Pengukuran Potensial Membran

Metode untuk mengukur potensial membran secara teori sederhana tetapi sering kali sulit dalam praktik karena ukuran sebagian besar serabut yang sangat kecil. Gambar 5-2 menunjukkan sebuah pipet kecil yang diisi dengan larutan elektrolit. Pipet tersebut ditusukkan menembus membran sel ke bagian dalam serabut. Kemudian elektroda lain, yang disebut “elektroda indiferens,” ditempatkan dalam cairan ekstraseluler, dan perbedaan potensial antara bagian dalam dan luar serabut diukur menggunakan voltmeter yang sesuai. Voltmeter ini merupakan perangkat elektronik yang sangat canggih yang mampu mengukur tegangan kecil meskipun terdapat hambatan listrik yang sangat tinggi melalui ujung mikropipet, yang biasanya memiliki diameter lumen kurang dari 1 mikrometer dan resistansi lebih dari satu juta ohm. Untuk merekam perubahan cepat dalam potensial membran selama transmisi impuls saraf, mikroelektroda dihubungkan dengan osiloskop, sebagaimana dijelaskan kemudian dalam bab ini.

Bagian bawah Gambar 5-2 menunjukkan potensial listrik yang diukur pada setiap titik di dalam atau di dekat membran serabut saraf, dimulai dari sisi kiri gambar dan bergerak ke kanan. Selama elektroda berada di luar membran saraf, potensial yang tercatat adalah nol, yang merupakan potensial cairan ekstraseluler. Kemudian, ketika elektroda pencatat melewati daerah perubahan tegangan pada membran sel (disebut lapisan dipol listrik), potensial menurun secara tiba-tiba menjadi −90 milivolt. Saat bergerak melintasi bagian tengah serabut, potensial tetap stabil pada −90 milivolt, tetapi segera kembali ke nol saat elektroda melewati membran di sisi berlawanan dari serabut.

 

Untuk menciptakan potensial negatif di dalam membran, hanya sejumlah kecil ion positif yang diperlukan untuk membentuk lapisan dipol listrik pada membran itu sendiri yang harus dipindahkan ke luar. Semua ion lainnya di dalam serabut saraf dapat berupa ion positif maupun negatif, sebagaimana ditunjukkan pada panel atas Gambar 5-3. Oleh karena itu, jumlah ion yang sangat kecil harus dipindahkan melintasi membran untuk membentuk “potensial istirahat” normal sebesar −90 milivolt di dalam serabut saraf; ini berarti hanya sekitar 1/3.000.000 hingga 1/100.000.000 dari total muatan positif di dalam serabut yang perlu dipindahkan. Selain itu, jumlah kecil ion positif yang bergerak dari luar ke dalam serabut dapat membalikkan potensial dari −90 milivolt menjadi hingga +35 milivolt dalam waktu sesingkat 1/10.000 detik. Perubahan cepat ion seperti ini menyebabkan sinyal saraf yang dibahas pada bagian selanjutnya dalam bab ini.

Potensial Membran Istirahat pada Saraf

Potensial membran istirahat pada serabut saraf besar ketika tidak menghantarkan sinyal saraf adalah sekitar −90 milivolt. Artinya, potensial di dalam serabut adalah 90 milivolt lebih negatif dibandingkan potensial pada cairan ekstraseluler di luar serabut. Dalam beberapa paragraf berikut, sifat transport membran saraf saat istirahat untuk natrium dan kalium serta faktor-faktor yang menentukan tingkat potensial istirahat ini akan dijelaskan.

Transpor Aktif Ion Natrium dan Kalium Melalui Membran—Pompa Natrium-Kalium (Na?-K?). Pertama, perlu diingat dari Bab 4 bahwa semua membran sel tubuh memiliki pompa Na?-K? yang kuat yang secara terus-menerus memindahkan ion natrium ke luar sel dan ion kalium ke dalam, seperti ditunjukkan pada sisi kiri Gambar 5-4. Selain itu, perhatikan bahwa ini adalah pompa elektrogenik karena lebih banyak muatan positif yang dipompa ke luar dibandingkan ke dalam (tiga ion Na? ke luar untuk setiap dua ion K? ke dalam), sehingga meninggalkan defisit bersih ion positif di bagian dalam; hal ini menyebabkan potensial negatif di dalam membran sel.

