Termodinamika dalam Biologi, Termodinamika Tak Balik, Difusi, Permeabilitas dan Transpor Aktif
MAKALAH
UNTUK MEMENUHI TUGAS MATAKULIAH Biofisika yang dibina oleh Ibu Vita Ria Mustikasari, S.Pd, M.Pd dan Ibu Novida Pratiwi, S.Si., M.Sc.
Oleh Ngulmi Khamidah (140351600345) (140351600345) Umi Nur Khoirum(140351601816) Vicky Vionita L.Y (140351600440)
UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM PRODI PENDIDIKAN ILMU PENGETAHUAN ALAM Oktober 2016
BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang
Semua mahluk hidup melakukan pekerjaan.Tumbuh-tumbuhan melakukan pekerjaan ketika mengangkat air dari akar ke cabang-cabang,hewan melakukan melakukan pekerjaan ketika berenang ,merayap, dan terbang.Kerja juga terjadi ketika pemompaan darah melalui pembuluh darah dalam tubuh dan pada pemompaan ion-ion melewati dinding sel .Semua kerja ini diperoleh dari pengeluaran energy kimia yang disimpan dalam makanan yang dikonsumsi oleh mahluk hidup. Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan
dengan
panas)
dan
dinamika
(yang
berkenaan
dengan
pergerakan).Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan,panas, kerja, dan energy dan secara khusus perubahan panas menjadi kerja.Hukum termodinamika pertama dan kedua dirumuskan pada abad ke-19 oleh para ilmuan mengenai peningkatan efisiensi mesin uap.Bagaimanapun hokum ini merupakan dasar seperti hokum fisika lainnya. Mereka membatasi efisiensi amuba atau ikan paus seperti mereka membatasi efisiensi mobil atau tenaga nuklir tumbuhan. Pada makalah ini akan dibahas bahwa termodinamika dapat diterapkan dalam berbagai aspek sistem kehidupan serta menyajikan teori termodinamika tak balik, metodologi penerapannya, dan beberapa contoh fisika dan biofisika. Selain membahas termodinamika, dalam makalah ini juga membahas difusi, permeabilitas dan transpor aktif , dalam penjelasaanya keseimbangan termodinamika sangat berperan penting. Difusi adalah suatu proses yang amat cepat apabila terjadi dalam satu sel biologi. Pada bidang-bidang batas yang terpisahkan oleh membrane(misalnya membrane sel) laju difusinya dapat lambat, walaupun difusi melalui membran pemisah disebut permeabilitas. Banyak membran yang permeabel hanya terhadap zat-zat tertentu. ter tentu. Dalam penghantaran impuls saraf disebutkan bahwa konsentrasi ion di dalam akson saraf berbeda dengan di luar. Perbedaan ini tidak dapat diterangkan dengan difusi pasif melalui membrane yang hanya disebabkan oleh gaya osmosis
BAB I PENDAHULUAN Latar Belakang
Semua mahluk hidup melakukan pekerjaan.Tumbuh-tumbuhan melakukan pekerjaan ketika mengangkat air dari akar ke cabang-cabang,hewan melakukan melakukan pekerjaan ketika berenang ,merayap, dan terbang.Kerja juga terjadi ketika pemompaan darah melalui pembuluh darah dalam tubuh dan pada pemompaan ion-ion melewati dinding sel .Semua kerja ini diperoleh dari pengeluaran energy kimia yang disimpan dalam makanan yang dikonsumsi oleh mahluk hidup. Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan
dengan
panas)
dan
dinamika
(yang
berkenaan
dengan
pergerakan).Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan,panas, kerja, dan energy dan secara khusus perubahan panas menjadi kerja.Hukum termodinamika pertama dan kedua dirumuskan pada abad ke-19 oleh para ilmuan mengenai peningkatan efisiensi mesin uap.Bagaimanapun hokum ini merupakan dasar seperti hokum fisika lainnya. Mereka membatasi efisiensi amuba atau ikan paus seperti mereka membatasi efisiensi mobil atau tenaga nuklir tumbuhan. Pada makalah ini akan dibahas bahwa termodinamika dapat diterapkan dalam berbagai aspek sistem kehidupan serta menyajikan teori termodinamika tak balik, metodologi penerapannya, dan beberapa contoh fisika dan biofisika. Selain membahas termodinamika, dalam makalah ini juga membahas difusi, permeabilitas dan transpor aktif , dalam penjelasaanya keseimbangan termodinamika sangat berperan penting. Difusi adalah suatu proses yang amat cepat apabila terjadi dalam satu sel biologi. Pada bidang-bidang batas yang terpisahkan oleh membrane(misalnya membrane sel) laju difusinya dapat lambat, walaupun difusi melalui membran pemisah disebut permeabilitas. Banyak membran yang permeabel hanya terhadap zat-zat tertentu. ter tentu. Dalam penghantaran impuls saraf disebutkan bahwa konsentrasi ion di dalam akson saraf berbeda dengan di luar. Perbedaan ini tidak dapat diterangkan dengan difusi pasif melalui membrane yang hanya disebabkan oleh gaya osmosis
dan
listrik,
kendatipun
efek-efek
itupun
penting.
