PENDAHULUAN 1|

Sel hidup, dalam melakukan aktivitasnya melibatkan enzim-enzim. Enzim-enzim

tersebut hanya dapat bekerja pada komposisi dan keadaan intraselular yang

tertentu. Untuk dapat terus beraktivitas, sel akan memelihara kondisi internal sel

ada dalam kisaran tertentu yang sangat sempit. Pemeliharaan keadaan internal

tersebut antara lain pada pH, kadar ion-ion, banyaknya mikro dan makromolekul.

Jika kondisi internal dipelihara disekitar nilai konstan, tidak demikian halnya

dengan lingkungan sel (cairan ekstraselular). Keadaan ekstraselular senantiasa

berubah, tidak selalu sama dari waktu ke waktu.

Membran sel merupakan barrier terhadap perubahan lingkungan sekaligus

penyeleksi lalu lintas bahan dari dan ke luar sel. Membran sel dengan struktur

dasar bilayer lipid hanya permeabel terhadap bahan-bahan yang hidrofobik dan

molekul-molekul hidrofilik berkuran kecil, tetapi tidak permeabel terhadap

molekul-molekul polar berukuran cukup besar, molekul-molekul kompleks dan

ion-ion. Molekul-molekul polar berukuran cukup besar, molekul-molekul

kompleks dan ion-ion dapat melintas membran melalui protein membran yang

membentuk saluran (protein channel) atau menggunakan protein carrier.

Perpindahan ion-ion dan sifat permeabilitas membran yang berbeda-beda

mengakibatkan distribusi muatan antara bagian luar dan bagian dalam membran.

Perbedaan distribusi muatan menimbulkan beda potensial antara bagian dalam dan

luar membran.

Stimulus tertentu dapat mengakibatkan perubahan potensial membran.

Perubahan potensial membran dapat menjadi stimulus bagi protein channel

tertentu sehingga permeabilitas membran terhadap ion tertentu meningkat.

Peningkatan permeabilitas membran tersebut akan mengakibatkan laju ion

tertentu tersebut melintas membran meningkat. Perpindahan ini akan mengubah

beda potensial membran. Jika perpindahan ion tersebut mengakibatkan

depolarisasi membran hingga nilai potensial tertentu, akan menimbulkan lonjakan

potensial yang kemudian kembali ke potensial awal, yang disebut potensial aksi.

Pada sel saraf (neuron), potensial aksi dapat dijalarkan, sehingga stimulus yang

diberikan, merupakan informasi yang dapat ditransmisikan dari organ sensorik

(penerima stimulus) ke sistem saraf pusat (untuk diintegrasikan) dan kemudian ke

organ/jaringan sasaran sehingga timbul respons individu terhadap stimulus

tersebut.

MEMBRAN SEL DAN TRANSPOR LINTAS MEMBRAN 2|

Kehidupan sel tergantung pada organisasi molekul di dalam sel. Adanya

gangguan pada kadar molekul-molekul tertentu di dalam sel atau kehadiran bahan

yang tidak sesuai dapat menyebabkan terganggunya aktivitas sel bahkan

kematian sel. Kadar molekul dan ion dipelihara dalam jenis dan jumlah tertentu

oleh membran sel, yang mengatur semua bahan yang masuk dan keluar sel dan

antar kompartemen interior yang berbatas membran (antara lain : retikulum

endoplasma, aparatus Golgi, lisosom, membran inti dan mitokondria).

Sebagai bagian dari pemeliharaan, secara konstan bahan-bahan masuk dan keluar

sel melalui membran sel. Metabolit, termasuk bahan bakar, masuk ke dalam sel,

dan bahan sisa dan produk sel yang disekresikan ke luar sel. Ion-ion mengalir

secara konstan ke kedua arah dan antara kompartemen yang berbeda di dalam sel.

Struktur Membran Sel

Membran sel menyelubungi sel, memisahkan sel (intraselular) dengan

lingkungannya (ekstraselular). Membran sel merupakan barrier antara intraselular

dan ekstraselular. Semua membran biologis, termasuk membran sel dan membran

kompartemen interior sel Eukariotik mempunyai struktur umum sama, tersusun

atas molekul-molekul lipid dan protein yang umumnya berinteraksi secara

nonkovalen. Membran sel –berdasar fluid mozaic model merupakan struktur

dinamis, berstruktur fluida, dan molekul-molekul protein dan lipid umumnya yang

dapat berpindah dari satu tempat ke tempat lain sepanjang membran. Struktur

umum membran sel –berdasar fluid mozaic model-terlihat pada Gambar 1.

