Pergerakan Partikel Pada Dinding Sel Dan Potensial Membran

Membran sel atau membran plasma berfungsi sebagai penghalang dan pembatas yang mengontrol zat yang masuk dan keluar dari sel. Fungsi penghalang ini memungkinkan hanya bahan yang penting untuk fungsi seluler masuk ke dalam sel, dan menghalangi bahan yang berbahaya. Membran sel juga bertanggung jawab terhadap perbedaan komposisi cairan intraseluler dan ekstraseluler.

Pergerakan Zat Melewati Membran sel

Pergerakan melalui membran sel pada dasarnya terjadi melalui dua cara, yaitu secara pasif tanpa membutuhkan energi, dan secara aktif menggunakan proses yang menghabiskan energi. 

Membran sel juga dapat menelan partikel dan membentuk vesikel berlapis membran. Vesikel berlapis membran ini dipindahkan ke dalam sel melalui endositosis atau keluar dari sel melalui eksositosis.

Gerakan Pasif

Pergerakan pasif partikel atau ion melintasi membran sel secara langsung dipengaruhi oleh gradien kimia atau listrik dan tidak memerlukan pengeluaran energi. Perbedaan jumlah partikel di kedua sisi membran menciptakan gradien kimia dan perbedaan partikel bermuatan atau ion menciptakan gradien listrik. Gradien kimia dan listrik sering dihubungkan dan disebut gradien elektrokimia.

Difusi

Difusi mengacu pada proses dimana molekul dan partikel lain dalam larutan menjadi tersebar luas dan mencapai konsentrasi yang seragam karena energi yang diciptakan oleh gerakan kinetik spontan mereka. 

Elektrolit dan zat lain bergerak dari area yang memiliki konsentrasi lebih tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah. Pada ion, difusi dipengaruhi oleh energi yang disuplai oleh muatan listriknya. 

Molekul larut lipid seperti oksigen, karbon dioksida, alkohol, dan asam lemak menjadi larut dalam matriks lipid membran sel dan berdifusi melalui membran dengan cara yang sama seperti difusi yang terjadi dalam air. 

Zat lain berdifusi melalui pori-pori kecil membran sel. Tingkat gerakan tergantung pada berapa banyak partikel yang tersedia untuk difusi dan kecepatan gerakan kinetik partikel. Jumlah bukaan di membran sel tempat partikel dapat bergerak juga menentukan kecepatan transfer. 

Suhu mengubah gerakan partikel, dimana semakin tinggi suhu maka semakin besar gerak termal molekul. Dengan demikian, difusi meningkat sebanding dengan peningkatan suhu.

Osmosis

Sebagian besar membran sel bersifat semipermeabel karena dapat ditembus air tetapi tidak untuk semua partikel zat terlarut. Air bergerak melalui aquaporin dalam membran semipermeabel sepanjang gradien konsentrasi. Tekanan yang dihasilkan air saat bergerak melalui membran disebut tekanan osmotik.

Osmosis diatur oleh konsentrasi partikel tak berdifusi di kedua sisi membran semipermeabel. Ketika ada perbedaan konsentrasi partikel, air bergerak dari sisi dengan konsentrasi partikel lebih rendah dan konsentrasi air lebih tinggi ke sisi dengan konsentrasi partikel lebih tinggi dan konsentrasi air lebih rendah. 

Pergerakan air berlanjut sampai konsentrasi partikel di kedua sisi membran sama-sama encer atau sampai tekanan hidrostatik (osmotik) yang diciptakan oleh pergerakan air melawan alirannya.

Difusi Terfasilitasi

Difusi terfasilitasi terjadi melalui protein transpor yang tidak terkait dengan energi metabolik. Beberapa zat, seperti glukosa tidak dapat melewati membran sel tanpa bantuan karena tidak larut dalam lemak atau terlalu besar untuk melewati pori-pori membran.

Zat-zat ini bergabung dengan protein transpor khusus di permukaan luar membran, dibawa melintasi membran yang menempel pada transporter, dan kemudian dilepaskan di bagian dalam membran.

Dalam difusi terfasilitasi, suatu zat hanya dapat berpindah dari area dengan konsentrasi lebih tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah. Tingkat dimana suatu zat bergerak melintasi membran karena difusi yang difasilitasi tergantung pada perbedaan konsentrasi antara kedua sisi membran. 

Yang juga penting adalah ketersediaan protein transpor dan kecepatan mereka mengikat dan melepaskan zat yang diangkut. Contohnya seperti insulin, yang memfasilitasi pergerakan glukosa ke dalam sel, bekerja dengan meningkatkan ketersediaan transporter glukosa di dalam membran sel.