Tetapi
perlu
juga
memperhitungkan transport aktif ion-ion tertentu yang menggunakan energi metabolik. Transpor aktif tidak hanya terbatas pada membrane akson. Difusi paksa dalam arah yang berbeda dengan difusi yang disebabkan oleh listrik dan gradien konsentrasi boleh jadi merupakan kejadian yang biasa di dalam se l.
Rumusan Masalah
1. Bagaimanakah Termodinamika dan Biologi? 2. Bagaimanakah Termodinamika Tak Balik? 3. Bagaimanakah Difusi, Permeabilitas dan Transport aktif?
Tujuan
1. Untuk Mendiskripsikan Termodinamika dan Biologi? 2. Untuk Mendiskripsikan Termodinamika Tak Balik? 3. Untuk Mendiskripsikan Difusi, Permeabilitas dan Transport aktif?
BAB II PEMBAHASAN 1. Termodinamika dan Biologi
Ackerman (1988 : 482) menyatakan bahwa termodinamika merupakan salah satu bidang utama fisika. Konsep-konsep tentang energi dan perubahan perubahan bentuknya menjadi pusat perhatian termodinamika. Para fisikawan dan kimiawan menganggap pendekatan ini paling mendasar dan paling penting. Oleh karena itu, pernerapan termodinamika dalam sistem-sistem biologi merupakan inti biofisika. Termodinamika dapat diterapkan dalam berbagai aspek sistem kehidupan. Penerapan itu mencakup perilaku sistem-sistem enzim, transpor molekul melawan gradien kimia dan listrik serta dasar molekuler fungsi membran. Bagian-bagian termodinamika yang paling banyak penerapannya dalam biologi ditekankan terutama pada konsep-konsep tentang energi, entropi, dan energi bebas Gibbs
1.1 Hukum-hukum Termodinamika
Ada 4 (empat) hukum termodinamika. Hukum termodinamika yang dimaksud adalah Hukum ke-nol termodinamika, Hukum pertama termodinamika, Hukum ke-dua termodinamika, Hukum ke-tiga termodinamika.
Hukum Ke-nol
Hukum ke 0 termodinamika berbunyi : ” Jika 2 buah benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda yang ke 3, maka ketiga benda tersebut berada
dalam kesetimbangan termal satu dengan lainnya”
Hukum ke-nol termodinamika,untuk penerapan contohnya yaitu membahas tentang dua buah substansi dengan dua keadaan yang berbeda( substansi l dengan keadaan l dan substansi ll dengan keadaan ll). Kedua substansi tersebut mencapai tiitk
equilibrium/
titik
kesetimbangan
apabila
kedua
substansi
tersebut
dihubungkan dengan substansi yang lain (gambar 4.3).Hukum ini dicetuskan oleh R.H. Flowler.
Substansi
Substans
I
II
Substans III Substans
Substansi
I
II
Contoh: misalnya, dua buah ruangan berdampingan dengan suhu ruang masingmasing 27 C dan 21 C. kedua ruangan ini akan mencapai titik kesetimbangan suhu yaitu (27 C + 21 ): 2 = 24 C, apabila dibuat interkoneksi
Termodinamika adalah kajian tentang pertukaran kalor antarbenda dan pengubahan kalor menjadi atau dari energi bentuk lain. Energi didefinisikan sebagai kemampuan melakukan kerja mekanis, W . Selanjutnya, kerja mekanis didefinisikan sebagai perkalian antara gaya F yang diberikan dan jarak s yang menggerakkannya searah dengan gaya (Ackerman, 1988 :483).
