Potensial membran

BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang

Dalam kehidupan nyata, baik tubuh manusia maupun hewan dan tumbuhan terdiri dari banyak sel-sel. Hampir semua sel terdapat potensial listrik yang melintasi membran. Tanpa membran potensial kehidupan manusia tidak mungkin terjadi. Semua sel hidup mempertahankan beda  potensial di membran mereka.  Potensial membran ini disebabkan  perbedaan dalam konsentrasi dan permeabilitas ion pada saat melalui membran. Karena konsentrasi ion tidak seimbang pada saat melintasi membran, membran memiliki muatan listrik. Perubahan potensial membran menimbulkan potensial aksi dan memberikan sel kemampuan untuk mengirim pesan ke seluruh tubuh. Potensial aksi merupakan sinyal-sinyal listrik. Sinyal-sinyal ini membawa pesan efferent sistem saraf pusat untuk pengolahan dan pesan aferen dari otak untuk menimbulkan reaksi atau gerakan tertentu. Banyak kandungan aktif tertanam dalam dalam membran sel yang berkontribusi pada terbentuknya potensial membran. Secara kimia potensial membran melibatkan molaritas, konsentrasi, elektrokimia dan persamaan  Nernst. (Chemwiki, 2010) Pada laporan ini, dibahas mengenai potensial nernst.  nernst.  Potensial nernst adalah keadaan dimana adanya suatu perbedaan konsentrasi pada suatu membran. Perbedaan konsentrasi itupun tidak berarti berbahaya  bagi tubuh setiap makhluk hidup karena bisa saja perbedaan itu mempunyai peran penting dalam pengaturan pengaturan fungsi-fungsi sel.

Untuk

menghitung berapa besar potensial nernst   yang dihasilkan ion pada saat difusi membran maka sesuai dengan teori yang ada, seorang kimiawan dari

Jerman,

Walther

Hermann

Nernst,

menerapkan

asas-asas

termodinamika ke sel listrik. Dia menciptakan sebuah persamaan yang dikenal sebagai persamaan Nernst. persamaan  Nernst. Dengan  Dengan adanya persamaan nernst  kita   kita

1

 bisa mengetahui berapa gradien konsentrasi baik di dalam maupun di luar membran.

1.2 Tujuan

Tujuan dari makalah ini adalah: 1.2.1

Untuk mengetahui pengertian potensial membran dan  nernst  potential

1.2.2

Untuk mengetahui faktor penyebab nernst potential 

1.2.3

Untuk mengetahui fisiologi dari nernst potential 

1.3 Manfaat

Manfaat dari makalah ini diharapkan dapat memberikan pengetahuan  bagaimana mekanisme dan pengukuran dari potensial membran dan  Nernst Potential.

2

BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Potensial Membran

Potensial Membran mempunyai peran dalam studi Kimia, Fisiologi dan Biologi. Potensial membran dikenal pada abad 19 dan awal abad ke20. Pada awal abad ke-20, seorang pria bernama profesor Bernstein membuat hipotesis bahwa ada tiga faktor yang berkontribusi terhadap  potensial membran, permeabilitas membran dan fakta bahwa [K +] lebih tinggi dalam dan lebih rendah di luar sel. Walther H. Nernst, penemu  persamaan  Nernst   dan pemenang Hadiah Nobel 1920 di bidang kimia, merupakan penyumbang utama dalam pembelajaran potensial membran. Ia mengembangkan

persamaan  Nernst   untuk

memecahkan

potensial

kesetimbangan untuk ion tertentu. Goldman, Hodgkin dan Katz meneruskan studi potensial membran dengan mengembangkan persamaan Goldman-Hodgkin-Katz untuk memperhitungkan setiap ion yang mungkin menembus membran dan mempengaruhi potensinya. (Chemwiki, 2010) Hampir semua sel tubuh terdapat potensial listrik yang melintasi membran. Selain itu, pada beberapa sel misalnya sel saraf dan sel otot, mampu membangkitkan sendiri impuls elektrokimia yang cepat berubah  pada membrannya dan impuls ini digunakan untuk menghantarkan sinyal sebanyak membran saraf atau otot. Potensial membran adalah pemisahan muatan yang berlawanan di kedua sisi membran plasma. Istilah potensial membran merujuk kepada pemisahan muatan di kedua sisi membran atau  perbedaan dalam jumlah relatif kation dan anion di CIE dan CES. Muatan yang berlawanan cenderung saling tarik dan muatan yang sama cenderung saling

tolak.