Bilayer lipid merupakan struktur dasar membran, tersusun terutama atas fosfolipid

dan sebagian kecil kolesterol dan glikolipid. Tiap molekul fosfolipid mempunyai

bagian kepala (head) yang bersifat polar, hidrofilik dan bagian ekor (tail) yang

bersifat nonpolar, hidrofobik. Bagian polar menghadap langsung dengan

ekstraselular dan intraselular, yang terutama tersusun atas air, sedangkan bagian

hidrofobik berada di bagian tengah membran. Dengan struktur fosfolipid yang

demikian, menyebabkan sel tertutup membran, dan mudah menutup kembali jika

terjadi kerusakan kecil.

Kolesterol menyusun sekitar 20% lipid membran sel, fungsinya menstabilkan

ikatan antar fosfolipid. Bagian dalam dan luar membran berbeda pada kandungan

lipid khasnya. Sekitar 10% fosfolipid yang menghadap ke ekstraselular

merupakan glikolipid.-lipid yang berikatan dengan gugus gula. Adanya gugus

gula menyebabkan ujung glikolipid bersifat polar. Istilah glikokaliks menunjuk

pada bagian permukaan luar membran sel yang kaya gugus gula

(glikokaliks=sugar covering). Bagian glikokaliks berperan dalam pengenalan

antar sel, karena tiap-tiap jenis sel memiliki glikokaliks khas (sebagai contoh,

sperma mengenal sel telur karena sel telur mempunyai glikokaliks khas).

Protein yang menyusun membran tersusun seperti mozaik (Gambar 1). Protein

membran sel dapat dibedakan menjadi protein integral dan protein periferal.

Protein integral terbenam dalam bilayer lipid, dan beberapa diantaranya hanya

tersisip pada satu permukaan membran, dengan satu ujung menghadap ke

ekstraselular atau intraselular, tetapi yang terbanyak adalah yang merupakan

protein transmembran menyisip mulai bagian yang menghadap ekstraselular

sampai intraselular (Gambar 1).

Gambar 1. Struktur membran menurut fluid mozaic model

Protein integral mempunyai bagian yang hidrofilik, dan hidrofobik. Bagian

hidrofobik diperlukan saat melintasi bagian tengah membran yang hidrofobik.

Sedangkan protein periferal , tidak terbenam pada bilayer lipid, tetapi hanya

berikatan longgar pada permukaan protein integral atau lipid pada bagian

membran yang menghadap ekstraselular atau intraselular.

Protein membran dapat berperan dalam reaksi enzimatik, yang merupakan bagian

dari tahap-tahap berantai reaksi metabolisme sel. Protein yang permukaannya

hanya menghadap ke ekstraselular berfungsi sebagai reseptor hormon atau duta

kimia (chemical messenger) yang lain dan berperan dalam mengirim isyarat dari

luar sel ke intraselular (proses pengiriman ini disebut dengan signal

transduction). Sedangkan

Gambar 2. Hubungan antar sel (cell junctions) yaitu tight junctions, desmosomes

dan gap junctions, yang diperankan oleh protein transmembran. Pada tight

junction, sebagian protein transmembran pada dua sel yang berhubungan berfusi,

impermeabel bagi transpor molekul. Desmosome merupakan hubungan mekanik

antar sel. Gap junction menghubungkan satu sel dengan sel yang lain melalui

protein yang membentuk silinder, sehingga memungkinkan transpor molekul-

molekul berukuran kecil melintas.

protein transmembran dapat berperan dalam membentuk hubungan antar sel (cell

junction) (Gambar 2), atau transpor molekul berukuran kecil. Protein

transmembran yang berperan dalam transpor adalah protein channel dan protein

carrier. Protein transpor dapat tersusun oleh satu atau lebih protein integral. Pada

protein channel, protein penyusunnya membentuk terusan/saluran yang

menghubungkan ekstraselular dan intraselular yang memungkinkan molekul-

molekul dapat melintas dari dan ke ekstraselular (Gambar 4). Saluran-saluran

tersebut ada yang selalu terbuka (leak channels) dan ada yang membuka hanya

jika ada stimulus tertentu (gated channels). Jika gated channels terbuka sebagai

tanggapan atas agen tertentu- suatu ligan- disebut dengan ligand-gated channels,

jika terbuka sebagai tanggapan atas perubahan potensial membran disebut sebagai

voltage- gated channels. Voltage-gated channel dapat menutup segera setelah

terbuka, bahkan saat stimulus yang mampu membukanya masih ada. Protein

carrier dapat memindahkan ion/molekul tertentu dengan memanfaatkan perubahan

konformasi protein.

