BIOELEKTRIK

Listrik berperan penting di dalam kontrol sistem fungsi tubuh manusia. Muatan listrik menentukan respon seluler terhadap stimulasi, meliputi resting state, treshold state, active state. Resting state adalah respon dasar sel saat besar stimulasi di bawah batas minimum aktifasi sel; threshold state adalah respon sel saat besar stimulasi mencapai batas minimum aktifasi sel; active state adalah respon sel saat besar stimulasi melebihi batas minimum aktifasi sel. Bentuk aktifasi sel beragam, bergantung jenis dan fungsi sel, contoh : sel endokrin mensekresi hormone, sel B limfosit mensekresi antibodi, sel makrofag yang melakukan fagositosis dan sel otot yang berkontraksi.

Listrik dapat tercipta manakala terdapat perbedaan muatan listrik antara satu bagian tertentu dengan bagian yang lain. Di dalam tubuh manusia, kita mengenal dua bagian kompartemen besar yang berisi cairan. Bagian yang terletak di dalam sel, dibatasi oleh membran sel disebut cair intra sel (cis). Sedangkan bagian yang terletak di luar sel disebut dengan cair ekstra sel (ces). Komponen penyusun cis dan ces sebagian besar adalah elektrolit yang mengandung ion bermuatan listrik. Semakin besar perbedaan muatan listrik antara cis dan ces, semakin besar pula potensi listrik yang dihasilkan. Perbedaan muatan listrik antara cis dan ces inilah yang disebut dengan beda potensial membran.

Komposisi di dalam cis dan ces bersifat dinamis dan selalu berubah, mengingat kedua kompartemen tersebut saling berhubungan. Pada saat resting, komposisi ion cis dan ces menghasilkan bedaan muatan listrik, dimana muatan listrik cis lebih kecil dibandingkan dengan muatan listrik ces. Beda potensial tersebut terukur dengan galvanometer menghasilkan nilai negatif (pada sel syaraf = -70 m volt). Nilai negatif mengisaratkan bahwa muatan listrik cis kurang 70 volt daripada ces. Artinya, muatan positif relatif lebih

banyak pada ces, sedangkan muatan negatif relatif menumpuk di cis. Perbedaan inilah yaang kemudian disebut dengan resting membrane potensial (RMP)

Ion                   Ekstraselullar (ces)             Intrasellular (cis)       Cenderung

Plasma           Interstisial

Na +                      142                         139                                         14                                           Masuk

Ca ++                    1,3                          1,2                                          <<<                                         Masuk

K +                         4,2                          4                                             140                                         Keluar

CL -                     108                         108                                        <<< / 4                                    Masuk

Beda potensial membran pada saat resting (RMP) menunjukan potensi arah kecenderungan ion untuk bergerak. Potensi tersebut terbatasi oleh keberadaan membran sel yang bersifat semipermeable. Ion yang cenderung bergerak masuk atau keluar sel harus melewati membran sel, sayangnya ion tidak dapat menembus membran sel. Ion hanya dapat melewati membran sel melalui kanal khusus yang terbuka atau tertutup oleh pemicu listrik ligand gated channel atau pemicu kimia ligand gated channel. Potensi

pergerakan ion (muatan listrik) melintasi membran dapat dipahami sebagai penjabaran Hukum Coulomb yang menyatakan bahwa gaya tarik (F) yang diciptakan oleh RMP adalah berbanding lurus dengan besar muatan ion (Q) yang berada di cis maupun di ces dan berbanding terbalik dengan kuadrat jarak (r2) antara cis dan ces. Fenomena ini disebut dengan bioelektrostatika.

Kuadrat jarak antara cis dan ces dipahami sebagai tebal membran sel; semakin tabal membran sel maka semakin kecil gaya tarik (F) yang ditimbulkan, artinya potensi listrik statis juga semakin kecil. Sel cenderung tidak mudah dirangsang atau kurang sensitif. Contoh adalah sel syaraf yang berselubung myelin pada  bagian aksonya. Selubung myelin menyebabkan ketebalan membran akson syaraf bertambah sehingga pada bagian yang terdapat myelin, akson syaraf menjadi kurang sensitif atau tidak mudah dirangsang.

Potensial aksi

Potensi listrik statik pada membran (RMP) dapat berubah dinamik saat potensial aksi terjadi. Potensial aksi merupakan rangkaian persitiwa yang terjadi akibat beda potensial membran distimulasi. Potensial aksi hanya akan muncul bila terdapat stimulus atau rangsangan yang adekuat atau lebih untuk membuka voltage gated ion channel. Setiap channel memiliki nilai ambang kepekaan (firing level/ treshold) yang berbeda. Respon sel yang mendapatkan stimulasi sampai betas minimal, disebut treshold state dan yang mendapatkan stimulasi melebihi batas minimal, disebut active state (potensial aksi).