Hukum Pertama Termodinamika
Hukum I termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem ." Energi mekanis dapat berbentuk dua macam yang umum, energi potensial dan energi kinetik. Energi potensial mencakup energi elastik dan energi gravitasi. Bunyi atau energi akustik adalah campuran energi potensial dan kinetik. Pada sistem tanpa gesekan, energi mekanis selalu kekal. Karena gesekan terjadi dalam semua sistem makroskopik nyata, energi mekanis hilang sebagai kalor. Sumber energi mekanis diketahui, jadi pada suatu sistem nyata energi mekanis dapat dibangkitkan atau diepaskan. Nama lain untuk hukum dasar ini adalah hukum pertama termodinamika. Dengan lambang dapat ditulis : dE = δQ - δW
dengan E adalah energi dalam, Q adalah kalor yang dimasukkan ke dalam sistem, dan W adalah kerja atau usaha yang dilakukan oleh sistem. Hukum ini melukiskan bahwa perubahan suatu keadaan dari keadaan pertama menjadi keadaan kedua diperlukan panas dan akibat panas ini timbullah suatu kerja. Hukum pertama ini tidak saja dipakai dalam pembahasan panas contoh dalam kehidupan sehari-hari yaitu, seperti misalnya keadaan l = si sakit, keadaan ll= sembuh , panas yang diberikan = obat- obatann/ vitamin (energi). Hukum pertama dicetuskan oleh Joule Thompson.
21 C
27 C 24 C
24 C
Panas
Keadaan l
Keadaan ll
Timbul kerja ( keadaan l)
(Keadaan ll )
Sakit
Sembuh
dari Hukum kekekalan energi: Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dihancurkan/dihilangkan. Tetapi dapat ditransfer dengan berbagai cara. Kaidah kedua termodinamika entropi total sebuah sistem harus meningkat bila proses ingin berlangsung spontan. Entropi adalah derajat ketidakteraturan atau keteracakan sistem. Entropi akan mencapai taraf maksimal di dalam sistem seiring sistem mendekati keadaan seimbang yang sejati. Dalam kondisi suhu dan tekanan konstan, hubungan antara perubahan energi bebas (ΔG) pada sebuah sistem yang bereaksi, dengan perubahan entropi
(ΔS), diungkapkan dalam
persamaan: ΔG = ΔH – TΔS
Keterangan: ΔH adalah perubahan entalpi (panas) dan T adalah suhu absolut.
Hukum kedua Termodinamika
Hukum II Termodinamika berbunyi “ panas mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu lebih rendah, dan panas tidak dapat mengalir secara spontan dari benda bersuhu rendah menuju benda yang bersuhu lebih tinggi”. Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan arah waktu. Dalam mekanika, listrik dan magnetisme, tidak ada pembedaan arah waktu positif dan negatif. Hukum kedua termodinamika menyatakan dengan tegas bahwa arah waktu positif adalah arah aliran kalor dari benda panas ke benda dingin dalam suatu sistem terisolasi. Apabila sejumlah kalor δQ meninggalkan benda yang bersuhu T1 dan mengalir ke benda lebih dingin yang bersuhu T2, perubahan neto entropi untuk sistem yang terdiri atas kedua benda itu, dS = δQ/T2 – Q/T1
Hukum kedua termodinamika menyatakan “ bahwa dalam suatu sistem yang terisolasi entropinya akan maksimum pada keadaan seimbang”. Hukum kedua ini dicetuskan oleh Carnot. Hukum kedua termodinamika menyinggung bahwa input tidak sama dengan output, input 100%, output tidak mungkin 100%. Untuk mendapat gambaran jelas akan hukum ini, dapat diambil contoh dalam kehidupan sehari- hari. Misalnya: Seseorang makan makanan = 70% diserap dan Dalam keadaan normal
diolah dalam tubuh
30% keluar berupa kotoran
Hukum II termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. Hukum keseimbangan / kenaikan entropi: Panas tidak bisa mengalir dari material yang dingin ke yang lebih panas secara spontan. Entropi adalah tingkat keacakan energi. Jika satu ujung material panas, dan ujung satunya dingin, dikatakan tidak
acak, karena ada konsentrasi energi. Dikatakan entropinya rendah. Setelah rata menjadi hangat, dikatakan entropinya naik. Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut. Akan tetapi beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki arah, yaitu dari panas ke dingin.