Transport Aktif dan Cotransport

Mekanisme transpor aktif melibatkan pengeluaran energi. Proses difusi menggambarkan pergerakan partikel dari area dengan konsentrasi lebih tinggi ke area dengan konsentrasi lebih rendah menghasilkan distribusi yang sama melintasi membran sel. 

Namun pada jenis zat tertentu, kadang-kadang dibutuhkan konsentrasi zat yang berbeda dalam cairan intraseluler dan ekstraseluler. Sebagai contoh, agar dapat berfungsi, sebuah sel membutuhkan konsentrasi ion kalium intraseluler yang jauh lebih tinggi daripada yang terdapat dalam cairan ekstraseluler, sambil mempertahankan konsentrasi ion natrium intraseluler yang jauh lebih rendah daripada cairan ekstraseluler. 

Dalam situasi ini, energi diperlukan untuk memompa ion melawan gradien konsentrasinya. Ketika sel menggunakan energi untuk memindahkan ion melawan gradien listrik atau kimia, prosesnya disebut transpor aktif.

Sistem transpor aktif yang dipelajari dengan detail terbesar adalah pompa natrium-kalium (Na+/K+)-ATPase. Pompa ini memindahkan natrium dari dalam sel ke daerah ekstraseluler, di mana konsentrasinya kira-kira 14 kali lebih besar daripada di dalam. Pompa juga mengembalikan potasium ke dalam dimana konsentrasinya kira-kira 35 kali lebih besar daripada di luar sel. 

Energi yang digunakan untuk memompa natrium keluar dari sel dan kalium masuk ke dalam sel diperoleh dengan membelah dan melepaskan energi dari ikatan fosfat berenergi tinggi di ATP oleh enzim ATPase. 

Jika bukan karena aktivitas pompa Na+/K+-ATPase, partikel natrium yang aktif secara osmotik akan menumpuk di dalam sel, menyebabkan pembengkakan sel karena masuknya air.

Terdapat dua jenis sistem transpor aktif, yaitu transpor aktif primer dan transpor aktif sekunder. Pada transpor aktif primer, sumber energi digunakan secara langsung dalam transpor suatu zat. Sedangkan mekanisme transpor aktif sekunder memanfaatkan energi yang berasal dari transpor aktif primer suatu zat untuk kotranspor zat kedua. 

Misalnya, ketika ion natrium secara aktif diangkut keluar sel melalui transpor aktif primer, gradien konsentrasi yang besar berkembang, yaitu konsentrasi tinggi di luar dan rendah di dalam. Gradien konsentrasi ini mewakili gudang energi yang besar karena ion natrium selalu berusaha berdifusi ke dalam sel. 

Mirip dengan difusi yang difasilitasi, mekanisme transpor sekunder menggunakan protein transpor membran. Protein ini memiliki dua tempat pengikatan, satu untuk natrium dan yang lainnya untuk zat yang mengalami transpor sekunder. 

Sistem transpor sekunder diklasifikasikan menjadi dua kelompok: sistem cotransport atau simport , di mana ion natrium dan zat terlarut diangkut dalam arah yang sama, dan sistem countertransport atau antiport di mana ion natrium dan zat terlarut diangkut dalam arah yang berlawanan. 

Contoh kotransportasi terjadi di usus, dimana penyerapan glukosa dan asam amino digabungkan dengan transportasi natrium.

Endositosis dan Eksositosis

Endositosis adalah proses di mana sel menelan bahan dari lingkungannya, proses ini mencakup pinositosis dan fagositosis. 

Pinositosis merupakan proses dimana sel menelan partikel padat atau cair yang kecil. Partikel-partikel ditelan menjadi vesikel kecil yang dikelilingi membran untuk bergerak ke dalam sitoplasma. Proses pinositosis penting dalam pengangkutan protein dan larutan elektrolit.

Sedangkan fagositosis penelanan dan degradasi mikro organisme atau partikel lainnya dengan ukuran yang lebih besar. Pada fagositosis, sel membentuk vesikel fagosit atau fagosome. Setelah terbentuk, fagosom melepaskan diri dari membran sel dan bergerak ke dalam sitoplasma, dimana akhirnya menyatu dengan lisosom dan memungkinkan bahan tertelan terdegradasi oleh enzim lisosom. 

Sel-sel tertentu, seperti makrofag dan leukosit polimorfonuklear (neutrofil), melakukan fagositosis dengan menelan dan membuang organisme penyerang, sel mati, dan konstituen ekstraseluler yang tidak dibutuhkan.

Endositosis yang dimediasi reseptor melibatkan pengikatan zat seperti lipoprotein densitas rendah ke reseptor pada permukaan sel. Agregasi protein khusus pada sisi sitoplasma membentuk vesikel berlapis clathrin yang membawa ligan dan reseptornya ke dalam sel.

