BAB V Biolistrik [PDF]

Citation preview

BAB V BIOLISTRIK Tujuan Instruksional Umum Setelah selesai mengikuti proses belajar mengajar Fisika mengenai Bio Listrik, mahasiswa diharapkan mampu menjelaskan macam-macam gelombang arus listrik, medan listrik, potensial listrik, kapasitansi, konduksi pada sistem saraf, sel saraf pada perkembangan otak balita, macam-macam gelombang potensial aksi, dan isyarat listrik pada tubuh di antaranya Elektrokardiografi (EKG). Tujuan Instruksional Khusus Setelah mendapatkan materi medan listrik, potensial listrik dan kapasitansi, konduksi pada sistem saraf, sel saraf pada perkembangan otak balita macam-macam gelombang potensial aksi, dan isyarat listrik pada tubuh di antaranya Elektrokardiografi (EKG), mahasiswa mampu mengaplikasikannya, khususnya hal-hal yang berkaitan dengan pelaksanaan pelayanan kesehatan. 1. Macam-macam Gelombang Arus Listrik Kelistrikan memegang peranan penting dalam bidang kedokteran, terutama pengetahuan tentang gelombang arus listrik, oleh karena dalam banyak hal berkaitan erat dengan penggunaan arus listrik untuk merangsang saraf motoris atau saraf sentoris. Gelombang-gelombang arus listrik yang dimaksud terlihat pada gambar berikut ini : a. Arus bolak-balik/sinusoidal



b. Arus setengah gelombang (telah disearahkan)



79 c. Arus searah penuh tetapi masih mengandung ripli/desir



d. Arus searah murni



e. F a r a d i k



f. Surged faradic/sentakan faradik



g. Surged sinusoidal/sentakan sinusoidal



h. Galvanik yang interuptus



i. Arus gigi gergaji



80 2. Medan Listrik, Potensial Listrik dan Kapasitansi Jika ada dua buah muatan q1 dan q2 memiliki muatan yang sama misalkan samasama positif (+), maka kedua muatan tersebut akan saling tolak-menolak seperti terlihat pada gambar (a). Namun jika kedua muatan tersebut berlawanan tanda yaitu positif (+) dan negatif (–), maka kedua muatan tersebut akan saling tarik-menarik seperti terlihat



pada gambar (b) berikut ini :



Sehing ga akan terjadi gaya tolak atau gaya tarik antara kedua muatan tersebut, yang disebut dengan gaya coulomb F. Medan listrik E pada semua titik pada suatu ruang yang disebabkan oleh satu atau lebih muatan, didefinisikan sebagai gaya persatuan muatan yang bekerja pada muatan tes q yang diletakkan pada titik tersebut, dirumuskan : F E = ………. (1) q Jika muatan tes q diletakkan pada jarak r terhadap muatan Q , maka muatan tes q akan menderita gaya : 1qQ⎛1Q⎞ F==q⏐⏐ 4 π ε r2 ⎝ 4 π ε r2 ⎠ Sehingga dapat disimpulkan besarnya medan listrik pada suatu titik yang disebabkan oleh muatan Q dan bejarak r terhadap muatan tersebut, yaitu : 1Q E = ………. (2) 4 π ε r2 Medan listrik digambarkan dengan garis-garis medan listrik yang dimulai dari muatan positif dan berakhir pada muatan negatif, seperti terlihat pada gambar berikut ini : 81



Ji



ka muatan Q positif, maka E juga positif, dan garis-garis medan listrik berarah menurut jari-jari bola ke luar. Sebaliknya jika muatan Q negatif, maka E juga negatif, dan garisgaris medan listrik berarah menurut jari-jari bola namun ke dalam. Potensial listrik pada semua titik pada ruang didefinisikan sebagai energi potensial listrik persatuan muatan, dirumuskan : Ep V = ………. (3) q Beda potensial listrik antara dua titik didefinisikan sebagai kerja/usaha yang dilakukan untuk memindahkan muatan listrik 1 coulomb (C) antara dua titik. Beda potensial diukur dalam volt (1V = 1 J/C). Karena usaha merupakan besaran skalar, maka demikian pula dengan beda potensial. Usaha W yang harus dilakukan untuk memindahkan muatan q dari titik A ke titik B yaitu : W = q (VB – VA) = q V ………. (4) Kita dapat pula menuliskan kerja yang dilakukan sebagai gaya dikalikan jarak, dan ingat bahwa gaya pada q adalah F = q E , sehingga : W = F d = q E d ………. (5) di mana d adalah jarak (sejajar dengan garis-garis medan). Dari persamaan (4) dan (5) diperoleh hubungan antara potensial listrik dan medan listrik, yaitu : V = E d ………. (6)



