BIOFISIKA 2 BIOENERGETIKA 1. KONSEP ENERGI Energi sering menjadi pokok bahasan setiap hari, namun tak banyak orang yang memahami konsep dasar energi. Energi dapat ditinjau dari 3 sudut pandang, yaitu : biologis, fisika dan kimia. Bahasan selanjutnya dibatasi pada konsep energi ditinjau dari ilmu fisika. Ilmu Fisika memandang energi sebagai sebuah proses perubahan dan tubuh manusia merupakan media perubahan tersebut. Tubuh manusia berinteraksi dengan benda lain di alam ini dalam gaining and loosing. Posisi dan gerakan tubuh mempengaruhi keseimbangan energi tubuh. Pada posisi dan gerakan tertentu energi lebih besar dari kondisi lain. a. Kondisi : Static Vs Dyanamic Pada kondisi statis sebuah benda memiliki potensi energi tersimpan yang bergantung pada besar massa, gaya tarik gravitasi dan perbedaan ketinggian. Energi yang tersimpan pada sebuah benda diam disebut dengan energi potensial (Ep). Pada tubuh manusia, Ep bersifat relative karena pengertian diam dapat dikenakan pada tubuh secara utuh, sebagian anggota gerak, organ tubuh atau bahkan molekul penyusun tubuh manusia. Ep = m.g.h, dimana m: massa; g: gaya gravitasi; h: perbedaan ketinggian Pada kondisi tertentu tubuh kehilangan sebagian massanya, seperti saat berenang, terutama di air asin. Saat berenang tubuh mendapatkan gaya dorong yang arahnya berlawanan dengan gaya gravitasi. Selain itu, kerapatan molekul air menentukan massa jenis air yang jauh lebih besar dari udara. Manusia yang tegak berdiri memiliki perbedaan Ep pada tiap organya. Hal ini disebabkan oleh perbedaan posisi ketinggian dari dasar, misalnya Ep otak jauh lebih besar dibandingkan dengan Ep yang dimiliki patella. Sebaliknya bila manusia tidur terlentang, maka Ep tiap organ adalah sama karena tidak terdapat perbedaan ketinggian (Ep = 0). Dengan demikian manusia memiliki potensi yang lebih besar saat berdiri daripada tidur. Energi potensial (Ep) juga dimiliki oleh benda yang memiliki kelenturan (elastisitas). Semakin kaku sebuah benda, semakin besar potensi energi yang tersimpan dalam benda tersebut. Bila kita mampu memaksimalkan regangan pada benda yang memiliki kelenturan maka semkin besar energi potensialnya. Dengan demikian besar Ep pada benda yang lentur tergantung pada konstanta kelenturan dan perbedaan panjang akibat regangan. Ep = ½. k. x2, dimana k: konstanta kelenturan dan x: perbedaan panjang Tubuh manusia memiliki beberapa jaringan yang memiliki kelenturan (elastisitas), seperti : otot, kulit, dan tulang rawan. Sifat dari jaringan tersebut adalah memiliki gaya recoil, yaitu gaya yang memiliki kecenderungan kembali pada kondisi
awal (seperti pegas). Gaya recoil sangat bergantung pada konstanta kelenturan dan besar regangan Gerakan yang menyebabkan perubahan posisi menandai kondisi dinamis. Kondisi dinamis tubuh manusia tidak hanya dipandang dari perubahan posisi tubuh, namun juga dapat dipandang dari perubahan posisi anggota gerak, organ tubuh atau bahkan molekul tubuh. Benda yang bergerak dan berubah posisinya memiliki energi kinetik (Ek). Ek bergantung pada besar massa dan kecepatan gerak benda berpindah posisi. Ek = ½ m v2 , dimana m: massa dan v: kecepatan gerakan. Bentuk lain dari energi kinetik adalah energi alir darah dan energi termal tubuh. Ek yang muncul dari energi termal berasal dari tumbukan molekul gas yang bergerak tak beraturan akibat pemanasan.