Harus

dilakukan

kerja

(pengeluaran

energy)

untuk

memisahkan muatan yang berlawanan setelah keduanya menyatu.

3

Sebaliknya, ketika partikel-partikel yang muatannya berbeda telah dipisahkan maka gaya tarik listrik antara keduanya dapat dimanfaatkan untuk melakukan kerja jika muatan-muatan tersebut dibiarkan menyatu kembali. Ini adalah prinsip yang mendasari alat-alat listrik karena muatanmuatan yang terpisah memiliki “potensial” untuk melakukan kerja, maka  pemisahanmuatan di kedua sisi membran disebut potensial membran. Potensial membran diukur dalam satua volt (satuan yang sama yang digunakan untuk tegangan dalam alat listrik), tetapi karena potensial membran relatif rendah maka satuan yang digunakan adalah miliVolt (mV) (1 mV = 1/1000 volt) (Snell, 2007).

2.2 Pengertian Potensial Nernst 

Adanya perbedaan konsentrasi antara ion sepanjang membran yang  bersifat semipermeabel dibawah kondisi tertentu dapat menimbulkan suatu  potensial

membran. Perubahan potensial

membran terjadi

selama

 penghantaran impuls sepanjang saraf dan otot itu disebabkan oleh sifat cepatnya perubahan potensial membran akibat difusi (Guyton 1993, pp 131). Difusi sendiri adalah gerakan acak dari molekul ke molekul zat lain, baik melalui ruang antar molekul di membran atau melalui kombinasi dengan protein pembawa. Difusi membawa banyak zat-zat keluar dan masuk membran sel dengan konsentrasi yang tidak sama. Karena adanya  perbedaan konsentrasi ini maka dapat menyebabkan adanya potensial difusi (Guyton 2006, pp 48). Hubungan potensial difusi terhadap perbedaan konsentrasi disebut  potensial  Nernst.  Nilai potensial difusi yang melintasi suatu membran yang berbanding terbalik dengan difusi net suatu partikel ion melalui membran disebut potensial  Nernst   untuk ion tersebut (Guyton 2006, pp 58).

4

Gambar 1. Efek perbedaan konsentrasi (A), perbedaan muatan listrik (B), dan  perbedaan tekanan (C) yang menyebabkan difusi molekul dan ion melalui membran sel (Guyton 2006, pp 50).

Jika suatu potensial listrik mengalir melintasi membran, muatan listrik ion akan menyebabkan ion tersebut bergerak melalui membran meskipun tidak terdapat perbedaan konsentrasi untuk menimbulkan pergerakannya. Jika terdapat perbedaan muatan pada sisi dalam dan luar akan menciptakan suatu gradien listrik di kedua sisi membran. Muatan positif akan menarik ion negatif, sementara muatan negatif menolaknya. Oleh karena itu terjadi difusi netto dari luar ke dalam. Setelah beberapa waktu, sejumlah besar ion negatif telah berpindah ke dalam dan terbentuklah kondisi yang disebut  perbedaan konsentrasi ion terjadi dengan arah yang berlawanan dengan arah perbedaan potensial listrik. Pada saat tersebut potensial listrik cenderung menggerakkan ion ke luar, sedangkan perbedaan konsentrasi meningkat cukup tinggi, kedua efek tersebut akan saling mengimbangi (Guyton 2006, pp 50).