Pompa Na?-K? juga menghasilkan gradien konsentrasi yang besar untuk natrium dan kalium melintasi membran saraf saat istirahat. Gradien tersebut adalah sebagai berikut:

Na? (luar): 142 mEq/L
Na? (dalam): 14 mEq/L
K? (luar): 4 mEq/L
K? (dalam): 140 mEq/L

Rasio kedua ion tersebut dari dalam terhadap luar adalah:

Kebocoran Kalium Melalui Membran Saraf. Sisi kanan Gambar 5-4 menunjukkan protein saluran, yang kadang disebut saluran kalium “tandem pore domain” atau saluran “kebocoran” kalium (K?), pada membran saraf yang memungkinkan kalium bocor bahkan pada sel dalam keadaan istirahat. Struktur dasar saluran kalium telah dijelaskan pada Bab 4 (Gambar 4-4). Saluran kebocoran K? ini juga dapat sedikit meloloskan ion natrium, tetapi jauh lebih permeabel terhadap kalium dibandingkan natrium, biasanya sekitar 100 kali lebih permeabel. Seperti akan dibahas kemudian, perbedaan permeabilitas ini merupakan faktor kunci dalam menentukan tingkat potensial membran istirahat normal.

Asal Usul Potensial Membran Istirahat Normal

Gambar 5-5 menunjukkan faktor-faktor penting dalam pembentukan potensial membran istirahat normal sebesar −90 milivolt. Faktor-faktor tersebut adalah sebagai berikut.

Kontribusi Potensial Difusi Kalium

Pada Gambar 5-5A, diasumsikan bahwa satu-satunya pergerakan ion melalui membran adalah difusi ion kalium, sebagaimana ditunjukkan oleh saluran terbuka antara simbol kalium (K?) di dalam dan di luar membran. Karena rasio ion kalium di dalam terhadap di luar tinggi, yaitu 35:1, maka potensial Nernst yang sesuai dengan rasio ini adalah −94 milivolt karena logaritma dari 35 adalah 1,54, dan nilai ini dikalikan dengan −61 milivolt menghasilkan −94 milivolt. Oleh karena itu, jika ion kalium merupakan satu-satunya faktor yang menyebabkan potensial istirahat, maka potensial istirahat di dalam serabut akan sama dengan −94 milivolt, seperti ditunjukkan pada gambar.

Gambar 5-5 Pembentukan potensial membran istirahat pada serabut saraf dalam tiga kondisi: A, ketika potensial membran sepenuhnya disebabkan oleh difusi kalium saja; B, ketika potensial membran disebabkan oleh difusi ion natrium dan kalium; dan C, ketika potensial membran disebabkan oleh difusi ion natrium dan kalium serta pemompaan kedua ion tersebut oleh pompa Na?-K?.

Kontribusi Difusi Natrium Melalui Membran Saraf

Gambar 5-5B menunjukkan penambahan permeabilitas kecil membran saraf terhadap ion natrium, yang disebabkan oleh difusi kecil ion natrium melalui saluran kebocoran K?-Na?. Rasio ion natrium dari dalam ke luar membran adalah 0,1, dan hal ini memberikan potensial Nernst yang dihitung untuk bagian dalam membran sebesar +61 milivolt. Namun, pada Gambar 5-5B juga ditunjukkan potensial Nernst untuk difusi kalium sebesar −94 milivolt. Bagaimana keduanya berinteraksi, dan berapa potensial totalnya? Hal ini dapat dijawab dengan menggunakan persamaan Goldman yang telah dijelaskan sebelumnya. Secara intuitif, dapat dipahami bahwa jika membran sangat permeabel terhadap kalium tetapi hanya sedikit permeabel terhadap natrium, maka logis bahwa difusi kalium memberikan kontribusi yang jauh lebih besar terhadap potensial membran dibandingkan difusi natrium. Pada serabut saraf normal, permeabilitas membran terhadap kalium sekitar 100 kali lebih besar daripada terhadap natrium. Dengan menggunakan nilai ini dalam persamaan Goldman, diperoleh potensial di dalam membran sebesar −86 milivolt, yang mendekati potensial kalium yang ditunjukkan pada gambar.

Kontribusi Pompa Na?-K?

Pada Gambar 5-5C, pompa Na?-K? ditunjukkan memberikan kontribusi tambahan terhadap potensial istirahat. Dalam gambar ini, terjadi pemompaan kontinu tiga ion natrium ke luar untuk setiap dua ion kalium yang dipompa ke dalam membran. Fakta bahwa lebih banyak ion natrium dipompa ke luar dibandingkan ion kalium ke dalam menyebabkan kehilangan muatan positif secara terus-menerus dari bagian dalam membran; hal ini menciptakan tambahan derajat elektronegativitas (sekitar −4 milivolt tambahan) di bagian dalam selain yang dihasilkan oleh difusi saja. Oleh karena itu, seperti ditunjukkan pada Gambar 5-5C, potensial membran bersih dengan semua faktor ini bekerja secara bersamaan adalah sekitar −90 milivolt.

