Buku Bahasa Indonesia Guyton And Hall Textbook of Medical Physiology 46-
IX
Sistem Saraf: A. Prinsip Umum dan Fisiologi Sensori
UNIT
GARIS BESAR UNIT
46 Organisasi Sistem Saraf, Fungsi Dasar Sinaps, dan Neurotransmiter
47 Reseptor Sensori: Sirkuit Neuronal untuk Pemrosesan Informasi
48 Sensasi Somatik: I. Organisasi Umum: Rasa Taktil dan Rasa Posisi
49 Sensasi Somatik: II. Nyeri, Sakit Kepala, dan Sensasi Termal
BAB 46 
Organisasi Sistem Saraf, Fungsi Dasar Sinaps, dan Neurotransmiter
Sistem saraf bersifat unik karena kompleksitas besar dari proses berpikir dan tindakan pengendalian yang dapat dilakukannya. Setiap menit, sistem ini menerima jutaan bit informasi dari berbagai saraf sensori dan organ sensori, kemudian mengintegrasikan semuanya untuk menentukan respons yang harus dilakukan oleh tubuh.
Sebelum memulai pembahasan tentang sistem saraf, pembaca harus meninjau Bab 5 dan 7 yang menyajikan prinsip potensial membran dan transmisi sinyal pada saraf serta melalui sambungan neuromuskular.
DESAIN UMUM SISTEM SARAF
NEURON SISTEM SARAF PUSAT: UNIT FUNGSIONAL DASAR
Sistem saraf pusat diperkirakan mengandung 80 hingga 100 miliar neuron. Gambar 46-1 menunjukkan neuron tipikal dari jenis yang ditemukan pada korteks motorik otak. Sinyal yang masuk memasuki neuron ini melalui sinaps yang sebagian besar terletak pada dendrit neuronal, tetapi juga pada badan sel. Pada berbagai jenis neuron, dapat terdapat hanya beberapa ratus hingga sebanyak 200.000 koneksi sinaptik dari serabut input. Sebaliknya, sinyal keluaran berjalan melalui satu akson yang meninggalkan neuron. Akson ini kemudian dapat memiliki banyak cabang terpisah ke bagian lain dari sistem saraf atau tubuh perifer.
Ciri khusus dari sebagian besar sinaps adalah bahwa sinyal biasanya hanya berjalan dalam satu arah maju, dari akson neuron sebelumnya ke dendrit pada membran sel neuron berikutnya. Ciri ini memaksa sinyal untuk berjalan ke arah yang diperlukan guna menjalankan fungsi saraf tertentu.
BAGIAN SENSORI DARI SISTEM SARAF—RESEPTOR SENSORI
Sebagian besar aktivitas sistem saraf dimulai oleh pengalaman sensori yang merangsang reseptor sensori, baik reseptor visual di mata, reseptor auditori di telinga, reseptor taktil pada permukaan tubuh, maupun jenis reseptor lainnya. Pengalaman sensori ini dapat menyebabkan reaksi segera dari otak, atau memori dari pengalaman tersebut dapat disimpan di otak selama menit, minggu, atau tahun dan menentukan reaksi tubuh pada waktu yang akan datang.
Gambar 46-2 menunjukkan bagian somatik dari sistem sensori, yang mentransmisikan informasi sensori dari reseptor seluruh permukaan tubuh dan dari beberapa struktur dalam. Informasi ini masuk ke sistem saraf pusat melalui saraf perifer dan segera dihantarkan ke berbagai area sensori di (1) medula spinalis pada semua tingkat; (2) substansi retikular medula, pons, dan mesensefalon otak; (3) serebelum; (4) talamus; dan (5) area korteks serebri.
BAGIAN MOTORIK DARI SISTEM SARAF—EFEKTOR
Peran akhir yang paling penting dari sistem saraf adalah mengendalikan berbagai aktivitas tubuh. Tugas ini dicapai dengan mengendalikan (1) kontraksi otot rangka yang sesuai di seluruh tubuh; (2) kontraksi otot polos pada organ internal; dan (3) sekresi zat kimia aktif oleh kelenjar eksokrin dan endokrin di banyak bagian tubuh. Aktivitas ini secara kolektif disebut fungsi motorik sistem saraf, dan otot serta kelenjar disebut efektor karena merupakan struktur anatomi yang benar-benar menjalankan fungsi yang ditentukan oleh sinyal saraf.