82 Potensial listrik mutlak pada suatu titik karena pengaruh muatan Q adalah : 1Q



V = ………. (7) 4πεr di sini r adalah jarak antara muatan Q terhadap suatu titik. Kapasitor atau kondensator adalah suatu alat yang terdiri atas dua buah konduktor yang dipisahkan oleh suatu isolator atau zat dielektrikum. Berikut ini gambaran di mana terjadi medan listrik antara keeping-keping kapasitor (a) tanpa dielektrikum dan (b) dengan dielektrikum :



Ka pasitansi suatu kapasitor didefinisikan sebagai : Besar muatan pada salah satu konduktor Kapasitansi = Beda potensial antara kedua kondutor Q C = ………. (8) V Jika Q dinyatakan dalam coulomb dan V dalam volt, maka satuan C adalah farad (F). Sebagian basar kapasitor memiliki kapasitansi dalam kisaran 1 pF (1 pikofarad = 10 –12 F) sampai 1 μF ( 1 mikrofarad = 10–6 F). Untuk kapasitor pelat sejajar yang masing-masing memiliki luas A dan dipisahkan dengan jarak d oleh dielektrikum (misalnya kertas atau plastik) yang diletakkan di antara pelat-pelatnya, maka kapasitansi dinyatakan : A C = εr ε0 ………. (9) d 83 di mana εr (tidak berdimensi) adalah permitivitas relatif zat dielektrikum (konstanta dielektrikum), dan ε0 = 8,85 × 10–12 C2/N.m2 = 8,85 × 10–12 F/m, Pada suhu 20°C untuk vakum εr = 1, udara εr = 1,0006 , dan air εr = 80.



3. Sistem Saraf dan Konduksi Saraf Suatu sel saraf (neuron) adalah bagian terkecil dalam suatu skema saraf dan berfungsi untuk menghantarkan impuls dari satu bagian tubuh ke bagian tubuh lainnya. Kita ketahui impuls dalam sitem saraf terdiri dari ion-ion yang mengalir sepanjang sel sel saraf, analog dengan aliran elektron dalam suatu konduktor.



(b) Foto mikro sel saraf dari cerebrum seekor kucing. (a) Diagram dari suatu struktur sel saraf.



Sel saraf terdiri dari tubuh/badan sel serta serabut yang menyerupai ranting disebut dendrit, yang bersama tubuh sel berfungsi menerima informasi berupa rangsangan (sinyal/ impuls) yang dirambatkan sepanjang akson. Ketika sinyal mencapai ujung saraf, ia ditransmisikan ke saraf berikutnya atau pada otot penghubung yang disebut sinapsis. Beberapa neuron memiliki sel-sel yang terpisah disebut sel Schwann, yang membungkus akson. Sel-sel ini membentuk lapisan yang disebut lapisan myelin dan membantu mengisolasi neuron dari neuron lainnya. Akson merupakan suatu salinan panjang tipis dan pada ujungnya terbungkus oleh suatu membran sel yang berisi cairan dengan nama Aksoplasma.



84



Penampang bujur suatu akson.



Bagian pemisahan (a) sebuah ‘bare’ (nonmyelin) dan (b) sebuah saraf akson dikelilingi dengan myelin.



(b) Foto mikro dari suatu akson dengan myelin. (a) Bagian longitudinal memasuki akson suatu myelin sel saraf.