2.2. Transpor Lintas Membran

Tidak semua bahan yang berpindah dari dan ke intraselular tergantung pada

transpor langsung melalui membran sel. Beberapa bahan , terutama molekul besar

atau molekul kompleks berpindah melalui pembentukan vesikula atau fusi

membran plasma. Perpindahan demikian, ke dalam sel disebut endositosis,

sedangkan perpindahan ke luar disebut eksositosis. Eksositosis dan endositosis

tidak dibahas dalam bahan ajar ini.

Ion-ion dan molekul kecil dapat masuk dan ke luar sel melalui dua cara,

yaitu transpor pasif dan transpor aktif. Transpor pasif tergantung pada gradien

kadar antara intraselular dan ekstraselular. Jika suatu molekul lebih tinggi

kadarnya di dalam sel, maka arah transpor ke luar sel. Transpor pasif ion-ion

selain dipengaruhi kadar, juga dipengaruhi perbedaan muatan antara kedua sisi

membran (gradien elektrokimia). Karena tergantung gradien kadar, transpor pasif

tidak memerlukan energi. Pada transpor aktif, bahan-bahan berpindah melawan

gradien kadar. Tak sama dengan transpor pasif, transpor aktif memerlukan energi.

Transpor aktif tak akan terjadi tanpa tersedianya energi dalam sel.

Sifat hidrofobik pada interior membran sel hanya memungkinkan beberapa

kelompok molekul dengan mudah dapat melintas membran yaitu molekul-

molekul yang hidrofobik, dan molekul-molekul polar berukuran kecil tak

bermuatan. Molekul-molekul polar berukuran besar dan ion –seberapapun

ukurannya-tidak dapat melintas membran tanpa adanya bantuan protein membran

(Gambar 3). Transpor lintas membran tanpa bantuan protein membran, hanya

tergantung pada gradien kadar disebut dengan difusi biasa/ simple diffusion

(merupakan transpor pasif), sedangkan jika dengan bantuan protein membran dan

tergantung gradien kadar (pasif) disebut dengan difusi terfasilitasi (facilitated

diffusion). Transpor aktif memerlukan bantuan protein membran (protein carrier)

dan energi, karena melawan gradien kadar (Gambar 4). Perubahan konformasi

protein carrier akan memindahkan ion/molekul dari satu sisi ke sisi lain membran.

Tabel 1. Kadar beberapa jenis ion di dalam dan di luar akson cumi dan sel

mamalia

Jenis ion Akson cumi Mamalia

Sel

(intraselula

r)

Darah

(ekstraselula

r)

Sel

(intraselul

ar)

Darah

(ekstraselula

r)

K+ (mM)

Na+(mM)

(mM)

Ca2+ (mM)

400

50

40-150

0,0003

20

440

560

10

139

12

4

<0,0002

4

145

116

1,8

Kadar ion-ion dan molekul intraselular tidak selalu sama dengan

ekstraselular. Kadar ion potasium (K+) cairan intraselular dipertahankan lebih

besar dibanding kadarnya dalam cairan ekstraselular. Sedangkan kadar ion sodium

(Na+), klorida (Cl-), dan kalsium (Ca2+) lebih tinggi di cairan ekstraselular.

Dengan keadaan tersebut ion potasium cenderung ke luar sel dan ion sodium (juga

ion klorida dan kalsium) cenderung masuk ke sel melalui protein channel (pasif).

Gambar 3. Permeabilitas relatif bilayer lipid artifisial (tanpa protein) terhadap

berbagai kelompok molekul. Semakin kecil ukuran molekul, semakin cepat

berdifusi melintas bilayer. Ion-ion tidak dapat melintas bilayer lipid

Gambar 4. Diagram skematik transpor pasif dan aktif. Difusi biasa (simple

diffusion) dan difusi terfasilitasi (facilitated diffusion) merupakan transpor pasif,

tidak memerlukan energi. Sedangkan transpor aktif memerlukan energi

Gambar 5. Perbandingan kinetika difusi biasa dengan difusi terfasilitasi

Untuk mempertahankan kadar ion potasium tetap tinggi dan pada kisaran kadar

tertentu di intraselular dan sodium tetap tinggi di ekstraselular, protein membran

Na+K+-ATPase (sodium potassium ATPase/ sodium potassium pump)

mengkatalisis ATP (adenosin triphosphate) menjadi ADP (adenosin diphosphate),

dijadikan sumber energi mengeluarkan kelebihan ion sodium ke ekstraselular dan

mengambil kekurangan potasium dari ekstraselular ke intraselular secara aktif

karena melawan gradien elektrokimia. Tiap mentranspor 3 Na+ ke luar sel,

pompa sodium memasukkan 2 K+ ke dalam sel.

