Metabolisme Tubuh -Basic Science in Nursing IIIrwan Ary Dharmawan1, Hana Rizmadewi Agustina2 dan Maria Komariah2
1)
Jurusan Fisika, Universitas Padjadjaran 2) Fakultas Keperawatan, Universitas Padjadjaran
SLIDE
http://phys.unpad.ac.id/jurusan/staff/dharmawan/kuliah
Rujukan • Principles of Science for Nurses, Joyce James et.al, Blackwell Science • Human Body Dynamics, Aydin Tozeren, Springer • Physics of the Human Body, Irving P. Herman, Springer • Physics in Biology and Medicine, Paul Davidovits, Academic Press • Semua buku Fisika Dasar (Giancoli, Finn, Serway, Halliday, dll) • Googling !
Definisi Metabolisma • Proses yang melibatkan terbentuknya energi, penyimpanan energi dan pemanfaatannya untuk aktivitas tubuh manusia disebut dengan Metabolisma • Secara umum, metabolisma merupakan energi yang digunakan oleh tubuh dan semua reaksi kimia dalam sel untuk menjaga tubuh agar tetap hidup • Proses Metabolic dibagi menjadi dua yaitu anabolic dan catabolic
Aliran Energi dalam tubuh
Mengapa tubuh kita memerlukan makanan ? • Untuk mengoperasikan organ tubuh • Menjaga agar temperatur tubuh tetap konstan dengan menggunakan kalor yang dihasilkan dari fungsi organ • Untuk melakukan kerja • Membangun suplai energi untuk kebutuhan 5-10% energi dari makanan dikeluarkan melalu feses dan urin
Hukum Pertama Thermodinamika • Hukum pertama Thermodinamika merupakan hukum kekekalan Energi untuk berbagai proses, dan dinyatakan dengan persamaan berikut
∆U
∆U = Q − W Perubahan energi yang tersimpan dalam tubuh
Q
Perpindahan kalor dalam tubuh manusia
W
Kerja yang dihasilkan oleh tubuh
• Ketika energi yang tersimpan berkurang ∆U < 0 , kalor akan berpindah dari tubuh Q < 0 dan tubuh menghasilkan kerja
W >0
Perpindahan kalor dalam tubuh manusia • Perpindahan kalor dalam tubuh manusia terdiri dari kalor yang diproduksi dari proses metabolisma tubuh dan kalor yang hilang akibat proses konduksi, konveksi, radiasi dan evaporasi • Secara umum perpindahan kalor dalam tubuh manusia dapat ditulis dengan persamaan
Q = Qmet + Qloss Qmet
Merupakan kalor yang diproduksi dari hasil metabolisma tubuh (Metabolic Rate)
Qloss
Merupakan kalor yang dilepaskan oleh tubuh
∆U = Qmet + Qloss − W
Satuan Energi
Aktivitas Manusia vs Metabolic Rate
Energi yang dibutuhkan Manusia • Bergantung kepada berat dan tinggi manusia tersebut • Energi yang dikonsumsi oleh manusia dalam melakukan aktivitas tertentu dibagi dengan luas permukaan tubuhnya hampir sama untuk semua orang • Secara empirik luas tubuh manusia dapat dihitung menggunakan
Luas = 0.202 × W 0.425 × H 0.725 • W dan H menyatakan berat (kg) dan tinggi manusia (m) berturut-turut
Energi yang dibutuhkan Manusia (contoh) • Luas tubuh seorang manusia dengan berat 70 kg dan tinggi 1.55 m adalah 1.70 m2. Metabolic-rate nya dalam keadaan istirahat adalah 40 cal/m2 -jam x 1.70 m2 = 68 Cal/jam Basal Metabolic Rate
Energi dari Makanan • Proses Oksidasi : C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energi • Untuk setiap gram glukosa akan dihasilkan Energi sebesar 3.81 Cal • Nilai kalori per satuan berat yang dihasilkan berbeda untuk setiap makanan, sebagai contoh : karbohidrat (gula) dan protein sebesar 4 cal/g , lemak 9 cal/g dan alkolhol 7 cal/g • Proses oksidasi makanan memerlukan ‘katalis’ (enzym), untuk mempertahankan proses metabolisma pada temperatur tetap
Aktivitas vs Energi yang dihasilkan
Komposisi dan konten Energi dari makanan
Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c) • Kapasitas Kalor (C) adalah energi (kalor) yang diperlukan untuk menaikkan temperatur suatu objek sebesar satu derajat celcius • Kapasitas kalor per unit volume atau massa disebut dengan Kalor Spesifik (c) • Kapasitas kalor merupakan sifat intrisik dari suatu material/objek sedang Kalor Spesifik merupakan faktor ekstrinsik
C = mc
Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c) • Kenaikan temperatur sebesar ∆T dari suatu objek dengan kalor yang masuk ke dalam tubuh Q dinyatakan dengan
Q ∆T = mc • Untuk air c = 1.0 cal/g oC = 1.0 kcal/kg oC • Untuk tubuh manusia c = 0.83 cal/g oC = 0.83 kcal/kg oC, artinya adalah diperlukan 83 kcal (kalori makanan) untuk menaikkan temperatur tubuh manusia dengan berat 100 kg sebesar 1 derajat celcius • 0.83 kcal sama dengan kalori yang dihasilkan dari sepotong roti
Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c) • Mengapa temperatur tubuh manusia tidak menaik ketika kita makan sepotong roti terus menerus ? Tidak mungkin Heat loss !