Gambar 46-3 menunjukkan poros saraf motorik “skeletal” dari sistem saraf untuk mengendalikan kontraksi otot rangka. Sejajar dengan poros ini terdapat sistem lain yang disebut sistem saraf otonom, untuk mengendalikan otot polos, kelenjar, dan sistem internal tubuh lainnya; sistem ini dibahas pada Bab 61.
Perhatikan pada Gambar 46-3 bahwa otot rangka dapat dikendalikan dari banyak tingkat sistem saraf pusat, termasuk (1) medula spinalis; (2) substansi retikular medula, pons, dan mesensefalon; (3) ganglia basalis; (4) serebelum; dan (5) korteks motorik. Masing-masing area ini memiliki peran spesifik. Daerah yang lebih rendah terutama berkaitan dengan respons otot otomatis dan seketika terhadap rangsangan sensori, sedangkan daerah yang lebih tinggi berkaitan dengan gerakan otot kompleks yang disengaja yang dikendalikan oleh proses berpikir otak.
PEMROSESAN INFORMASI—FUNGSI INTEGRATIF SISTEM SARAF
Salah satu fungsi paling penting dari sistem saraf adalah memproses informasi yang masuk sedemikian rupa sehingga respons mental dan motorik yang sesuai dapat terjadi. Lebih dari 99% semua informasi sensori dibuang oleh otak sebagai tidak relevan dan tidak penting. Misalnya, seseorang biasanya tidak menyadari bagian tubuh yang bersentuhan dengan pakaian, maupun tekanan pada kursi saat duduk. Demikian pula, perhatian hanya tertuju pada sesekali objek dalam bidang penglihatan, dan bahkan kebisingan lingkungan yang terus-menerus biasanya dialihkan ke alam bawah sadar.
Namun, ketika informasi sensori penting merangsang pikiran, informasi tersebut segera disalurkan ke area integratif dan motorik yang sesuai di otak untuk menghasilkan respons yang diinginkan. Proses penyaluran dan pemrosesan informasi ini disebut fungsi integratif sistem saraf.
Dengan demikian, jika seseorang meletakkan tangan pada kompor panas, respons segera yang diinginkan adalah mengangkat tangan. Respons terkait lainnya mengikuti, seperti menjauhkan seluruh tubuh dari kompor dan bahkan mungkin berteriak karena nyeri.
PERAN SINAPS DALAM PEMROSESAN INFORMASI
Sinaps adalah titik hubungan dari satu neuron ke neuron berikutnya. Pada bagian selanjutnya bab ini, dibahas rincian fungsi sinaptik. Namun, penting untuk dicatat di sini bahwa sinaps menentukan arah penyebaran sinyal saraf melalui sistem saraf. Beberapa sinaps mentransmisikan sinyal dari satu neuron ke neuron berikutnya dengan mudah, sedangkan yang lain hanya mentransmisikan sinyal dengan kesulitan.
Selain itu, sinyal fasilitatif dan inhibitorik dari area lain dalam sistem saraf dapat mengontrol transmisi sinaptik, kadang membuka sinaps untuk transmisi dan pada waktu lain menutupnya. Di samping itu, beberapa neuron postsinaptik merespons dengan sejumlah besar impuls keluaran, dan yang lain hanya dengan sedikit. Dengan demikian, sinaps melakukan aksi selektif, sering kali memblokir sinyal lemah sambil memungkinkan sinyal kuat melewati, atau pada saat lain memilih dan memperkuat sinyal lemah tertentu serta sering mengarahkan sinyal ini ke banyak arah, bukan hanya satu arah.
PENYIMPANAN INFORMASI—MEMORI
Hanya sebagian kecil dari bahkan informasi sensori yang paling penting biasanya menimbulkan respons motorik segera. Namun, sebagian besar informasi disimpan untuk pengendalian aktivitas motorik di masa depan dan untuk digunakan dalam proses berpikir. Sebagian besar penyimpanan terjadi di korteks serebri, tetapi bahkan bagian dasar otak dan medula spinalis dapat menyimpan sejumlah kecil informasi.
Penyimpanan informasi adalah proses yang kita sebut memori, yang juga merupakan fungsi sinaps. Setiap kali jenis sinyal sensori tertentu melewati rangkaian sinaps, sinaps tersebut menjadi lebih mampu mentransmisikan jenis sinyal yang sama pada waktu berikutnya, suatu proses yang disebut fasilitasi. Setelah sinyal sensori melewati sinaps berkali-kali, sinaps menjadi sangat terfasilitasi sehingga sinyal yang dihasilkan di dalam otak sendiri juga dapat menyebabkan transmisi impuls melalui rangkaian sinaps yang sama, bahkan ketika input sensori tidak terangsang. Proses ini memberikan persepsi kepada seseorang tentang pengalaman sensasi asli, meskipun persepsi tersebut hanya merupakan memori dari sensasi tersebut.