5

2.3 Mekanisme terjadinya potensial Nernst 

Secara umum, distribusi ion yang melewati membran sel dan sifat membran memberikan penjelasan mengenai potensial membran. Gradien konsentrasi untuk K + memfasilitasi pergerakannya keluar sel melalui kanal K +, tetapi gradien listriknya memiliki arah yang berlawanan (masuk). Akibatnya, keseimbangan akan tercapai di saat kecenderungan K +  yang keluar dari sel seimbang dengan kecenderungannya untuk masuk ke dalam sel, dan pada keseimbangan tersebut terdapat sedikit kelebihan kation di luar sel dan anion di dalam sel. Keadaan ini dipertahankan oleh Na +, K + ATPase, yang memompa K + kembali masuk ke dalam sel dan mempertahankan konsentrasi Na+ intrasel agar tetap rendah. Pompa Na + K+  juga bersifat elektrogenik, karena memompa 3 Na+  keluar dari sel untuk setiap 2 K + yang di pompa masuk (Ganong 2005, pp 9). Pompa ini juga memberi sedikit kontribusi dalam potensial membran itu sendiri. Harus ditekankan bahwa jumlah ion yang menentukan potensial membran sangatlah kecil dibandingkan dengan  jumlah total yang ada, dan konsentrasi total ion positif dan negatif di mana-mana sama kecuali sepanjang membran. Influx Na +  tidak mengompensasi efluks K +  karena kanal K +  membuat membran lebih  permeabel terhadap K + daripada Na+ (Ganong 2005, pp 9).

G Gambar 2. Potensial difusi (Guyton 2006, pp 58).

6

Dalam gambar 2A konsentrasi ion kalium di bagian dalam membran sangat tinggi sedangkan konsentrasi di bagian luarnya sangat rendah. Membran itu sangat permeabel terhadap ion kalium namun tidak terhadap ion lainnya. Oleh karena perbedaan konsentrasi ion kalium di dalam sel dan di luar sel itu besar, maka ion kalium mempunyai kecenderungan yang kuat untuk berdifusi ke luar sel. Bila hal ini terjadi maka ion kalium ini akan membawa muatan positif ke luar sel, sehingga membentuk suatu keadaan elektropositif di luar membran, dan keadaan elektronegatif di sisi dalam membran sebab anion-anion ini tidak berdifusi ke luar menyertai kalium tadi. Perbedaan potensial sepanjang membran ini akan menimbulkan suatu kecenderungan untuk menolak ion kalium dengan arah yang sebaliknya yakni dari luar menuju ke dalam sel. Sehingga dalam waktu satu milisekon atau lebih potensial ini akan cukup  besar untuk menghentikan proses difusi yang lebih lanjut dari ion kalium menuju ke luar sel. Potensial pada saat ini disebut sebagai potensial Nernst untuk ion kalium (Guyton 1993, pp 130). Gambar 2B menjelaskan adanya konsentrasi ion natrium yang tinggi di luar membran, sedangkan konsentrasi di dalam membran itu kecil. Ion ini bermuatan positif. Membran tersebut sangat permeabel terhadap ion natrium dan tidak permeabel terhadap ion lainnya. Difusi ion natrium kedalam akan membentuk potensial membran dengan muatan kutub yang berlawanan, yakni dengan adanya muatan negatif di luar membran dan muatan positif di dalam membran. Potensial membran itu akan

meningkat

cukup

tinggi

dalam

beberapa

milisekon

untuk

menghentikan proses difusi yang lebih lanjut dari ion natrium menuju ke dalam sel. Keadaan potensial seperti ini disebut potensial Nernst untuk ion natrium (Guyton 1993, pp 131).

2.4 Pengukuran potensial Nernst 

Besarnya potensial  Nernst   ini ditentukan oleh perbandingan konsentrasi ion spesifik tersebut pada kedua sisi membran. Semakin besar

7

 perbandingan ini, semakin besar kecenderungan ion tersebut berdifusi ke satu arah, dan oleh karena itu semakin besar pula potensial  Nernst   yang dibutuhkan untuk mencegah difusi netto tambahan. Pada akhir 1800an, Whalter Nernst secara matematis menjelaskan hubungan antara keseimbangan potensial dan konsentrasi gradien dari ion membran sel. Persamaan yang digunakan, oleh para ilmuwan serikat disebut persamaan Nernst (Seidel 2002, pp 15). Persamaan  Nernst   dapat dipakai untuk menghitung potensial  Nernst   untuk ion setiap ion univalen pada suhu tubuh normal 98,6 oF (37oC): (Guyton 2006, pp 58)

