FLUKS ION BIOENERGI DAN TRANSPORT ION MAKALAH Ditulis untuk Memenuhi Tugas Terstruktur Mata Kuliah Biofisika II Kelompok 5: Anggra Kumala P. (105090300111005) Ulfah Hidayah (105090300111011) Reza Sativan (105090300111037) Devi Ariesta W (105090301111002) Riva Indah Alfin Y (105090301111009) Dyah Triwinarti (105090301111010) JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2014
BAB I LANDASAN TEORI 1.1.Ion-Ion di dalam Tubuh Metabolisme adalah pengubahan zat-zat makanan menjadi energi di dalam tubuh. Pada proses metabolisme ini di samping enzim-enzim sebagai pemegang peran utama, juga ion-ion anorganik sangat memainkan peranan penting. Setiap ion anorganik mempunyai fungsi metabolik sendiri-sendiri. Ion-ion anorganik yang ada dalam tubuh berasal dari senyawa elektrolit yang terdapat dalam makanan. Senyawa elektrolit ini larut dalam cairan tubuh (intraseluler dan ekstraseluler) dalam bentuk ion positif (kation) dan ion negatif (anion). Hanya beberapa ion saja yang ada hubungannya dengan metabolisme tubuh. Ion-ion yang terdapat dalam tubuh dibagi atas dua golongan. Golongan pertama disebut dengan "mayor phisiological ions", yaitu ion-ion yang terdapat dalam tubuh dalam jumlah yang banyak. Termasuk ke dalam golongan ini adalah ion-ion khlorida, fosfat, karbonat, K, Na, Ca dan Mg. Golongan kedua disebut dengan "trace ions", yaitu ion-ion yang terdapat dalam tubuh dalam jumlah yang sedikit. Termasuk ke dalam golongan ini adalah ion-ion Fe, In, Yodium, Cu, Co, Mn, Cr, Se, F dan sulfat. Ion-ion yang termasuk dua golongan inilah yang "essensial" bagi tubuh. Disebut demikian karena ion-ion inilah yang dijumpai mempunyai fungsi metabolik yang jelas di dalam tubuh. Di samping itu ada lagi beberapa ion yang termasuk trace ions yang terdapat dalam tubuh tetapi tidak essensiel bagi tubuh. Ini disebabkan fungsi metaboliknya tidak jelas dan terdapatnya di dalam tubuh pun dalam keadaan insidentil. Termasuk di dalam ini antara lain ion-ion Cd, Li, Ni, V, Ag, Au, Al, As, Sr, Pb, Rb, Si, Ti dan B. Tubuh kita ini adalah ibarat suatu jaringan listrik yang begitu kompleks, di dalamnya terdapat beberapa pembangkit lokal seperti jantung, otak dan ginjal. Juga ada rumahrumah pelanggan berupa sel-sel otot. Untuk bisa mengalirkan listrik ini diperlukan ion-ion yang akan mengantarkan perintah dari pembangkit ke rumah-rumah pelanggan. Ion-ion ini disebut sebagai elektrolit. Ada dua tipe elektrolit yang ada dalam tubuh, yaitu: Kation (elektrolit yang bermuatan positif) Beberapa contoh kation dalam tubuh adalah Natrium (Na + ), Kalium (K + ), Kalsium (Ca 2+ ), Magnesium (Mg 2+ ). Anion (elektrolit yang bermuatan negatif)
Beberapa contoh anion adalah Klorida (Cl - ), HCO 3-, HPO 4-, SO 4-. Gambar 1. Ion-ion di dalam tubuh Masing-masing tipe elektrolit ini saling bekerja sama mengantarkan impuls sesuai dengan yang diinginkan atau dibutuhkan tubuh. Sedangkan dalam keadaan normal, kadar kation dan anion ini sama besar sehingga potensial listrik cairan tubuh bersifat netral. Pada cairan ektrasel (cairan di luar sel), kation utama adalah Na + sedangkan anion utamanya adalah Cl -. Sedangkan di intrasel (di dalam sel) kation utamanya adalah kalium (K + ). Disamping sebagai pengantar aliran listrik, elektrolit juga mempunyai banyak manfaat, tergantung dari jenisnya, contohnya antara lain yaitu: Natrium fungsinya sebagai penentu utama osmolaritas dalam darah dan pengaturan volume ekstra sel. Kalium fungsinya