Mekanisme tepat bagaimana fasilitasi jangka panjang sinaps terjadi dalam proses memori masih belum pasti, tetapi apa yang diketahui tentang hal ini dan detail lain dari proses memori sensori dibahas pada Bab 58.
Setelah memori disimpan dalam sistem saraf, memori tersebut menjadi bagian dari mekanisme pemrosesan otak untuk “berpikir” di masa depan. Artinya, proses berpikir otak membandingkan pengalaman sensori baru dengan memori yang tersimpan; memori kemudian membantu memilih informasi sensori baru yang penting dan menyalurkannya ke area penyimpanan memori yang sesuai untuk penggunaan di masa depan atau ke area motorik untuk menghasilkan respons tubuh segera.
TINGKAT UTAMA FUNGSI SISTEM SARAF PUSAT
Sistem saraf manusia mewarisi kemampuan fungsional khusus dari setiap tahap perkembangan evolusi manusia. Dari warisan ini, tiga tingkat utama sistem saraf pusat memiliki karakteristik fungsional spesifik: (1) tingkat medula spinalis; (2) tingkat otak bawah atau subkortikal; dan (3) tingkat otak tinggi atau kortikal.
TINGKAT MEDULA SPINALIS
Kita sering menganggap medula spinalis hanya sebagai saluran untuk sinyal dari perifer tubuh ke otak atau arah sebaliknya dari otak kembali ke tubuh. Anggapan ini jauh dari benar. Bahkan setelah medula spinalis dipotong di daerah leher tinggi, banyak fungsi medula spinalis yang sangat terorganisasi tetap terjadi. Misalnya, sirkuit neuronal dalam medula spinalis dapat menyebabkan (1) gerakan berjalan; (2) refleks yang menarik bagian tubuh menjauh dari objek nyeri; (3) refleks yang menegangkan kaki untuk menopang tubuh melawan gravitasi; dan (4) refleks yang mengontrol pembuluh darah lokal, pergerakan gastrointestinal, atau ekskresi urin. Bahkan, tingkat sistem saraf yang lebih tinggi sering bekerja bukan dengan mengirim sinyal langsung ke perifer tubuh, tetapi dengan mengirim sinyal ke pusat kontrol di medula spinalis, yang hanya “memerintahkan” pusat spinal untuk menjalankan fungsinya.
TINGKAT OTAK BAWAH ATAU SUBKORTIKAL
Banyak, jika tidak sebagian besar, aktivitas tubuh yang kita sebut aktivitas bawah sadar dikendalikan di area otak bawah, yaitu medula, pons, mesensefalon, hipotalamus, talamus, serebelum, dan ganglia basalis. Misalnya, kontrol bawah sadar tekanan arteri dan respirasi terutama dilakukan di medula dan pons. Kontrol keseimbangan merupakan fungsi gabungan dari bagian lama serebelum dan substansi retikular medula, pons, dan mesensefalon. Refleks makan, seperti salivasi dan menjilat bibir sebagai respons terhadap rasa makanan, dikendalikan oleh area di medula, pons, mesensefalon, amigdala, dan hipotalamus. Selain itu, banyak pola emosional seperti kemarahan, kegembiraan, respons seksual, respons terhadap nyeri, dan respons terhadap kesenangan masih dapat terjadi setelah destruksi sebagian besar korteks serebri.
TINGKAT OTAK YANG LEBIH TINGGI ATAU TINGKAT KORTIKAL
Setelah uraian sebelumnya mengenai berbagai fungsi sistem saraf yang terjadi pada tingkat medula spinalis dan otak bawah, seseorang dapat bertanya, “apa yang masih dikerjakan oleh korteks serebri?”
Jawaban atas pertanyaan ini bersifat kompleks, tetapi berawal dari fakta bahwa korteks serebri merupakan gudang memori yang sangat besar. Korteks tidak pernah berfungsi sendiri, tetapi selalu berasosiasi dengan pusat-pusat sistem saraf yang lebih rendah.
Tanpa korteks serebri, fungsi pusat otak yang lebih rendah sering tidak tepat. Gudang informasi kortikal yang sangat luas biasanya mengubah fungsi-fungsi ini menjadi operasi yang bersifat deterministik dan presisi.