Ion yang paling umum terdapat dalam sel adalah K+, Na+ dan Cl–. Konsentrasi ion Kalium (K+) di dalam cairan pada bagian dalam membran sel 30 kali lebih banyak daripada yang di luar, sedangkan konsentrasi ion Natrium (Na +) di luar membran sel 10 kali lebih banyak daripada bagian dalam. Perlu dicermati bahwa untuk ion Klorida (Cl –) juga tidak terdistribusi secara sempurna/merata. Konsentrasi ion di dalam dan di luar akson dapat dilihat pada tabel berikut ini :



Jika suatu rangsangan memlampaui nilai ambang tertentu, suatu pulsa tegangan akan merambat sepanjang akson. Di dalam laboratorium pulsa tegangan ini dapat dideteksi dengan menggunakan voltmeter atau osciloskop yang dihubungkan seperti pada gambar.



85



P engukuran beda potensial di dalam saraf. Distribusi tegangan listrik sepanjang membran sel saraf.



Pada keadaan istirahat potensial listrik di luar membran sel adalah 0 mV dan potensial listrik di dalam membran sel adalah –70 mV, sehingga diperoleh beda potensial dari membran sel adalah 70 mV. Pada grafik berikut ini terlihat potensial/tegangan naik dari potensial diam sekitar –70 mV dan menjadi positif 30 mV dan 40 mV. Potensial kerja bertahan sampai sekitar 1 milisekon dan merambat sepanjang akson dengan laju 30 m/s sampai 150 m/s.



Gambar grafik potensial aksi pada membran sel saraf.



Karena



adanya



potensial



aksi,



sebagian kecil membran mengalami depolarisasi akibat



adanya aliran ion dalam



membran. Pada saat depolarisasi ini mencapai batas ambang, potensial aksi dihasilkan kembali pada bagian akson tersebut.



Perambatan suatu pulsa potensial aksi.



86 Selama proses perambatan dari suatu pulsa potensial aksi di sepanjang akson saraf myelin, impuls akan meloncat dari satu node ke node lainnya, yang sangat mempercepat konduksi impuls saraf.



Fot o SEM (Scanning Electron Mikrograph) memperlihatkan akson dari sejumlah sel saraf yang datang dari bagian atas foto dan terus bergerak sampai tiba pada serat-serat otot pendukung yang terbaring horizontal pada foto. Pulsa-pulsa listrik yang bergerak menuruni serat-serat ini akan mengakibatkan lepasnya acetylcholine, yaitu substansi neurotransmitter yang mengawali terjadinya kontraksi otot. Neurotransmitter yang dihasilkan menjembatani rentang antar sel saraf, sehingga seluruh proses dapat terulang. Diketahui bahwa beda potensial dari membran sel adalah 70 mV. Jika membran sel memiliki ketebalan 7 nm dengan susunan muatan menyerupai kapasitor pelat sejajar, maka kita dapat menghitung medan listrik pada membran sel, yaitu : V 70 × 10–3 V E = = = 1,0 × 107 V/m (arah ke dalam) d 7 × 10–9 m Dengan demikian gaya yang dihasilkan oleh medan ini terhadap suatu ion positif : F = qE = (1,602 × 10–19 C) (1,0 × 107 V/m) = 1,602 × 10–12 N Gaya ini beraksi melawan perbedaan konsentrasi ion K+. Contoh soal : a. Perkirakan nilai pangkat untuk kapasitansi akson yang panjangnya 10 cm dan radius 10 μm. Ketebalan membran sekitar 10–8 m dan konstanta dielektrikum sekitar 3 ! b. Dengan faktor berapa konsentrasi ion Na+ di dalam sel berubah sebagai akibat dari satu potensial kerja ?