mempertahankan membran potensial elektrik dalam tubuh. Klorida fungsinya mempertahankan tekanan osmotik, distribusi air pada berbagai cairan tubuh dan keseimbangan anion dan kation dalam cairan ekstrasel. Kalsium fungsinya adalah sebagai penggerak dari otot-otot, deposit utamanya berada di tulang dan gigi, apabila diperlukan, kalsium ini dapat berpindah ke dalam darah. Magnesium berperan penting dalam aktivitas elektrik jaringan, mengatur pergerakan Ca 2+ ke dalam otot serta memelihara kekuatan kontraksi jantung dan kekuatan pembuluh darah tubuh. 1.2. Hukum Dasar untuk Arus dalam Jaringan Biologis Hukum Fick
Jika terdapat partikel dengan konsentrasi yang tinggi [C] dalam suatu daerah yang bebas untuk bergerak, maka partikel tersebut akan mengalir ke arah penyamaan konsentrasi [C] ke seluruh daerah. Jika pertikel yang bergerak tersebut merupakan partikel yang bermuatan,maka gerakan ini akan menimbulkan arus listrik yang disebut arus difusi. Kerapatan arus difusi dipengaruhi olej gradien konsentrasi partikel tersebut. Dalam bentuk matematis: [ ] Dengan: J = kerapatan arus (A/m 2 ) D = konstanta difusi [(L.A) / (mol,m)] [C] = konsentrasi ion (mol/l) X = posisi (m) Persamaan ini untuk ion positif, untuk ion negatif tanda minusnya dihilangkan. Partikel bermuatan (misalnya ion) di dalam medan listrik akan bergerak di bawah pengaruh gaya tarik atau tolak. Aliran ion yang dihasilkan menimbulkan arus yang disebut arus drift. Dalam bentuk matematis: [ ] Dengan: = mobilitas [(L.A) / (V.m.mol)] Z = valensi E = -dv/dx = intensitas medan listrik (V/m) [C} = konsentrasi ion (mol/l) Harus perlu diingat juga tentang hubungan Einstein: Dengan: K = konstanta Boltzmann = T = suhu absolut (K) Q = muatan elementer = Difusi ion-ion kalium dan natrium menembus membran sel akan mempengaruhi potensial di sisi dalam dan luar membran sel. Untuk melihat pengaruh kedua jenis ion tersebut pada potensial membran sel, akan dilihat pengaruh masing-masing jenis ion tersebut
secara sendiri-sendiri terlebih dahulu, setelah itu baru diperhitungkan interaksi keduanya secara bersamaan. Pada difusi ion kalium (K + ), misalkan membran sel hanya permeabel terhadap ion kalium. Karena konsentrasi ion kalium lebih tinggi di sisi dalam sel maka menurut hukum Fick untuk difusi, ion kalium akan bergerak menembus keluar membran sel. Gerakan ion potasium keluar membran sel ini menimbulkan arus listrik, yang karena terjadinya melalui peristiwa difusi. Densitas arus difusi bergantung pada gradien konsentrasi yang secara sistematis dinyatakan oleh persamaan (1). Keluarnya ion positif kalium dari dalam sel akan mengakibatkan terjadinya beda potensial antara sisi dalam dan sisi luar sel, dengan sisi dalam lebih negatif dibanding sisi luar sel. Adanya beda potensial ini akan menimbulkan medan listrik dengan arah dari luar ke dalam sel. Medan listrik yang mengarah dari luar ke dalam sel menimbulkan gaya elektrostatik yang mempengaruhi ion-ion yang ada di sekitar membran sel. Ion kalium, karena bermuatan positif, didorong oleh gaya elektrostatik ke arah dalam membran sel. Sehingga aliran ion kalium dari sisi luar ke sisi dalam membran sel menimbulkan arus listrik yang disebut arus drift (drift current). Densitas arus drift dinyatakan oleh persamaan (2). Gaya elektrostatik ini akan melawan gaya difusi pada ion kalium. Interkasi kedua gaya ini suatu saat akan mencapai kesetimbangan, yaitu besarnya gaya elektrostatik yang ditimbulkan