Potensial Istirahat Sel

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 di sisi dalam dan positif di sisi luar membran sel. Berikut ini akan diuraikan bagaimana terjadinya potensial istirahat sel tersebut.

Dalam keadaan istirahat, di sisi dalam dan luar membran sel sama-sama terdapat ion-ion potasium dan sodium, tetapi dengan konsentrasi yang berbeda. Gambar 2 mengilustrasikan komposisi ion di kedua sisi membran sel. Konsentrasi ion potasium (K+) di sisi dalam membran sekitar 35 kali lebih tinggi  dibandingkan konsentrasi di sisi luar. Sebaliknya, konsentrasi ion sodium (Na+)di sisi luar membran sel sekitar 10 kali lebih tinggi dibandingkan konsentrasi di sisi dalam. Adanya perbedaan konsentrasi ion di sisi dalam dan luar membran ini mendorong terjadinya difusi ion-ion tersebut menembus membran sel.

Gambar-2.-Ion-potasium-berdifusi-ke-luar-membran-sel

Gambar 2. Ion potasium berdifusi ke luar membran sel

Difusi ion-ion potasium dan sodium menembus membran sel akan mempengaruhi potensial di sisi dalam dan luar membran sel. Untuk melihat pengaruh kedua jenis ion tersebut pada potensial membran sel, akan dilihat pengaruh masing-masing jenis ion tersebut secara sendiri-sendiri terlebih dahulu, setelah itu baru diperhitungkan interaksi keduanya secara bersamaan.  Untuk itu akan dilihat terlebih dahulu pengaruh difusi ion potasium.

Misalkan membran sel hanya permeabel terhadap ion potasium. Karena konsentrasi ion potasium lebih tinggi di sisi dalam sel maka menurut Hukum Fick untuk difusi, ion potasium akan bergerak menembus keluar membran sel. Gerakan ion potasium keluar membran sel ini menimbulkan arus listrik, yang karena terjadinya melalui peristiwa difusi, maka disebut arus difusi. Densitas (density) arus difusi bergantung pada gradien konsentrasi, yang secara matematis dinyatakan oleh Persamaan 1.

Persamaan-1 (1)

dengan :   J = kerapatan arus (A/m2)
D = konstanta difusi [(l.A/(mol.m)]
[C] = konsentrasi ion (mol/l)
X = posisi (m)

Tanda + dalam Persamaan 1 berlaku untuk ion negatif, dan tanda – berlaku untuk ion positif.

Keluarnya ion positif potasium dari dalam sel akan meninggalkan muatan negatif (anion) yang sama besar di dalam sel. Hal ini mengakibatkan terjadinya beda potensial antara sisi dalam dan sisi luar sel, dengan sisi dalam lebih negatif dibanding sisi luar. Adanya beda potensial ini akan menimbulkan medan listrik dengan arah dari luar ke dalam sel. Medan listrik yang mengarah dari luar ke dalam sel menimbulkan gaya elektrostatik yang mempengaruhi ion-ion yang ada di sekitar membran sel. Ion potasium, karena bermuatan positif, didorong oleh gaya elektrostatik ke arah dalam membran sel. Aliran ion potasium dari sisi luar ke sisi dalam membran sel menimbulkan arus listrik yang disebut arus drift (drift current). Densitas arus drift bergantung pada besarnya gradien potensial (medan listrik) di antara kedua sisi membran dan konsentrasi ion, yang berdasarkan hukum particle drift, dapat dinyatakan secara matematis sebagai berikut:

Persamaan-2 (2)

dengan :  µ= mobilitas [(l.A)/(V.m.mol)]
Z = valensi ion
E = dV/dx = intensitas medan listrik (V/m)
[C] = konsentrasi ion (mol/l)

Gaya elektrostatik ini akan melawan gaya difusi pada ion potasium. Interaksi kedua gaya ini suatu saat akan mencapai kesetimbangan, yaitu besarnya gaya elektrostatik yang ditimbulkan oleh adanya beda potensial antara kedua sisi membran sama dengan besarnya gaya difusi (atau dengan kata lain besarnya arus drift sama dengan besarnya arus difusi). Keadaan setimbang ini akan menghasilkan beda potensial antara kedua sisi membran bernilai konstan. Besarnya beda potensial membran pada saat dicapai kesetimbangan dapat diperoleh dengan menyamakan Persamaan 1 dengan Persamaan 2 dan dengan mengingat Hubungan Einstein (Einstein Relationship):

