan eksitatori yang utama pada sistem saraf pusat. GABA
merupakan inhibitor utama pada sistem saraf pusat. Kekurangan GABA
menyebabkan kecemasan. Obat seperti valium atau librium yang meru-
pakan turunan dari benzodiazepam akan duduk di reseptor GABA. Obat
tersebut akan meningkatkan permeabilitas terhadap ion-ion K+ dan Cl–,
akibatnya terjadi inhibitori. Khusus pada tulang belakang, neuro-
transmiter untuk inhibitori adalah glisin. Strichnin adalah senyawa
alkaloid yang secara kompetitif akan menempati reseptor glisin ditulang
belakang. Adanya senyawa ini akan menghalangi inhibitori di tulang
belakang. Oleh karena itu terjadi eksitasi motorneuron yang berlebihan
dan sering terlihat sebagai konvulsi. Senyawa ini sering digunakan
sebagai racun serangga di rumah tangga. Akibatnya banyak hewan peli-
haraan yang sering terkena racun ini, tidak jarang diikuti oleh kematian.
Beberapa jenis neurotransmiter beserta fungsi dan lokasi pelepasannya
dapat dilihat pada tabel 2.1.
Pertanyaan
1. Apa yang dimaksud dengan sinapsis secara kimia
2. Apa yang dimaksud dengan quanta dari transmiter
3. Daya hantar ion apa yang berubah pada peristiwa EPSP dan IPSP.
4. Pemberian valium sebagai obat penenang akan menyebabkan
membran sel saraf mengalami EPSP ataukah IPSP, terangkan.

59
Tabel 2.1 Beberapa neurotransmiter dan fungsinya
Transmiter Letak Fungsi
Asetilkolin Jembatan neuromuscular Transmisi
Sistem saraf otonom
Hipokampus dan korteks Memory
Norepinefrin Sistem saraf otonom Transmisi
Otak
Regulasi respons emosi terhadap
lingkungan
Dopamin Corpus striatum
Berkaitan dengan penyakit
Parkinson dan schizophrenia
Serotonin Raphe nuclei
Terlibat dengan mood dan tidur,
kekurangan akan menyebabkan
depresi
Histamin
Pada beberapa jalur di
otak
Haus, temperatur tubuh, emosi
Glisin Distribusinya luas
Inhibitor utama, >30% sinapsis
pada tulang belakang dan retina
Glutamat Terdistribusi luas
Eksitatori yang utama, dilepaskan
oleh saraf aferen tulang belakang
dan batang otak
GABA Terdistribusi luas
Transmiter inhibitori >25% pada
semua sinapsis di otak dan juga di
retina. Dapat berupa eksitatori
pada neuron muda terutama
hipokampus
2.7 Prinsip Dasar Proses Pengolahan Informasi
Seperti kita ketahui komunikasi pada sistem saraf menggunakan
potensial listrik. Potensial listrik yang terjadi berupa potensial berjenjang
dan kemudian menjadi potensial aksi. Signal yang datang berupa
potensial berjenjang di saraf melalui daerah penerima atau reseptor dan
letaknya bisa di dendrite atau di soma. Besarnya potensial listrik yang
terjadi bergantung kepada besarnya rangsangan yang tiba. Rangsangan
dapat berupa rangsang kimia, mekanik, sakit, cahaya dan lain-lain.
Potensial berjenjang boleh dikatakan sebagai potensial post sinaptik
karena potensial yang terjadi akibat dari sinapsis. Setelah ambang batas
potensial tercapai maka akan terjadi potensial aksi (tabel 2.2). Potensial

Fisiologi Saraf, Indera dan Otot

Fisiologi Saraf, Indera dan Otot

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Similar to Fisiologi Saraf, Indera dan Otot

Similar to Fisiologi Saraf, Indera dan Otot (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (20)

Fisiologi Saraf, Indera dan Otot