Akhirnya, korteks serebri esensial untuk sebagian besar proses berpikir kita, tetapi tidak dapat berfungsi sendiri. Faktanya, pusat otak yang lebih rendah, bukan korteks, yang memulai keadaan terjaga pada korteks serebri, sehingga membuka bank memori korteks untuk mesin berpikir otak. Dengan demikian, setiap bagian sistem saraf menjalankan fungsi spesifik, tetapi kortekslah yang membuka dunia informasi tersimpan untuk digunakan oleh pikiran.
PERBANDINGAN SISTEM SARAF DENGAN KOMPUTER
Sangat jelas bahwa komputer memiliki banyak fitur yang sama dengan sistem saraf. Pertama, semua komputer memiliki sirkuit input yang dapat dibandingkan dengan bagian sensori dari sistem saraf, serta sirkuit output yang analog dengan bagian motorik sistem saraf.
Pada komputer sederhana, sinyal keluaran dikendalikan langsung oleh sinyal masukan, bekerja dengan cara yang mirip dengan refleks sederhana pada medula spinalis. Pada komputer yang lebih kompleks, keluaran ditentukan oleh sinyal masukan dan oleh informasi yang telah disimpan sebelumnya dalam memori komputer, yang analog dengan mekanisme refleks dan pemrosesan yang lebih kompleks pada sistem saraf tingkat tinggi manusia. Lebih lanjut, ketika komputer menjadi semakin kompleks, diperlukan unit tambahan yang disebut unit pemrosesan pusat, yang menentukan urutan semua operasi. Unit ini analog dengan mekanisme kontrol di otak yang mengarahkan perhatian seseorang terlebih dahulu pada satu pikiran, sensasi, atau aktivitas motorik, kemudian ke yang lain, dan seterusnya, hingga terbentuk rangkaian kompleks dari pikiran atau tindakan.
Gambar 46-4 adalah diagram blok sederhana dari sebuah komputer. Bahkan dari studi cepat terhadap diagram ini terlihat kemiripannya dengan sistem saraf. Fakta bahwa komponen dasar komputer serbaguna analog dengan sistem saraf manusia menunjukkan bahwa otak memiliki banyak fitur komputer, yang terus-menerus mengumpulkan informasi sensori dan menggunakannya, bersama informasi yang tersimpan, untuk menghitung jalannya aktivitas tubuh sehari-hari.
SINAPS SISTEM SARAF PUSAT
Baca Juga: Lighten PDF Converter OCR 6.1.1 Full Version
Informasi ditransmisikan dalam sistem saraf pusat terutama dalam bentuk potensial aksi saraf, yang disebut impuls saraf, melalui rangkaian neuron satu demi satu. Namun, setiap impuls (1) dapat diblok dalam transmisinya dari satu neuron ke neuron berikutnya; (2) dapat diubah dari satu impuls menjadi impuls repetitif; atau (3) dapat diintegrasikan dengan impuls dari neuron lain untuk menghasilkan pola impuls yang sangat kompleks pada neuron-neuron berikutnya. Semua fungsi ini dapat diklasifikasikan sebagai fungsi sinaptik neuron.
JENIS SINAPS—KIMIA DAN LISTRIK
Terdapat dua jenis utama sinaps (Gambar 46-5), yaitu (1) kimia dan (2) listrik.
Sebagian besar sinaps yang digunakan untuk transmisi sinyal dalam sistem saraf pusat manusia adalah sinaps kimia. Pada sinaps ini, neuron pertama mensekresikan pada ujung sarafnya suatu zat kimia yang disebut neurotransmiter (sering disebut substansi transmitter), dan transmitter ini kemudian bekerja pada protein reseptor di membran neuron berikutnya untuk mengeksitasi neuron tersebut, menginhibisinya, atau memodifikasi sensitivitasnya dengan cara lain (Video 46-1). Lebih dari 50 neurotransmiter penting telah ditemukan hingga saat ini. Beberapa yang paling dikenal adalah asetilkolin, norepinefrin, epinefrin, histamin, asam gamma-aminobutirat (GABA), glisin, serotonin, dan glutamat.
Pada sinaps listrik, sitoplasma sel-sel yang berdekatan terhubung langsung oleh kelompok saluran ion yang disebut gap junction yang memungkinkan pergerakan ion bebas dari interior satu sel ke interior sel berikutnya. Junction semacam ini telah dibahas pada Bab 4, dan melalui gap junction serta junction serupa lainnya, potensial aksi ditransmisikan dari satu serabut otot polos ke serabut berikutnya pada otot polos viseral (Bab 8) dan dari satu sel otot jantung ke sel berikutnya pada otot jantung (Bab 9).