EMF merupakan electromotive force (voltase) antara sisi 1 dan sisi 2 dari membran, sedangkan C 1  merupakan konsentrasi pada sisi 1, C 2 merupakan konsentrasi pada sisi 2. Persamaan ini sangat penting, artinya dalam memahami transmisi impuls saraf (Guyton 2006, pp 53). Bila menggunakan rumus ini, biasanya telah diasumsikan bahwa  potensial pada cairan ekstrasel di luar membran tetap pada potensial nol, dan potensial  Nernst   adalah potensial didalam membran. Selain itu tanda  potensial adalah positif (+) jika ion yang berdifusi dari dalam ke luar merupakan ion negatif, dan negatif (-) jika ion ini merupakan ion positif. Jadi bila konsentrasi ion kalium positif di sisi dalam besarnya 10 kali konsentrasi ion kalium di sisi luar, maka log 10 adalah 1. Jadi potensial  Nernst   yang dihitung menjadi -61 milivolt di dalam membran (Guyton 2006, pp 60). Dengan menggunakan persamaan nernst   ini, kita bisa menghitung  besarnya potensial  Nernst   yang melewati suatu membran saraf. Pertama  bila membran tersebut hanya permeabel terhadap ion natrium dan hanya  permeabel terhadap ion kalium. Sebagai contoh berikut:

8

Konsentrasi normal dari ion natrium di sisi dalam membran saraf sekitar 14 mEk dan konsentrasi di luar 142 mEk. Jadi, perbandingan dari kedua konsentrasi ini adalah 0,10 dan logaritma 0,10 adalah -1,00. Bila 1,00 dikalikan dengan -61 milivolt akan didapatkan besarnya potensial  Nernst untuk ion natrium di sisi dalam membran serabut saraf sebesar -61 milivolt (Guyton 1993, pp 131). Konsentrasi normal ion kalium di sisi dalam serabut saraf sekitar 140 mEk per liter dan 4 mEk per liter di sisi luar. Perbandingan kedua konsentrasi ini adalah 35. Logaritma 35 adalah 1,54, maka kali ini -61 milivolt sesuai dengan besarnya potensial Nernst   untuk ion kalium di sisi dalam membran yakni sebesar -94 milivolt (Guyton 1993, pp 131). Tabel 1. potensial membran dengan ion yang berbeda

ION

INTRASELULER

EKSTRASELULER

GRADIEN

 Na+ K+

12mM 155mM

145mM 4 mM

Ca2+

0.001 mM

1,5 mM

Cl-

4 mM

123 mM

12 lipat 0,0026 lipat 15.000 lipat 29 lipat

POTENSIAL  NERNST +67mV -98 mV +129mV -90 mV

2.5 Keadaan penyebab potensial Nernst

Ada dua keadaan untuk terbentuknya potensial  Nernst,  sebagai akibat dari proses difusi, yakni: (Guyton 1993, pp 131) 1. Membran

harus

bersifat

semi

permeabel,

sehingga

memudahkan ion-ion dari salah satu muatan berdifusi melalui pori-pori sementara ion lain tidak berdifusi 2. Konsentrasi ion-ion yang dapat berdifusi harus lebih besar  pada salah satu sisi membran daripada sisi lainnya.

Menurut beberapa laboratory geofisika dari Universitas Diponegoro  bahwa potensial nernst ( shale) itu terjadi ketika muncul perbedaan

9

 potensial antara 2 logam identik yang dicelupkan dalam larutan yang homogen dan konsentrasi larutan masing-masing elektroda berbeda. Besarnya potensial ini diberikan oleh persamaan potensial difusi dengan syarat bahwa Kombinasi antara potensial difusi dan potensial nernst disebut potensial elektrokimia atau diri atau potensial statik (Indriana 2007, pp 155).