Persamaan-3 (3)

dengan : k = konstansta Boltzmann = 1,38 x 10-23 J/K
T = suhu absolut (K)
q = muatan elementer = 1,602 x 10-19 C

Dari ketiga persamaan di atas, kalau diselesaikan untuk mendapatkan beda potensial membran maka akan diperoleh suatu pernyataan matematis yang diberikan dalam Persamaan 4, dan dikenal dengan Persamaan Nernst. Dari persamaan tersebut terlihat bahwa besarnya beda potensial bergantung pada besarnya perbandingan konsentrasi ion potasium antara sisi dalam dan sisi luar membran sel.

Persamaan-4

(4)

Untuk komposisi ion potasium seperti dalam Tabel 1 dan suhu tubuh 310 K (37oC), maka diperoleh potensial membran sekitar -94 mV (sisi dalam lebih negatif dibanding sisi luar membran).

Dalam kenyataannya, yang mempengaruhi nilai potensial membran tidak hanya ion potasium saja, tetapi juga ion sodium. Pengaruh ion sodium pada potensial membran dapat diperoleh dengan menggunakan persamaan Nernst. Jika dimisalkan hanya terdapat ion sodium saja, maka akan diperoleh potensial membran sebesar +61 mV.

Ion potasium dan ion sodium secara serentak mempengaruhi besarnya potensial membran sel. Meskipun demikian, pengaruh keduanya bukan merupakan penjumlahan secara langsung kedua potensial membran yang diperoleh secara sendiri-sendiri tersebut. Untuk jenis ion lebih dari satu, ada parameter lain yang juga berpengaruh pada besarnya potensial membran sel, yaitu perbedaan permeabilitas membran terhadap masing-masing ion.

Permeabilitas membran sel terhadap ion potasium jauh lebih besar (sekitar 100 kali) dibandingkan permeabilitas terhadap ion sodium. Hal ini mengakibatkan pengaruh ion potasium lebih dominan dibandingkan ion sodium. Interaksi kedua jenis ion ini dalam menghasilkan potensial membran dinyatakan dalam persamaan Goldman sebagai berikut:

Persamaan-5

(5)

dengan subscript i menyatakan sisi dalam membran, o menyatakan sisi luar membran,

dan :  PK = permeabilitas membran terhadap ion potasium

PNa = permeabilitas membran terhadap ion sodium

[K+] = konsentrasi ion potassium
[Na+] = konsentrasi ion sodium

Penerapan Persamaan 5 akan menghasilkan beda potensial membran sel sekitar -86 mV.

Disamping transportasi ion secara difusi, terdapat juga transportasi ion secara aktif yang juga mempengaruhi besarnya membran potensial sel. Transportasi ion tersebut adalah Pompa Na+-K+ ( Na+-K+ Pump), seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 3.  Transport ini secara kontinyu memompa 3Na+ keluar sel dan 2K+ ke dalam sel. Karena lebih banyak ion positif yang dipompa ke luar sel, maka hal ini akan mengakibatkan tambahan potensial sekitar -4 mV, sehingga potensial akhir membran sel menjadi -90 mV. Potensial membran sel tersebut terdapat pada sel yang sedang istirahat, karena itu disebut sebagai potensial istirahat sel.

Gambar3. Pompa-Na-K-

Gambar 3. Pompa Na+-K+

Video Animasi: Terjadinya Potensial Membran

YouTube Preview Image

 

Buku Referensi:

Lecture Notes: Biomedical Science Biomedical Sensors and Instruments, Second Edition Biomedical Optics: Principles and Imaging
Lecture Notes: Biomedical Science
by Ian Lyons
Biomedical Sensors and Instruments, Second …
by Tatsuo Tagawa
Biomedical Optics: Principles and Imaging
by Lihong V. Wang
Introduction to Biomedical Engineering, Second Edition Basic Transport Phenomena in Biomedical Engineering,Third Edition Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology (Cambridge Texts in Biomedical Engineering)
Introduction to Biomedical Engineering, Sec…
by John Enderle
Basic Transport Phenomena in Biomedical Eng…
by Ronald L. Fournier
Biomedical Engineering: Bridging Medicine and Technology
by W. Mark Saltzman

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*


*

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>