Ukuran partikel mempengaruhi perpindahan ion melintasi membran, dan harus

diingat bahwa ion-ion dalam cairan tubuh ada dalam keadaan terhidrasi. Jadi,

meskipun berat atom potasium (39) lebih besar dari sodium (23), tetapi ion

sodium terhidrasi lebih besar dari ion potasium terhidrasi. Namun jelas bahwa ion

dapat melintas membran melalui channel dan bukan hanya melalui pori

sederhana. Konfigurasi muatan di sekitarnya dan variabel-variabel yang

mempengaruhinya mengakibatkan channel tersebut relatif spesifik, sehingga ada

channel terpisah untuk Na + , Cl- dan K+.

POTENSIAL MEMBRAN SEL 3|

Fenomena transpor ion-ion melintas membran dan upaya pemeliharaan kadar ion-

ion tertentu di dalam sel berbeda dengan di luar sel, mengakibatkan perbedaan

distribusi muatan antara bagian dalam membran yang berbatasan dengan cairan

intraselular dan bagian luar yang berhadapan dengan cairan ekstraselular.

Besarnya beda potensial membran dapat diukur dengan jalan menyisipkan satu

elektroda di dalam sel dan satu elektroda di luar sel dan menghubungkannya

dengan recorder.

3.1. Potensial Membran Istirahat (Resting Membrane Potential= RMP)

Besarnya potensial membran saat tidak ada stimulus yang diberikan ke sel (saat

sel istirahat) disebut dengan potensial membran istirahat (resting membrane

potential = RMP). Pada umumnya ada bagian dalam relatif negatif terhadap

bagian luar membran. Oleh karena itu RMP disepakati ditulis negatif. Nilai RMP

antar jaringan bervariasi antara -9 hingga -100 mV. Nilai RMP khas untuk jenis

sel tertentu. Sel otot mempunyai RMP = -90 mV, dengan E Cl-= -86 mV, EK=-

100 mV, dan E Na+ = +55 mV. Sel darah merah mempunyai RMP yang rendah (-

9mV), sedangkan potensial membran istirahat giant axon pada mantel cumi

sekitar -60 mV.

Gaya yang mendorong ion untuk melintas membran dapat dianalisis. Ion Cl- ada

dalam kadar lebih tinggi di cairan ekstraselular daripada di dalam sel, sehingga

Cl- cenderung berdifusi mengikuti gradien kadar ke dalam sel. Kesetimbangan

dicapai saat influks Cl- sama dengan efluks Cl-. Potensial membran saat

kesetimbangan disebut potensial kesetimbangan, yang kekuatannya dapat dihitung

berdasar persamaan Nersnt sebagai berikut.

[Cl- i ]

Eq = 61,5 ----------pada 37 0 C,

[Cl- o]

dengan [Cl- i ] = kadar Cl- di dalam sel, dan

[Cl- o ]= kadar Cl- di luar sel

Jika [Cl- i ] = 9,0 mmol/ l H2O, dan [Cl- o ] = 125,0 mmol/ l H2O, akan

didapatkan nilai potensial kesetimbangan sebesar -70 mV, identik dengan RMP

sel terukur.

Dengan menggunakan rumus yang sama, dapat dihitung pula potensial

kesetimbangan untuk ion-ion yang lain. Ion K+ akan berdifusi ke luar sel

mengikuti gradien kadar dan masuk ke sel mengikuti gradien elektrik. Pada

neuron motorik spinal Mammalia, Ek= -90 mV. Karena RMP = -70 mV, maka

banyaknya K+ di dalam sel hasil pengukuran akan lebih banyak dibandingkan

dengan hasil hitung berdasar gradien kadar dan gradien elektrik.

Berbeda dengan dua jenis ion tersebut terdahulu, berdasar gradien kadar,

Na+ akan masuk ke sel, demikian pula berdasar gradien elekriknya. E Na+ = + 60

mV. Eksperimen menggunakan Na+ radioaktif menunjukkan bahwa permeabilitas

membran terhadap Na+ lebih rendah dibanding dengan permeabilitas membran

terhadap K+, oleh karena itu jika hanya terjadi gaya pasif berdasar gradien kadar

dan elektrik, sel akan secara bertahap mendapat tambahan Na+ dan kehilangan

K+.

Ion kalsium (Ca2+ ) pada cairan ekstraselular Mammalia ada pada kadar sekitar

1,2 mmol/L, dan kadarnya di dalam sel sangat rendah, jadi Ca2+ cenderung

masuk ke sel mengikuti gradien kadar maupun gradien elektrik. Meskipun

permeabilitas membran sel neuron terhadap Ca2+ 100 kali lebih rendah dibanding

permeabilitasnya terhadap Na+, tetapi tetap saja ada Ca2+ yang masuk. Ca2+

intraselular tetap rendah oleh adanya transpor aktif Ca2+ ke luar sel.