oleh adanya beda potensial antara kedua sisi membran sama dengan besarnya gaya difusi (besarnya arus drift sama dengan besarnya arus difusi). Keadaan setimbang ini akan menghasilkan beda potensial antara kedua sisi membran bernilai konstan. Besarnya beda potensial membran pada saat dicapai kesetimbangan dapat diperoleh dengan menyamakan persamaan (1) dengan persamaan (2) dan dengan mengingat hubungan Einstein persamaan (3). Dari ketiga persamaan di atas, kalau diselesaikan secara serentak untuk mendapatkan beda potensial membran maka akan diperoleh suatu pernyataan matematis yang diberikan dalam persamaan (4), yang dikenal dengan persamaan Nerst: Dengan: Vm = beda potensial antara dua sisi membran K = konstanta Boltzman = T = temperature absolute (K) Q = muatan elementer = ( [ ] [ ] [K + ] i = konsentrasi ion kalium di sisi dalam membran [K + ] o = konsentrasi ion kalium di sisi luar membran )
Dalam mkenyataannya, yang mempengaruhi nilai potensial membran tidak hanya ion kalium saja, tetapi juga ion natrium. Pengaruh ion natrium pada potensial membran dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan Nerst. Ion kalium dan natrium secara serentak mempengaruhi besarnya potensial membran sel. Meskipun demikian, pengaruh keduanya bukan merupakan penjumlahan secara langsung kedua potensial membran yang diperoleh secara sendiri-sendiri. Penjumlahan yang secara tidak langsung ini berlaku karena untuk jenis ion lebih dari satu, ada parameter lain yang juga berpengaruh pada besarnya potensial membran sel, yaitu perbedaan permeabilitas membran terhadap masing-masing ion. Permeabilitas membran sel terhadap ion kalium jauh lebih besar (sekitar 100 kali) dibandingkan permeabilitas terhadap ion natrium. Hal ini mengakibatkan pengaruh ion kalium lebih dominan dibandingkan ion natrium. Interaksi kedua henis ion ini dalam menghasilkan potensial membran Vm dinyatakan dalam Persamaan Goldman. 1.3. Arus Listrik di dalam Tubuh Listrik yang dihasilkan di dalam tubuh berfungsi untuk mengontrol dan mengoperasikan syaraf, otot, dan organ. Pada dasarnya semua fungsi dan aktivitas tubuh melibatkan listrik dalam beberapa cara, diantaranya yaitu kekuatan otot yang disebabkan oleh daya tarik dan tolakan dari muatan listrik. Aktifitas otak pada dasarnya juga bersifat elektrik. Pada sistem saraf otak semua sinyal dari otak dan yang menuju otak melibatkan aliran arus listrik. Sistem saraf berperan penting dalam hampir setiap fungsi tubuh. Pada dasarnya, pusat saraf (otak) menerima sinyal internal dan eksternal dan biasanya membuat tanggapan yang tepat. Informasi ini ditransmisikan sebagai sinyal-sinyal listrik di sepanjang saraf. Sistem komunikasi yang efisien ini dapat menangani banyak jutaan bentuk informasi pada waktu yang sama dengan kecepatan tinggi. Dalam melaksanakan fungsinya, tubuh banyak menghasilkan sinyal listrik. Sinyal listrik yang dihasilkan merupakan hasil aksi elektrokimia sel tertentu. Pengukuran isyarat listrik tubuh secara selektif sangat berguna untuk memperoleh informasi klinik tentang fungsi tubuh dan gangguan pada organ-organ tertentu. Potensial listrik dan sinyal listrik dapat diukur dengan alat-alat sebagai berikut: Elektromiograf (EMG) adalah alat yang digunakan untuk memantau aktivitas listrik otot, elektrokardiograf (EKG) yang digunakan untuk memantau aktivitas listrik jantung, dan elektroensefalograf (EEG) adalah alat yang digunakan untuk memantau aktivitas listrik otak.
