[Buku Bahasa Indonesia]Guyton And Hall Textbook of Medical Physiology 1-11
BAB 6
Kontraksi Otot Rangka
Sekitar 40 persen tubuh terdiri dari otot rangka, dan mungkin sekitar 10 persen lainnya adalah otot polos dan otot jantung. Beberapa prinsip dasar kontraksi yang sama berlaku untuk ketiga jenis otot yang berbeda ini. Dalam bab ini, fungsi otot rangka terutama dibahas; fungsi khusus otot polos dibahas dalam Bab 8, dan otot jantung dibahas dalam Bab 9.
Anatomi Fisiologis Otot Rangka
Serat Otot Rangka
Gambar 6-1 menunjukkan organisasi otot rangka, yang memperlihatkan bahwa semua otot rangka tersusun atas banyak serat dengan diameter berkisar antara 10 hingga 80 mikrometer. Setiap serat ini tersusun dari subunit yang semakin kecil secara bertingkat, yang juga ditunjukkan pada Gambar 6-1 dan dijelaskan dalam paragraf berikutnya.
Pada sebagian besar otot rangka, setiap serat memanjang sepanjang seluruh panjang otot. Kecuali sekitar 2 persen dari serat, setiap serat biasanya diinervasi oleh hanya satu ujung saraf yang terletak di dekat bagian tengah serat.
Sarkolema Merupakan Membran Tipis yang Membungkus Serat Otot Rangka. Sarkolema terdiri atas membran sel sejati, yang disebut membran plasma, dan lapisan luar yang tersusun dari lapisan tipis bahan polisakarida yang mengandung banyak fibril kolagen halus. Pada setiap ujung serat otot, lapisan permukaan sarkolema ini menyatu dengan serat tendon. Serat tendon tersebut kemudian berkumpul membentuk berkas-berkas untuk membentuk tendon otot yang selanjutnya melekat pada tulang.
Miofibril Tersusun atas Filamen Aktin dan Miosin. Setiap serat otot mengandung beberapa ratus hingga beberapa ribu miofibril, yang ditunjukkan oleh banyak titik kecil terbuka pada tampilan potongan melintang Gambar 6-1C. Setiap miofibril (Gambar 6-1D dan E) tersusun atas sekitar 1500 filamen miosin yang berdampingan dan 3000 filamen aktin, yang merupakan molekul protein polimer besar yang bertanggung jawab terhadap kontraksi otot yang sebenarnya. Struktur ini dapat dilihat pada tampilan longitudinal dalam mikrograf elektron pada Gambar 6-2 dan direpresentasikan secara diagramatik dalam Gambar 6-1, bagian E hingga L. Filamen tebal pada diagram adalah miosin, sedangkan filamen tipis adalah aktin.
Perhatikan pada Gambar 6-1E bahwa filamen miosin dan aktin saling berjalin sebagian (interdigitate) sehingga menyebabkan miofibril memiliki pita terang dan gelap yang berselang-seling, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 6-2. Pita terang hanya mengandung filamen aktin dan disebut pita I karena bersifat isotropik terhadap cahaya terpolarisasi. Pita gelap mengandung filamen miosin, serta ujung filamen aktin yang tumpang tindih dengan miosin, dan disebut pita A karena bersifat anisotropik terhadap cahaya terpolarisasi. Perhatikan juga tonjolan kecil dari sisi filamen miosin pada Gambar 6-1E dan L. Struktur ini disebut jembatan silang (cross-bridges). Interaksi antara jembatan silang ini dan filamen aktin menyebabkan terjadinya kontraksi.
Gambar 6-1E juga menunjukkan bahwa ujung filamen aktin melekat pada suatu struktur yang disebut diskus Z (Z disc). Dari diskus ini, filamen tersebut memanjang ke kedua arah untuk saling berjalin dengan filamen miosin. Diskus Z, yang tersusun dari protein filamen yang berbeda dari filamen aktin dan miosin, melintasi miofibril secara transversal dan juga melintang dari satu miofibril ke miofibril lainnya, sehingga menghubungkan miofibril satu sama lain di seluruh serat otot. Oleh karena itu, seluruh serat otot memiliki pita terang dan gelap, sebagaimana pada masing-masing miofibril. Pita-pita ini memberikan penampakan beralur (striated) pada otot rangka dan otot jantung.