Hukum Ketiga Termodinamika
Hukum ke 3 ini menyatakan “bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropisistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol”. Hukum ketiga berkaitan dengan apa yang terjadi terhadap entropi jika suhu mutlaknya mendekati nol. Jika kalor jenis suatu zat pada volume konstan( c ) v tetap lebih besar daripada nol, jika suhu mutlaknya mendekati nol, maka perubahan entropinya akan mendekati minus tak berhingga jika benda didinginkan menuju nol mutlak. Hukum ketiga menyatakan bahwa hal ini tidak benar-benar perubahan entropinya tetap berhingga. Dengan kata lain, hukum ketiga menyatakan bahwa c v setiap zat mendekati nol paling sedikit secepat suhunya di dekat nol mutlak. Hukum ke- tiga Termodinamika, Hukum ini membahas tentang kaitan antara gerakan molekul dengan penurunan temperatur benda tersebut. Suatu benda apabila suhu/ temperatur diturunkan secara bertahap sampai temperatur absolut, maka gerakan molekul berangsur-angsur akan melemah sampai berhenti. Hukum ini dicetuskan oleh Nernzt. Contoh kongret: Suhu air diturunkan sampai 0 , air akan membeku, kuman yang berada di dalam air gerakanya akan terhenti (bukan mati). Apabila suhu air dinaikkan maka air yang membeku tadi akan mencair kembali dan kuman yang berada didalam air akan bergerak kembali.
.
1.2
Termodinamika Dalam Biologi Hukum termodinamika 1
Hukum termodinamika menjelaskan tentang transfer energi. Hukum pertama menyatakan “ bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, akan tetapi hanya dapat berubah bentuk ”. Energi potensial yang terkandung dalam glukosa tidak dapat dihancurkan oleh sel melainkan berubah bentuk menjadi energi kinetik untuk pertumbuhan sel itu sendiri. Hal ini berarti bahwa jumlah energi di dalam sel bahkan di alam raya senantiasa stabil. Energi dapat direstribusikan dalam sel atau antara sel dengan lingkungannya. Sebagai contoh, kimia (potensi) energi dalam makanan akan dikonversi gambar 1.1 ke energi kinetik dari gerakan cheetah pada gambar 1.2.
panas
H2O CO2
Gambar 1.1
Gambar 1.2
Cheetah memakan hasil buruan
Cheetah bergerak menggunakan sebagian energy dari makan
Dari peristiwa cheetah yang memakan hasil buruan, chetaah tersebut mendapat suatu energy. Energy dari yang didapatkan cheetah digunakan untuk bergerak dan berlari. Transfer energy dari buruan yang didapat chetaah dibakar dalam tubuh cheetah menghasilkan energy + H 2O + CO2
Hukum Termodinamika 2
Hukum
termodinamika
kedua
menyatakan
bahwa
semua
reaksi
transformasi energi yang terjadi akan mengalami peristiwa kehilangan sebagian energinya dalam bentuk panas. Hal ini dapat dibuktikan saat kita berolahraga, gerakan otot secara terus menerus akan meningkatkan suhu tubuh. Setiap
perpindahan energi atau transformasi meningkatkan gangguan (entropi) dari alam semesta. Misalnya, entropi ditambahkan cheetah ke lingkungan dalam bentuk panas dan molekul kecil yang merupakan hasil samping metabolisme pada gambar 1.2. Termodinamika
dalam
sistem
biologi
dapat
disebut
dengan
bioenergenetika ilmu pengetahuan mengenai perubahan energi yang menyertai reaksi biokimia yang bersangkut paut dengan kehidupan, diantaranya : * Memperoleh energi. * Penangkapan energi. * Pemanfaatan energi. * Perubahan selama metabolisme. Reaksi ini diikuti oleh pelepasan energi selama sistem reksi bergerak dari tingkat energi yang lebih tinggi ke tingkat energi yanng lebih rendah. Sebagian besar energi dilepaskan dalam bentuk panas. Pada sistem nonbiologik dapat menggunakan energi panas untuk melangsungkan kerjanya dan dapat diubah menjadi energi mekanik atau energi listrik. Sedangkan pada sistem biologik bersifat isotermik dan menggunakan energi kimia untuk memberikan tenaga bagi proses kehidupan. Siklus termodinamika dalam sistem biologi salah satunya yaitu siklus kreb pada metabolisme tubuh, metabolisme di dalam sel yang meliputi anabolisme dan katabolisme. Pada sistem biologis melibatkan reaksi yang memerlukan energi (reaksi endergonik/energi masuk) maupun reaksi yang menghasilkan energi (reaksi eksergonik/energy keluar). Segala proses reaksi kimia yang terjadi tersebut dinamakan (anabolisme)
