[Buku Bahasa Indonesia]Guyton And Hall Textbook of Medical Physiology 1-11
Ringkasan Peristiwa yang Menyebabkan Potensial Aksi
Gambar 5-10 menunjukkan secara ringkas peristiwa berurutan yang terjadi selama dan segera setelah potensial aksi. Bagian bawah gambar menunjukkan perubahan konduktansi membran untuk ion natrium dan kalium. Selama keadaan istirahat, sebelum potensial aksi dimulai, konduktansi untuk ion kalium adalah 50 hingga 100 kali lebih besar dibandingkan konduktansi untuk ion natrium. Hal ini disebabkan oleh kebocoran ion kalium yang jauh lebih besar dibandingkan ion natrium melalui saluran kebocoran. Namun, pada awal potensial aksi, saluran natrium segera teraktivasi dan memungkinkan peningkatan konduktansi natrium hingga 5000 kali lipat. Kemudian proses inaktivasi menutup saluran natrium dalam sebagian kecil milidetik berikutnya. Awal potensial aksi juga menyebabkan pembukaan berpintu tegangan pada saluran kalium, yang mulai terbuka lebih lambat, sebagian kecil milidetik setelah saluran natrium terbuka. Pada akhir potensial aksi, kembalinya potensial membran ke keadaan negatif menyebabkan saluran kalium menutup kembali ke keadaan semula, tetapi sekali lagi hanya setelah penundaan tambahan sekitar satu milidetik atau lebih.
Gambar 5-10 Perubahan konduktansi natrium dan kalium selama berlangsungnya potensial aksi. Konduktansi natrium meningkat beberapa ribu kali lipat pada tahap awal potensial aksi, sedangkan konduktansi kalium hanya meningkat sekitar 30 kali lipat pada tahap akhir potensial aksi dan untuk periode singkat setelahnya. (Kurva-kurva ini disusun berdasarkan teori yang dipaparkan dalam makalah oleh Hodgkin dan Huxley, tetapi ditransposisikan dari akson cumi-cumi untuk diterapkan pada potensial membran serabut saraf mamalia besar.)
Bagian tengah Gambar 5-10 menunjukkan rasio konduktansi natrium terhadap kalium pada setiap saat selama potensial aksi, dan di atasnya ditunjukkan potensial aksi itu sendiri. Selama bagian awal potensial aksi, rasio konduktansi natrium terhadap kalium meningkat lebih dari 1000 kali lipat. Oleh karena itu, jauh lebih banyak ion natrium yang mengalir ke dalam serabut dibandingkan ion kalium yang keluar. Hal inilah yang menyebabkan potensial membran menjadi positif pada awal potensial aksi. Selanjutnya, saluran natrium mulai menutup dan saluran kalium mulai membuka, sehingga rasio konduktansi bergeser jauh ke arah konduktansi kalium yang tinggi tetapi konduktansi natrium yang rendah. Hal ini memungkinkan hilangnya ion kalium secara sangat cepat ke luar, tetapi hampir tidak ada aliran ion natrium ke dalam. Akibatnya, potensial aksi dengan cepat kembali ke tingkat dasar.
Peran Ion Lain Selama Potensial Aksi
Sejauh ini, hanya peran ion natrium dan kalium yang telah dibahas dalam pembentukan potensial aksi. Setidaknya dua jenis ion lain juga perlu dipertimbangkan: anion bermuatan negatif dan ion kalsium.
Ion Bermuatan Negatif yang Tidak Dapat Melewati Membran (Anion) di Dalam Akson Saraf. Di dalam akson terdapat banyak ion bermuatan negatif yang tidak dapat melewati saluran membran. Ion-ion ini meliputi anion dari molekul protein dan berbagai senyawa fosfat organik, senyawa sulfat, dan lain sebagainya. Karena ion-ion ini tidak dapat keluar dari bagian dalam akson, setiap kekurangan ion positif di dalam membran akan meninggalkan kelebihan anion negatif yang tidak dapat berdifusi tersebut. Oleh karena itu, anion negatif yang tidak dapat melewati membran ini bertanggung jawab atas muatan negatif di dalam serabut ketika terjadi defisit bersih ion kalium bermuatan positif dan ion positif lainnya.