Potensial aksi dimulai dengan depolarisasi membran, yang berarti peniadaan atau berkurangnya polarisasi (beda potensial) antara cis dan ces. Bila RMP terukur adalah -70 mv, maka stimulasi yang adekuat merubah beda potensial membran dari -70 mv menjadi lebih kecil hingga mendekati nol. Penurunan beda potensial disebabkan oleh pembukaan kanal ion natrium (Na+). Sensor listrik kanal ion natrium peka terhadap beda potensial yang paling kecil, sehingga kanal ion natrium terbuka pertama kali setelah sel distimulasi. Kanal ion natrium yang terbuka menyebabkan pergerakan masuk (influx) ion natrium menjadi nyata. Influx ion natrium membawa masuk muatan positif ke dalam cis menjadi lebih positif, sehingga beda potensial antara cis dan ces berkurang mendekati nol. Depolariasi membran akan berhenti manakala beda potensial membran telah mencapai nilai ambang dari sensor kanal ion kalium dan chlor. Nilai ambang sensor kanal ion chlor menghendaki beda potensial yang lebih kecil dibandingkan kanal ion kalium sehingga kanal ion chlor terbuka terlebih dahulu. Kanal ion chlor yang terbuka membawa masuk sejumlah muatan negatif ke dalam sel (cis) sehingga menambah beda potensial membran. Dengan demikian beda potensial yang semula mengecil akibat depolarisasi, kembali meningkat akibat pembukaan kanal ion chlor. Beda potensial yang kembali meningkat sampai pada nilai ambang kanal ion kalium, maka kanal tersebut akan terbuka dan membawa keluar muatan positif dari dalam sel. Negatifitas muatan di dalam sel meningkat kembali dan polarisasi membran pun bertambah mendekati kondisi semula. Hal inilah yang disebut dengan fenomena repolarisasi, artinya polarisasi membran kembalipada kondisi semula.

Repolarisasi terkadang melebihi potensial membran saat resting (RMP) sehingga sejumlah ion natrium dan chlor terjebak di dalam sel sedangkan ion kalium terjebak di luar sel. Fenomena ini sering disebut dengan positive after potential. Upaya untuk mengembalikan komposisi ion seperti semula tidak mudah, karena sel harus mengaktifkan pompa ion yang mentransport secara aktif dengan bantuan ATP (Na K ATP ase).

Semakin besar beda potensial membran (polarisasi membran), semakin sensitif sel tersebut. Pada kondisi potensial membran yang besar dibutuhkan stimulus yang besar pula untuk memicu depolarisasi. Beda potensial membran yang melebihi RMP disebut dengan hiperpolarisasi, sedangkan beda potensial yang kurang dari RMP disebut dengan hipopolarisasi.

Selama potensial aksi terjadi, sel menjadi kurang sensitif terhadap rangsangan. Periode penurunan sensitifitas ini disebut dengan periode refrakter. Periode refrakter terbagi menjadi periode refrakter absolut dan relatif. Periode refrakter absolut menggambarkan kondisi sel tak dapat dirangsang kembali walupun dengan stimulus yang lebih besar. Sedangkan periode refrakter relatif menggambarkan sel masih dapat

depolarisasi kembali bila stimulus yang diberikan lebih besar.

Periode refrakter absolut terjadi sejak nilai ambang tercapai hingga depolarisasi berlangsung. Sedagkan periode refrakter relatif terjadi saat repolariasasi berlangsung hingga melewati nilai ambang semula. Stimulus yang lebih besar diberikan pada saat periode refrakter berpotensi menghasilkan potensial aksi yang lebih besar dari sebelumnya.

Pada otot jantung dan otot polos tipe single unit terdapat fenomena plateau. Feomena plateau merupakan perlambatan dari fase relaksasi. Hal ini dimungkinkan terjadi bila :

1. terjadi perlambatan pembukaan kanal ion kalium

2. terjadi pembukaan dari slow natrium-calcium channel yang hanya terdapat di membran sel otot jantung. Respon dari kanal ion ini terlambat, dimana kanal baru terbuka setelah depolariasasi berlangsung.

Plateau memperpanjang periode refrakter sehingga otot jantung tidak mudah mengalami tetani meskipun diberikan rangsangan berulang dengan intensitas yang meningkat.

Propagasi impuls

Potensial aksi yang terjadi akan ditularkan pada bagian lain dari membran ke segala arah. Peristiwa ini disebut dengan propagasi atau konduksi. Propagasi tidak akan berhenti hingga seluruh membran mengalami potensial aksi. Propagasi menyebabkan potensial aksi yang semula bersifat lokal berjalan dan

menjalar menjadi arus listrik. Arus listrik (I) berbanding lurus dengan besar potensial aksi (V) yang terjadi dan berbanding terbalik dengan besar hambatan (R). Besar hambatan (R) bergantung pada kualitas membran sel, seperti ketebalan membran, konduktifitas membran dan jumlah protein membran.