Perpindahan Kalor (konduksi) 1 dQ ∆T = −K A dt ∆x
• Ruas kiri disebut juga dengan Fluks Kalor (Heat Fluks), yang menyatakan jumlah Kalor yang mengalir per satuan luas A dan waktu. Tanda minus menyatakan bahwa kalor berpindah dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. • Konduktivitas Thermal (K), menyatakan bagaimana temperatur bervariasi secara spasial yang disebabkan adanya perpindahan kalor diantara dua daerah yang dipisahkan oleh jarak delta x.
Temperatur pada tubuh manusia • Manusia sebagai mahluk hidup berdarah ‘panas’ harus selalu menjaga kesetimbangan temperatur tubuhnya pada suhu konstan (37oC) • Jika suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu normal akan menyebabkan rusaknya protein dalam proses metabolisma tubuh • Jika suhu tubuh lebih rendah, maka jantung kita akan berhenti berfungsi
Temperatur dan aktivitas manusia • 20% energi digunakan oleh otot untuk bekerja • 80% dari energi yang dihasilkan untuk bekerja akan dikonversikan menjadi kalor dalam tubuh manusia • Jika dari 80% tidak dikonversikan ke dalam kalor maka temperatur tubuh akan meningkat • Sebagai contoh seorang manusia dengan berat 70 kg mengkonsumsi kalori sebanyak 260 cal/jam. Sekitar 208 dikonversikan menjadi kalor. Jika tidak maka akan terjadi kenaikan temperatur sebesar 3oC / jam collapse !
Konduksi dalam tubuh manusia • Sumber dari kalor pada tubuh terdapat pada bagian tubuh yang dalam • Untuk mengeleminasikannya maka harus dikonduksikan melalui kulit • Agar terjadi konduksi maka harus terdapat perbedaan temperatur, oleh karena itu temperatur kulit harus lebih rendah • Dalam keadaan normal temperatur kulit sekitar 35oC, dalam keadaan dingin sekitar 27oC
Konduksi dalam tubuh manusia (contoh) • Jika tebal jaringan antara tubuh manusia bagian luar dan bagian dalam adalah 3 cm, dengan luas permukaan rata-rata untuk terjadi konduksi adalah 1,5m2. Kemudian perbedaan temperatur antara tubuh bagian dalam dan kulit sebesar 2oC. Maka kalor yang mengalir per jamnya adalah (Konduktivitas termal jaringan = 18 cal cm /m2 –jam- oC)
dQ KA∆T 18 ×1.5 × 2 = 18cal/jam = = dt L 3
Mekanisme lain untuk konduksi dlm tubuh • Mayoritas kalor ditransportkan dari tubuh bagian dalam ke sistem aliran darah. Kalor masuk ke dalam sel interior dengan mekanisme konduksi. Dalam kasus ini, proses konduksi sangat cepat jarak antara kapiler dan sel sumber kalor sangat tipis. Sistem aliran darah akan membawa kalor yang dibawa oleh dara menuju permukaan kulit. Kalor kemudian dipindahkan menuju permukaan melalui proses konduksi. • Jika aliran kalor melalui darah berlebih , maka jaringan kapiler deket permukaan akan menghambat aliran darah, sehingga aliran darah akan tereduksi.
Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)
• • • •
Hc merupakan kalor yang dipindahkan melalu konveksi Kc adalah koefisien konveksi Ts adalah temperatur kulit Ta adalah temperatur udara
Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)
Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi) • Contoh : seorang manusia dalam keadaan telanjang dengan luas permukaan 1.7m2, berdiri dan luas permukaan yang terekspos adalah 1.36m2. Jika temperatur udara 25oC dan temperatur rata-rata kulit adalah 33oC, maka jumlah kalor yang dihilangkan adalah (Kc = 6cal/m2 – jam – oC , tiada angin)
Hc = 65.4 cal/jam
• Dalam keadaan bekerja manusia menghasilkan 170 cal/jam, oleh karena itu kecepatan angin perlu ditambah 1.5 m/detik untuk menghasilkan proses pendinginan sebesar 170 cal/jam
Radiasi
• • • • • •
Hc merupakan kalor yang dipindahkan melalu radiasi Kr adalah koefisien radiasi (6.0 cal/m2 – jam – C) Ts adalah temperatur kulit Tr adalah temperatur permukaan radiasi Ar adalah luas permukaan radiasi e adalah emisivitas permukaan kulit (menuju 1)
Radiasi (contoh)
• Seorang manusia dengan Ar = 1.5 m2, Tr=25oC dan Ts=32oC. Maka radiasi loss nya sebesar 63 cal/jam
Radiasi (contoh)
• Seorang manusia dengan Ar = 1.5 m2, Tr=25oC dan Ts=32oC. Maka radiasi loss nya sebesar 63 cal/jam