Ion Kalsium. Membran hampir semua sel tubuh memiliki pompa kalsium yang serupa dengan pompa natrium, dan pada beberapa sel, kalsium berperan bersama (atau menggantikan) natrium dalam menyebabkan sebagian besar potensial aksi. Seperti pompa natrium, pompa kalsium memindahkan ion kalsium dari bagian dalam ke luar membran sel (atau ke dalam retikulum endoplasma), sehingga menciptakan gradien ion kalsium sekitar 10.000 kali lipat. Hal ini menghasilkan konsentrasi ion kalsium di dalam sel sekitar 10?? molar, dibandingkan dengan konsentrasi di luar sekitar 10?³ molar.
Selain itu, terdapat saluran kalsium berpintu tegangan. Karena konsentrasi ion kalsium lebih dari 10.000 kali lebih tinggi di cairan ekstraseluler dibandingkan cairan intraseluler, terdapat gradien difusi yang sangat besar untuk aliran pasif ion kalsium ke dalam sel. Saluran ini sedikit permeabel terhadap ion natrium dan ion kalsium, tetapi permeabilitasnya terhadap kalsium sekitar 1000 kali lebih besar daripada terhadap natrium dalam kondisi fisiologis normal. Ketika saluran ini terbuka sebagai respons terhadap rangsangan yang mendepolarisasi membran sel, ion kalsium mengalir ke dalam sel.
Salah satu fungsi utama saluran kalsium berpintu tegangan adalah berkontribusi pada fase depolarisasi dalam potensial aksi pada beberapa sel. Namun, pembukaan saluran kalsium berlangsung lambat, membutuhkan waktu 10 hingga 20 kali lebih lama untuk aktivasi dibandingkan saluran natrium. Oleh karena itu, saluran ini sering disebut saluran lambat, berbeda dengan saluran natrium yang disebut saluran cepat. Dengan demikian, pembukaan saluran kalsium memberikan depolarisasi yang lebih bertahan lama, sedangkan saluran natrium berperan penting dalam memulai potensial aksi.
Saluran kalsium banyak terdapat pada otot jantung dan otot polos. Bahkan, pada beberapa jenis otot polos, saluran natrium cepat hampir tidak ada; oleh karena itu, potensial aksi hampir sepenuhnya disebabkan oleh aktivasi saluran kalsium lambat.
Peningkatan Permeabilitas Saluran Natrium Ketika Terjadi Defisit Ion Kalsium. Konsentrasi ion kalsium dalam cairan ekstraseluler juga memiliki pengaruh besar terhadap tingkat tegangan saat saluran natrium menjadi teraktivasi. Ketika terjadi kekurangan ion kalsium, saluran natrium menjadi teraktivasi (terbuka) oleh peningkatan kecil potensial membran dari tingkat normal yang sangat negatif. Oleh karena itu, serabut saraf menjadi sangat mudah tereksitasi, kadang-kadang melepaskan impuls berulang tanpa rangsangan, bukan tetap dalam keadaan istirahat. Bahkan, konsentrasi ion kalsium hanya perlu turun sekitar 50 persen di bawah normal untuk menyebabkan pelepasan spontan pada beberapa saraf perifer, yang sering menimbulkan “tetani” otot. Hal ini kadang dapat berakibat fatal karena kontraksi tetanik pada otot pernapasan.
Mekanisme yang mungkin menjelaskan bagaimana ion kalsium memengaruhi saluran natrium adalah sebagai berikut: ion-ion ini tampaknya berikatan dengan permukaan luar molekul protein saluran natrium. Muatan positif dari ion kalsium ini kemudian mengubah keadaan listrik dari protein saluran natrium itu sendiri, sehingga mengubah tingkat tegangan yang diperlukan untuk membuka gerbang natrium.
Inisiasi Potensial Aksi
Hingga saat ini, telah dijelaskan perubahan permeabilitas natrium dan kalium pada membran serta pembentukan potensial aksi itu sendiri, tetapi belum dijelaskan apa yang memulai potensial aksi.
Siklus Umpan Balik Positif Membuka Saluran Natrium. Pertama, selama membran serabut saraf tetap tidak terganggu, tidak terjadi potensial aksi pada saraf normal. Namun, jika suatu kejadian menyebabkan peningkatan awal yang cukup pada potensial membran dari −90 milivolt menuju nol, maka peningkatan tegangan itu sendiri menyebabkan banyak saluran natrium berpintu tegangan mulai terbuka. Hal ini memungkinkan masuknya ion natrium secara cepat, yang selanjutnya meningkatkan potensial membran, sehingga membuka lebih banyak saluran natrium berpintu tegangan dan memungkinkan lebih banyak ion natrium mengalir ke dalam serabut. Proses ini merupakan suatu siklus umpan balik positif yang, setelah cukup kuat, akan berlanjut hingga semua saluran natrium berpintu tegangan teraktivasi (terbuka). Kemudian, dalam sebagian kecil milidetik berikutnya, peningkatan potensial membran menyebabkan penutupan saluran natrium dan pembukaan saluran kalium, sehingga potensial aksi segera berakhir.