Membran sel secara praktis impermeabel terhadap protein intraselular dan anion

organik lain yang menyusun sebagian besar anion intraselular (A-), agak

permeabel terhadap Na+ dan lebih permeabel lagi terhadap Cl- dan K+. Jika K+

berdifusi ke luar sel mengikuti gradien kadar, sedangkan anion yang tidak dapat

berdifusi tetap tinggal di dalam sel, dan permeabilitas membran terhadap K+ lebih

tinggi dibanding terhadap Na+, akan menyebabkan perbedaan potensial

sepanjang membran sel. Terjadi sedikit kelebihan kation di luar sel dan sedikit

kelebihan anion di dalam sel, sehingga bagian dalam membran lebih negatif

dibanding di luar membran (oleh karena itu RMP bernilai negatif).

Ion-ion yang berperan dalam potensial membran merupakan fraksi yang sangat

kecil dari total ion yang ada. Masuknya Na+ ke dalam sel tidak dapat diimbangi

oleh keluarnya K+ karena permeabilitas membran saat istirahat lebih tinggi

terhadap Na+ dibanding terhadap K+. Cl- berdifusi ke dalam sel mengikuti

gradien kadar, tetapi perpindahan tersebut diimbangi oleh gradien elektriknya.

Pompa sodium potasium mempunyai konntribusi terhadap potensial membran,

tetapi fungsi utamanya pada konteks ini adalah untuk memelihara gradien kadar.

Potensial membran tergantung pada gradien kadar. Jika pompa terhenti saat

diberikan inhibitor metabolik, Na+ akan masuk ke sel, K+ akan ke luar sel, dan

potensial membran menurun. Laju penurunan tersebut bervariasi menurut ukuran

sel. Pada sel berukuran besar, dapat berlangsung berjam-jam, tetapi pada serabut

saraf dengan diameter kurang dari 1 um, depolarisasi lengkap dapat terjadi kurang

dari 4 menit.

Kekuatan potensial membran pada waktu tertentu tergantung pada

distribusi Na+, K+ dan Cl- dan permeabilitas membran terhadap ion-ion tersebut

Persamaan Goldman (Goldman constant-field equation) dapat digunakan untuk

menggambarkan hubungan antar variabel tersebut.

Karena saat sel istirahat, PNa+ relatif lebih rendah dibanding dengan PK+ , peran

Na+ dalam menentukan potensial membran istirahat hanya kecil. Oleh karena itu

perubahan Na+ eksternal hanya akan menghasilkan sedikit perubahan RMP,

sedangkan peningkatan K+ eksternal akan menurunkan RMP.

Pada sel otot dan saraf, menurunnya potensial membran justru akan memacu

peningkatan permeabilitas membran terhadap Na+. Sifat khas ini memungkinkan

timbulnya penjalaran informasi (impuls) sepanjang membran sel.

3.2. Potensial Aksi (Action Potential)

Saat stimulus diberikan, terjadi defleksi terhadap baseline (RMP) yang disebut

stimulus artifact. Artifact ini disebabkan hilangnya arus dari elektroda

penstimulasi hingga elektroda pencatat (Gambar 6.). Stimulus artifact diikuti oleh

interval isopotensial yang disebut periode laten. Periode laten berakhir saat terjadi

perubahan potensial lebih lanjut seiring penjalaran impuls dari tempat

diberikannya stimulus ke elektroda pencatat. Durasinya berbanding lurus dengan

jarak antara elektroda penstimulasi - elektroda pencatat dan kecepatan konduksi

akson. Jika durasi periode laten dan jarak antara elektroda penstimulasi hingga

elektroda pencatat diketahui, kecepatan konduksi akson dapat dihitung. Jika jarak

elektroda penstimulasi - elektroda pencatat (lihat Gambar 6) 4 cm, periode laten 2

mdet, maka kecepatan konduksi 4 cm/ 2 mdet atau 20 m/det.

Membran akson yang diberi stimulasi cukup, akan mengalami depolarisasi

(Gambar 6). Depolarisasi awal sekitar 15 mV, kemudian terjadi peningkatan laju

depolarisasi. Titik terjadinya peningkatan laju depolarisasi disebut dengan firing

level. Peningkatan laju depolarisasi, hingga potensial membran mencapai + 35

mV akan diikuti oleh terjadinya repolarisasi cepat menuju RMP. Saat repolarisasi

mencapai 70 %, laju repolarisasi menurun hingga nilai RMP. Peningkatan laju

depolarisasi dan repolarisasi yang cepat disebut dengan spike potential akson, dan

proses penurunan laju repolarisasi pada saat-saat menuju nilai RMP disebut

dengan after-depolarization (negative after-potential), setelah mencapai nilai

RMP, terjadi proses after-hyperpolarization (positive after-potential) yang

berlangsung lambat. Seluruh proses perubahan potensial yang terjadi disebut

dengan potensial aksi (action potential). Potensial aksi merupakan aksi monofase

karena berlangsung searah.