Eksositosis adalah mekanisme sekresi zat intra seluler ke luar sel. Proses ini adalah kebalikan dari endositosis dimana butiran sekretori menyatu ke sisi dalam membran sel dan membuat lubang di membran sel. Pembukaan lubang ini memungkinkan isi granul dilepaskan ke keluar sel. Eksositosis penting dalam menghilangkan sisa-sisa zat seluler dan melepaskan zat seperti hormon yang disintesis di dalam sel.

Saluran Ion

Muatan listrik pada ion-ion kecil seperti natrium dan kalium mempersulit ion-ion ini untuk bergerak melintasi lapisan lipid membran sel. Namun, pergerakan cepat dari ion-ion ini diperlukan untuk banyak jenis fungsi sel, seperti aktivitas saraf. Hal ini bisa dicapai dengan difusi terfasilitasi melalui saluran ion selektif. 

Saluran ion adalah protein integral yang biasanya terdiri dari beberapa polipeptida atau subunit protein yang membentuk sistem gating. Stimulus spesifik menyebabkan subunit protein mengalami perubahan konformasi untuk membentuk saluran atau gerbang terbuka tempat ion dapat bergerak. 

Dengan cara ini, ion tidak perlu melintasi bagian membran yang larut dalam lemak tetapi dapat tetap berada dalam larutan berair yang mengisi saluran ion. Saluran ion sangat selektif; beberapa saluran hanya memungkinkan untuk lewatnya ion natrium, dan saluran lainnya selektif untuk ion kalium, kalsium, atau klorida. 

Interaksi spesifik antara ion dan sisi saluran dapat menghasilkan laju pergerakan ion yang sangat cepat. Misalnya, saluran ion dapat menjadi bermuatan negatif, mendorong pergerakan cepat ion bermuatan positif.

Potensial Membran

Sebagian besar sel dalam tubuh memiliki potensi listrik pada membran selnya. Karena potensi ini terjadi pada tingkat membran sel, maka kondisi ini disebut potensial membran. 

Pada jaringan yang dapat dieksitasi seperti sel saraf atau otot, perubahan potensial membran diperlukan untuk menghasilkan dan menghantarkan impuls saraf dan kontraksi otot. Sedangkan pada jenis sel lain seperti sel kelenjar, perubahan potensial membran berkontribusi pada sekresi hormon dan fungsi lainnya.

Potensial listrik diukur dalam volt (V), menggambarkan kemampuan muatan listrik terpisah dengan polaritas berlawanan (+ dan -) untuk melakukan usaha. Perbedaan potensial adalah perbedaan antara muatan yang dipisahkan. 

Istilah perbedaan potensial dan tegangan adalah sinonim. Tegangan selalu diukur sehubungan dengan dua titik dalam suatu sistem. Misalnya, tegangan pada aki mobil (6- atau 12-V) adalah beda potensial antara dua terminal aki. 

Karena jumlah total muatan yang dapat dipisahkan oleh membran biologis kecil, beda potensialnya kecil dan diukur dalam milivolt (mV), atau 1/1000 volt. 

Perbedaan potensial melintasi membran sel dapat diukur dengan memasukkan elektroda yang sangat halus ke dalam sel dan satu lagi ke dalam cairan ekstraseluler yang mengelilingi sel dan menghubungkan kedua elektroda ke voltmeter. 

Pergerakan muatan antara dua titik disebut arus. Itu terjadi ketika perbedaan potensial telah ditetapkan dan hubungan dibuat sedemikian rupa sehingga partikel bermuatan dapat bergerak di antara dua titik.

Cairan ekstraseluler dan intraseluler adalah larutan elektrolit yang mengandung sekitar 150 hingga 160 mmol/L ion bermuatan positif dan konsentrasi ion bermuatan negatif yang sama. Ion pembawa arus ini bertanggung jawab untuk menghasilkan dan melakukan potensial membran. 

Biasanya kelebihan kecil ion bermuatan ada di permukaan luar membran sel. Ini direpresentasikan sebagai muatan positif di bagian luar membran dan diimbangi dengan jumlah muatan negatif yang sama di bagian dalam membran. 

Karena membran sel sangat tipis, akumulasi ion-ion ini pada permukaan membran berkontribusi pada pembentukan potensial membran istirahat.

Potensi difusi menggambarkan tegangan yang dihasilkan oleh ion yang berdifusi melintasi membran sel. Dua kondisi yang diperlukan agar potensial membran terjadi melalui difusi yaitu membran harus permeabel selektif, memungkinkan satu jenis ion berdifusi melalui pori-pori membran, dan konsentrasi ion yang dapat berdifusi harus lebih besar pada satu sisi membran daripada di sisi yang lain. 

