A. OTOT RANGKA Kontraksi otat Rangka Kira-kira 40 persen dari seluruh tubuh terdiri dari otot rangka, dan rnungkin 10 persen lainnya berupa otot polos dan otot jantung. Beberapa prinsip dasar yang sama mengenai koritraksi dapat diterapkan pada semua jenis otot yang berbeda ini.

Fisiologl Anatomi Otot Rangka Serabut Otot Rangka menggambarkan susunan otot rangka, yang memperlihatkan bahwa semua otot rangka dibentuk oleh sejumlah serabut yang diameternya berkisar dari 10 sampai 80 mikrometer. Masing-masing serabut ini terbuat dari rangkaian subunit yang lebih kecil. Pada sebagian besar otot rangka Masing-rnasing serabutnya membentang di seluruh panjang otot. Kecuali pada sekitar 2 persen serabut. Masing-masing serabut biasanya hanya dipersarafi oleh satu ujung saraf, yang terletak di dekat bagian tengah serabut. Sarkoierna. Sarkolema adalah membran sel dan serabut otot. Sarkolerna terdiri dan membran sel yang sebenarnya, yang disebut membran plasma, dan sebuah lapisan luar yang terdiri dari satu lapisan tipis materi polisakarida yang rnengandung, sejumlah fibril kolagen tipis. Di setiap ujung serabut otot, lapisan permukaan sarkolerna ini bersatu dengan serabut tendon, dan serabut-serabut tendon kemudian berkumpul menjadi berkas untuk membentuk tendon otot dan kemudian rnenyisip ke dalam tulang.

Mioftbril; Filamen Aktin don Miosin. Setiap serabut otot mengandung beberaparatus sarnpai beberapa ribu miofibril. Setiap miofibril tersusun oleh sekitar 1500,filamen yang berdekatan dan 3000.filamen aktin yang rnerupakan molekul protein polimer besar yang bertanggung jawab untuk kontraksi otot sesungguhnya. Filamen-filamen ini dapat dilihat pada pandangan longitudinal dengan mikograf elektron. Filamen tebal dalam diagram adalah miosin dan filamen tipis adalah aktin. Filament miosin dan aktin sebagian saling bertautan sehingga miofibril memiliki pita terang dan gelap yang berselang-seling. Pita-pita terang hanya mengandung filamen aktin dan disebut pita I karena bersifat isotropik terhadap cahaya yang dipolarisasikan.

Gambar 1. Organisasi otot rangka, dari yang besar sampai tingkat molekul. F, G, H, dan I adalah penampang melintang pada tingkat yang ditunjukkan. (digambar oleh Sylvia Colard Keene. Dimodifikasi dari Fewcwtt DW: Bloom dan Fawcet: A Textbook of Histology. Philadelphia: W.B. Saunders, 1986)

Pita-pita gelap mengandung filamen-filamen miosin, dan ujung-ujung filarnen aktin tempat pita-pita tersebut menumpangtindih miosin, vang disebut pita A karena bersifat anisotropik terhadap cahaya yang dipolarisasikan. Terdapat juga penonjolan-penonjolan kecil dari samping filamen miosin pada. Penonjolan ini merupakan jembatan silang. Interaksi antara jembatan silang dan filamen aktin tersebut adalah peristiwa yang menyebabkan kontraksi. Gambar 1 juga menunjukkan bahwa ujung-ujung filamen aktin melekat pada lempeng Z. Dari lempeng ini, filamen-filamen tersebut memanjang dalam dua arah untuk saling bertautan dengan filamen miosin. Lempeng Z, yang terdiri atas protein filamentosa, yang berbeda dari filamen aktin dan miosin, berjalan menyilang melewati miofibril dan juga menyilang dari satu miofibril ke miofibril lainnya, dan melekatkan miofibril satu dengan yang lain di sepanjang serabut otot. Oleh karena itu, seluruh serabut otot mempunyai pita terang dan gelap, seperti yang terdapat pada tiap-tiap miofibril. Pita-pita ini memberi corakan bergaris pada otot rangka dan otot jantung. Bagian miofibril (atau seluruh serabut otot) yang terletak antara dua lempeng Z yang berurutan disebut sarkomer. Bila serabut otot berkontraksi, seperti yang ditunjukkan pada bagian bawah Gambar 6-4, panjang sarkomer kira-kira 2 mikrometer. Pada ukuran panjang ini, filamen aktin bertumpang tindih seluruhnya dengan filamen miosin, dan ujung filamen aktin mulai bertumpang tindih satu sama lain. Kita akan lihat kemudian bahwa pada ukuran yang panjang ini, otot juga mampu menimbulkan daya kontraksi terbesarnya.