Meskipun sebagian besar sinaps di otak bersifat kimia, sinaps listrik dan kimia dapat hidup berdampingan dan berinteraksi dalam sistem saraf pusat. Transmisi dua arah pada sinaps listrik memungkinkan sinaps tersebut membantu mengoordinasikan aktivitas kelompok besar neuron yang saling terhubung. Sebagai contoh, sinaps listrik berguna dalam mendeteksi kebetulan depolarisasi subambang yang terjadi secara simultan dalam kelompok neuron yang saling terhubung; ini meningkatkan sensitivitas neuronal dan mendorong penembakan sinkron dari kelompok neuron tersebut.
“Konduksi Satu Arah” pada Sinaps Kimia. Sinaps kimia memiliki satu karakteristik yang sangat penting yang membuatnya sangat berguna untuk transmisi sinyal sistem saraf. Karakteristik ini adalah bahwa sinaps selalu mentransmisikan sinyal hanya dalam satu arah, yaitu dari neuron yang mensekresikan neurotransmiter, yang disebut neuron presinaptik, ke neuron tempat transmitter bekerja, yang disebut neuron postsinaptik. Fenomena ini merupakan prinsip konduksi satu arah pada sinaps kimia, dan berbeda dari konduksi melalui sinaps listrik, yang sering dapat mentransmisikan sinyal ke dua arah.
Mekanisme konduksi satu arah memungkinkan sinyal diarahkan menuju tujuan tertentu. Memang, transmisi sinyal yang spesifik ke area yang diskret dan sangat terfokus baik di dalam sistem saraf maupun pada terminal saraf perifer inilah yang memungkinkan sistem saraf melakukan berbagai fungsi seperti sensasi, kontrol motorik, memori, dan banyak fungsi lainnya.
ANATOMI FISIOLOGIS SINAPS
Gambar 46-6 menunjukkan neuron motorik anterior tipikal pada kornu anterior medula spinalis. Neuron ini terdiri dari tiga bagian utama: soma, yang merupakan badan utama neuron; satu akson yang memanjang dari soma ke saraf perifer yang meninggalkan medula spinalis; dan dendrit, yaitu banyak proyeksi bercabang dari soma yang dapat memanjang hingga sekitar 1 milimeter ke area sekitarnya di medula.
Sebanyak 10.000 hingga 200.000 tonjolan sinaptik kecil yang disebut terminal presinaptik terletak pada permukaan dendrit dan soma neuron motorik, dengan sekitar 80% hingga 95% berada pada dendrit dan hanya 5% hingga 20% pada soma. Terminal presinaptik ini merupakan ujung fibril saraf yang berasal dari banyak neuron lain. Banyak terminal ini bersifat eksitatorik, yaitu mensekresikan neurotransmiter yang mengeksitasi neuron postsinaptik. Namun, terminal presinaptik lainnya bersifat inhibitorik, yaitu mensekresikan neurotransmiter yang menghambat neuron postsinaptik.
Neuron di bagian lain medula dan otak berbeda dari neuron motorik anterior dalam (1) ukuran badan sel; (2) panjang, ukuran, dan jumlah dendrit, yang berkisar dari hampir nol hingga banyak sentimeter; (3) panjang dan ukuran akson; dan (4) jumlah terminal presinaptik, yang dapat berkisar dari hanya beberapa hingga sebanyak 200.000. Perbedaan ini membuat neuron di berbagai bagian sistem saraf merespons secara berbeda terhadap sinyal sinaptik yang masuk dan karena itu menjalankan banyak fungsi yang berbeda.
Terminal Presinaptik. Studi mikroskop elektron menunjukkan bahwa terminal presinaptik memiliki bentuk anatomi yang beragam, tetapi sebagian besar menyerupai tonjolan kecil bulat atau oval dan karenanya kadang disebut terminal knob, bouton, end-feet, atau synaptic knob.
Gambar 46-5A menggambarkan struktur dasar sinaps kimia, menunjukkan satu terminal presinaptik pada permukaan membran neuron postsinaptik. Terminal presinaptik dipisahkan dari soma neuron postsinaptik oleh celah sinaptik yang biasanya selebar 200 hingga 300 angstrom (Å). Terminal ini memiliki dua struktur internal yang penting untuk fungsi eksitatorik atau inhibitorik sinaps: vesikel transmitter dan mitokondria. Vesikel transmitter mengandung neurotransmiter yang ketika dilepaskan ke celah sinaptik akan mengeksitasi atau menginhibisi neuron postsinaptik. Ia mengeksitasi neuron postsinaptik jika membran neuron memiliki reseptor eksitatorik, dan menghambat neuron jika membran memiliki reseptor inhibitorik. Mitokondria menyediakan adenosin trifosfat (ATP), yang menyediakan energi untuk sintesis substansi transmitter baru.