87 Penyelesaian :



a. Membran akson menyerupai kapasitor pelat sejajar yang berbentuk silinder dengan jarak pelat d adalah 10–8 m, adapun luas silinder A yaitu : A = 2πrl = 2 (3,14) (10–5 m) (0,1 m) = 6,28 × 10–6 m2 Dari persamaan (9), diperoleh : A 6,28 × 10–6 m2 C = εr ε0 = (3) (8,85 × 10–12 F/m) d 10–8 m C = 1,67 × 10–8 F b. Karena potensial berubah dari –70 mV sampai sekitar +30 mV, maka perubahan potensial total kira-kira 100 mV. Dengan demikian jumlah muatan yang bergerak adalah : Q = CV = (1,67 × 10–8 F) (0,1 V) = 1,67 × 10–9 C Setiap ion membawa muatan e = 1,602 × 10–19 C, sehingga jumlah ion yang mengalir per potensial kerja adalah Q/e = (1,67 × 10–9 C) / (1,602 × 10–19 C) = 1,04 × 1010 ion Na+. Volume akson silinder adalah : V = π r 2 l = (3,14) (10–5 m)2(0,1 m) = 3,14 × 10–11 m3 dan dari tabel diperoleh konsentrasi ion Na+ di dalam sel adalah 15 mol/m3 = 15 × 6,02 × 1023 ion/m3 = 9,03 × 1024 ion/m3. Dengan demikian sel berisi (9,03 × 1024 ion/m3) × (3,14 × 10–11 m3) = 2,84 × 1014 ion Na+. Satu potensial kerja berarti akan merubah konsentrasi ion Na+ paling banyak sebesar : 1 10



14



–4



(1,04 × 10 ) / (2,84 × 10 ) = 0,366 × 10 ≈ 30.000 atau 1 bagian dalam 30.000.



88 Jadi dalam konsentrasi sebanyak 30.000 ion Na+ dalam sel akan mengalami



perubahan 1 ion Na+ mengalir sebagai akibat dari satu potensial kerja. Perubahan yang kecil ini tidak akan dapat terukur. Sel Saraf Pada Perkembangan Otak Si Kecil Beberapa penelitian membuktikan bahwa selama pertumbuhan dalam kandungan hingga usia 3 tahun merupakan massa kritis, karena tumbuh kembang otak balita sedang berlangsung dengan pesat. Di sinilah peran nutrisi sangat menentukan tingkat kecerdasan si kecil. Zat gizi penting yang digunakan sebagai nutrisi untuk keperluan tersebut antara lain AA, DHA dan Sphingomyelin. a. Peran AA dan DHA Dalam Tumbuh Kembang Otak Otak tersusun oleh jutaan neuron (sel saraf) yang dihubungkan satu sama lain dengan sinapsis. Sinapsis berjumlah triliunan membentuk jalur kecil semacam kabel kabel yang saling berhubungan di dalam otak. Semua neuron mempunyai badan sel (cell body), dengan nucleus sebagai inti yang mengandung DHA.



AA dan DHA adalah asam lemak utama yang paling banyak terdapat pada fosfolipid otak. Di dalam neuron Sistem Saraf Pusat, AA dan DHA terutama berperan pada bagian struktural non myelin dari membran suatu neuron. Kecukupan AA dan DHA terutama diperlukan untuk membangun jaringan saraf selama masa pesat tumbuh kembang otak. AA dan DHA juga terdapat pada retina mata, sehingga penting untuk perkembangan retina dan penglihatan (visual acuity).



89 b. Peran Sphingomyelin Dalam Penghantaran Rangsang Pada Sel Saraf Otak dan jaringan saraf mengandung 50% lipid (lemak) dan 50% protein.



Tingginya lipid di otak menunjukkan pentingnya peran lipid dalam tumbuh kembang otak. Lipid dalam otak terdiri dari fosfolipid (di antaranya adalah sphingomyelin), lipid netral, dan glikolipid. Sphingomyelin merupakan lemak khusus yang sangat diperlukan untuk pembentukan myelin (myelinasi), dan untuk membantu komunikasi antar sel-sel saraf melalui pembentukan selubung myelin (myelin sheath). Selain itu juga berperan penting dalam jalannya impuls (rangsang) saraf di sepanjang sel saraf, karena tanpa selubung myelin impuls saraf akan berjalan lambat, bahkan bisa hilang di tengah jalan, sehingga informasi tidak bisa dipersepsi oleh otak. Akson yang kaya selubung myelin akan menghantarakan impuls 50× lebih cepat daripada akson tak bermyelin. Dengan demikian AA, DHA dan Sphingomyelin bekerja sinergi mempercepat penghantaran impuls saraf dari satu sel saraf ke sel saraf yang lain di dalam otak, sehingga suatu informasi dapat diterima otak secara cepat dan utuh. Komunikasi antar sel saraf yang optimal menjadikan anak lebih cepat dan tepat dalam berpikir dan bereaksi. 4. Macam-macam Gelombang Potensial Aksi Potensial aksi dapat terjadi apabila suatu daerah membran saraf atau otot mendapat rangsangan mencapai nilai ambang. Berikut ini adalah gambaran potensial aksi dari beberapa menbran sel : a. Gelombang potensial aksi dari akson.



b. Gelombang potensial aksi dari sel otot bergaris.



