Fungsi dan Mekanisme Otot Serta Efeknya Terhadap Aktivitas

Skenario

Seorang anak kelas 4 SD merasakan pegal pada kakinya setelah berlari mengelilingi lapangan basket sebanyak 5 kali.

Abstrak

Kelelahan otot adalah kondisi yang selalu dirasai oleh setiap orang setelah aktivitas berat atau olahraga berat. Tujuan makalah ini adalah untuk menjelaskan apa yang terjadi di dalam tubuh atau otot yang terlibat dari segi anatomi dan fisiologi otot tersebut. Terdapat beberapa mekanisme yang terjadi di dalam otot yaitu mekanisme kontraksi dan relaksasi. Kelelahan otot terjadi apabila kekurangan oksigen dan penumpukan asam laktat pada otot yang bekerja sewaktu aktivitas. Setelah kelelahan otot terjadi, pentingnya untuk individu beristirehat dan melakukan regangan ringan untuk menghilangkan rasa pegal pada otot.

Kata kunci : kelelahan otot, mekanisme kontraksi dan relaksasi otot, penumpukan asam laktat pada otot, hutang oksigen

Abstract

Muscle fatigue is a condition that is always faced by any person after strenuous activity or vigorous exercise. The purpose of this paper is to explain what is going on in the body or muscles involved in terms of anatomy and physiology of the muscle. There are several mechanisms involved in muscle contraction and relaxation.  Muscle fatigue occurs when the lack of oxygen and a buildup of lactic acid in the muscles after activity. After muscle fatigue occurs, it is importance for individuals to rest and do mild strain to relieve stiffness in the muscles.

Keywords : muscle fatigue, muscle contraction and relaxation, muscle mechanism, buildup of lactic acid, oxygen debt

Pendahuluan

Otot merupakan bagian yang amat penting dalam sistem kerja tubuh. Otot merupakan pengerak tulang dan memboleh kita bergerak dari satu tempat ke tempat yang lain.1

Berbicara dan berjalan, bernafas dan bersin, semua gerakan memerlukan otot. Otot adalah organ khusus yang terdiri dari sel-sel yang menggunakan energi kimia yang tersimpan dalam nutrisi untuk mengerahkan kekuatan yang menarik pada struktur yang mereka terpasang. Tindakan otot juga menyebabkan mendorong cairan tubuh dan makanan, menghasilkan detak jantung, dan mendistribusikan panas pada tubuh.2 Ada tiga jenis otot yaitu otot skeletal, otot polos dan otot jantung.3 Makalah ini berfokus terutama pada otot rangka yang menempel pada tulang dan kulit wajah dan di bawah kendali sadar.

Hipotesis

Hipotesis kasus ini adalah pegal pada kaki setelah berlari disebabkan kelelahan otot karena penumpukan asam laktat dan kekurangan oksigen.

Sasaran Pembelajaran

• Mahasiswa mampu menjelaskan mekanisme kontraksi dan relaksasi otot yang terlibat
• Mahasiswa mampu menjelaskan proses glikolisis, aerobik dan anaerobik pada otot serta penumpukan asam laktat
• Mahasiswa mampu menyatakan bagian makro dan mikro anatomi yang terlibat
• Mahasiswa mampu menjelaskan pentingnya istirehat setelah aktivitas
• Mahasiswa mampu menjelaskan kenapa otot bisa pegal

Pembahasan

Sendi dan Pergerakan

Tulang bisa bergerak dalam hubungannya dengan satu sama lain pada sendi. Berbagai jenis sendi memperbolehkan pelbagai derajat pergerakan. Ligamen terbuat dari jaringan ikat elastis.2 Jaringan ini memegang tulang bersama-sama dan membatasi jumlah gerakan pada sendi. Tendon adalah serat dari jaringan fibrosa non-elastis yang menyambung otot ke tulang.3

Gambar 1: Sendi3

Penutup Jaringan ikat Pada Otot

Sebuah otot rangka adalah organ sistem otot terdiri dari jaringan otot rangka, jaringan saraf, darah dan jaringan ikat lainnya. Sebuah otot rangka individu dipisahkan dari yang otot berdekatan dan pegang di posisi oleh lapisan jaringan ikat padat yang disebut fascia.4 Jaringan ikat ini mengelilingi setiap otot dan bisa mencapai sehingga luar hujungnya membentuk tendon.3-4 Serat dalam tendon dapat terjalin dengan bagian dalam periosteum dari tulang, menghubungkan otot ke tulang atau jaringan ikat yang dikaitkan dengan bentuk otot yang luas, lembar fibrosa disebut aponeurosis, yang dapat menempel pada tulang atau penutup dari otot-otot yang berdekatan.4