Gambar 2. Mikrograf elektron dari miofibril otot, yang menunjukka susunan rinci dari filament aktin dan myosin. Perhatikan mitokondria yang terletak diantara miofibril. (dari Fawcett DW: The Cell. Philadelphia, W.B. Saunders Company, 1981.)

Gambar 3. Reticulum sarkoplasma di ruang ektrasel di antara miofibril, yang menunjukkan system longiyudinal yang berjalan sejajar dengan miofibril. Pada potongan melintang terlihat juga tubulus T (panah) yang berjalan menuju bagian luar membrane serabut dan berkepentingan menghantarkan sinyak ke dalam pusat serabut otot. (dari Fawcett DW: The Cell, Philadelphia, W.B. Saunders Company. 1981)Apa yang Menyebabkan Filamen Miosin dan Aktin Tetap Berada di Tempatnya? Molekul Berfilamen Titin. Hubungan bersebelahan antara filamen men miosin dan aktin sulit dipertahankan. Hal ini dipertahankan oleh molekul protein berfilamen yang disebut titin. Setiap molekul titin mempunyai berat molekul sekitar 3 juta, yang menjadikannya protein molekul terbesar dalam tubuh. Karena berfilamen, titin juga sangat elastis. Molekul titin yang elastis ini berfungsi sebagai kerangka kerja yang menahan filamen miosin dan aktin agar tetap berada di tempat sehingga perangkat kontraksi sarkomer akan bekerja. Ada alasan untuk memercayai bahwa molekul titin sendiri berfungsi sebagai pola untuk bagian susunan awal filamen kontraktil sarkomer, terutama fila-men miosin. Sarkoplasma. Banyak miofibril dari setiap serabut otot terletak bersisian dengan serabut otot. Ruang di antara miofibril diisi oleh cairan intrasel yang disebut sarkoplasma, yang mengandung sejumlah besar kalium, magnesium, dan fosfat, ditambah berbagai enzim protein. Juga terdapat mitokondria dalam jumlah besar yang terletak sejajar dengan miofibril. Hal ini menyuplai miofibril sejumlah besar energi dalam bentuk adenosin trifosfat (ATP) yang dibentuk oleh mitokondria. Retikulum Sarkoplasma. Di dalam sarkoplasma juga `terdapat banyak retikulum (Gambar 3) yang mengelilingi miofibril setiap serabut otot disebut retikulum sarkoplasma. Retikulum ini mempunyai susunan khu-sus yang sangat penting pada pengaturan kontraksi otot, seperti yang dibahas di Bab 7. Semakin cepat kontraksi suatu serabut otot, maka serabut tersebut mempunyai ba-nyak retikulum sarkoplasma. Mekanisme Umum Kontraksi Otot Timbul dan berakhirnya kontraksi otot terjadi dalam urut-an tahap-tahap berikut. 1. Suatu potensial aksi berjalan di sepanjang sebuah saraf motorik sampai ke 2. Di setiap ujung, saraf menyekresi substansi neuro-transmiter, yaitu asetilkolin, dalam jumlah sedikit. 3. Asetilkolin bekerja pada area setempat pada mem-bran serabut otot untuk membuka banyak kanal "bergerbang asetilkolin" melalui molekul-molekul protein yang terapung pada membran. 4. Terbukanya kanal bergerbang asetilkolin memung-kinkan sejumlah besar ion natrium untuk berdifusi ke bagian dalam membran serabut otot. Peristiwa ini akan menimbulkan suatu potensial aksi pada membran. 5. Potensial aksi akan berjalan di sepanjang membran serabut otot dengan cara yang sama seperti potensial aksi berjalan di sepanjang membran serabut saraf. 6. Potensial aksi akan menimbulkan depolarisasi mem-bran otot, dan banyak aliran listrik potensial aksi mengalir melalui pusat serabut otot. Di sini, poten-sial aksi menyebabkan retikulum sarkoplasma me-lepaskan sejumlah besar ion kalsium, yang telah tersimpan di dalam retikulum ini. 7. Ion-ion kalsium menimbulkan kekuatan menarik antara filamen ,aktin dan miosin, yang rnenyebabkan kedua filamen tersebut bergeser satu sama lain dan menghasilkan proses kontraksi. 8. Setelah kurang dari satu detik, ion kalsiurn kembali ke dalam retikulum sarkoplasma oleh pompa membran Ca++, dan ion-ion ini tetap dalam retikulum sampai potensial aksi baru datang lagi; pengeluaran ion kalsium dari fibril akan menyebabkan kontraksi otot terhenti.