Ambang untuk Inisiasi Potensial Aksi. Potensial aksi tidak akan terjadi sampai peningkatan awal potensial membran cukup besar untuk menciptakan umpan balik positif seperti yang dijelaskan sebelumnya. Hal ini terjadi ketika jumlah ion Na? yang masuk ke dalam serabut lebih besar daripada jumlah ion K? yang keluar. Peningkatan mendadak potensial membran sebesar 15 hingga 30 milivolt biasanya diperlukan. Oleh karena itu, peningkatan mendadak potensial membran pada serabut saraf besar dari −90 milivolt menjadi sekitar −65 milivolt biasanya menyebabkan perkembangan eksplosif potensial aksi. Tingkat −65 milivolt ini disebut sebagai ambang rangsangan.
Perambatan Potensial Aksi
Pada bagian sebelumnya, potensial aksi dibahas sebagaimana terjadi pada satu titik pada membran. Namun, potensial aksi yang terjadi pada satu titik pada membran yang dapat dirangsang biasanya akan merangsang bagian membran yang berdekatan, sehingga menghasilkan perambatan potensial aksi sepanjang membran. Mekanisme ini ditunjukkan pada Gambar 5-11. Gambar 5-11A menunjukkan serabut saraf dalam keadaan istirahat normal, dan Gambar 5-11B menunjukkan serabut saraf yang telah terangsang pada bagian tengahnya—yaitu, bagian tengah tiba-tiba mengalami peningkatan permeabilitas terhadap natrium. Panah menunjukkan “sirkuit lokal” aliran arus dari area membran yang terdepolarisasi ke area membran istirahat yang berdekatan. Artinya, muatan listrik positif dibawa oleh ion natrium yang berdifusi ke dalam melalui membran yang terdepolarisasi, kemudian menyebar beberapa milimeter ke kedua arah sepanjang inti akson. Muatan positif ini meningkatkan tegangan pada jarak 1 hingga 3 milimeter di dalam serabut mielin besar hingga melebihi nilai ambang untuk memulai potensial aksi. Oleh karena itu, saluran natrium di area baru ini segera terbuka, seperti ditunjukkan pada Gambar 5-11C dan D, dan potensial aksi menyebar secara eksplosif. Area yang baru terdepolarisasi ini menghasilkan lebih banyak sirkuit lokal arus yang mengalir lebih jauh sepanjang membran, menyebabkan depolarisasi yang semakin luas. Dengan demikian, proses depolarisasi menjalar sepanjang seluruh panjang serabut. Transmisi proses depolarisasi ini sepanjang serabut saraf atau otot disebut impuls saraf atau otot.
Arah Perambatan. Seperti ditunjukkan pada Gambar 5-11, membran yang dapat dirangsang tidak memiliki satu arah perambatan tertentu, tetapi potensial aksi menyebar ke segala arah menjauhi titik rangsangan—bahkan sepanjang semua cabang serabut saraf—hingga seluruh membran mengalami depolarisasi.
Prinsip Semua-atau-Tidak Sama Sekali. Setelah potensial aksi dipicu pada suatu titik pada membran serabut normal, proses depolarisasi akan menjalar ke seluruh membran jika kondisi mendukung, atau tidak menjalar sama sekali jika kondisi tidak mendukung. Hal ini disebut prinsip semua-atau-tidak sama sekali, dan berlaku untuk semua jaringan yang dapat dirangsang secara normal. Kadang-kadang, potensial aksi mencapai suatu titik pada membran di mana tidak cukup tegangan untuk merangsang area membran berikutnya. Jika hal ini terjadi, penyebaran depolarisasi akan berhenti. Oleh karena itu, agar perambatan impuls terus berlangsung, rasio antara potensial aksi dan ambang rangsangan harus selalu lebih besar dari 1. Persyaratan “lebih besar dari 1” ini disebut faktor keamanan untuk perambatan.