Ketika potensial aksi menyebar ke terminal presinaptik, depolarisasi membrannya menyebabkan sejumlah kecil vesikel mengosongkan isinya ke dalam celah. Transmitter yang dilepaskan kemudian berikatan dengan reseptor pada membran neuron postsinaptik, menyebabkan perubahan segera pada karakteristik permeabilitasnya dan mengarah pada eksitasi atau inhibisi neuron postsinaptik, tergantung pada karakteristik reseptor neuronal.
Pelepasan Transmitter dari Terminal Presinaptik—Peran Ion Kalsium
Membran terminal presinaptik disebut membran presinaptik. Membran ini mengandung sejumlah besar kanal kalsium berpintu tegangan. Ketika potensial aksi mendepolarisasi membran presinaptik, kanal kalsium ini terbuka dan memungkinkan sejumlah besar ion kalsium masuk ke terminal (Gambar 46-5A). Jumlah neurotransmiter yang kemudian dilepaskan dari terminal ke celah sinaptik berbanding lurus dengan jumlah ion kalsium yang masuk (Video 46-2). Mekanisme tepat bagaimana ion kalsium menyebabkan pelepasan ini belum diketahui, tetapi diperkirakan sebagai berikut.
Ketika ion kalsium masuk ke terminal presinaptik, ion tersebut berikatan dengan molekul protein khusus pada permukaan dalam membran presinaptik yang disebut lokasi pelepasan. Ikatan ini kemudian menyebabkan lokasi pelepasan terbuka melalui membran, memungkinkan sejumlah kecil vesikel transmitter melepaskan isinya ke celah setelah setiap potensial aksi tunggal. Pada vesikel yang menyimpan neurotransmiter asetilkolin, terdapat antara 2.000 hingga 10.000 molekul asetilkolin per vesikel, dan jumlah vesikel di terminal presinaptik cukup untuk mentransmisikan dari beberapa ratus hingga lebih dari 10.000 potensial aksi.
Aksi Neurotransmiter pada Neuron Postsinaptik—Fungsi Protein Reseptor
Membran neuron postsinaptik mengandung sejumlah besar protein reseptor, seperti juga ditunjukkan pada Gambar 46-5A. Molekul reseptor ini memiliki dua komponen penting: (1) komponen pengikat yang menonjol keluar dari membran ke celah sinaptik, tempat ia berikatan dengan neurotransmiter yang berasal dari terminal presinaptik; dan (2) komponen intraseluler yang menembus seluruh membran postsinaptik hingga ke bagian dalam neuron postsinaptik.
Aktivasi reseptor mengontrol pembukaan saluran ion pada sel postsinaptik melalui salah satu dari dua cara: (1) dengan menggerakkan (gating) saluran ion secara langsung dan memungkinkan lewatnya jenis ion tertentu melalui membran; atau (2) dengan mengaktivasi “second messenger” yang bukan saluran ion, melainkan suatu molekul yang menjulur ke sitoplasma sel dan mengaktivasi satu atau lebih substansi di dalam neuron postsinaptik. Second messenger ini meningkatkan atau menurunkan fungsi seluler spesifik.
Reseptor neurotransmiter yang secara langsung mengatur (gating) saluran ion sering disebut reseptor ionotropik, sedangkan yang bekerja melalui sistem second messenger disebut reseptor metabotropik.
Saluran Ion
Baca Juga: [Buku Bahasa Indonesia] Cosmos - Carl Sagan
Saluran ion pada membran neuron postsinaptik biasanya terdiri dari dua jenis: (1) saluran kation, yang biasanya memungkinkan ion natrium lewat saat terbuka tetapi kadang juga memungkinkan ion kalium dan/atau kalsium lewat; dan (2) saluran anion, yang terutama memungkinkan ion klorida lewat tetapi juga memungkinkan sejumlah kecil anion lain lewat. Seperti dibahas pada Bab 4, saluran ion ini sangat selektif terhadap transport satu atau lebih ion spesifik. Selektivitas ini bergantung pada diameter, bentuk, serta muatan listrik dan ikatan kimia pada permukaan bagian dalamnya.
