Listrik Tubuh: Kapan Ion Butuh Energi?
Dua Cara Air Mengalir
Zat dapat berpindah secara spontan menuruni perbedaan konsentrasi, atau dipaksa pindah dengan bantuan energi.
Bayangkan sebuah bendungan dengan waduk penuh air di atas tebing dan aliran sungai di bawahnya. Selama pintu air tertutup, air tertahan di atas karena adanya perbedaan ketinggian.
Ketika pintu air dibuka, air langsung meluncur turun ke sungai secara spontan tanpa perlu mesin pendorong sama sekali. Di dalam biologi, perpindahan spontan dari daerah padat (konsentrasi tinggi) menuju daerah renggang (konsentrasi rendah) ini disebut transpor pasif.
Sebaliknya, jika kita ingin menaikkan air sungai kembali ke waduk atas, air tidak bisa mengalir naik sendiri. Kita wajib menyalakan pompa air yang digerakkan oleh energi listrik. Di dalam sel, proses memindahkan zat melawan arah alaminya dengan membakar energi (seperti ATP) disebut transpor aktif.
Saraf: Saat Pintu Bendungan Dibuka
Sinyal saraf berawal dari terbukanya kanal ion yang memungkinkan natrium masuk ke dalam sel secara pasif.
Ketika sel saraf sedang berada dalam fase istirahat, ion Natrium ($\text{Na}^+$) sengaja dikumpulkan dalam jumlah yang jauh lebih padat di luar sel daripada di dalam sel. Kondisi ini persis seperti air yang tertampung melimpah di waduk atas bendungan.
Begitu sel saraf menerima rangsangan untuk memicu potensial aksi, kanal ion natrium pada membran sel seketika terbuka lebar. Karena konsentrasi di luar sel jauh lebih tinggi dibandingkan di dalam, ion-ion $\text{Na}^+$ langsung meluncur menyerbu masuk ke dalam sel melalui kanal tersebut. Peristiwa ini berlangsung spontan mengikuti gradien konsentrasi tanpa memerlukan molekul energi tambahan ($\text{ATP}$).
Saraf: Pompa Bekerja Kembali
Setelah sinyal lewat, sel saraf menggunakan energi untuk memompa ion kembali ke tempat semula agar siap menerima sinyal berikutnya.
Setelah gerbang kanal terbuka dan sinyal listrik selesai merambat, komposisi ion di dalam sel menjadi tidak seimbang. Ion $\text{Na}^+$ menumpuk di dalam sel, sedangkan ion Kalium ($\text{K}^+$) keluar meninggalkan sel. Jika dibiarkan begitu saja, sel saraf tidak akan pernah bisa mengirimkan sinyal listrik lagi.
Gambar: LadyofHats, Jfdwolff, Bassem, Public domain — Wikimedia Commons
Agar sel siap dipakai kembali, sel saraf menyalakan mesin protein khusus bernama Pompa Natrium-Kalium ($\text{Na}^+/\text{K}^+\text{-ATPase}$). Pompa ini memindahkan ion $\text{Na}^+$ keluar dan menarik ion $\text{K}^+$ masuk ke dalam sel. Karena perpindahan ini melawan arah gradien konsentrasi alaminya, pompa tersebut wajib membakar molekul energi $\text{ATP}$. Proses ini murni merupakan transpor aktif.
Seorang peneliti menghentikan suplai molekul energi ATP pada sel saraf uji, lalu memberikan satu rangsangan kejutan listrik pertama. Apa yang paling mungkin terjadi pada sel saraf tersebut?
- Sel saraf sama sekali tidak bisa merambatkan sinyal dari awal karena kekurangan energi.
- Sel saraf masih dapat merambatkan sinyal sekali, namun tidak dapat mereset posisinya untuk sinyal berikutnya.
- Sel saraf tetap dapat menerima dan mereset sinyal terus-menerus tanpa batas.
- Ion natrium dan kalium akan mulai bergerak aktif tanpa menggunakan saluran maupun pompa membran.
Jawaban: Sel saraf masih dapat merambatkan sinyal sekali, namun tidak dapat mereset posisinya untuk sinyal berikutnya.
Jawaban benar adalah B. Terbukanya kanal natrium pada depolarisasi awal merupakan transpor pasif yang memanfaatkan gradien konsentrasi yang sudah ada tanpa perlu ATP, sehingga satu impuls awal masih bisa merambat. Namun, untuk mengembalikan gradien ion agar sel saraf siap menembakkan impuls kedua, dibutuhkan pompa Na-K yang memerlukan ATP (transpor aktif). Tanpa ATP, sel saraf tidak dapat mereset dirinya. Opsi A keliru karena impuls awal tidak langsung butuh ATP. Opsi C keliru karena reset ion mutlak butuh energi. Opsi D keliru karena ion bermuatan tidak dapat melintasi membran fosfolipid tanpa protein perantara.
Transpor membran pada saraf melibatkan proses pasif dan aktif.