Gambar 6. Potensial aksi yang tercatat pada CRO (Cathode-ray oscilloscope) jika

stimulasi diberikan pada akson

Gambar 6 dibuat untuk menunjukkan adanya berbagai komponen potensial aksi

dengan distorsi terutama pada waktu. Jika dibandingkan dengan Gambar 7 (dibuat

dengan proporsi tanpa distorsi), akan nampak bahwa proses awal terjadinya

potensial aksi berlangsung cepat, dan sulit untuk menunjukkan secara jelas adanya

perubahan depolarisasi pada firing level, juga amplitudo pada proses after-

hyperpolarization yang hanya 1-2 mV (meskipun berlangsung sekitar 40 mdet).

Waktu yang diperlukan untuk proses after-depolarization hanya sekitar 4 mdet

(neuron lain banyak yang lebih cepat). Proses after-polarization dapat terjadi tanpa

mencapai RMP. Sebagai contoh, jika saraf dikonduksi berulang pada jangka

waktu lama, after hyperpolarization menjadi cukup besar. Potensial tersebut lebih

menunjukkan adanya proses pemulihan (recovery) dibandingkan dengan

responsnya terhadap terjadinya spike potential.

Dengan menggunakan CRO (Gb. 6), dapat diamati intensitas minimal arus yang

digunakan untuk menstimulasi (treshold intensity/ intensitas ambang) agar

dihasilkan potensial aksi. Nilai ambang tersebut beragam sesuai dengan kondisi

eksperimen dan jenis akson, tetapi sekali dicapai, akan terjadi potensial aksi

lengkap. Peningkatan intensitas stimulus tidak menghasilkan atau perubahan lain

potensial aksi sepanjang kondisi eksperimen yang lain tidak berubah. Potensial

aksi tidak akan terjadi jika stimulus yang diberikan di bawah nilai ambang, dan

hanya terjadi dengan amplitudo dan bentuk yang tetap jika kekuaran stimulus

sama atau di atas nilai ambang. Dengan demikian potensial aksi bersifat all or

none, atau dengan kata lain bahwa potensial aksi tunduk pada hukum all or none.

Gambar 7. Diagram potensial aksi lengkap serabut saraf Mammalia berukuran

besar dan berselubung mielin.

Stimulus dengan durasi yang sangat pendek tak akan mengakibatkan

akson tereksitasi meskipun intensitasnya cukup. Jika durasi pemberian stimuli

lama, intensitas ambang berkaitan dengan durasi/ lamanya stimulus diberikan.

Stimuli yang lemah, meskipun waktu pemberian lama, tak akan mampu

menimbulkan respons.

Meskipun stimuli di bawah nilai ambang tidak dapat menghasilkan

potensial aksi, tetapi tetap mempunyai pengaruh pada potensial membran. Hal

tersebut dapat ditunjukkan dengan jalan memasang elektroda pencatat beberapa

milimeter dari elektroda penstimulasi dan memberikan stimuli dengan kekuatan di

bawah nilai ambang selama waktu tertentu, yang ternyata mengakibatkan

perubahan potensial (depolarisasi) lokal yang timbul cepat dan menghilang secara

eksponensial seiring waktu. Kekuatan respons tersebut akan menurun jika jarak

antara elektroda pencatat dan penstimulasi ditingkatkan. Sebaliknya, dalam jangka

waktu yang sama jika diberikan arus anoda akan menghasilkan perubahan

potensial hiperpolarisasi. Perubahan potensial tersebut disebut dengan potensial

elektrotonik, dengan katelektronik (jika dihasilkan pada katoda) dan anelektronik