MEKANISME MOLEKULAR PADA KONTRAKSI OTOTMekanisme pergeseran filamen pada kontraksi otot

Gambar 4. Keadaan relaksasi dan kontraksi dari sebuah miofibril, menunjukkan pergeseran filament aktin kedalam ruangan antara filamen-filamen myosin dan menarik membrane Z ke arah membrane Z yang lain

Gambar 5. Molekul myosin. B, gabungan banyak molekul myosin untuk membentuk filament myosin. Juga terlihat ribuan jembatan silang myosin dan interaksi antara kepala jembatan silang dan filament aktin yang berdekatanGambar 4 menunjukkan mekanisme dasar ter-jadinya kontraksi otot. Gambar tersebut menunjukkan keadaan relaksasi dari suatu sarkomer (atas) dan keadaan kontraksi (bawah). Pada keadaan relaksasi, ujung-ujung filamen aktin yang memanjang dari dua lempeng Z yang berurutan sedikit saling tumpang tindih satu sama lain. Sebaliknya, pada keadaan kontraksi, filamen aktin ini telah tertarik ke dalam di antara filamen miosin, sehingga ujung-ujungnya sekarang saling tumpang tindih satu sama lain dengan pemanjangan yang maksimal. Lempeng Z juga telah ditarik oleh filamen aktin sampai ke ujung filamen miosin. Jadi, kontraksi otot terjadi tersebut mekanisme pergeseran filamen. Tetapi apa yang menyebabkan filamen-filamen aktin bergeser ke dalam di antara filamen-filamen miosin? Hal ini disebabkan oleh kekuatan yang dibentuk oleh interaksi jembatan silang dari filamen miosin dengan filamen ak-tin. Pada keadaan istirahat, kekuatan ini tidak aktif, tetapi bila sebuah potensial aksi berjalan di sepanjang membran serabut otot, hal ini akan menyebabkan retikulum sar-koplasma melepaskan ion kalsium dalam jumlah besar, yang dengan cepat mengelilingi miofibril. Ion-ion kal-sium ini kemudian mengaktifkan kekuatan di antara fila-men aktin dan miosin, dan mulai terjadi kontraksi. Tetapi energi juga diperlukan untuk berlangsungnya proses kon-traksi. Energi ini berasal dari ikatan berenergi tinggi pada molekul ATP, yang diuraikan menjadi adenesin difosfat (ADP) untuk membebaskan energi. Sifat molecular dari filamen pada kontraksiFilamen Miosin. Filamen miosin terdiri dari banyak molekul miosin, dan masing-masing mempunyai berat molekul kira-kira 480.000. Gambar 5A melukiskan sebuah molekul tunggal; Gambar 5B melukiskan susunan banyak molekul untuk membentuk sebuah filamen miosin, serta interaksi filamen ini pada salah satu sisi dengan ujung-ujung kedua filamen aktin. Molekul miosin (Gamber 5A) terdiri atas enam rantai polipeptidadua rantai berat, masing-masing dengan berat molekul kira-kira 200.000 dan empat rantai ringan dengan berat molekul masing-masing sekitar 20.000. Dua rantai berat saling melilit satu sama lain untuk membentuk heliks ganda, yang disebut sebagai ekor dari molekul miosin. Salah satu ujung dari masing-masing rantai ini melipat secara bilateral ke dalam suatu struktur polipeptida globuler yang disebut kepala miosin. Jadi, terdapat dua kepala bebas pada molekul miosin heliks ganda. Empat rantai ringan juga bagian dari kepala miosin, yaitu dua di setiap kepala. Rantai-rantai ringan ini membantu mengatur fungsi kepala selama kontraksi otot. Filamen miosin dibentuk oleh 200 atau lebih molekul miosin tunggal. Bagian tengah dari salah satu filamen-filamen ini dilukiskan pada Gambar 5B, yang memperlihatkan bagian ekor dari molekul miosin yang terikat bersama untuk membentuk bagian badan dari filamen, sementara banyak kepala dari molekul menggantung keluar pada bagian samping badan. Sebagian dari badan di setiap molekul miosin juga menggantung ke samping bersama dengan kepala, sehingga menyediakan suatu lengan yang memperpanjang kepala keluar dari badan, seperti yang diperlihatkan pada gambar. Bagian lengan dan kepala yang menonjol bersama-sama disebut jembatan silang. Masing-masing jembatan silang ini bersifat fleksibel di dua titik yang disebut engselsalah satu merupakan tempat lengan meninggalkan badan dari filamen miosin, dan yang satunya tempat kepala melekat pada lengan. Lengan yang berengsel akan mempermudah lengan untuk memanjang jauh keluar dari badan filamen miosin atau dibawa mendekat ke arah badan. Kepala yang berengsel selanjutnya berpartisipasi pada proses kontraksi yang sebenarnya, seperti yang akan dibahas di bagian berikut. Panjang total setiap filamen miosin adalah seragam, hampir tepat 1,6 mikrometer. Tetapi, perhatikanlah bahwa tidak ada kepala jembatan silang di bagian tengah filamen miosin sepanjang kira-kira 0,2 mikrometer kerena lengan berengsel memanjang menjauh dari bagian tengah. Keadaan ini menjamin bahwa jembatan silang akan memanjang ke segala arah di sekitar filamen. Aktivitas ATPase di Kepala Miosin. Ciri-ciri lain dari kepala miosin yang sangat penting untuk kontraksi otot adalah bahwa ia dapat berfungsi seperti enzim ATPase. Seperti dijelaskan nanti, kemampuan ini menyebabkan kepala mampu memecah ATP dan menggunakan energi yang berasal dari ikatan fosfat berenergi tinggi ATP untuk menjalankan proses kontraksi.