Bagian dari miofibril (atau dari seluruh serat otot) yang terletak di antara dua diskus Z yang berurutan disebut sarkomer. Ketika serat otot berkontraksi, seperti yang ditunjukkan pada bagian bawah Gambar 6-5, panjang sarkomer sekitar 2 mikrometer. Pada panjang ini, filamen aktin sepenuhnya tumpang tindih dengan filamen miosin, dan ujung filamen aktin baru mulai saling tumpang tindih satu sama lain. Seperti akan dibahas kemudian, pada panjang ini otot mampu menghasilkan gaya kontraksi terbesar.
Molekul Filamen Titin Menjaga Filamen Miosin dan Aktin Tetap pada Tempatnya. Hubungan berdampingan antara filamen miosin dan aktin sulit dipertahankan. Hal ini dicapai oleh sejumlah besar molekul filamen dari suatu protein yang disebut titin (Gambar 6-3). Setiap molekul titin memiliki berat molekul sekitar 3 juta, yang menjadikannya salah satu molekul protein terbesar dalam tubuh. Selain itu, karena bersifat filamen, molekul ini sangat elastis. Molekul titin yang elastis ini berfungsi sebagai kerangka yang menahan filamen miosin dan aktin pada tempatnya sehingga mesin kontraktil sarkomer dapat bekerja. Salah satu ujung molekul titin bersifat elastis dan melekat pada diskus Z, bertindak sebagai pegas dan berubah panjang saat sarkomer berkontraksi dan relaksasi. Bagian lain dari molekul titin menambatkannya pada filamen tebal miosin. Molekul titin itu sendiri juga tampaknya berfungsi sebagai cetakan untuk pembentukan awal sebagian filamen kontraktil sarkomer, terutama filamen miosin.
Sarkoplasma Merupakan Cairan Intraseluler di Antara Miofibril. Banyak miofibril dalam setiap serat otot tersuspensi berdampingan di dalam serat otot. Ruang di antara miofibril diisi oleh cairan intraseluler yang disebut sarkoplasma, yang mengandung sejumlah besar kalium, magnesium, dan fosfat, serta berbagai enzim protein. Selain itu, terdapat sangat banyak mitokondria yang terletak sejajar dengan miofibril. Mitokondria ini menyuplai miofibril yang berkontraksi dengan sejumlah besar energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP) yang dibentuk oleh mitokondria.
Retikulum Sarkoplasma Merupakan Retikulum Endoplasma Khusus pada Otot Rangka. Di dalam sarkoplasma yang mengelilingi miofibril setiap serat otot juga terdapat suatu retikulum yang luas (Gambar 6-4), yang disebut retikulum sarkoplasma. Retikulum ini memiliki organisasi khusus yang sangat penting dalam mengendalikan kontraksi otot, sebagaimana dibahas dalam Bab 7. Jenis serat otot yang berkontraksi cepat memiliki retikulum sarkoplasma yang sangat berkembang.
Mekanisme Umum Kontraksi Otot
Inisiasi dan pelaksanaan kontraksi otot terjadi melalui langkah-langkah berurutan berikut.
- Suatu potensial aksi merambat sepanjang saraf motorik menuju ujung-ujungnya pada serat otot.
- Pada setiap ujung, saraf mensekresikan sejumlah kecil zat neurotransmiter asetilkolin.
- Asetilkolin bekerja pada area lokal membran serat otot untuk membuka banyak kanal kation “berpintu asetilkolin” melalui molekul protein yang terdapat pada membran.
- Pembukaan kanal yang dipicu asetilkolin memungkinkan sejumlah besar ion natrium berdifusi ke bagian dalam membran serat otot. Hal ini menyebabkan depolarisasi lokal yang kemudian memicu pembukaan kanal natrium berpintu tegangan. Ini memulai suatu potensial aksi pada membran.
- Potensial aksi merambat sepanjang membran serat otot dengan cara yang sama seperti pada membran serat saraf.
- Potensial aksi mendepolarisasi membran otot, dan sebagian besar arus listrik potensial aksi mengalir ke bagian tengah serat otot. Di sini, hal ini menyebabkan retikulum sarkoplasma melepaskan sejumlah besar ion kalsium yang telah disimpan di dalamnya.