Arus listrik dinamik melibatkan aliran elektron atau ion. Aliran elektron dan ion ini akan menghasilkan arus listrik. Elektrolit seperti natrium klorida adalah zat dengan ion positif dan ion negatif dalam larutan dan ion-ion inilah yang mengalirkan arus. Arus listrik atau sinyal listrik dalam tubuh dapat dibahas pada sinyal saraf. Impuls atau sinyal listrik yang bergantung pada aliran ion yang menembus membran plasma neuron. Sinyal tersebut berawal sebagai suatu perubahan dalam gradien listrik yang melintasi membran plasma sel. Potensial membran disebabkan oleh perbedaan konsentrasi ion antara isi sel dengan cairan ekstraseluler. Semua sel hidup mempunyai perbedaan muatan listrik melintasi (di kedua sisi) membran plasmanya. Perbedaan muatan ini menghasilkan gradien voltase listrik melintasimembran, yang dapt diukur dengan mikroelektroda yang sangat halus. Voltase diukur melintasi membran disebut potensial membran, voltase ini biasanya berkisar -50 sampai -100 mv pada sel hewan. Berdasar kesepakatan, voltase di luar sel dikatakan nol, dengan demikian tanda minus manandakan bahwa bagian dalam sel itu muatannya negatif dibandingkan dengan bagian luarnya. Neuron dalam keadaan istirahat (yaitu, tidak sedang menghantarkan sinyal listrik) mempunyai potensial membran -70 mv (sekitar 5% dari voltase baterai senter), yang merupakan sifat yang umum bagi neuron. Potensial membran disebabkan oleh perbedaan komposisi ionik dalam cairan intraseluler dan ekstraseluler. Permeabilitas selektif membran plasma, yang merupakan rintangan di antara kedua cairan tersebut, mempertahankan perbedaan ionik tersebut. Gambar 2. Prinsip potensial membran. (a) Cairan intraseluler dan ekstraseluler mempunyai komposisi ionik yang berbeda. Yang diperlihatkan di sini adalah perkiraan konsentrasi dalam sel mamalia (dalam milimol per liter, yang disingkat mm) dari kalium [K + ]; natrium [Na + ]; klorida [Cl - ]; dan anion-anion yang tetap berada dalam sel [A - ]. K + berdifusi keluar sel menuruni gradien konsentrasinya, akan tetapi anion A - tidak dapat mengikutinya, sehingga bagian dalam sel meningkatkan muatan netto negatifnya. (b) Terdapat difusi K + yang stabil keluar dari sel (tanda
panah besar) dan difusi Na + yang stabil ke dalam sel (tanda panah kecil); ketebalan tanda panah menandakan permeabilitas relatif membran terhadap K + dan Na +. Sejalan dengan waktu, difusi menyebabkan gradien ionik yang ditunjukkan pada bagian (a) menjadi hilang. Kehilangan gradien dicegah oleh pompa natrium-kalium dengan menggunakan ATP secara aktif untuk mengangkut Na + keluar dari sel dan K + masuk ke dalam sel. Cairan intraseluler dan cairan ekstraseluler mengandung berbagai jenis zat terlarut, yang meliputi beragam zat yang bermuatan listrik (ion). Di dalam sel, kation utama (ion bermuatan positif) adalah kalium (K + ), meskipun juga ada natrium (Na + ). Di luar sel keadaan menjadi terbalik, dengan Na + menjadi kation utama dan K + mempunyai konsentrasi yang jauh lebih rendah. Di dalam sel, anion utama adalah protein, asam amino, sulfat, fosfat, dan ion bermuatan negatif lainnya yang dapat dikelompokkan dan disimbolkan dengan A - ; klorida (Cl - ) juga dijumpai akan tetapi dalam konsentrasi yang realtif rendah. Di luar sel, Cl - merupakan anion utama; terapat anion lain namun kurang penting dalam konteks potensial membran. Membran plasma adalah lapisan fosfolipid dengan protein membran yang terkait. Ion, yang bermuatan listrik, tidak dapat larut dalam lipid dan dengan demikian tidak dapat berdifusi menembus lipid membran plasma. Untuk dapat melewati membran, ion-ion harus diangkut oleh protein transpor atau mengalir melalui saluran