Distribusi Muatan Pada Sel Saraf Saat Istirahat

Charge Distribution in Resting Nerve Cell

Oleh :

Widi Wulan Puspita Sari

TeknobiomedikUniversitas Airlangga

2013

WHAT IS CHARGE DISTRIBUTION IN RESTING NERVE CELL?

Resting Membrane Potential (RMP)• Dalam keadaan tanpa rangsang, antara luar dan

dalam sel saraf terdapat perbedaan muatan yang disebut potensial membran.

• Harga potensial membran yang diukur pada saat istirahat disebut dengan resting membrane potential.

• Potensial istirahat selalu negatif pada sel (-70mV)• Pada keadaan ini di dalam sel (-) sedangkan luar sel

(+).• Sel saraf dalam keadaan yang disebut polarisasi

dimana terjadi distribusi ion yang tidak merata.

Proses?

Kondisi membran yang impermeable untuk ion membuat neuron menjaga perbedaan konsentrasi ion antara luar dan dalam sel

Karena lipid bilayer pada membran plasma yang hidrophobic mencegah terjadinya difusi ion melalui membran. Satu-satunya cara adalah melalui specialized channel. Pada kondisi istirahat, hanya channel potasium yang terbuka sehingga ion K+ dapat berdifusi keluar secara bebas, sedangkan channel Na+ tertutup sehingga ketika istirahat sodium tidak dapat melalui membran. Kondisi seperti ini membuat dalam sel menjadi lebih negatif dibanding di luar sel.

Perbedaan muatan inilah adanya medan listrik pada membran yang menimbulkan ELECTRICAL FORCE.

Gaya inilah yang membuat ion K+ tertarik kembali masuk ke dalam sel. Sehingga antara diffusion gradient dan electrical gradient adalah seimbang. Keseimbangan elektrokimia pada ion potasium (ada yang keluar dan ada yang masuk)– there’s no NET MOVEMENT of potasium ion

Cairan intra dan ekstrasel adalah dua konduktor yang dipisahkan oleh insulator yang baik. Konduktor memiliki kapasitansi diantaranya. Anggaplah membran sebagai bidang insulator (yang diapit oleh lempengan konduktor-seolah membran dibentangkan secara mendatar)

b

a

L L

b2 a

Kepadatan muatan dapat dinyatakan Dimana Q (muatan) dan S (satuan luas)

Sebagaimana kita ketahui besar medan listrik diantara kedua konduktor pada membran adalah

Menganggap membran sebagai bahan dielektrik diantara konduktor silindris (dengan konstanta k) maka medan listrik menjadi

BACKNEXT

Sehingga nilai kapasitansi dimana dapat diperoleh . Berdasarkan persamaan – persamaan yang diketahui, maka kepadatan muatan (charge density) pada permukaan membran adalah pengukuran konstanta dielektrik k pada membran axon sekitar 7, untuk harga resting membrane -70mV, dan 6 x 10-9 m untuk ketebalan membran, kapasitansi per satuan luas didapatkan :

Karena pengaruh peran suatu ketebalan lempeng, maka dari itu bagian axon yang terlapisi myelin akan mengurangi nilai kapasitansi per satuan luas sehingga menyebabkan bagian tersebut kurang sensitif atau tidak mudah dirangsang.

BACK

Hk. Fick (difusi aliran ion melintasi membran sel)

J : aliran ion untuk berdifusiD : konstanta difusi (m2/detik)[I ] : konsentrasi iondx : tebal membran

: concentration gradient

d I

dx

Hk.Ohm (aliran ion yang melintasi membran sel)

J : aliran ion untuk melintas (drift) dalam suatu medan listrik

: mobility (m2/sV)Z : ionic valence, bernilai negative

untuk ion negative (Z=-1 untuk Cl-) dan bernilai positif

untuk ion positif (Z=1 untuk Na+, dan Z=2 untuk Ca++)[I ] : konsentrasi ionv : tegangan diseberang membrandv/dx = - E

BACKNEXT

Einstein Relationship

Boltzmann Factor

Ketika dalam keadaan

seimbang Jk=0

Total Aliran

BACK

Then..

Keadaan seimbang (equilibrium) akan terjadi apabila rasio konsentrasi lintas membran diberikan Boltzmann Factor atau persamaan Nerst.

zev : energi potensial ion (z : valensi ion, e : muatan listrik 1.6x10-19 C, v : potensial dalam Volt)

k : konstanta Boltzmann (1.38 X 10-23 J K-1).

Untuk kondisi dimana T = 310 K dan Ci/C0 adalah 13.7 untuk valensi tunggal ion positif dan (1/13.7 = 0.073) untuk ion negatif.

Data menunjukkan bahwa 0,103 untuk natrium, 33 untuk kalium, dan 0,071 untuk klorida. Dari data ini kita dapat melihat bahwa rasio konsentrasi klorida konsisten dengan keseimbangan, sedangkan rasio konsentrasi natrium terlalu kecil (jumlah ion natrium di dalam sel terlalu sedikit) dan rasio konsentrasi kalium terlalu besar (ada terlalu banyak ion kalium di dalam sel).

Potensial -90 mV akan membawa rasio konsentrasi natrium menuju keseimbangan, akan tetapi hal ini akan menyebabkan rasio klorida tidak lagi seimbang, dan natrium akan semakin jauh dari keadaan seimbang.

Faktanya, studi lebih lanjut menunjukkan bahwa kalium menyelip masuk secara perlahan dan natrium menyelip keluar secara perlahan. Membran tidak sepenuhnya bersifat impermeable untuk ion-ion tersebut, bahkan pada kondisi beristirahat. Perubahan ini diseimbangkan dengan suatu proses dimana energy dicurahkan untuk memompa natrium kembali keluar sel dan kalium kembali ke dalam sel (baca Hodgkin, 1964, Ch. 6).

Saat electrode diuji di luar sel, hasil potensial listriknya adalah 0. ketika electrode pada sel hasilnya menunjukkan -60 mV (biasanya juga -70mV)Medan listrik membran diasumsikan konstan, jika ketebalan membran 6 nm, maka