- Ion kalsium memulai gaya tarik antara filamen aktin dan miosin, menyebabkan keduanya saling meluncur berdampingan, yang merupakan proses kontraksi.
- Setelah sebagian kecil detik, ion kalsium dipompa kembali ke dalam retikulum sarkoplasma oleh pompa membran Ca++, dan tetap disimpan di dalam retikulum hingga potensial aksi otot berikutnya datang; penghilangan ion kalsium dari miofibril ini menyebabkan kontraksi otot berhenti.
Selanjutnya akan dijelaskan mesin molekuler dari proses kontraksi otot.
Mekanisme Molekuler Kontraksi Otot
Mekanisme Filamen Geser pada Kontraksi Otot. Gambar 6-5 memperlihatkan mekanisme dasar kontraksi otot. Gambar tersebut menunjukkan keadaan relaksasi sarkomer (atas) dan keadaan kontraksi (bawah). Pada keadaan relaksasi, ujung filamen aktin yang memanjang dari dua diskus Z yang berurutan hampir mulai saling tumpang tindih. Sebaliknya, pada keadaan kontraksi, filamen aktin ini ditarik ke dalam di antara filamen miosin, sehingga ujung-ujungnya saling tumpang tindih secara maksimal. Selain itu, diskus Z ditarik oleh filamen aktin hingga mencapai ujung filamen miosin. Dengan demikian, kontraksi otot terjadi melalui mekanisme filamen geser.
Namun, apa yang menyebabkan filamen aktin meluncur ke dalam di antara filamen miosin? Hal ini disebabkan oleh gaya yang dihasilkan oleh interaksi jembatan silang dari filamen miosin dengan filamen aktin. Dalam kondisi istirahat, gaya ini tidak aktif. Namun, ketika potensial aksi merambat sepanjang serat otot, hal ini menyebabkan retikulum sarkoplasma melepaskan sejumlah besar ion kalsium yang dengan cepat mengelilingi miofibril. Ion kalsium kemudian mengaktifkan gaya antara filamen miosin dan aktin, sehingga kontraksi dimulai. Namun, energi diperlukan agar proses kontraksi dapat berlangsung. Energi ini berasal dari ikatan berenergi tinggi dalam molekul ATP, yang diuraikan menjadi adenosin difosfat (ADP) untuk melepaskan energi. Pada bagian berikutnya akan dijelaskan secara rinci proses molekuler kontraksi ini.
Karakteristik Molekuler Filamen Kontraktil
Filamen Miosin Tersusun atas Banyak Molekul Miosin. Setiap molekul miosin, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 6-6A, memiliki berat molekul sekitar 480.000. Gambar 6-6B menunjukkan organisasi banyak molekul untuk membentuk suatu filamen miosin, serta interaksi filamen ini pada satu sisi dengan ujung dua filamen aktin.
Molekul miosin (lihat Gambar 6-6A) tersusun atas enam rantai polipeptida—dua rantai berat, masing-masing dengan berat molekul sekitar 200.000, dan empat rantai ringan dengan berat molekul sekitar 20.000 masing-masing. Dua rantai berat tersebut melilit satu sama lain secara spiral membentuk heliks ganda, yang disebut ekor molekul miosin. Salah satu ujung dari masing-masing rantai ini terlipat secara bilateral membentuk struktur polipeptida globular yang disebut kepala miosin. Dengan demikian, terdapat dua kepala bebas pada satu ujung molekul miosin heliks ganda. Empat rantai ringan juga merupakan bagian dari kepala miosin, dua pada setiap kepala. Rantai ringan ini membantu mengatur fungsi kepala selama kontraksi otot.
Filamen miosin tersusun atas 200 atau lebih molekul miosin individual. Bagian tengah dari salah satu filamen ini ditunjukkan pada Gambar 6-6B, memperlihatkan ekor molekul miosin yang tersusun bersama membentuk badan filamen, sementara banyak kepala molekul menjulur ke luar di sisi-sisi badan. Selain itu, sebagian badan dari setiap molekul miosin juga menjulur ke samping bersama kepala, sehingga membentuk lengan yang memanjangkan kepala menjauhi badan, seperti terlihat pada gambar. Lengan dan kepala yang menonjol ini secara bersama disebut jembatan silang. Setiap jembatan silang bersifat fleksibel pada dua titik yang disebut engsel—satu di tempat lengan keluar dari badan filamen miosin, dan satu lagi di tempat kepala melekat pada lengan. Lengan berengsel ini memungkinkan kepala untuk memanjang jauh ke luar dari badan filamen miosin atau ditarik mendekati badan. Kepala berengsel ini kemudian berperan dalam proses kontraksi yang sebenarnya, sebagaimana dibahas pada bagian berikutnya.