Pemulihan Kembali Gradien Ion Natrium dan Kalium Setelah Potensial Aksi Selesai—Pentingnya Metabolisme Energi
Transmisi setiap potensial aksi sepanjang serabut saraf sedikit mengurangi perbedaan konsentrasi natrium dan kalium di dalam dan di luar membran karena ion natrium berdifusi ke dalam selama depolarisasi dan ion kalium berdifusi ke luar selama repolarisasi. Untuk satu potensial aksi, efek ini sangat kecil sehingga tidak dapat diukur. Bahkan, 100.000 hingga 50 juta impuls dapat dihantarkan oleh serabut saraf besar sebelum perbedaan konsentrasi mencapai tingkat di mana konduksi potensial aksi berhenti. Meskipun demikian, seiring waktu, perlu untuk memulihkan kembali perbedaan konsentrasi natrium dan kalium pada membran. Hal ini dicapai melalui kerja pompa Na?-K? dengan cara yang sama seperti yang telah dijelaskan sebelumnya dalam bab ini untuk pembentukan awal potensial istirahat. Artinya, ion natrium yang berdifusi ke dalam sel selama potensial aksi dan ion kalium yang berdifusi ke luar harus dikembalikan ke keadaan semula oleh pompa Na?-K?. Karena pompa ini memerlukan energi untuk bekerja, proses “pengisian ulang” serabut saraf ini merupakan proses metabolik aktif yang menggunakan energi yang berasal dari sistem energi adenosin trifosfat (ATP) dalam sel. Gambar 5-12 menunjukkan bahwa serabut saraf menghasilkan panas berlebih selama proses pengisian ulang, yang merupakan ukuran pengeluaran energi ketika frekuensi impuls saraf meningkat.
Salah satu ciri khusus pompa Na?-K? ATPase adalah bahwa tingkat aktivitasnya sangat dirangsang ketika terjadi akumulasi ion natrium berlebih di dalam membran sel. Bahkan, aktivitas pemompaan meningkat kira-kira sebanding dengan pangkat tiga dari konsentrasi natrium intraseluler. Artinya, ketika konsentrasi natrium internal meningkat dari 10 menjadi 20 mEq/L, aktivitas pompa tidak hanya meningkat dua kali lipat, tetapi sekitar delapan kali lipat. Oleh karena itu, mudah dipahami bagaimana proses “pengisian ulang” serabut saraf dapat dengan cepat diaktifkan setiap kali perbedaan konsentrasi ion natrium dan kalium melintasi membran mulai menurun.
Plateau pada Beberapa Potensial Aksi
Dalam beberapa keadaan, membran yang terangsang tidak segera mengalami repolarisasi setelah depolarisasi; sebaliknya, potensial tetap berada pada plateau mendekati puncak potensial lonjakan selama beberapa milidetik, dan baru kemudian repolarisasi dimulai. Plateau seperti ini ditunjukkan pada Gambar 5-13; terlihat jelas bahwa plateau tersebut sangat memperpanjang periode depolarisasi. Jenis potensial aksi ini terjadi pada serabut otot jantung, di mana plateau berlangsung selama 0,2 hingga 0,3 detik dan menyebabkan kontraksi otot jantung berlangsung selama periode yang sama.
Penyebab plateau merupakan kombinasi beberapa faktor. Pertama, pada otot jantung, dua jenis saluran berperan dalam proses depolarisasi: (1) saluran natrium berpintu tegangan yang biasa, disebut saluran cepat, dan (2) saluran kalsium-natrium berpintu tegangan, yang membuka secara lambat sehingga disebut saluran lambat. Pembukaan saluran cepat menyebabkan bagian lonjakan dari potensial aksi, sedangkan pembukaan yang berkepanjangan dari saluran kalsium-natrium lambat terutama memungkinkan masuknya ion kalsium ke dalam serabut, yang sebagian besar bertanggung jawab atas bagian plateau dari potensial aksi.
Faktor kedua yang mungkin turut menyebabkan plateau adalah bahwa saluran kalium berpintu tegangan lebih lambat dari biasanya untuk terbuka, sering kali tidak banyak terbuka hingga akhir plateau. Hal ini menunda kembalinya potensial membran ke nilai negatif normalnya yaitu −80 hingga −90 milivolt.
Ritmisitas pada Beberapa Jaringan Eksitabel—Pelepasan Berulang
Pelepasan berulang yang diinduksi sendiri terjadi secara normal pada jantung, sebagian besar otot polos, dan banyak neuron dalam sistem saraf pusat. Pelepasan ritmik ini menyebabkan (1) denyut jantung yang ritmik, (2) peristaltik usus yang ritmik, dan (3) berbagai peristiwa neuronal seperti pengaturan ritmik pernapasan.