b. Proses : Gaining Vs Loosing Tubuh manusia merupakan media bagi perubahan bentuk energi. Energi kimia berupa adenosine triphospat (ATP) dirubah menjadi energi potensial otot saat melepas salah satu ikatan fosfatnya. Tubuh yang bergerak tidak kehilangan energi potensialnya, justru besar energinya ditambah oleh energi kinetik yang muncul dari kecepatan gerakan tersebut. Tubuh akan selalu memperoleh dan kehilangan energi, karena tubuh manusia kontak dengan molekul dari benda lain di alam semesta. Dengan demikian energi di dalam tubuh manusia tidak bersifat absolut, namun relatif dan bergantung pada kondisi lingkungan sekitar. Selama proses gaining dan loosing ini seimbang maka tubuh manusia akan selalu sehat. Keseimbangan tersebut diperlukan untuk menjaga besaran fisiologis tubuh, seperti suhu 37 derajat celcius. 2. HUKUM KEKEKALAN ENERGI Hukum kekekalan energi tidak mengenal awal dan akhir sebuah energi, bagaimana diciptakan dan ditiadakan. Hukum ini menjelaskan bahwa energi akan selalu berubah dalam bentuk dan besaranya. Hal inilah yang menyebabkan berbagai persamaan energi selalu berakhir dengan bilangan konstan atau nol (0). ∑ (Ep + Ek) = 0, P.V = C, ∆Q = 0 Perubahan energi dari suatu bentuk menjadi bentuk yang lain selalu sama besarnya antara awal proses dan akhir proses. Peningkatan salah satu bentuk atau komponen energi akan selalu disertai dengan penurunan bentuk atau komponen lain dari energi tersebut. Dengan demikian ilmu Fisika tak pernah mengenal perubahan besar energi, karena selalu konstan setiap waktu. 3. UKURAN ENERGI TUBUH Besarnya energi tubuh ditentukan dalam berbagai besaran dan ukuran variabel. Sebagian besar buku Fisika menyatakan energi dalam satuan joule, namun ada pula yang
menyatakan energi dalam skala kalori. Kesetaraan antara joule dan kalori ditunjukkan oleh besaran 1 kalori = 4,2 joule. Beberapa buku fisiologi dan biokimia menyatakan potensi energi tubuh dalam jumlah adenosine triphosphat (ATP).1 ATP memiliki 2 ikatan berenergi tinggi yang bila terlepas akan membebaskan sejumah besar energi yang diubah dalam bentuk apapun. Jumlah ATP belum dapat diukur, namun gejala kurangnya ATP dapat diamati sebagai kelainan tubuh, seperti : muscle cramping. Alat dan metode pengukuran energi tubuh juga belum terstandarisasi. Hal ini menyulitkan di dalam penentuan potensi energi seorang manusia. Alat dan metode yang saat ini sering digunakan adalah kalorimetri melalui metode pemeriksaan metabolisme basal dan kerja. 4. ENERGI TERMAL Energi termal suatu zat adalah energi kinetik total dari atom dan molekul penyusun zat yang bergerak secara acak akibat pemanasan. Energi kinetik termal dapat berupa penambahan atom, rotasi, resonansi & translasi. Sebagai contoh adalah saat air yang mendidih memiliki gerakan molekul yang tak beraturan dan saling bertumbukan. Energi kinetik termal rata-rata dari gerakan atom dan molekul penyusun zat tertentu disebut dengan suhu. Suhu dikenal luas sebagai variabel penentu temperatur benda dan dunia medis menggunakan suhu untuk membantu mengakan diagnosa demam. Suhu diukur dengan alat yang disebut dengan termometer. Prinsip kerja termometer adalah pemuaian dan penyusutan dari air raksa yang diletakan dalam tabung kapiler tertutup. Pemuaian air raksa menunjukan peningkatan suhu, sedangkan penyusutan menunjukan penurunan suhu. Sampai saat ini kita mengenal 4 macam termometer, yaitu : kelvin, celcius, farenheit, dan reamur. Persamaaan dari setiap termometer adalah kesepakatan penentuan skala maksimal dan minimal. Skala maksimal ditandai oleh perubahan air menjadi uap, sedangkan skala minimal ditandai oleh perubahan air menjadi es. Perbedaan antara satu termometer dengan yang lain terletak pada jumlah skalanya dan nilai derajat skala maksimal dan minimal. Untuk termometer kelvin dan celcius memiliki 100 skala, sedangkan reamur 80 skala dan farenheit 180 skala. Hanya celcius dan reamur yang memulai skala minimal dengan nol derajat, sedangkan kelvin memiliki skala minimal 273 derajat dan farenheit 212 derajat. Titik didih