dengan berupa
metabolisme. reaksi-reaksi
Metabolisme endergonik
meliputi dan
proses
proses
sintesis
penguraian
(katabolisme) berupa reaksi-reaksi eksergonik senyawa atau komponen dalam sel hidup. Anabolisme dibedakan dengan katabolisme dalam beberapa hal :
1. Anabolisme merupakan proses sintesis molekul kimia kecil menjadi molekul kimia yang lebih besar, sedangkan katabolisme merupakan proses penguraian molekul besar menjadi molekul kecil 2. Anabolisme
merupakan
proses
membutuhkan
energi,
sedangkan
katabolisme melepaskan energi 3. Anabolisme merupakan reaksi reduksi, katabolisme merupakan reaksi oksidasi 4. Hasil akhir anabolisme adalah senyawa pemula untuk proses katabolisme Sel membutuhkan masukan energi dari sumber luar. Energi memasuki sebagian ekosistem dalam bentuk cahaya matahari yang merupakan sumber energi bagi tumbuhan dan organisme fotosintetik lainnya. Sel memperoleh energi kimiawi yang tersimpan dalam molekul organik untuk energi berbagai aktivitas seluler. Fotosintesis yang dilakukan oleh tumbuhan memberikan suplai makanan bagi hampir seluruh kehidupan di dunia secara langsung maupun tidak langsung. Tumbuhan menggunakan energi matahari untuk mensintesis molekul organik dari CO2 dan H2O . 6CO2 + 6H20 C6H1206 +6O2 Fotosintesis merupakan mekanisme oleh alam untuk mentransformasi energi cahaya menjadi energi kimia. Alairan energi biologi dalam suatu organisme mencakup pelepasan dan penggunaan energi kimia. Energi dari proses oksidasi makanan terlebih dahulu diubah menjadi senyawa kimia berenergi tinggi yaitu Adenosine Tri Phosphate (ATP). ATP yang terbentuk kemudian diangkut ke setiap bagian sel yang memerlukan energi. Pada saat sel membutuhkan energi, ATP dapat segera dipecah melalui reaksi hidrolisis (reaksi dengan air) dan terbentuk energi yang sifatnya mobil sehingga dapat diangkut dan digunakan oleh seluruh bagian sel tersebut. ATP akan dipecah melalui Adenosine Diposphate (ADP) dan Phosphate inorganic (Pi), agar dapat melepaskan sejumlah energi. Peranan ATP sebagai sumber energi untuk proses fosforilasi yang dirangkaikan dengan proses oksidasi molekul penghasil energi. Selanjutnya ATP yang terbentuk dialirkan ke proses reaksi biologis yang membutuhkan energi untuk hidrolisis menjadi ADP dan Pi
sekaligus melepaskan energi yang dibutuhkan oleh proses biologi tersebut. Demikian seterusnya sehingga terjadi suatu daur ulang ATP-ADP secara terus menerus pada gambar 1.3.
Gambar 1.3 daur ulang ATP-ADP Selain itu, terjadi perubahan energi di dalam mitokondria yang biasa disebut dengan Siklus Krebs (termodinamika dalam biologi) pada gambar 1.4.
Gambar 1.4 siklus kreb
Hukum Termodinamika 3
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut,semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol 2. Termodinamika Tak Balik
Jika setiap sistem biologis nyata diselidiki lebih cermat, akan tampak jelas bahwa itu adalah suatu sistem yang tidak seimbang. Berbagai jenis karbohidrat, protein dan lipid semuanya keberadaannya bersama molekul oksigen, sedangkan keseimbangan mencakup pengubahannya menjadi karbon dioksida dan air. Muatan-muatan listrik terpisah di kedua belah sisi membran dan perbedaan konsentrasi terjadi di kedua belah sisi membran sel-sel hidup. Semua ini adalah keadaan-keadaan
tidak
seimbang.