Selain itu, hampir semua jaringan eksitabel lainnya dapat melepaskan impuls berulang jika ambang rangsangan sel-sel jaringan tersebut cukup diturunkan. Sebagai contoh, bahkan serabut saraf besar dan serabut otot rangka, yang biasanya sangat stabil, dapat melepaskan impuls berulang ketika ditempatkan dalam larutan yang mengandung obat veratrin atau ketika konsentrasi ion kalsium turun di bawah nilai kritis, keduanya meningkatkan permeabilitas natrium pada membran.
Proses Re-eksitasi yang Diperlukan untuk Ritmisitas Spontan. Agar ritmisitas spontan terjadi, membran dalam keadaan alaminya harus cukup permeabel terhadap ion natrium (atau terhadap ion kalsium dan natrium melalui saluran kalsium-natrium lambat) sehingga memungkinkan depolarisasi membran secara otomatis. Dengan demikian, Gambar 5-14 menunjukkan bahwa potensial membran “istirahat” pada pusat pengatur ritmik jantung hanya sekitar −60 hingga −70 milivolt. Nilai ini tidak cukup negatif untuk menjaga saluran natrium dan kalsium tetap tertutup sepenuhnya. Oleh karena itu, urutan berikut terjadi: (1) sejumlah ion natrium dan kalsium mengalir ke dalam; (2) hal ini meningkatkan potensial membran ke arah positif, yang selanjutnya meningkatkan permeabilitas membran; (3) lebih banyak ion mengalir ke dalam; dan (4) permeabilitas semakin meningkat, dan seterusnya, hingga terbentuk potensial aksi. Kemudian, pada akhir potensial aksi, membran mengalami repolarisasi. Setelah penundaan beberapa milidetik atau detik, eksitabilitas spontan kembali menyebabkan depolarisasi dan potensial aksi baru terjadi secara spontan. Siklus ini berlangsung berulang-ulang dan menyebabkan eksitasi ritmik yang diinduksi sendiri pada jaringan eksitabel.
Mengapa membran pusat pengatur jantung tidak segera mengalami depolarisasi setelah repolarisasi, tetapi justru mengalami penundaan hampir satu detik sebelum timbulnya potensial aksi berikutnya? Jawabannya dapat dilihat pada kurva “konduktansi kalium” pada Gambar 5-14. Kurva ini menunjukkan bahwa menjelang akhir setiap potensial aksi, dan berlanjut untuk waktu singkat setelahnya, membran menjadi lebih permeabel terhadap ion kalium. Peningkatan aliran keluar ion kalium membawa sejumlah besar muatan positif ke luar membran, sehingga bagian dalam serabut menjadi jauh lebih negatif daripada keadaan normal. Keadaan ini berlangsung hampir satu detik setelah potensial aksi sebelumnya berakhir, sehingga menarik potensial membran mendekati potensial Nernst kalium. Keadaan ini disebut hiperpolarisasi, yang juga ditunjukkan pada Gambar 5-14. Selama keadaan ini berlangsung, re-eksitasi spontan tidak terjadi. Namun, peningkatan konduktansi kalium (dan keadaan hiperpolarisasi) secara bertahap menghilang, seperti ditunjukkan setelah setiap potensial aksi pada gambar, sehingga memungkinkan potensial membran kembali meningkat hingga mencapai ambang rangsangan. Kemudian, secara tiba-tiba, potensial aksi baru terbentuk dan proses ini terjadi berulang-ulang.
Karakteristik Khusus Transmisi Sinyal pada Berkas Saraf
Serabut Saraf Bermielin dan Tidak Bermielin. Gambar 5-15 menunjukkan penampang melintang saraf kecil yang khas, memperlihatkan banyak serabut saraf besar yang membentuk sebagian besar luas penampang. Namun, pengamatan lebih teliti menunjukkan bahwa terdapat lebih banyak serabut kecil di antara serabut besar tersebut. Serabut besar bersifat bermielin, sedangkan yang kecil tidak bermielin. Rata-rata berkas saraf mengandung sekitar dua kali lebih banyak serabut tidak bermielin dibandingkan serabut bermielin.
Gambar 5-16 menunjukkan serabut bermielin yang khas. Inti pusat serabut adalah akson, dan membran akson merupakan membran yang sebenarnya menghantarkan potensial aksi. Akson diisi oleh aksoplasma, yaitu cairan intraseluler yang kental. Di sekitar akson terdapat selubung mielin yang sering kali jauh lebih tebal daripada akson itu sendiri. Sekitar setiap 1 hingga 3 milimeter sepanjang selubung mielin terdapat nodus Ranvier.