ion, yaitu pori berair yang terbuat dari molekul protein transmembran spesifik. Terdapat banyak jenis saluran ion selektif, beberapa saluran hanya bisa mengalirkan Na + lewat saluran tersebut, yang lain hanyamengalirkan K +, dan yang lain mungkin hanya Cl -. Bergantung pada jumlah saluran ion dari setiap jenis ion yang terdapt pada membran plasma sebuah sel, adalah mungkin bagi membran untuk mempunyai permeabilitas yang sangat berbeda terhadap masing-masing ion yang berbeda. Sel umumnya jauh lebih permeabel terhadap K + dibandingkan dengan Na +, yang mengindikasikan bahwa membran mempunyai lebih banyak saluran kalium dibandingkan dengan saluran natrium; dalam neuron yang beristirahat, misalnya, permeabilitas terhadap kalium sekitar 50 kali lipat lebih tinggi dibandingkan dengan permeabilitas terhadap natrium. Karena anion internal (A - ) terutama adalah molekul organik besar (protein dan asam amino), anion-anion itu tidak dapat menembus membran dan dengan demikian membentuk suatu kumpulan dalam sel yang bermuatann negatif. Pada gambar 2, bagaimana distribusi ion-ion dapat menghasilkan potensial membran? Perhatikan untuk kasus ion kalium. Terdapat gradien konsentrasi yang sangat besar pada saat K + berdifusi keluar dari sel, dan membran itu mempunyai permeabilitas yang tinggi terhadap
kalium dengan demikian, akan terjadi aliran netto K + keluar dari sel (efluks) yang digerakkan oleh gradien konsentrasi. Akan tetapi ketika K + keluar, muatan positif dipindahkan dari dalam ke luar sel. Karena A - tetap berada di dalam sel, maka bagian dalam sel menjadi semakin negatif dibandingkan dengan bagian luar sel. Ketika muatan positif hilang sementara muatan negatif tetap terjerat di bagian dalam, gradien listrik akan menumpuk melintasi membran tersebut. Pada dasarnya gradien listrik ini bersaing dengan pengaruh gradien konsentrasi K + : Peningkatan negativitas di bagian dalam sel menarik kalium yang bermuatan positif, yang mendorong aliran masuk K + dengan menuruni gradien listrik. Jika K + merupakan satu-satunya ion yang dapat menembus membran, maka voltase di sepanjang membran akan terus menumpuk sampai aliran masuk K + menuruni gradien listrik menyamai aliran keluar K + yang menuruni gradien konsentrasi. Pada titik tersebut, tidak akan ada lagi pemindahan netto muatan di sepanjang membran tersebut, dan potensial membran akan mencapai nilai istirahat yang stabil. Untuk gradien konsentrasi kalium yang ditunjukkan pada gambar 2, potensial membran yang stabil pada kisaran di sekitar -85mV, akan diperlukan untuk mengimbangi gradien konsentrasi dengan tepat melalui mekanisme yang baru saja dijelaskan. Nilai potensial membran ini disebut potensial kesetimbangan untuk ion kalium, karena pada potensial ini tidak ada lagi perpindahan dan pergerakan nertto ion kalium melewati membran (dengan kata lain, kalium berdada dalam kesetimbangan). Kalium bukan satu-satunya ion yang dapat dialirkan oleh membran. Meskipun membran kurang permeabel terhadap ion natrium dibandingkan dengan ion kalium, permeabilitas terhadap Na + tidaklah nol. Gradien konsntrasi ([Na + ] lebih besar di bagian luar sel) dengan gradien listrik (negatif di bagian dalam sel) cenderung memindahkan ion natrium ke dalam sel. Masuknya muatan positif ke dalam sel, yang dibawa oleh Na +, membuat nilai potensial membran akan sedikit lebih positif dibanding dengan -85 mv jika membran hanya permeabel terhadap ion kalium. Hal ini menjelaskan mengapa potensial membran neuron dalam keadaan isirahat secara khas adalah sekitar -70 mv, bukan sekitar -85 mv. Aliran masuk natrium yang stabil menyebabkan peningkatan konsentrasi natrium internal yang