2.6 Hubungan potensial Nernst dengan potensial aksi

Pada dasarnya membran sel mempunyai 2 kondisi, yaitu aktif dan istirahat. Dalam keadaan istirahat, antara sisi dalam dan luar   membran sel terdapat suatu beda potensial yang disebut dengan  potensial istirahat sel (cell resting potential ). Potensial ini berpolaritas negatif sebesar 90 milivolt di sisi dalam dan positif di sisi luar membran sel (Guyton 2006,  pp 61) Pembentukan potensial istirahat di serabut saraf dalam tiga kondisi yaitu: (Guyton 2006, pp 63) 1. Apabila potensial membran seluruhnya disebabkan oleh difusi kalium saja, karena jika ion kalium adalah satu-satunya yang menyebabkan potensial istirahat maka keadaan di dalam membran sebesar -94 milivolt. 2. Apabila potensial membran disebabkan oleh difusi natrium. Perbandingan ion natrium dari dalam ke luar membran akan menghasilkan perhitungan potensial nernst untuk sisi dalam adalah sebesar +61 milivolt. 3. Apabila potensial membran disebabkan oleh difusi ion natrium dan kalium ditambah pemompaan kedua ion ini oleh pompa  Na+ dan K +. Kesimpulannya potensial difusi yang disebabkan oleh difusi kalium dan natrium akan member potensial membran sekitar -86 milivolt, dan hampir semua hal ini ditentukan oleh difusi kalium. selanjutnya 10

 penambahan potensial membran sebesar -4 milivolt oleh pompa Na+ K + elektogenik, mengahasilkan potensial membran istirahat netto sebesar –  90 milivolt (Guyton 2006, pp 63).  Nilai perbedaan potensial yang menunjukkan -91 milivolt dan +61 milivolt disebut dengan potensial nernst . Ketika suatu membran diberikan suatu stimulus akan menyebabkan channel-channel terbuka sehingga ion  Na akan masuk kedalam dan membuat keadaan di dalam menjadi positif. Ketika perbedaan potensial itu mencapai ambang batas maka nilainya disebut dengan potensial aksi (Tasaki, 2004) .

11

BAB 3 KESIMPULAN

 Potensial nernst   merupakan suatu nilai yang menunjukkan adanya  pengaruh potensial listrik membran terhadap difusi ion.

 Potensial nernst bisa dihitung dengan menggunakan persamaan Nernst.  Potensial nernst   bisa terjadi apabila suatu membran bersifat semi  permeabel, sehingga memudahkan ion-ion dari salah satu muatan berdifusi melalui pori-pori sementara ion lain tidak berdifusi, dan juga apabila konsentrasi ion-ion yang dapat berdifusi lebih besar pada salah satu sisi membran daripada sisi lainnya.

  Nilai nernst potential   dari ion natrium normal di sisi dalam membran serabut saraf sebesar -61 milivolt, sedangkan nilai nernst potential   kalium normal di sisi dalam membran yakni sebesar -94 milivolt.

12

DAFTAR PUSTAKA 

Ganong, WF. Buku Ajar Fisiologi Kedokteran. 22 th. Buku Kedokteran EGC. 2005. pp. 9.



Guyton AC and Hall JE. Textbook of Medical Phisyology. 11 th  ed. Philadelphia. Elsevier Saunders. 2006



Guyton AC. Buku Ajar Fisiologi Kedokteran. 7 th  ed. Jakarta. Buku Kedokteran EGC. 1993. pp. 130, 131.



Indriana RD, Nurwidyanto MI, Haryono KW. 2007. Intrepetasi Bawah Permukaan dengan Metode Self Potential Daerah Bledug Kuwu Kradenan Grobogan. Vol 10 (3). Pp 162.



Seidel, Charles. Basic Concept in Physiology A Student’s Survival Guide. USA. The McGraw-Hill Companies. 2002. pp 15.



Snell RS. Neuroanatomi Klinik untuk Mahasiswa Kedokteran . In: Dimanti A, Editors.  Pendahuluan dan Organisasi Susunan Saraf , 5th  ed. Jakarta: EGC. 2007. pp 4-31



Tasaki, Ichiji. 2004. Nernst Potential and Nerve Conduction Speed . Vol. 3 (2).pp 115-124



Chemwiki, Davis. Membrane Pontentials. California University. 2010. From http://chemwiki.ucdavis.edu/Analytical_Chemistry/Electrochemistry/Case  _Studies/Membrane_Potentials

13