Gambar 2: Struktur Otot Rangka4

Lapisan jaringan ikat yang erat mengelilingi otot rangka disebut epimysium tersebut. Lapisan jaringan ikat yang lain disebut perimysium, meluas ke dalam dari yang epimysium dan memisahkan jaringan otot menjadi beberapa bagian kecil. Bagian ini berisi kumpulan otot rangka disebut fasikula (fascicle). Setiap serat otot dalam fasikula terletak dalam lapisan jaringan ikat penutup yang tipis yang disebut endomysium.4-5

Struktur otot rangka

Kita telah melihat bahwa otot yang menyebabkan pergerakan melekat pada bagian bergerak dari kerangka dan sehingga mereka dikenal sebagai otot rangka. Otot rangka melekat pada tulang dan yang dilekatkan oleh tendon dan bekerja berpasangan secara antagonis,2 Ini berarti bahwa ada pasangan otot yang berlawanan arah tarikan. Otot fleksor berkontraksi untuk melenturkan, atau membengkokkan sendi, misalnya otot biceps brachii di lengan. Otot ekstensor berkontraksi untuk memperpanjang, atau meluruskan sendi. Misalnya otot triceps brachii di lengan.2-3  

Otot rangka terdiri dari bundel dari serat otot.4 Sebuah serat otot adalah panjang dan mempunyai banyak nukleus. Fitur yang luar biasa dari serat otot adalah kemampuan untuk memendek setengah atau bahkan sepertiga dari pada panjang saat relaksasi atau panjang 'beristirahat'.2 Serat muncul bergaris di bawah mikroskop cahaya dan menjadikan otot rangka dikenal sebagai bergaris atau otot lurik. Sebenarnya, setiap serat itu sendiri terdiri dari massa myofibrils, dan kita perlu mikroskop elektron untuk melihat ini.

Gambar 3: Otot Rangka4

Ultrastruktur serat otot

Dengan menggunakan mikroskop elektron, kita dapat melihat bahwa setiap serat otot terdiri dari banyak miofibril paralel di dalam membran plasma yang dikenal sebagai sarcolemma bersama-sama dengan sitoplasma.2 Sitoplasma mengandung mitokondria yang dikemas antara miofibril, dan sarcolemma melipat ke dalam untuk membentuk sistem melintang retikulum endoplasma tubular, yang dikenal sebagai retikulum sarkoplasma.1,2 Ia disusun sebagai jaringan sekitar setiap satu miofibril.

Gambar 4: Ultrastruktur Serat Otot4

Penampilan bergaris pada otot rangka adalah karena suatu pengaturan silang dari dua jenis filamen protein masing-masing dikenal sebagai 'filamen tebal' dan 'filamen tipis' yang membentuk miofibrils.5 Filamen protein ini selaras memberikan penampilan garis-garis.

Filamen tebal terbuat dari protein tertentu yang disebut miosin.1 Mereka adalah sekitar 15nm diameter, dan pendek dibandingkan dengan filamen tipis. Filamen tipis yang lebih panjang sedikit terbuat dari protein lain disebut aktin.2 Filamen tipis sekitar 7nm diameter, dan diselenggarakan bersama oleh pita-pita melintang. Setiap unit miofibril disebut sebagai sarkomer.4 Jadi kita bisa memikirkan miofibril sebagai terdiri dari serangkaian sarkomer melekat hujung ke hujung.

Gambar 5: Miofibril4

Kontraksi Otot Rangka Dengan Menggeser Filamen

Filamen tebal terletak di bagian tengah dari masing-masing sarkomer , terjepit di antara filamen tipis. Ketika kontraksi otot rangka, aktin dan miosin menggeser melewati satu sama lain,6 Respon terhadap stimulasi saraf, menyebabkan pemendekan sarkomer. Hal ini terjadi dalam serangkaian langkah, kadang-kadang digambarkan sebagai 'mekanisme ratchet'.2 Banyak ATP digunakan dalam proses kontraksi.