progresif. Asliran masuk Na + juga membuat bagian dalam sel menjadi kurang negatif dibandingkan dengan -85mV agar dapat mengimbangi gradien konsentrasi kalium, sehingga terjadi aliran keluar kalium yang stabil dan terjadi penurunan konsentrasi K + yang progresif di dalam sel. Dengan kata lain, jika situasi dibiarkan tak terkontrol, gradien konsentrasi untuk Na + dan K + yang ditunjukkan pada gambar 2 akan menghilang perlahanlahan. Hal ini dapat dihambat oleh protein membran plasma tertentu yang ditemukan dalam jumlah berlimpah pada neuron, yang disebut pompa natrium-kalim. Protein ini menggunakan
energi dari ATP untuk menggerakkan transpor aktif natrium ke luar sel, melawan gradien konsentrasi dan gradien listrik natrium. Pada waktu yang bersamaan, pompa tersebut juga memindahkan kalium ke dalam sel, untuk memulihkan gradien konsentrasi ion ini juga. Pada dasarnya, sel-sel menggunakan energi metabolisme, dalam bentuk ATP untuk mempertahankan gradien ionik di sepanjang membran yang menghsilkan potensial membran yang tunak (steady-stade). 1.4. Transport Ion Gerakan molekul atau ion yang terjadi pada membran sel dan organel-organel lainnya adalah difusi, osmosis, endositosis, eksositosis, dan transpor aktif. Difusi dan osmosis disebut gerakan pasif karena tidak membutuhkan energi. Transpor aktif, endositosis dan eksositosis, disebut gerakan aktif karena gerakan ini membutuhkan energi. Sedangkan untuk trasnpor ion termasuk dalam difusi dan transpor aktif. Difusi adalah peristiva perpindahan molekul-molekul suatu zat dari larutan yang berkonsenrtasi tinggi ke larutan yang berkonsentrasi rendah. Peristiwa difusi dapat ditemukan pada kehidupan sehari-hari. Gambar 3. Peristiwa difusi dapt terlihat melalui pergerakan molekul tinta yang bergerak untuk memenuhi ruang yang ada. Transpor aktif adalah transpor yang menggunakan energi untuk mengeluarkan dan memasukkan ion-ion dan molekul melalui membran sel yang bersifat selektif permeabel. Transpor aktif dipengaruhi oleh muatan listrik di dalam sel dan di luar sel. Muatan listrik ini ditentukan oleh ion natrium (Na + ), ion kalium (K + ), dan ion klor (Cl + ). Keluar masuknya ion Na + dan K + diatur oleh pompa natrium-kalium (Gambar 1)
Gambar 4. Pompa (1, 2, 3, 4, 5) mengeluarkan tiga ion Na + dari dalam sel untuk setiap dua ion K + yang masuk ke dalam sel Pada sebagian jaringan, pompa natrium-kalium bertanggung jawab terhadap transpor aktif ganda Na + dan K + dari dalam sel ke luar sel. ATP menyediakan energi untuk trasnpor. Pompa mengeluarkan tiga ion Na + dari dalam sel untuk setiap dua ion K + yang dimasukkan ke dalam sel. Agar lebih jelas mengenai transpor aktif, perhatikan kembali Gambar 1 dan keterangannya. Transpor aktif memerlukan molekul pengangkut berupa protein integral pada membran (molekul carrier). Pada protein pengangkut, terdapat tempat untuk Na + dan K + yang dinamakan binding sites. a. Tiga ion natrium (Na + ) diambil dari dalam sel dan menempati binding sites (tempat terjadinya ikatan ion atau molekul pada membran). b. Energi diperlukan untuk mengubah bentuk protein integral pada membran agar membuka ke bagian luar sel. c. Protein integral pada membran membuka ke arah luar sel, kemudian melapaskan ion natrium keluar dari sel. d. Dua ion kalium (K + ) dari luar sel menempati binding sites pada protein integral. e. Protein integral pada membran kembali pada bentuk semula, yakni membuka ke arah dalam sel. f. Ion kalium dilepaskan ke dalam sel.
DAFTAR PUSTAKA Campbell, N. A. (2004). Biologi. Jakarta: Erlangga. Kamana, O. (2008). Biologi. Jakarta: Grafindo Media Pratama. Young, H. D. (2003). Fisika Universitas. Jakarta: Erlangga.