Suhu tubuh
Titik beku
373
100
212
310
37
98
273
0
32
Suhu ekstrim ditemukan pada nol derajat kelvin dimana tak ditemukan lagi organisme yang mampu bertahan hidup pada suhu tersebut. Suhu nol derajat kelvin disebut dengan nol absolut. Tubuh manusia berupaya untuk mempertahankan suhu pada lingkungan internal. Manusia memiliki mekanisme pengaturan suhu tubuh yang diperankan oleh hypothalamus. Hypothalamus berfungsi sebagai thermostat dan reseptor yang sensitif terhadap perubahan suhu. Suhu tubuh dipertahankan konstan pada 37 derajat celcius. Saat tubuh kehilangan panas atau memperoleh panas dari lingkungan eksternal dapat mempengaruhi reseptor panas dingin di kulit dan hypothalamus. Hal ini akan direspon dengan perubahan aliran darah perifer (vasokontsriksi atau vasodilatasi), produksi keringat, gerakan tubuh tertentu seperti mengigil dan frekuensi napas. Tubuh yang keliru merespon perubahan suhu sekitar akan mengalami demam. Pengukuran suhu tubuh dapat dilakukan pada beberapa tempat, seperti di dalam mulut, ketiak dan per rektal. Pemukuran per pektal mewakili suhu inti tubuh dan memiiki perbedaan antara 0,1 s/d 0.2 derajat dengan di ketiak. Suhu inti tubuh diyakini membentuk poros antara otak dan jantung. Kalor Kalor adalah jumlah energi yang dipindahkan dari suatu benda ke benda lain akibat perbedaan suhu antara keduanya. Pengertian ini mengandung 2 komponen dasar dari kalor yaitu adanya perpindahan energi termal dan harus ada perbedaan suhu. Bila dua benda memiliki suhu yang sama maka tak mungkin terjadi perpindahan energi termal (kalor) diantara kedaanya. Satuan kalor adalah Joule dan Kalori (Kkal), 1 kal = 4,2 joule. Q = m.c.∆T, dimana Q: kalor, m: massa, c: kapasitas kalor, T : beda suhu Kapasitas kalor adalah jumlah energi kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu suatu zat sebanyak 1 C atau 1 K. Kapasitas kalor menunjukan konduktansi panas sebuah benda yang dipengaruhi oleh kerapatan molekul penyusun benda tersebut. Sedangkan istilah Kapasitas kalor spesifik (c) suatu zat adalah kapasitas kalor per satuan massa. Contoh : c air & es = 1 dan 0,5 kal/ gr C Perpindahan energi termal (kalor) terjadi melalui bebrapa mekanisme, antara lain: Konveksi : transfer energi memakai media zat alir (fluida) gas maupun cair, contoh : darah & udara respirasi. Infeksi tertentu akan menghasilkan pirogen yang mempengaruhi thermostat di hipothalamus. Suhu inti tubuh naik dan tubuh berupaya untuk memindahkan panas keluar melalui aliran darah dan udara respirasi, sehingga terjadilah demam. Konduksi : memakai media padat, harus ada kontak antar molekul, contoh : transfer melalui kulit dan otot. Tindakan mengkompress adalah upaya untuk menurunkan demam melalui konduksi. Bahan yang digunakan untuk mengkompress harus lebih dingin dari suhu tubuh. . Radiasi memanfaatkan media gelombang elektromagnet dalam mentransfer energi termal. Setiap benda di dalam sebuah rungan memancarkan radiasi, termasuk tubuh manusia. Transfer kalor melalui radiasi dapat diamati saat bermain api unggun atau siang hari saat matahari bersinar terang.