Pemendekkan ini terjadi karena filamen tebal terdiri dari banyak molekul myosin, masing-masing dengan 'kepala' bulat . Kepala ini menonjol dari filamen miosin. Sepanjang filamen aktin adalah serangkaian melengkapi situs mengikat kepala bulat yang cocok. Namun, dalam serat otot saat istirahat, situs mengikat membawa molekul inhibitor (protein yang disebut tropomiosin) yang memblokir sehingga mengikat dan kontraksi tidak mungkin terjadi. Kontraksi sarkomer adalah baik dijelaskan dalam lima langkah berikut .

1. Miofibril dirangsang untuk kontraksi oleh kedatangan potensial aksi. pemicu ini menyebabkan pelepasan ion kalsium dari retikulum sarkoplasma, sekitar molekul aktin.5 Ion kalsium sekarang bereaksi dengan protein tambahan disebut troponin-C yang ketika begitu diaktifkan dan mengerakan tropomiosin dan membuka situs mengikat myosin.6

2. Setiap kepala bulat yang ada ADP dan Pi bereaksi dengan situs mengikat pada molekul aktin dan melepaskan kelompok fosfat (Pi) sehingga miosin bisa menempel pada aktin.1-2

3. Kemudian molekul ADP pula yang dilepaskan dari kepala bulat, dan ini merupakan pemicu untuk 'mendayung' atau mengeser actin ke dalam miosin. Langkah ini yang disebut daya stroke, miofibril telah memendek dan kontraksi telah terjadi.1

4. Sebuah molekul ATP baru berikatan dengan kepala bulat. Protein dari kepala bulat termasuk ATPase enzim, mengkatalisis hidrolisis ATP.4 Bila reaksi ini terjadi, ADP dan fosfat anorganik (Pi) dibentuk tetap melekat, dan kepala bulat sekarang ada lagi ADP dan Pi.5 Kepala terlepas dari situs mengikat dan diluruskan.

5. Siklus ini berulang di situs mengikat lebih lanjut sepanjang molekul aktin, selagi ion kalsium dilepaskan dari sarkoplasma retikulum dan menyebabkan troponin mengeser tropomiosin untuk membuka situs mengikat.4

Kecepatan, stamina dan komposisi serat otot

Struktur dasar otot rangka dan serat yang membentuk blok otot yang terjadi, dikelilingi oleh jaringan ikat. Namun, meskipun semua serat otot rangka dapat muncul sama pada preparat otot, sebenarnya dua jenis yang berbeda ada pada manusia. Ini pergi dengan nama yang agak menarik dari 'otot cepat kerut' dan 'otot lambat kerut'.2 Perbedaan mereka terletak pada sifat fisiologis mereka, dan ini akan kita bahas selanjutnya.

Serat otot cepat kerut mampu menghasilkan kekuatan yang tinggi untuk waktu yang singkat.6 Kontraksi ini disebabkan oleh konsentrasi tinggi dari enzim ATPase antara cross-bridge filamen myosin. Kedatangan potensial aksi pada miofibril melepaskan ion Ca2+ dari retikulum sarkoplasma.2 Ion Ca2+ bereaksi dengan protein (troponin), lalu mengaktifkannya. Troponin yang aktif bereaksi dengan tropomyosin di lokasi mengikat molekul aktin, sehingga mendedahkan situs mengikat. Setiap molekul miosin memiliki 'kepala' yang bereaksi dengan ATP → Pi yang tetap terikat.4

Serat otot cepat kerut bergantung pada sistem energi glikolisis/laktat, yang dijelaskan sebagai sumber energi anaerobik. Ini adalah sumber jangka pendek untuk ATP, tetapi mudah habis. Serat cepat kerut dilayani oleh sedikit kapiler, sehingga mengandung sedikit mitokondria, dan sangat sedikit mioglobin juga  sehingga mereka pucat dalam penampilan).7 Namun, serat retikulum sarkoplasma pada serat cepat kerut memiliki kemampuan yang disesuaikan untuk rilis cepat dan penyerapan ion kalsium, dan ini juga memberikan kontribusi untuk mereka mampu berkontraksi dengan cepat.2

Di sisi lain, serat otot lambat kerut mencapai kekuatan kurang tapi mempertahankan kontraksi untuk waktu yang lebih lama.2 Serat memiliki konsentrasi enzim ATPase yang relatif rendah antara filamen myosin. Serat lambat kerut memiliki konsentrasi tinggi mioglobin (pigmen cadangan oksigen yang ditemukan pada otot, yang memberikan serat ini warna merah gelap),4 tambahan lagi banyak mitokondria, dan tinggi konsentrasi enzim mitokondria yang dibutuhkan untuk mempertahankan respirasi aerobik. Mereka bergantung sedikit pada jalur glikolisis/laktat. Retikulum sarkoplasma memiliki kualitas pelepasan ion kalsium yang lambat jika dibandingkan dengan serat cepat kerut, dan ini juga memberikan kontribusi untuk karakteristik mereka yang lambat memendek atau berkontraksi.2 Serat lambat kerut dilayani oleh kapiler darah yang banyak.