Selubung mielin disusun di sekitar akson oleh sel Schwann dengan cara sebagai berikut: membran sel Schwann pertama-tama membungkus akson. Kemudian sel Schwann berputar mengelilingi akson berkali-kali, membentuk lapisan berlapis-lapis membran sel Schwann yang mengandung zat lipid sfingomielin. Zat ini merupakan isolator listrik yang sangat baik yang mengurangi aliran ion melalui membran sekitar 5000 kali lipat. Pada pertemuan antara dua sel Schwann yang berurutan sepanjang akson, terdapat area kecil yang tidak terisolasi dengan panjang hanya 2 hingga 3 mikrometer, di mana ion masih dapat mengalir dengan mudah melalui membran akson antara cairan ekstraseluler dan cairan intraseluler di dalam akson. Area ini disebut nodus Ranvier.
Baca Juga: Lighten PDF Converter OCR 6.1.1 Full Version
Konduksi “Saltatori” pada Serabut Bermielin dari Nodus ke Nodus. Meskipun hampir tidak ada ion yang dapat mengalir melalui selubung mielin yang tebal, ion dapat mengalir dengan mudah melalui nodus Ranvier. Oleh karena itu, potensial aksi hanya terjadi pada nodus. Namun, potensial aksi dihantarkan dari satu nodus ke nodus berikutnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 5-17; hal ini disebut konduksi saltatori. Artinya, arus listrik mengalir melalui cairan ekstraseluler di luar selubung mielin serta melalui aksoplasma di dalam akson dari satu nodus ke nodus berikutnya, sehingga menstimulasi nodus secara berurutan. Dengan demikian, impuls saraf “meloncat” sepanjang serabut, yang menjadi asal istilah “saltatori.”
Konduksi saltatori memiliki dua keuntungan. Pertama, dengan menyebabkan proses depolarisasi melompat dalam jarak panjang sepanjang sumbu serabut saraf, mekanisme ini meningkatkan kecepatan transmisi saraf pada serabut bermielin hingga 5 hingga 50 kali lipat. Kedua, konduksi saltatori menghemat energi bagi akson karena hanya nodus yang mengalami depolarisasi, sehingga memungkinkan kehilangan ion hingga sekitar 100 kali lebih sedikit dibandingkan jika seluruh membran terlibat, dan oleh karena itu memerlukan metabolisme yang lebih kecil untuk memulihkan perbedaan konsentrasi natrium dan kalium setelah serangkaian impuls saraf.
Ciri lain dari konduksi saltatori pada serabut bermielin besar adalah bahwa isolasi yang sangat baik oleh membran mielin serta penurunan kapasitansi membran hingga 50 kali lipat memungkinkan repolarisasi terjadi dengan perpindahan ion yang minimal.
Kecepatan Konduksi pada Serabut Saraf. Kecepatan konduksi potensial aksi pada serabut saraf bervariasi dari sekitar 0,25 m/detik pada serabut kecil tidak bermielin hingga sekitar 100 m/detik pada serabut besar bermielin.
Eksitasi—Proses Memicu Potensial Aksi
Pada dasarnya, setiap faktor yang menyebabkan ion natrium mulai berdifusi ke dalam melalui membran dalam jumlah yang cukup dapat memicu pembukaan otomatis regeneratif saluran natrium. Hal ini dapat terjadi akibat gangguan mekanik pada membran, efek kimia pada membran, atau aliran listrik melalui membran. Semua mekanisme ini digunakan pada berbagai bagian tubuh untuk memicu potensial aksi saraf atau otot: tekanan mekanik untuk merangsang ujung saraf sensorik di kulit, neurotransmiter kimia untuk mentransmisikan sinyal dari satu neuron ke neuron lain di otak, dan arus listrik untuk mentransmisikan sinyal antara sel-sel otot pada jantung dan usus. Untuk memahami proses eksitasi, pembahasan dimulai dengan prinsip stimulasi listrik.
Eksitasi Serabut Saraf oleh Elektroda Logam Bermuatan Negatif. Cara yang umum digunakan untuk merangsang saraf atau otot di laboratorium adalah dengan memberikan listrik pada permukaan saraf atau otot melalui dua elektroda kecil, satu bermuatan negatif dan satu bermuatan positif. Ketika hal ini dilakukan, membran yang dapat dirangsang akan terstimulasi pada elektroda negatif.