90 c. Gelombang potensial aksi dari sel otot jantung.



5. Isyarat Listrik Tubuh Isyarat listrik (electrical signal) tubuh merupakan hasil perlakuan kimia dari tipe tipe sel tertentu. Dengan mengukur isyarat listrik tubuh secara selektif sangat berguna untuk memperoleh informasi klinik tentang fungsi tubuh. Berikut ini yang termasuk dalam isyarat listrik tubuh, yaitu : a. EMG (Elektromiogram) b. ENG (Elektroneurogram) c. ERG (Elektroretinogram) d. EOG (Elektrookulogram) e. EGG (Elektrogastrogram) f. EEG (Elktroensefalogram) g. EKG (Elektrokardiogram) Elektrokardiogram (EKG) Setiap kali jantung berdetak, perubahan potensial listrik akan terjadi pada permukaannya, dan bisa dideteksi dengan menggunakan kontak logam yang disebut elektroda, yang dipasang pada kulit. Perubahan potensial cukup kecil, dalam orde milivolt (mV), dan harus diperkuat. Perubahan ini ditampilkan sebagai grafik baik pada kertas, maupun pada layar osciloskop tabung sinar katoda (CRT).



9 1 Merupakan prosedur standart untuk membagi elektrokardiogram biasa menjadi daerah daerah yang berhubungan dengan berbagai penyimpanan, sebagaimana ditunjukkan pada gambar grafik di atas. Setiap penyimpanan berhubungan dengan aktifitas tertentu pada



detak jantung, seperti terlihat pada gambar berikut ini.



Gelomban



g P berhubungan dengan kontraksi serambi. Kelompok QRS berhubungan dengan bilik. Gelombang T berhubungan dengan kembalinya jantung ke keadaan semula (repolarisasi) untuk mempersiapkan diri untuk siklus berikutnya.



LATIHAN SOAL : 1. Seperti pada contoh soal, dengan faktor berapa konsentrasi ion Na+ di luar sel berubah sebagai akibat dari satu potensial kerja ? 2 Berapa besar medan listrik yang melintassi membran akson yang tebalnya 10–8 m, jika potensial diamnya adalah –70 mV ? 3. Perkirakan berapa besar energi yang dibutuhkan untuk mentransmisikan satu potensial kerja sepanjang akson pada contoh soal ! (Petunjuk : satu pulsa ekivalen dengan pemuatan dan pelepassan muatan kapasitansi akson).



92 Daftar Pustaka : 1. Bueche, Frederick J. Terjemahan B Darmawan. 1985. Fisika (Seri Schaum). Jakarta : Erlangga, Edisi Ketujuh. 2. Cromer, Alan H. Fisika Untuk Ilmu-ilmu Hayati. Yogyakarta : Gadjah Mada University Press, Edisi Kedua.



3. Davidovits, Paul. 2001. Physics in Biology and Medicine. California : A Harcourt Science and Technology Company, Second Edition. 4. Gabriel, J F. 1996. Fisika Kedokteran. Jakarta : EGC. 5. Giancoli, Douglas C. Terjemahan Yuhilza Hanum. 2001. Fisika. Jakarta : Erlangga, Edisi Kelima. 6. Ruslan, Ahmadi Hani dan Handoko Riwidikdo. 2009. Fisika Kesehatan. Yogyakarta: Mitra Cendikia Press. 7. Tipler, Paul A. Terjemahan Lea Prasetio dan Rahmad W Adi. 1998. FISIKA Untuk Sains dan Teknik. Jakarta : Erlangga, Edisi Ketiga.



----- o 0 o -----



93