(jika dihasilkan pada anoda). Perubahan potensial tersebut merupakan perubahan

polarisasi membran secara pasif yang diakibatkan oleh penambahan atau

substraksi muatan oleh elektroda tertentu. Intensitas arus rendah akan

menghasilkan depolarisasi atau hiperpolarisasi hingga 7 mV, perubahan potensial

ini berbanding lurus dengan kekuatan stimulus. Sedangkan dengan stimuli yang

lebih kuat, hubungan tersebut tetap konstan untuk respons anelektrotonik, tetapi

tidak berlaku untuk respons katelektrotonik yang ternyata lebih besar dari

perkiraan. Ternyata, stimulasi katodal yang cukup untuk menghasilkan

depolarisasi sekitar 15 mV (misalnya potensial membran menjadi - 55 mV),

mengakibatkan potensial membran akan turun drastis, dan terjadi potensial aksi

yang dijalarkan. Respons terhadap stimulus lebih besar yang tidak lagi berbanding

lurus dengan kekuatan stimulus dan mengakibatkan depolarisasi 7-15 mV

menunjukkan adanya partisipasi membran, dan respons tersebut disebut dengan

respons lokal (local response)(Gambar 8.). Titik saat spike potential timbul

disebut dengan firing level. Jadi arus katodal yang menghasilkan depolarisasi

membran hingga 7 mV memiliki efek pasif pada membran yang disebabkan oleh

penambahan muatan negatif. Sedangkan arus katodal yang menghasilkan

depolarisasi 7-15 mV mengakibatkan perubahan membran yang sedikit aktif, dan

berperan dalam proses depolarisasi. Meskipun demikian kekuatan repolarisasi

masih lebih kuat dari depolarisasi, sehingga tidak timbul potensial aksi. Saat

depolarisasi membran hingga 15 mV, kekuatan depolarisasi relatif kuat dibanding

repolarisasi, sehingga timbul potensial aksi. Dengan demikian jelas bahwa pada

depolarisasi sebesar 15 mV, terjadi beberapa perubahan mendasar yang

mengakibatkan depolarisasi lebih lanjut terjadi di membran.

Gambar 8. Potensial elektrotonik dan respons lokal. Grafik menunjukkan adanya

perubahan potensial membran suatu neuron yang diberi stimuli 0,2, 0,4, 0,6, 0,8,

dan 1 kali intensitas ambang. Respons di bawah aksis dicatat dekat anoda,

sedangkan di atas aksis di dekat katoda

Pemberian stimulus umumnya dilakukan di dekat katoda, karena stimuli katodal

menghasilkan depolarisasi, sedangkan arus anodal justru malah menjauhkan

membran dari keadaan firing level (menghambat terjadinya potensial aksi).

Selama potensial aksi, potensial katelektrotonik dan anelektrotonik dan

respons lokal berlangsung, terjadi perubahan pada nilai ambang neuron terhadap

stimulasi. Respons katelektrotonik mengakibatkan keadaan potensial membran

mendekati firing level. Tetapi saat penurunan pada fase spike potential, neuron

ada dalam keadaan refraktori terhadap stimulasi.

Gambar 9. Perubahan relatif eksitabilitas membran neuron selama terjadinya

potensial aksi

Periode refraktori tersebut dapat dibedakan menjadi periode refraktori absolut

yang dimulai dari saat dicapainya firing level hingga repolarisasi berlangsung

sekitar 1/3 lengkap, dan periode refraktori relatif- mulai akhir periode refraktori

absolut hingga dimulainya after-depolarization. Selama periode refraktori absolut,

tak ada satupun stimulus, berapapun kekuatannya yang mampu membuat neuron

tereksitasi, tetapi pada periode relatif, stimulus yang lebih kuat dari stimulus

normal dapat mengakibatkan eksitasi. (Gambar 9).

Saat istirahat, membran sel saraf terpolarisasi dengan muatan positif

sepanjang permukaan luar, dan negatif di permukaan dalam membran. Saat

potensial aksi, polaritas tersebut untuk waktu yang amat singkat menjadi

berlawanan dengan saat istirahat. Muatan positif membran di depan dan di

belakang potensial aksi mengalir ke area negatif. Dengan menarik muatan positif,

aliran arus ini akan menurunkan potensial membran di dekatnya.

Potensial membran, baik saat aktif maupun istirahat, ditentukan oleh

permeabilitas membran. Dengan mengubah permeabilitas membran terhadap

sodium dan potasium membran secara selektif, potensial membran dapat bergeser

antara -75 mV hingga +55 mV. Dalam kaitannya dengan potensial membran,

perpindahan ion klorida diabaikan karena pengaruhnya sangat kecil dan yang

terutama, permeabilitas membran terhadap ion klorida tidak berubah selama

potensial aksi.

Perubahan permeabilitas terjadi sangat cepat dan berlangsung hanya dalam

hitungan mikrodetik. Kesulitan-kesulitan yang ditemui dalam eksperimen yaitu

mengukur kekuatan alir ion dalam waktu yang sedemikian singkat, dapat diatasi

dengan menggunakan voltage clamp method. Dengan menjaga potensial membran

tetap konstan (clamped) pada nilai tertentu yang diinginkan, dapat ditentukan

aliran langsung berbagai ion melintas membran. Dari hasil tersebut dapat

diestimasi permeabilitas membran terhadap ion tertentu sebagai fungsi potensial

membran. Diungkapkan oleh Hodgkin, Huxley dan Katz (Inggris) bahwa

penurunan potensial membran (depolarisasi) dapat meningkatkan permeabilitas

membran terhadap sodium.