Penyebab efek ini adalah sebagai berikut: potensial aksi dimulai oleh pembukaan saluran natrium berpintu tegangan. Saluran ini terbuka akibat penurunan tegangan listrik normal saat istirahat melintasi membran. Arus negatif dari elektroda menurunkan tegangan di luar membran menjadi lebih negatif, mendekati tegangan negatif di dalam serabut. Hal ini mengurangi perbedaan tegangan melintasi membran dan memungkinkan saluran natrium terbuka, sehingga menghasilkan potensial aksi. Sebaliknya, pada elektroda positif, penyuntikan muatan positif ke luar membran saraf justru meningkatkan perbedaan tegangan melintasi membran. Hal ini menyebabkan hiperpolarisasi, yang justru menurunkan eksitabilitas serabut dan bukan menimbulkan potensial aksi.
Ambang Eksitasi dan “Potensial Lokal Akut.” Stimulus listrik negatif yang lemah mungkin tidak cukup untuk merangsang serabut. Namun, ketika tegangan stimulus ditingkatkan, akan tercapai suatu titik di mana eksitasi terjadi. Gambar 5-18 menunjukkan efek stimulus yang diberikan secara bertahap dengan kekuatan yang meningkat. Stimulus lemah pada titik A menyebabkan perubahan potensial membran dari −90 menjadi −85 milivolt, tetapi perubahan ini tidak cukup untuk memicu proses regeneratif potensial aksi. Pada titik B, stimulus lebih besar, tetapi masih belum cukup kuat. Namun demikian, stimulus ini mengganggu potensial membran secara lokal selama sekitar 1 milidetik atau lebih. Perubahan potensial lokal ini disebut potensial lokal akut, dan jika tidak memicu potensial aksi, disebut acute subthreshold potentials
Pada titik C dalam Gambar 5-18, stimulus lebih kuat. Sekarang potensial lokal hampir mencapai tingkat yang diperlukan untuk memicu potensial aksi, yang disebut tingkat ambang, tetapi hal ini terjadi setelah periode laten singkat. Pada titik D, stimulus lebih kuat lagi, potensial lokal akut juga lebih besar, dan potensial aksi terjadi dengan periode laten yang lebih singkat.
Dengan demikian, gambar ini menunjukkan bahwa bahkan stimulus lemah pun menyebabkan perubahan potensial lokal pada membran, tetapi intensitas potensial lokal harus mencapai tingkat ambang sebelum potensial aksi dapat dipicu.
“Periode Refrakter” Setelah Potensial Aksi, Selama
Stimulus Baru Tidak Dapat Dihasilkan
Potensial aksi baru tidak dapat terjadi pada serabut yang dapat dieksitasi selama membran masih dalam keadaan terdepolarisasi akibat potensial aksi sebelumnya. Hal ini disebabkan karena segera setelah potensial aksi dimulai, kanal natrium (atau kanal kalsium, atau keduanya) menjadi terinaktivasi, dan tidak ada rangsangan eksitatori pada saat ini yang dapat membuka gerbang inaktivasi tersebut. Satu-satunya kondisi yang memungkinkan kanal ini terbuka kembali adalah ketika potensial membran kembali ke atau mendekati tingkat potensial membran istirahat semula. Kemudian, dalam fraksi kecil detik berikutnya, gerbang inaktivasi kanal terbuka kembali dan potensial aksi baru dapat diinisiasi.
Periode selama potensial aksi kedua tidak dapat dihasilkan, bahkan dengan stimulus kuat, disebut periode refrakter absolut. Periode ini pada serabut saraf bermielin besar adalah sekitar 1/2500 detik. Oleh karena itu, dapat dihitung bahwa serabut tersebut mampu mentransmisikan maksimum sekitar 2500 impuls per detik.
Inhibisi Eksitabilitas—“Stabilisator” dan Anestetik Lokal
Berbeda dengan faktor-faktor yang meningkatkan eksitabilitas saraf, terdapat faktor lain yang disebut faktor penstabil membran yang dapat menurunkan eksitabilitas. Sebagai contoh, konsentrasi ion kalsium dalam cairan ekstrasel yang tinggi menurunkan permeabilitas membran terhadap ion natrium dan secara bersamaan mengurangi eksitabilitas. Oleh karena itu, ion kalsium disebut sebagai “penstabil.”
Anestetik Lokal. Di antara penstabil yang paling penting adalah berbagai zat yang digunakan secara klinis sebagai anestetik lokal, termasuk prokain dan tetrakain. Sebagian besar zat ini bekerja langsung pada gerbang aktivasi kanal natrium, sehingga lebih sulit bagi gerbang tersebut untuk terbuka, yang pada akhirnya menurunkan eksitabilitas membran. Ketika eksitabilitas menurun hingga tingkat di mana rasio kekuatan potensial aksi terhadap ambang eksitabilitas (disebut “faktor keamanan”) menjadi kurang dari 1,0, impuls saraf gagal dihantarkan sepanjang saraf yang dianestesi.