Saluran kation yang menghantarkan ion natrium dilapisi muatan negatif. Muatan ini menarik ion natrium yang bermuatan positif masuk ke dalam saluran ketika diameter saluran meningkat menjadi lebih besar daripada ion natrium terhidrasi. Namun, muatan negatif yang sama menolak ion klorida dan anion lain sehingga mencegah lewatnya ion tersebut.
Pada saluran anion, ketika diameter saluran cukup besar, ion klorida dapat masuk ke dalam saluran dan melewatinya ke sisi sebaliknya, sedangkan kation natrium, kalium, dan kalsium terblokir, terutama karena ion terhidrasi mereka terlalu besar untuk lewat.
Selanjutnya akan dipelajari bahwa ketika saluran kation terbuka dan memungkinkan ion natrium bermuatan positif masuk, muatan listrik positif dari ion natrium akan mengeksitasi neuron tersebut. Oleh karena itu, neurotransmiter yang membuka saluran kation disebut neurotransmiter eksitatorik. Sebaliknya, pembukaan saluran anion memungkinkan muatan listrik negatif masuk, yang menghambat neuron. Oleh karena itu, neurotransmiter yang membuka saluran ini disebut neurotransmiter inhibitorik.
Ketika suatu neurotransmiter mengaktivasi saluran ion, saluran tersebut biasanya terbuka dalam waktu kurang dari satu milidetik; ketika zat neurotransmiter tidak lagi ada, saluran menutup dengan kecepatan yang sama. Pembukaan dan penutupan saluran ion menyediakan mekanisme untuk kontrol sangat cepat terhadap neuron postsinaptik.
Sistem “Second Messenger” pada Neuron Postsinaptik
Banyak fungsi sistem saraf, misalnya proses memori, memerlukan perubahan berkepanjangan pada neuron selama detik hingga bulan setelah zat neurotransmiter awal tidak lagi ada. Saluran ion tidak cocok untuk menimbulkan perubahan postsinaptik yang berkepanjangan karena saluran ini menutup dalam milidetik setelah neurotransmiter tidak lagi ada. Namun, dalam banyak kasus, eksitasi atau inhibisi postsinaptik yang berkepanjangan dicapai dengan mengaktivasi sistem kimia second messenger di dalam sel neuron postsinaptik, dan kemudian second messenger inilah yang menimbulkan efek jangka panjang.
Terdapat beberapa jenis sistem second messenger. Salah satu jenis yang paling umum menggunakan kelompok protein yang disebut protein G. Gambar 46-7 menunjukkan protein G reseptor membran. Kompleks protein G inaktif berada bebas di sitosol dan terdiri dari guanosin difosfat (GDP) serta tiga komponen: komponen alfa (α) yang merupakan bagian aktivator protein G, serta komponen beta (β) dan gamma (γ) yang terikat pada komponen alfa. Selama kompleks protein G terikat pada GDP, kompleks tersebut tetap inaktif.
Gambar 46-7. Sistem second messenger di mana suatu zat transmitter dari neuron awal dapat mengaktifkan neuron kedua dengan terlebih dahulu menyebabkan perubahan transformasional pada reseptor yang melepaskan subunit alfa (α) teraktivasi dari protein G ke dalam sitoplasma neuron kedua. Empat kemungkinan efek lanjutan dari protein G ditunjukkan, termasuk: 1, membuka saluran ion pada membran neuron kedua; 2, mengaktivasi sistem enzim pada membran neuron; 3, mengaktivasi sistem enzim intraseluler; dan/atau 4, menyebabkan transkripsi gen pada neuron kedua. Kembalinya protein G ke keadaan tidak aktif terjadi ketika guanosin trifosfat (GTP) yang terikat pada subunit α dihidrolisis menjadi guanosin difosfat (GDP), dan subunit β serta γ kembali berikatan dengan subunit α.
Ketika reseptor diaktivasi oleh neurotransmiter setelah impuls saraf, reseptor mengalami perubahan konformasi, menyingkapkan tempat ikatan untuk kompleks protein G, yang kemudian berikatan dengan bagian reseptor yang menonjol ke bagian dalam sel. Proses ini memungkinkan subunit α melepaskan GDP dan secara simultan mengikat guanosin trifosfat (GTP) sambil terpisah dari komponen β dan γ. Kompleks α-GTP yang terpisah kemudian bebas bergerak dalam sitoplasma sel dan melakukan satu atau lebih dari beberapa fungsi berikut, tergantung karakteristik spesifik tiap jenis neuron. Empat perubahan berikut dapat terjadi, seperti ditunjukkan pada Gambar 46-7:
- Membuka saluran ion spesifik pada membran sel postsinaptik. Ditunjukkan pada kanan atas gambar adalah saluran kalium yang terbuka sebagai respons terhadap protein G; saluran ini sering tetap terbuka dalam waktu lama, berbeda dengan penutupan cepat saluran ion yang diaktivasi langsung tanpa sistem second messenger.