Gambar 6. Filament aktin, yang terdiri atas dua untai heliks F aktin dan dua untai molekul tropomyosin yang cocok berada dalam lekukan antar untaian aktin. Terlekat pada salah satu ujung setiap molekul trompomiosi adalah kompleks tromponin yang mengawali kontraksiFilamen Aktin. Filamen aktin juga kompleks. Filamen ini terdiri dari tiga komponen protein: aktin, tropomiosin, dan troponin. Kerangka filamen aktin adalah suatu molekul prote-in F-aktin untai ganda, yang dilukiskan oleh dua untai berwama terang pada Gambar 6. Kedua untai membelit dalam suatu heliks dengan cara yang sama seperti molekul miosin. Setiap untai heliks F-aktin ganda terdiri atas molekul G-aktin terpolimerisasi, yang masing-masing mempunyai berat molekul sekitar 42.000. Pada setiap molekul G-aktin melekat satu molekul ADP. Diperkirakan bahwa molekul ADP ini adalah bagian aktif pada filamen aktin yang ber-interaksi dengan jembatan silang filamen miosin untuk menimbulkan kontraksi otot. Bagian aktif pada kedua untai F-aktin dari heliks ganda diatur bergantian, mem-bentuk satu tempat aktif di seluruh filamen aktin kira-kira setiap 2,7 nanometer. Setiap filamen aktin panjangnya kurang lebih 1 mikro-meter. Bagian dasar dari filamen aktin disisipkan dengan kuat ke dalam lempeng Z; ujung-ujung filamen tersebut menonjol pada kedua arah untuk berada dalam ruangan antara molekul miosin, seperti yang dilukiskan pada Gambar 4. Molekul Tropomiosin. Filamen aktin juga mengan-dung protein lain, yaitu tropomiosin. Setiap molekul tro-pomiosin mempunyai berat molekul 70.000 dan panjang 40 nanometer. Molekul-molekul tersebut terbungkus se-cara spiral mengelilingi sisi heliks F-aktin. Pada istirahat, molekul tropomiosin terletak pada ujung atas tempat yang aktif dari untai aktin, sehingga tidak dapat terjadi penarikan antara filamen aktin dan miosin untuk menimbulkan kontraksi. Troponin dan Peranannya pada Kontraksi Otot. Masih ada molekul protein lain yang melekat di sepanjang sisi molekul tropomiosin, yang disebut troponin. Molekul ini sebenarnya merupakan kompleks yang terdiri dari tiga subunit protein yang terikat secara longgar, yang masing-masing memiliki peran spesifik pada pengaturan kontrak-si otot. Salah satu subunit (troponin I) rnempunyai afinitas yang kuat terhadap aktin, yang lainnya (troponin T) terha-dap tropomiosin, dan yang ketiga (troponin C) terhadap ion-ion kalsium. Kompleks ini diduga untuk melekatkan tropomiosin pada aktin. Interaksi Satu Filamen Miosin, Dua Filamen Aktin, dan Ion-ion Kalsium untuk Menimbulkan KontraksiPenghambatan Filamen Aktin oleh Kompleks Troponin-Tropomiosin; Pengaktifan oleh Ion KalsiumSebuah filamen aktin murni tanpa adanya kompleks troponin-tropomiosin (tapi ' dengan kehadiran ion magnesium dan ATP) akan berikatan secara cepat dan kuat dengan kepala molekul miosin. Lalu, jika kompleks troponin-tropomiosin ditambahkan pada filamen aktin, ikatan antara aktin dan miosin ini tidak akan terbentuk. Oleh karena itu, diduga bahwa bagian aktif pada filamen aktin normal dari otot yang sedang relaksasi akan dihambat atau secara fisik ditutupi leh kompleks troponin-tropomiosin. Akibatnya, tempat ini tidak dapat melekat pada kepala filamen miosin untuk menimbulkan kontraksi. Sebelum terjadinya kontra si, efek penghambatan kompleks troponin-tropomiosin itu sendiri harus dihambat.

Mekanisme Kontraksi Otot Kerangka Unit Motorik. Setiap moto neuron yang meninggalkan medulla spinalis akam mempersarafi beragam serabut otot. Semua serabut otot yang dipersarafi oleh satu serabut saraf disebut unit motoric.