Perekaman aktifitas listrik

Aktifitas listrik tubuh dapat direkam dan diamati dengan menggunakan alat khusus yang disebut EEG, EMG dan EKG. EEG (encephalography) adalah alat yang dapat merekam akifitas listrik otak, sedangkan EMG (elektromyography) merupakan alat perekam aktifitas listrik otot rangka. EKG (elektrocardiography) merekam aktifitas listrik jantung.

Upaya merekam aktifitas listrik tubuh dilakukan dengan menggunakan tranducer. Tranducer merupakan bahan tertentu yang bersifat konduktan listrik dan mampu mengubah energi listrik menjadi bentuk lain, seperti kinetik atau termal. Aktifitas listrik yang ditangkap oleh tranducer kemudian diamplifikasi dengan tujuan memperbesar sinyal yang ditangkap sehingga dapat diamati dengan lebih jelas. Secara umum alat EEG, EMG dan EKG menggunakan prinsip kerja tranduksi dan amplifikasi ini. Penggunaan alat perekam aktifitas listrik tubuh dalam praktek medis ditujukan untuk membantu diagnosis kelainan yang terjadi dan terapi. EKG misalnya, merupakan standar emas di dalam penegakan diagnosis berbagai kelainan jantung, seperti : infarc myocard acute (IMA) dan blokade impuls.

Khusus EKG, perekaman menggunakan lebih dari satu elektroda tranducer, yaitu terdiri dari tiga elektroda extremitas dan enam elektroda yang diletakan di dinding dada. Perekaman EKG dapat menentukan beda potensial pada satu titik kedudukan (unipolar) dan beda potensial antara dua titik kedudukan (bipolar). Beda potensial bipolar yang diukur adalah antara tangan kanan dengan tangan kiri (lead I), tangan kanan dengan kaki kiri (lead II) dan tangan kiri dengan kaki kiri (lead III).

Hukum elektrodinamika :

I = V/R atau V = R I

Hasil pengukuran beda potensial lead I menunjukan tangan kanan lebih negatif dibandingkan tangan kiri. Sedangkan pada lead II menunjukan tangan kananlebih negatif dari kaki kiri dan pada lead III tangan kiri lebih negatif daripada kaki kiri. Dengan demikian arah vektor lead II adalah resulatante dari lead I dan lead III. Dasar perekaman EKG adalah propagasi impuls depolarisasi dan repolarisasi. Arah propagasi depolarisasi dan repolarisasi pada umunya tiap sel adalah bolak-balik, namun khusus pada sel jantung arah propagasi satu arah. Kekhasan otot jantung yang lain adalah memiliki serabut konduksi tersendiri, yaitu : sa node, av node, bundle of his dan serabut purkinje.

Hasil rekaman EKG merupakan resultante dari arah propagasi impuls yang merujuk dari sa node menuju ke apex jantung. Defleksi positif ditunjukan bila arah propagasi mendekati elektroda, sedangkan defleksi negatif muncul bila arah propagasi menjauhi elektroda. Elektroda yang dilalui oleh propagasi impuls akan menghasilkan bentukan bifasik.

Model EKG normal adalah hasil rekaman dari elektroda lead II. Hal ini didasarkan pada arah vektor lead II yang searah dengan propagasi impuls jantung. Rekaman EKG normal dari lead II terdiri dari gelombang p, kompleks qrs dan gelombang t. Gelombang p menunjukan depolarisasi atrium, sedangkan kompleks qrs menggambarkan depolarisasi ventrikel dan gelombang t menggambarkan repoalrisasi ventrikel. Fase repolarisasi atrium tidak nampak oleh karena bersamaan dengan depolarisasi ventrikel.

Interval antar gelombang menunjukan kualitas konduksi impuls. RR interval mewakili jedah waktu antara satu impuls dengan impuls berikutnya dan mewakili kualitas dan frekuensi irama jantung. PR interval mewakili kualitas konduksi impuls dari sa node melewati av node hingga mencapai dinding ventrikel mengalami depolarisasi. Lebar kompleks qrs menggambarkan periode depolarisasi dinding ventrikel. Sedangkan ST segment adalah waktu yang dibutuhkan dari peralihan fase depolarisasi ventrikel menjadi

repolarisasi ventrikel. Interval yang memanjang menunjukan kualitas konduksi yang memburuk, misalnya blokade pada salah satu serabut konduksi. Hasil rekaman EKG di luar lead II merupakan hasil rekaman yang khas pada lokasi perekaman dimana elektroda diletakan. Pembacaan hasi rekaman tersebut perlu

mempertimbangkan posisi elektroda dan memahami arah propagasi impuls dan vektor jantung.