Panjang total setiap filamen miosin bersifat seragam, hampir tepat 1,6 mikrometer. Namun, perlu diperhatikan bahwa tidak terdapat kepala jembatan silang di bagian tengah filamen miosin sepanjang sekitar 0,2 mikrometer karena lengan berengsel menjauh dari pusat.
Untuk melengkapi gambaran, filamen miosin itu sendiri terpilin sedemikian rupa sehingga setiap pasangan jembatan silang berikutnya bergeser secara aksial sebesar 120 derajat dari pasangan sebelumnya. Hal ini memastikan bahwa jembatan silang menjulur ke segala arah di sekitar filamen.
Aktivitas ATPase pada Kepala Miosin. Karakteristik lain dari kepala miosin yang esensial untuk kontraksi otot adalah fungsinya sebagai enzim ATPase. Seperti dijelaskan kemudian, sifat ini memungkinkan kepala untuk memecah ATP dan menggunakan energi yang berasal dari ikatan fosfat berenergi tinggi ATP untuk menggerakkan proses kontraksi.
Filamen Aktin Tersusun atas Aktin, Tropomiosin, dan Troponin. Kerangka utama filamen aktin adalah molekul protein F-aktin beruntai ganda, yang digambarkan oleh dua untai berwarna lebih terang pada Gambar 6-7. Kedua untai ini terpilin dalam bentuk heliks dengan cara yang sama seperti molekul miosin.
Setiap untai dari heliks ganda F-aktin tersusun atas molekul G-aktin yang terpolimerisasi, masing-masing memiliki berat molekul sekitar 42.000. Pada setiap molekul G-aktin melekat satu molekul ADP. Diperkirakan bahwa molekul ADP ini merupakan situs aktif pada filamen aktin yang berinteraksi dengan jembatan silang dari filamen miosin untuk menyebabkan kontraksi otot. Situs aktif pada dua untai F-aktin dari heliks ganda tersusun secara berselang-seling, sehingga terdapat satu situs aktif pada keseluruhan filamen aktin setiap sekitar 2,7 nanometer.
Setiap filamen aktin memiliki panjang sekitar 1 mikrometer. Basis filamen aktin tertanam kuat pada diskus Z; ujung filamen menjulur ke kedua arah untuk berada di ruang di antara molekul miosin, seperti ditunjukkan pada Gambar 6-5.
Molekul Tropomiosin. Filamen aktin juga mengandung protein lain, yaitu tropomiosin. Setiap molekul tropomiosin memiliki berat molekul 70.000 dan panjang 40 nanometer. Molekul-molekul ini melilit secara spiral di sepanjang sisi heliks F-aktin. Dalam keadaan istirahat, molekul tropomiosin berada di atas situs aktif pada untai aktin sehingga tidak terjadi interaksi antara filamen aktin dan miosin yang dapat menyebabkan kontraksi.
Troponin dan Perannya dalam Kontraksi Otot. Melekat secara berkala di sepanjang sisi molekul tropomiosin terdapat molekul protein lain yang disebut troponin. Molekul ini sebenarnya merupakan kompleks dari tiga subunit protein yang terikat longgar, masing-masing memiliki peran spesifik dalam mengendalikan kontraksi otot. Salah satu subunit (troponin I) memiliki afinitas kuat terhadap aktin, subunit lain (troponin T) terhadap tropomiosin, dan subunit ketiga (troponin C) terhadap ion kalsium. Kompleks ini diduga menghubungkan tropomiosin dengan aktin. Afinitas kuat troponin terhadap ion kalsium diyakini memulai proses kontraksi, sebagaimana dijelaskan pada bagian berikutnya.