Evaporasi: adalah prubahan air menjadi uap, di saat inilah terjadi pelepasan kalor. Tubuh yang berkeringat tidak mengalami penurunan suhu sebelum keringat tersebut kering. Evaporasi sangat bergantung kelembapan udara; semakin lembap udara, semakin tinggi kandungan air maka semakin sulit evaporasi terjadi.
Termodinamika Perpindahan kalor merupakan suatu bentuk dinamika dari energi termal yang dipindahkan dari benda yang memiliki suhu lebih tinggi kepada benda yang memiliki suhu lebih rendah. Perpindahan kalor antara sistem dengan lingkungan sekitar dapat terjadi bila sistem tersebut terbuka. Sebaliknya bila sistem tersebut tertutup, maka kalor tidak dapat dipindahkan. Ilustrasu tersebut dapat dilihat pada gambar berikut Sistem Lingkungan sekitar
Sistem terbuka
Q Lingkungan sekitar Q
Sistem tertutup
Keseimbangan termodinamika tercapai bila parameter fisik suatu sistem (T, P, & V) adalah konstan sepanjang waktu. Sedangkan keseimbangan termal tercapai bila dua sistem terbuka yang saling kontak termal tidak terjadi aliran kalor antara keduanya karena suhu (T) sama dan Q = 0. Q (+) berarti sistem memperoleh kalor dan (T) suhu akhir > (T) suhu awal. Q (-) berarti sistem melepaskan kalor dan (T) suhu akhir < (T) suhu awal. Pengaruh kalor yang dipindahkan pada sebuah benda dalam fase yang sama menyebabkan benda tersebut mengalami perubahan suhu. Hal ini dinyatakan dalam sebuah persamaan berikut Q = m c ∆T, ∆T adalah peruabahan suhu yang dimaksud. Pada suatu ketika kalor yang dipindahkan tidak merubah suhu benda melainkan merubah fase benda, misalnya : air menjadi es atau air menjadi uap. Perubahan fase benda terjadi bila suhu sistem termodinamika telah mencapai titik perubahan fase, misalnya titik beku air 0° celcius dan titik uap air 100 ° celcius. Perubahan fase sangat bergantung pada kalor beku atau kalor uap pada tiap zat. Q = m L, L adalah konstanta kalor lebur, kalor beku atau kalor uap tiap zat. Pemahaman mengenai keseimbangan termodinamika dapat diaplikasikan pada upaya mengukur besar energi termal di dalam tubuh manusia. Bila tubuh manusia yang berada di dalam ruangan tertutup diibaratkan sebuah benda di dalam sistem tertutup. Kalor dipindahkan dari tubuh pada zat alir di dalam sistem tertutup, dan tidak dipindahkan keluar. Hal ini akan merubah tekanan (P), volume (V) dan suhu (T) zat alir yang dapat diamati. Secara tidak langsung besar kalor yan dimiliki tubuh dapat diketahui dari besar kalor yang diterima zat alir melalui perubahan tekanan (P), volume (V) dan suhu (T). Metode yang menggunakan konsep ini disebut dengan kalorimetri, dan alat yang digunakan untuk menerapkan metode ini disebut kalorimeter. Kalorimetri dapat digunakan untuk mengetahui besar metabolisme pada kondisi basal maupun saat tubuh bekerja. Ukuran besar metabolisme basal kemudian dikenal dengan sebutan BMR. Pemeriksaan BMR dapat membantu dalam mendiagnosis berbagai kelainan metabolik.