Menurut fakta mencatat bahwa otot rangka manusia pada anggota badan biasanya terdiri dari sekitar 45-55% serat otot lambat kerut.2 Namun, proporsi yang tepat otot cepat dan lambat kerut seorang individu di otot-otot lengan dan kaki mereka tampaknya ditentukan secara genetis. Setiap orang memiliki proporsi yang berbeda dari dua oto kerut tersebut.

Respirasi Aerobik dan Respirasi Anaerobik

Semua organisme hidup harus bernafas. Ada dua cara yang berbeda di mana mereka melakukan ini:- respirasi aerobik (menggunakan oksigen) dan respirasi anaerobik (tanpa oksigen).3 Kedua proses ini membuat energi yang tersimpan dalam glukosa tersedia dalam bentuk  ATP, untuk reaksi daya metabolik.

Respirasi aerobik :

Glukosa + Oksigen →  Karbon dioksida + Air + Energi

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H20 + ~30 ATP

Respirasi anaerobik :

Glukosa → Asam laktat + Energi

C6H12O6 → 2C3H6O3 + 2 ATP

Pemecahan glukosa dalam proses glikolisis

Dimulai dengan satu molekul glukosa, glikolisis menghasilkan dua molekul piruvat, dua molekul reduced NAD dan keuntungan bersih dua molekul ATP. Glikolisis terjadi dalam sitoplasma sel.8

Gambar 6: Proses Glikolisis3

Respirasi Aerobik

Dalam respirasi aerobik, piruvat (dari glikolisis) dioksidasi sempurna menjadi karbon dioksida dan air dengan menggunakan oksigen.2

Respirasi aerobik terjadi dalam dua tahap:

1. Piruvat dioksidasi menjadi karbon dioksida dan hidrogen (diterima oleh koenzim NAD dan FAD). Ini terjadi dalam matriks mitokondria dan melibatkan siklus Krebs.3

2. Sebagian besar ATP dihasilkan dalam respirasi aerobik disintesis oleh fosforilasi oksidatif yang terkait dengan rantaian transpor electron. Ini melibatkan chemiosmosis dan enzim ATPase. Ini terjadi di krista (membran dalam) pada mitokondria.3

Dalam respirasi aerobik setiap molekul piruvat yang berasal dari glikolisis dalam sitoplasma sel memasuki matriks mitokondria.3-4 Ia dikonversi dari piruvat (3 Karbon) ke asetil (2 Karbon). Ini melibatkan hilangnya CO2 (dekarboksilasi) dan hidrogen (dehidrogenasi) menghasilkan reduced NAD. Kelompok asetil dibawa oleh koenzim A dan disebut sebagai koenzim asetil A.

Siklus krebs

Siklus Krebs terjadi di matriks mitokondria. Tujuan utama dari siklus ini adalah untuk menyediakan hydrogen (elektron) yang yang berterusan ke rantai transpor elektron untuk digunakan dalam sintesis ATP oleh fosforilasi oksidatif.1-5

Gambar 7: Siklus Krebs1

Setiap molekul koenzim asetil A dari reaksi link digunakan untuk menghasilkan2:

• tiga molekul reduced NAD
• satu molekul reduced FAD
• dua molekul CO2
• satu molekul ATP
• satu molekul senyawa 4-karbon, yang dibuat berulang-ulang untuk menerima kelompok asetil dan memulai siklus itu lagi.