Sebagai ringkasan, potensial difusi saja yang disebabkan oleh difusi kalium dan natrium akan menghasilkan potensial membran sekitar −86 milivolt, yang hampir seluruhnya ditentukan oleh difusi kalium. Kemudian, tambahan −4 milivolt diberikan oleh pompa Na?-K? elektrogenik yang bekerja terus-menerus, sehingga menghasilkan potensial membran bersih sebesar −90 milivolt.

Potensial Aksi Saraf

Sinyal saraf dihantarkan oleh potensial aksi, yaitu perubahan cepat pada potensial membran yang menyebar dengan cepat sepanjang membran serabut saraf. Setiap potensial aksi dimulai dengan perubahan mendadak dari potensial membran negatif saat istirahat menjadi potensial positif, dan kemudian diakhiri dengan perubahan yang hampir sama cepatnya kembali ke potensial negatif. Untuk menghantarkan sinyal saraf, potensial aksi bergerak sepanjang serabut saraf hingga mencapai ujung serabut tersebut.

Gambar 5-6 Potensial aksi khas yang direkam dengan metode yang ditunjukkan pada panel atas gambar.

Panel atas Gambar 5-6 menunjukkan perubahan yang terjadi pada membran selama potensial aksi, dengan perpindahan muatan positif ke bagian dalam serabut pada awalnya dan kembalinya muatan positif ke bagian luar pada akhirnya. Panel bawah menunjukkan secara grafis perubahan bertahap dalam potensial membran selama beberapa sepersepuluh ribu detik, menggambarkan awal potensial aksi yang eksplosif dan pemulihan yang hampir sama cepatnya.

Tahapan berturut-turut dari potensial aksi adalah sebagai berikut.

Tahap Istirahat. Ini adalah potensial membran saat istirahat sebelum potensial aksi dimulai. Membran dikatakan “terpolarisasi” pada tahap ini karena adanya potensial membran negatif sebesar −90 milivolt.

Tahap Depolarisasi. Pada tahap ini, membran tiba-tiba menjadi permeabel terhadap ion natrium, memungkinkan sejumlah besar ion natrium bermuatan positif berdifusi ke dalam akson. Keadaan “terpolarisasi” normal sebesar −90 milivolt segera dinetralkan oleh masuknya ion natrium bermuatan positif, dengan potensial meningkat cepat ke arah positif. Hal ini disebut depolarisasi. Pada serabut saraf besar, kelebihan besar ion natrium positif yang masuk menyebabkan potensial membran benar-benar “melewati” nol dan menjadi sedikit positif. Pada beberapa serabut yang lebih kecil, serta pada banyak neuron sistem saraf pusat, potensial hanya mendekati nol dan tidak melewati ke keadaan positif.

Tahap Repolarisasi. Dalam beberapa sepersepuluh ribu detik setelah membran menjadi sangat permeabel terhadap ion natrium, saluran natrium mulai menutup dan saluran kalium terbuka lebih banyak dari normal. Kemudian, difusi cepat ion kalium ke luar kembali membentuk potensial membran istirahat negatif yang normal. Hal ini disebut repolarisasi membran.

Untuk menjelaskan lebih lanjut faktor-faktor yang menyebabkan depolarisasi dan repolarisasi, akan dijelaskan karakteristik khusus dari dua jenis saluran transpor lainnya melalui membran saraf: saluran natrium dan kalium berpintu tegangan.

Saluran Natrium dan Kalium Berpintu Tegangan

Faktor utama yang menyebabkan depolarisasi dan repolarisasi membran saraf selama potensial aksi adalah saluran natrium berpintu tegangan. Saluran kalium berpintu tegangan juga berperan penting dalam meningkatkan kecepatan repolarisasi membran. Kedua saluran berpintu tegangan ini merupakan tambahan selain pompa Na?-K? dan saluran kebocoran K?.