- Aktivasi siklik adenosin monofosfat (cAMP) atau siklik guanosin monofosfat (cGMP) dalam sel neuron. cAMP atau cGMP dapat mengaktivasi mesin metabolik yang sangat spesifik dalam neuron dan dapat memulai berbagai hasil kimia, termasuk perubahan jangka panjang pada struktur sel itu sendiri yang kemudian mengubah eksitabilitas jangka panjang neuron.
- Aktivasi satu atau lebih enzim intraseluler. Protein G dapat secara langsung mengaktivasi satu atau lebih enzim intraseluler, yang kemudian dapat menghasilkan berbagai fungsi kimia spesifik dalam sel.
- Aktivasi transkripsi gen. Aktivasi transkripsi gen merupakan salah satu efek terpenting dari aktivasi sistem second messenger karena transkripsi gen dapat menyebabkan pembentukan protein baru di dalam neuron, sehingga mengubah mesin metabolik atau struktur sel. Perubahan struktural pada neuron yang teraktivasi dengan tepat diketahui benar-benar terjadi, terutama dalam proses memori jangka panjang.
Inaktivasi protein G terjadi ketika GTP yang terikat pada subunit α dihidrolisis menjadi GDP. Tindakan ini menyebabkan subunit α terlepas dari protein targetnya, sehingga menonaktifkan sistem second messenger, kemudian bergabung kembali dengan subunit β dan γ, mengembalikan kompleks protein G ke keadaan inaktif.
Jelas bahwa aktivasi sistem second messenger di dalam neuron, baik tipe protein G maupun tipe lainnya, sangat penting untuk mengubah karakteristik respons jangka panjang dari berbagai jalur neuronal. Pembahasan lebih rinci akan dilanjutkan pada Bab 58 ketika membahas fungsi memori sistem saraf.
Reseptor Eksitatorik atau Inhibitorik pada Membran Postsinaptik
Pada aktivasi, beberapa reseptor postsinaptik menyebabkan eksitasi neuron postsinaptik, dan yang lain menyebabkan inhibisi. Pentingnya keberadaan reseptor inhibitorik dan eksitatorik adalah bahwa hal ini memberikan dimensi tambahan pada fungsi saraf, memungkinkan pembatasan aktivitas saraf dan eksitasi.
Mekanisme molekuler dan membran yang berbeda pada reseptor untuk menimbulkan eksitasi atau inhibisi meliputi:
Eksitasi:
- Pembukaan saluran natrium untuk memungkinkan sejumlah besar muatan listrik positif masuk ke dalam sel postsinaptik. Tindakan ini meningkatkan potensial membran intraseluler ke arah positif menuju tingkat ambang eksitasi. Ini merupakan cara yang paling luas digunakan untuk menyebabkan eksitasi.
- Penurunan konduksi melalui saluran klorida atau kalium atau keduanya. Tindakan ini mengurangi difusi ion klorida bermuatan negatif ke dalam neuron postsinaptik atau mengurangi difusi ion kalium bermuatan positif ke luar sel. Dalam kedua kasus, efeknya adalah membuat potensial membran internal menjadi lebih positif dari normal, yang bersifat eksitatorik.
- Berbagai perubahan dalam metabolisme internal neuron postsinaptik untuk mengeksitasi aktivitas sel atau, pada beberapa kasus, meningkatkan jumlah reseptor membran eksitatorik atau menurunkan jumlah reseptor membran inhibitorik.
Inhibisi:
- Pembukaan saluran ion klorida melalui membran neuron postsinaptik. Tindakan ini memungkinkan difusi cepat ion klorida bermuatan negatif dari luar neuron postsinaptik ke dalam, sehingga membawa muatan negatif ke dalam dan meningkatkan negativitas di dalam sel, yang bersifat inhibitorik.
- Peningkatan konduktansi ion kalium keluar dari neuron. Tindakan ini memungkinkan ion positif berdifusi keluar, yang menyebabkan peningkatan negativitas di dalam neuron; ini bersifat inhibitorik.
- Aktivasi enzim reseptor. Hal ini menghambat fungsi metabolik sel dan meningkatkan jumlah reseptor sinaptik inhibitorik atau menurunkan jumlah reseptor eksitatorik.
Comments (0)