Interaksi Satu Filamen Miosin, Dua Filamen Aktin, dan Ion Kalsium dalam Menyebabkan Kontraksi
Inhibisi Filamen Aktin oleh Kompleks Troponin-Tropomiosin; Aktivasi oleh Ion Kalsium. Filamen aktin murni tanpa keberadaan kompleks troponin-tropomiosin (namun dengan adanya ion magnesium dan ATP) akan segera dan kuat berikatan dengan kepala molekul miosin. Namun, jika kompleks troponin-tropomiosin ditambahkan pada filamen aktin, ikatan antara miosin dan aktin tidak terjadi. Oleh karena itu, diyakini bahwa situs aktif pada filamen aktin normal dalam keadaan otot relaksasi dihambat atau tertutup secara fisik oleh kompleks troponin-tropomiosin. Akibatnya, situs tersebut tidak dapat berikatan dengan kepala filamen miosin untuk menyebabkan kontraksi. Sebelum kontraksi dapat terjadi, efek inhibisi dari kompleks troponin-tropomiosin itu sendiri harus dihilangkan.
Hal ini membawa kita pada peran ion kalsium. Dalam keberadaan sejumlah besar ion kalsium, efek inhibisi troponin-tropomiosin pada filamen aktin menjadi terhambat. Mekanismenya belum diketahui secara pasti, tetapi salah satu hipotesis adalah sebagai berikut: ketika ion kalsium berikatan dengan troponin C, yang masing-masing molekulnya dapat berikatan kuat dengan hingga empat ion kalsium, kompleks troponin mengalami perubahan konformasi yang kemudian menarik molekul tropomiosin dan memindahkannya lebih dalam ke dalam alur di antara dua untai aktin. Hal ini “membuka” situs aktif aktin, sehingga memungkinkan situs tersebut menarik kepala jembatan silang miosin dan menyebabkan kontraksi berlangsung. Meskipun ini merupakan mekanisme hipotetis, hal ini menekankan bahwa hubungan normal antara kompleks troponin-tropomiosin dan aktin diubah oleh ion kalsium, menghasilkan kondisi baru yang mengarah pada kontraksi.
Interaksi antara Filamen Aktin yang “Teraktivasi” dan Jembatan Silang Miosin—Teori “Walk-Along” Kontraksi. Segera setelah filamen aktin diaktifkan oleh ion kalsium, kepala jembatan silang dari filamen miosin tertarik ke situs aktif pada filamen aktin, dan hal ini, dengan suatu cara, menyebabkan kontraksi terjadi. Meskipun mekanisme pasti interaksi ini masih sebagian bersifat teoretis, salah satu hipotesis yang didukung oleh banyak bukti adalah teori “walk-along” (atau teori “ratchet”) kontraksi.
Gambar 6-8 menggambarkan mekanisme walk-along yang diusulkan untuk kontraksi. Gambar tersebut menunjukkan kepala dua jembatan silang yang melekat dan melepaskan diri dari situs aktif pada filamen aktin. Diperkirakan bahwa ketika suatu kepala melekat pada situs aktif, perlekatan ini secara simultan menyebabkan perubahan besar pada gaya intramolekuler antara kepala dan lengan jembatan silang tersebut. Susunan gaya yang baru ini menyebabkan kepala menekuk ke arah lengan dan menarik filamen aktin bersamanya. Penekukan kepala ini disebut power stroke. Segera setelah menekuk, kepala secara otomatis melepaskan diri dari situs aktif. Selanjutnya, kepala kembali ke posisi memanjang. Dalam posisi ini, kepala berikatan dengan situs aktif baru yang lebih jauh di sepanjang filamen aktin; kemudian kepala kembali menekuk untuk menghasilkan power stroke baru, dan filamen aktin bergerak satu langkah lagi. Dengan demikian, kepala jembatan silang bergerak bolak-balik dan secara bertahap berjalan sepanjang filamen aktin, menarik ujung dua filamen aktin yang berurutan ke arah pusat filamen miosin.
Setiap jembatan silang diyakini bekerja secara independen dari yang lain, masing-masing melekat dan menarik dalam siklus berulang yang kontinu. Oleh karena itu, semakin banyak jembatan silang yang berinteraksi dengan filamen aktin pada suatu waktu, semakin besar gaya kontraksi yang dihasilkan.
Comments (0)