Potensi kesetimbangan adalah potensi di mana tidak ada gerakan bersih ion yang terjadi karena difusi dan gaya listrik seimbang dengan tepat.

Bila menggunakan rumus ini, umumnya diasumsikan bahwa potensial dalam cairan ekstraseluler berada di luar membran tetap pada potensial nol. Tanda potensial negatif (-) jika ion positif berdifusi dari dalam membran ke luar dan positif (+) jika ion bermuatan positif berdifusi dari luar ke dalam membran sel.

Dalam keadaan istirahat atau tidak tereksitasi, ketika membran sangat permeabel terhadap kalium, konsentrasi ion kalium di dalam sel kira-kira 35 kali lebih besar daripada di luar. Karena gradien konsentrasi besar yang ada melintasi membran sel, ion kalium cenderung berdifusi keluar. 

Ketika hal ini terjadi, mereka membawa muatan positif mereka menyebabkan bagian dalam menjadi negatif dalam hubungannya dengan bagian luar. Perbedaan potensial baru ini menolak gerakan ion kalium yang bermuatan positif lebih jauh ke luar.

Membran dikatakan terpolarisasi selama tahap ini karena adanya potensial membran negatif. Fenomena yang sama terjadi selama potensial aksi, ketika membran menjadi sangat permeabel terhadap natrium, memungkinkan ion bermuatan positif berdifusi ke bagian dalam sel. 

Ion natrium yang masuk menghasilkan pembalikan potensial membran istirahat normal ke salah satu polaritas yang berlawanan (positif di dalam dan negatif di luar). Kondisi ini disebut depolarisasi

Kesimpulan

Pergerakan partikel dan material melintasi membran sangat penting untuk kelangsungan hidup sel. Difusi adalah proses dimana zat seperti ion bergerak dari daerah konsentrasi yang lebih tinggi area dengan konsentrasi yang lebih rendah. 

Osmosis mengacu pada difusi molekul air melalui membran semipermeabel sepanjang gradien konsentrasi. Difusi terfasilitasi adalah proses pasif, di mana molekul yang biasanya tidak dapat melewati membran sel melakukannya dengan bantuan molekul pembawa. 

Jenis transpor lain, yang disebut transpor aktif, mengharuskan sel mengeluarkan energi dalam ion bergerak melawan gradien konsentrasi. Terdapat dua jenis transpor aktif yaitu primer dan sekunder, keduanya membutuhkan protein pembawa. Pompa Na+/K+-ATPase adalah mekanisme transpor aktif yang paling dikenal. 

Endositosis adalah proses di mana sel menelan bahan dari media sekitarnya. Partikel kecil dicerna oleh proses yang disebut pinositosis dan partikel yang lebih besar oleh fagositosis. Beberapa partikel memerlukan ikatan dengan ligan, dan prosesnya disebut endositosis yang dimediasi reseptor

Eksositosis merupakan proses penghilangan partikel besar dari sel dan pada dasarnya kebalikan dari endositosis.

Saluran ion adalah protein transmembran integral yang menjangkau lebar membran sel dan biasanya terdiri dari subunit polipeptida atau protein yang membentuk sistem gating. Banyak ion dapat berdifusi melalui membran sel hanya jika perubahan konformasi terjadi pada protein membran yang terdiri dari saluran ion. 

Potensi elektrokimia ada di seluruh membran pada sebagian besar sel dalam tubuh. Potensi membran istirahat dihasilkan dari permeabilitas selektif membran sel terhadap kalium, adanya anion yang tidak dapat menyebar di dalam membran sel, dan aktivitas pompa membran Na+/K+-ATPase, yang mengeluarkan ion natrium dari dalam membran dan mengembalikan ion kalium ke dalam.

Terdapat dua faktor utama yang berkontribusi pada pembentukan potensial membran, yaitu perbedaan konsentrasi ion didalam dan diluar membran, dan permeabilitas membran. 

Potensial kesetimbangan atau difusi adalah potensi di mana tidak ada gerakan bersih ion yang terjadi karena difusi dan gaya listrik persis seimbang. Potensial membran istirahat (negatif di dalam dan positif di luar) pada dasarnya adalah potensial kesetimbangan kalium yang dihasilkan dari permeabilitas selektif membran terhadap kalium dan perbedaan besar dalam konsentrasi ion kalium yang ada antara intraseluler dan ekstraseluler. 

Selama potensial aksi, membran sel menjadi sangat permeabel terhadap natrium, menyebabkannya mendepolarisasi dan membalikkan polaritasnya, menjadi positif di dalam dan negatif di luar. 

Sumber:  Port C. M & Matfin G. 2009. Pathophysiology: Concepts of Altered Health States. Lippincott Williams & Wilkins.