Depolarisasi juga menyebabkan perubahan permeabilitas membran

terhadap potasium, tetapi lebih lambat. Jika permeabilitas terhadap potasium dan

sodium meningkat secara simultan, tidak akan ada potensial aksi, dan potensial

membran ada dalam nilai antara tertentu. Namun, karena permeabilitas terhadap

potasium berubah setelah permeabilitas terhadap sodium menurun., maka

pengaruhnya adalah mengembalikan potensial ke nilai mula-mula yang disebut

sebagai repolarisasi membran (Gambar 10).

Selama potensial aksi, ion mengalir melalui membran sel mengikuti

gradien kadar. Perpindahan tersebut dibantu oleh protein channel .

Diketahui bahwa saat potensial aksi, terjadi aliran berlawanan dari ion sodium

dan potasium melintas membran. Tetapi keduanya melewati voltage-gated

channel yang berbeda. Pernyataan tersebut dibuktikan dari eksperimen

menggunakan tetrodoksin/ TTX (racun berasal dari ikan buntal, sangat toksik),

yang ternyata hanya menghambat voltage-gated sodium channels dan tidak pada

potasium channels. Demikian pula halnya dengan menggunakan TEA (tetra

methyl amonium ion), hanya memblok potassium channels tanpa berpengaruh

terhadap sodium channels.

Saat potensial membran pada nilai potensial istirahat, hanya sedikit sodium

masuk ke dalam akson, menunjukkan bahwa sodium channels tertutup. Jika

potensial membran berubah menjadi sedikit lebih negatif dari nilai normal,

voltage-gated sodium channels terbuka, dan ion sodium akan mengalir masuk ke

dalam sel menurut gradien kadar karena kadar di luar sel lebih tinggi.

Gambar 10. Perubahan konduktansi sodium dan potasium selama potensial aksi

pada giant axon cumi

Aliran ion sodium akan mencapai maksimum hanya dalam waktu

milidetik, dan kembali lagi ke nol meskipun membran masih dalam keadaan

terdepolarisasi. Voltage-gated channels tetap tertutup hingga tercapai potensial

istirahat, dan akan terbuka lagi sebagai tanggapan atas depolarisasi membran.

KESIMPULAN 4|

Membran sel memelihara kondisi intraselular pada kisaran tertentu yang tidak

selalu sama dengan komposisi cairan ekstrasel dengan jalan mengatur keluar

masuknya bahan/molekul-molekul/ ion-ion.

Potensial membran istirahat dipelihara tetap pada nilai tertentu oleh adanya

protein integral yang disebut Na+K+ATP-ase yang dapat membuang kelebihan

ion sodium keluar dan mengambil potasium ke dalam sel secara aktif.

Potensial aksi terjadi jika stimulus menyebabkan depolarisasi membran mencapai

nilai ambang. Stimulus dengan kekuatan di bawah nilai ambang tidak dapat

menimbulkan potensial aksi dan di atas nilai ambang tidak berkorelasi dengan

kekuatan potensial aksi

24

DAFTAR PUSTAKA

Albert, Bruce, Dennis Bray.Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, James D.

Watson. 1994. Molecular Biology of The Cell. New York: Garland Publishing,

Inc.

Ganong, W.F. 2001. Review of Medical Physiology. 18 th. ed. Prentice Hall Inc.

Schmidt Nielsen, Knut. 1991. Animal Physiology: Adaptation and Environment.

4th. ed. Cambridge University Press

Wolfe, Stephen L. 1993. Molecular and Cellular Biology. California : Wadsworth

Publishing Company.

-----.2005. The Action Potential Sending Information: Theory and Reality.

http:/www.isr.syr.edu/den/course/neu211/lecture_notes/lec04.html. downloaded

Feb,14th,2005

-----. 2005. EFB325 Cell Physiology: Ion Channels and The Nervous System.

File://bio2/D/htm. downloaded Feb,14th,2005

-----. 2005. Nervous System. http:/www.bioweb.uncc.edu/humanphys/resting.htm.

downloaded Feb,14th,2005

-----. 2005. Resting Potential. http:/distance.stcc.edu/A and P /AP/AP1

pages/nervssys/unit 10/resting.htm. downloaded Feb,14th,2005

-----. 2005. Voltage Gated Sodium Channels. http:/courses.washington.

edu/conj/membrane/nachan.htm. downloaded Feb,14th,2005

25