Saluran Natrium Berpintu Tegangan—Aktivasi dan Inaktivasi Saluran

Gambar 5-7 Karakteristik saluran natrium berpintu tegangan (atas) dan saluran kalium berpintu tegangan (bawah), yang menunjukkan aktivasi dan inaktivasi berturut-turut saluran natrium serta aktivasi yang tertunda dari saluran kalium ketika potensial membran berubah dari nilai negatif normal saat istirahat menjadi nilai positif.

Panel atas Gambar 5-7 menunjukkan saluran natrium berpintu tegangan dalam tiga keadaan yang berbeda. Saluran ini memiliki dua gerbang—satu di dekat bagian luar saluran yang disebut gerbang aktivasi, dan satu lagi di dekat bagian dalam yang disebut gerbang inaktivasi. Bagian kiri atas gambar menggambarkan keadaan kedua gerbang ini pada membran istirahat normal ketika potensial membran adalah −90 milivolt. Pada keadaan ini, gerbang aktivasi tertutup, sehingga mencegah masuknya ion natrium ke dalam serabut melalui saluran ini.

Aktivasi Saluran Natrium. Ketika potensial membran menjadi kurang negatif dibandingkan keadaan istirahat, meningkat dari −90 milivolt menuju nol, akhirnya mencapai suatu tegangan—biasanya antara −70 hingga −50 milivolt—yang menyebabkan perubahan konformasi mendadak pada gerbang aktivasi, sehingga terbuka sepenuhnya. Keadaan ini disebut keadaan teraktivasi; pada keadaan ini, ion natrium dapat masuk dengan cepat melalui saluran, meningkatkan permeabilitas natrium membran hingga 500 hingga 5000 kali lipat.

Inaktivasi Saluran Natrium. Panel kanan atas Gambar 5-7 menunjukkan keadaan ketiga dari saluran natrium. Peningkatan tegangan yang sama yang membuka gerbang aktivasi juga menutup gerbang inaktivasi. Namun, gerbang inaktivasi menutup beberapa sepersepuluh ribu detik setelah gerbang aktivasi terbuka. Artinya, perubahan konformasi yang menutup gerbang inaktivasi berlangsung lebih lambat dibandingkan perubahan yang membuka gerbang aktivasi. Oleh karena itu, setelah saluran natrium tetap terbuka selama beberapa sepersepuluh ribu detik, gerbang inaktivasi menutup, dan ion natrium tidak lagi dapat masuk ke dalam membran. Pada titik ini, potensial membran mulai kembali menuju keadaan istirahat, yaitu proses repolarisasi.

Karakteristik penting lainnya dari proses inaktivasi saluran natrium adalah bahwa gerbang inaktivasi tidak akan terbuka kembali sampai potensial membran kembali ke atau mendekati tingkat potensial membran istirahat semula. Oleh karena itu, biasanya saluran natrium tidak dapat terbuka kembali tanpa terlebih dahulu terjadi repolarisasi serabut saraf.

Saluran Kalium Berpintu Tegangan dan Aktivasi

Panel bawah Gambar 5-7 menunjukkan saluran kalium berpintu tegangan dalam dua keadaan: selama keadaan istirahat (kiri) dan menjelang akhir potensial aksi (kanan). Selama keadaan istirahat, gerbang saluran kalium tertutup dan ion kalium tidak dapat melewati saluran ini ke luar. Ketika potensial membran meningkat dari −90 milivolt menuju nol, perubahan tegangan ini menyebabkan pembukaan konformasi gerbang dan memungkinkan peningkatan difusi kalium ke luar melalui saluran. Namun, karena adanya sedikit keterlambatan dalam pembukaan saluran kalium, sebagian besar saluran ini terbuka tepat pada saat saluran natrium mulai menutup akibat inaktivasi. Dengan demikian, penurunan masuknya natrium ke dalam sel dan peningkatan keluarnya kalium secara bersamaan mempercepat proses repolarisasi, sehingga memungkinkan pemulihan penuh potensial membran istirahat dalam beberapa sepersepuluh ribu detik berikutnya.

Gambar 5-8 Metode “voltage clamp” untuk mempelajari aliran ion melalui saluran tertentu.

Gambar 5-9 Perubahan khas dalam konduktansi saluran ion natrium dan kalium ketika potensial membran tiba-tiba ditingkatkan dari nilai istirahat normal −90 milivolt menjadi nilai positif +10 milivolt selama 2 milidetik. Gambar ini menunjukkan bahwa saluran natrium membuka (aktivasi) dan kemudian menutup (inaktivasi) sebelum akhir 2 milidetik, sedangkan saluran kalium hanya membuka (aktivasi), dan laju pembukaannya jauh lebih lambat dibandingkan saluran natrium.