Perekaman Potensial Membran dan Potensial Aksi
Osiloskop Sinar Katoda. Sebelumnya dalam bab ini telah dijelaskan bahwa perubahan potensial membran terjadi sangat cepat selama berlangsungnya potensial aksi. Bahkan, sebagian besar kompleks potensial aksi pada serabut saraf besar terjadi dalam waktu kurang dari 1/1000 detik. Dalam beberapa gambar pada bab ini ditunjukkan penggunaan meter listrik untuk merekam perubahan potensial tersebut. Namun, perlu dipahami bahwa alat ukur yang mampu merekam sebagian besar potensial aksi harus memiliki respons yang sangat cepat. Dalam praktiknya, satu-satunya jenis alat ukur umum yang mampu merespons secara akurat perubahan potensial membran yang cepat adalah osiloskop sinar katoda.
Gambar 5-19 menunjukkan komponen dasar dari osiloskop sinar katoda. Tabung sinar katoda pada dasarnya terdiri atas sebuah pistol elektron dan layar fluoresen tempat elektron ditembakkan. Pada titik di mana elektron mengenai permukaan layar, bahan fluoresen akan memancarkan cahaya. Jika berkas elektron digerakkan melintasi layar, titik cahaya tersebut juga bergerak dan membentuk garis fluoresen pada layar.
Selain pistol elektron dan permukaan fluoresen, tabung sinar katoda dilengkapi dengan dua set pelat bermuatan listrik—satu set terletak di kedua sisi berkas elektron, dan set lainnya terletak di atas dan di bawahnya. Rangkaian kontrol elektronik yang sesuai mengubah tegangan pada pelat-pelat ini sehingga berkas elektron dapat dibelokkan ke atas atau ke bawah sebagai respons terhadap sinyal listrik yang berasal dari elektroda perekam pada saraf. Berkas elektron juga disapu secara horizontal melintasi layar dengan laju waktu konstan oleh rangkaian elektronik internal osiloskop. Hal ini menghasilkan rekaman seperti yang terlihat pada layar tabung sinar katoda pada gambar, dengan sumbu horizontal sebagai basis waktu dan perubahan tegangan dari elektroda saraf ditampilkan secara vertikal. Perhatikan pada bagian kiri rekaman terdapat artefak stimulus kecil yang disebabkan oleh stimulus listrik yang digunakan untuk menimbulkan potensial aksi saraf. Lebih ke kanan terlihat potensial aksi yang terekam itu sendiri.
Daftar Pustaka
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al: Molecular Biology of the Cell, edisi ke-3, New York, 2008, Garland Science.
Biel M, Wahl-Schott C, Michalakis S, Zong X: Hyperpolarization-activated cation channels: from genes to function, Physiol Rev 89:847, 2009.
Blaesse P, Airaksinen MS, Rivera C, Kaila K: Cation-chloride cotransporters and neuronal function, Neuron 61:820, 2009.
Dai S, Hall DD, Hell JW: Supramolecular assemblies and localized regulation of voltage-gated ion channels, Physiol Rev 89:411, 2009.
Hodgkin AL, Huxley AF: Quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerve, J Physiol (Lond) 117:500, 1952.
Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM: Principles of Neural Science, edisi ke-4, New York, 2000, McGraw-Hill.
Kleber AG, Rudy Y: Basic mechanisms of cardiac impulse propagation and associated arrhythmias, Physiol Rev 84:431, 2004.
Luján R, Maylie J, Adelman JP: New sites of action for GIRK and SK channels, Nat Rev Neurosci 10:475, 2009.
Mangoni ME, Nargeot J: Genesis and regulation of the heart automaticity, Physiol Rev 88:919, 2008.
Perez-Reyes E: Molecular physiology of low-voltage-activated T-type calcium channels, Physiol Rev 83:117, 2003.
Poliak S, Peles E: The local differentiation of myelinated axons at nodes of Ranvier, Nat Rev Neurosci 12:968, 2003.
Schafer DP, Rasband MN: Glial regulation of the axonal membrane at nodes of Ranvier, Curr Opin Neurobiol 16:508, 2006.
Vacher H, Mohapatra DP, Trimmer JS: Localization and targeting of voltage-dependent ion channels in mammalian central neurons, Physiol Rev 88:1407, 2008.
Comments (0)