Fosforilasi Oksidatif, Chemiosmosis dan Rantai Transpor Elektron

Sebagian besar ATP dihasilkan dalam respirasi aerobik disintesis oleh elektron rantai transpor.3

Gambar 8: Rantai Transpor Elektron

1. Reduced NAD dan reduced FAD membawa ion hydrogen, H+ dan elektron ke rantai transpor electron pada membrane bagian dalam mitokondria.
2. Elektron lewat dari satu karir elektron ke karir seterusnya dalam satu siri proses redox (oksidasi dan reduksi). Karir direduksi apabila ia menerima elektron dan dioksidasi apabila ia melewati elektron.
3. Protons (H+) bergerak melewati membran bagian dalam mitokondria dan menyebabkan konsentrasi H+ yang tinggi di ruangan intermembran.
4. H+ difusi kembali ke matrik mitokondria menuruni electrochemical gradient.
5. Difusi H+ memperbolehkan ATPase untuk mengkatalisis sintesis ATP.
6. Elektron dan H+ menyatu untuk membentuk atom hydrogen yang akan menyatu dengan oksigen untuk membentuk air. Jika persediaan oksigen berhenti, rantai transpor elektron dan sintesis ATP juga berhenti.

Mayoritas ATP dihasilkan oleh respirasi aerobik berasal dari aktivitas rantai transpor elektron pada membran bagian dalam mitokondria (krista). Reaksi keseluruhan respirasi aerobik dapat diringkas apabila pembelahan dan oksidasi substrat pernapasan (misalnya glukosa) untuk melepaskan karbon dioksida sebagai limbah produk, diikuti dengan bersatunya kembali hidrogen dengan oksigen untuk melepaskan sejumlah besar energi dalam bentuk ATP.8

Respirasi Anaerobik

Glikolisis tidak membutuhkan molekul oksigen. Namun, untuk glikolisis melanjutkan prosesnya sumber NAD yang konstan diperlukan.2 Dalam respirasi aerobik, NAD diproduksi oleh rantai transpor elektron.4 Reduced NAD harus dioksidasi menjadi NAD. Selama respirasi anaerobik, NAD harus datang dari tempat lain. Pada manusia, piruvat dari glikolisis di reduksi untuk membentuk laktat, NAD terbentuk dan dapat melanjutkan proses glikolisis.7

Respirasi anaerobik memungkinkan kita untuk membuat sejumlah kecil ATP. Ini adalah proses yang tidak efisien tapi itu cepat dan dapat menyediakan otot dengan ATP ketika oksigen tidak disampaikan dengan cepat dan secukupnya untuk sel.2-3 Misalnya dalam skenario ini sel otot rangka.

Laktat membentuk asam laktat dalam larutan yang menurunkan pH.4 Hal ini bisa  mencegah enzim dan jika diizinkan untuk menumpuk; hal ini dapat menyebabkan kram otot dan rasa pegal pada otot.5-8 Setelah respirasi aerobik kembali pada saat istirehat, laktat diubah kembali menjadi piruvat.1 Hal ini dioksidasi melalui siklus Krebs menjadi karbon dioksida dan air.3 Oksigen tambahan yang diperlukan untuk proses ini disebut hutang oksigen.4

Gambar 9: Respirasi Anaerobik3

Kesimpulan

Rasa pegal pada kaki anak 4 SD setelah berlari disebabkan kelelahan otot karena penumpukan asam laktat dan kekurangan oksigen pada ototnya. Siklus krebs dan rantai transpor elektron tidak berlaku lancar ketika olahraga berat dan piruvat tidak bisa masuk ke siklus kreb karena ketika olahraga berat, oksigen dalam tubuh berkurang dan penghasilan air dan ATP tidak efisien. Untuk menyediakan ATP untuk otot ketika berlari, respirasi anaerobik harus terjadi dan piruvat yang terhasil direduksi menjadi asam laktat Penumpukan asam laktat ini yang menyebabkan rasa pegal pada kakinya.

Daftar Pustaka

1.	Fullick A. Edexcel A2 biology United Kingdom: Pearson Education Limited; 2009.
2.	Clegg CJ. Edexcel biology for A2 London: Hodder Education; 2009.
3.	Edexcel A2 Biology Revision Guide England: Pearson Education Limited; 2009.
4.	Shier D, Butler J, Lewis R. Hole’s human anatomy dan physiology. 12th ed. United States: McGraw-Hill; 2010.
5.	Fox SI. Human physiology. 12th ed. New York: McGraw-Hill; 2011.
6.	Silverthorn DU, Johnson BR, Ober WC, Garrison WC, Silverthorn AC. Human physiology. 6th ed. USA: Pearson Education Inc.; 2013.
7.	Costanzo LS. Physiology. 5th ed. Philadelphia: Lippincott williams & wilkins; 2011.
8.	Guyton AC, Hall JE. Textbook of medical physiology. 11th ed. Pennsylvania: Elsevier saunders; 2006.