Penelitian awal yang menghasilkan pemahaman kuantitatif tentang saluran natrium dan kalium sangat cerdik sehingga memberikan Hadiah Nobel kepada para ilmuwan yang bertanggung jawab, Hodgkin dan Huxley. Inti dari penelitian ini ditunjukkan pada Gambar 5-8 dan 5-9.

Gambar 5-8 menunjukkan suatu perangkat eksperimental yang disebut voltage clamp, yang digunakan untuk mengukur aliran ion melalui berbagai saluran. Dalam penggunaan alat ini, dua elektroda dimasukkan ke dalam serabut saraf. Salah satunya digunakan untuk mengukur tegangan potensial membran, dan yang lainnya untuk menghantarkan arus listrik ke dalam atau ke luar serabut saraf. Alat ini digunakan sebagai berikut: peneliti menentukan tegangan yang ingin ditetapkan di dalam serabut saraf. Bagian elektronik alat kemudian disesuaikan dengan tegangan yang diinginkan, dan alat ini secara otomatis menyuntikkan listrik positif atau negatif melalui elektroda arus dengan laju yang diperlukan untuk mempertahankan tegangan, sebagaimana diukur oleh elektroda tegangan, pada tingkat yang ditentukan oleh operator. Ketika potensial membran tiba-tiba ditingkatkan oleh voltage clamp dari −90 milivolt menjadi nol, saluran natrium dan kalium berpintu tegangan terbuka dan ion natrium serta kalium mulai mengalir melalui saluran tersebut. Untuk menyeimbangkan efek pergerakan ion ini terhadap tegangan intraseluler yang diinginkan, arus listrik secara otomatis disuntikkan melalui elektroda arus dari voltage clamp untuk mempertahankan tegangan intraseluler pada tingkat nol yang tetap. Untuk mencapai hal ini, arus yang disuntikkan harus sama besar tetapi berlawanan polaritas dengan aliran arus bersih melalui saluran membran. Untuk mengukur besarnya aliran arus pada setiap saat, elektroda arus dihubungkan ke osiloskop yang merekam aliran arus, seperti ditunjukkan pada layar osiloskop pada Gambar 5-8.

Selanjutnya, peneliti mengubah konsentrasi ion menjadi berbeda dari nilai normal baik di dalam maupun di luar serabut saraf dan mengulangi penelitian. Hal ini dapat dilakukan dengan mudah pada serabut saraf besar yang diambil dari beberapa invertebrata, terutama akson cumi-cumi raksasa, yang dalam beberapa kasus berdiameter hingga 1 milimeter. Ketika natrium merupakan satu-satunya ion yang dapat melewati membran dalam larutan di dalam dan di luar akson cumi-cumi, voltage clamp hanya mengukur aliran arus melalui saluran natrium. Ketika kalium merupakan satu-satunya ion yang dapat melewati membran, maka aliran arus yang diukur hanya melalui saluran kalium.

Cara lain untuk mempelajari aliran ion melalui jenis saluran tertentu adalah dengan memblokir satu jenis saluran pada satu waktu. Sebagai contoh, saluran natrium dapat diblokir oleh suatu toksin yang disebut tetrodotoksin dengan cara diaplikasikan pada bagian luar membran sel tempat gerbang aktivasi natrium berada. Sebaliknya, ion tetraetilamonium memblokir saluran kalium ketika diaplikasikan pada bagian dalam serabut saraf.

Gambar 5-9 menunjukkan perubahan khas dalam konduktansi saluran natrium dan kalium berpintu tegangan ketika potensial membran tiba-tiba diubah menggunakan voltage clamp dari −90 milivolt menjadi +10 milivolt dan kemudian, 2 milidetik kemudian, kembali ke −90 milivolt. Perhatikan pembukaan mendadak saluran natrium (tahap aktivasi) dalam sebagian kecil milidetik setelah potensial membran ditingkatkan ke nilai positif. Namun, selama sekitar satu milidetik berikutnya, saluran natrium secara otomatis menutup (tahap inaktivasi).

Perhatikan pembukaan (aktivasi) saluran kalium. Saluran ini terbuka secara lambat dan mencapai keadaan terbuka penuh hanya setelah saluran natrium hampir sepenuhnya tertutup. Selain itu, setelah saluran kalium terbuka, saluran ini tetap terbuka selama seluruh durasi potensial membran positif dan tidak menutup kembali sampai potensial membran kembali menurun ke nilai negatif.