Hewan
hidup
secara
terus-menerus
menampilkan badan dan posisinya dalam ketidak seimbangan mekanis. Pada tumbuhan, ketidak seimbangan tampak pada penyimpanan energi sinar matahari dalam bentuk gula. Jadi, sistem kehidupan akan sesuai jika dikaji dengan menggunakan termodinamika ketidak seimbangan. Karena pada umumnya, perubahan dari keadaan tidak seimbang menjadi seimbang itu tak balik, cabang kajian ini sering di sebut termodinamika tak balik. Untuk memperkenalkan termodinamika tak balik, akan lebih mudah mengungkapkan kembali hukum ke dua dalam bentuk lain. Salah satu perumusannya menyatakan bahwa tidak mungkin dihasilkan kerja mekanis dari suatu sumber kalor tunggal dengan mendinginkannya sampai dibawah suhu benda-benda sekelilingnya. Dengan kata lain, setiap proses melingkar yang kembali ke keadaan awalnya, dapat di ungkapkan secara simbolis dengan (1) Dengan indeks 1 menunjukkan bahwa hanya ada satu tandon kalor. (suatu syarat yang cukup, tetapi tidak perlu, adalah bahwa daur itu isotermal ). Pertidaksamaan di atas hanya berlaku jika prosesnya dapat balik. Dua contoh berikut memberikan gambaran sistem fisis ideal yang prosesnya tak balik, merupakan penerapan dasar pertidaksamaan (1) Contoh pertama meninjau suatu proses melingkar terdiri atas tiga bagian, seperti ditunjukkan oleh gambar 1. Cabang pertama, dari titik 1 ke titik 2 adalah suatu proses adiabatik tak balik ( suatu proses adiabatik adalah proses yang terjadi tanpa peralihan energi kalor ). Untuk menghitung perubahan entropinya, daur itu disempurnakan dengan suatu proses adiabatik dapat balik dari titik 2 ke titik 3 dan
kemudian proses isotermal kembali ke titik 1. Untuk kedua langkah terakhir ini berlaku T3 = T1 dan S 3 = S2 Seperti tampak pada gambar 1. Ini adalah suatu daur lengkap, dan karena dE adalah diferensial eksak, berlaku (2)
Gambar 1. 5 Perubahan adiabatik tak balik. Sistem bergerak dari titik 1 ke titik 2 dalam bidang suhu (T) dan entropi (S) sepanjang lintasan adiabatiktak balik. Daur itu dilengkapikan oleh dua langkah dapat balik: mula-mula langkah adiabatik dari titik 2 ke titik 3, dan kemudian langkah isotermal kembali ke titi k 1. Jadi untuk daur ini, hukum pertama termodinamika dapat ditulis (3) Seperti diungkapkan oleh persamaan (......1), hukum kedua dapat diterapkan pada daur ini karena satu-satunya tandon kalor yang terlibat adalah dari 3 ke 1. Maka
Karena itu (4)
Tetapi δQ tidak ada, kecuali untuk langkah dari 3 ke 1, su atu langkah dapat balik, maka (5) Jadi, entropi itu meningkat pada proses adiabatik tak balik. Untuk proses isotermal tak balik, kita dapat kembali ke titik awal melalui proses isotermal dapat baliknya saja, seperti ditunjukkan oleh Gambar 2. Dan persamaan (1) sampai (5) tetap berlaku. Sebutlah titik yang dicapai oleh proses tak balik itu dengan 2 maka dapat ditulis
Gambar 1.6 Daur isotermal tak balik. Mula – mula sistem bergerak sepanjang lintasan isotermal tak balik dari titik 1 ke titik 2 dalam bidang entropi (S) dan kemudian kembali sepanjang lintasan isotermal dapat balik. Pertidak samaan yang terakhir ini dapat ditulis (6) Jadi, sebagai pengganti definisi dS untuk sistem dapat balik terdahulu, telah ditunjukkan oleh persamaan – persamaan (5) dan (6) bahwa (7) baik untuk sistem adiabatik maupun sistem isotermal.
Pada umumnya, pendekatan yang ditempuh untuk mencari perubahan perubahan entropi dalam proses tak balik adalah mnghitung perubahan entropi dengan menyertakan proses dapat balik yang hasil akhirnya mengembalikan sistem ke titik awalnya. Untuk setiap proses tak balik persamaan (7) selalu berlaku. Oleh sebab itu, cara yang mudah adalah dengan memecah dS menjadi dua bagian, yang pertama dS e (menyatakan pertukaran kalor dengan lingkungan) dan dSi (menyatakan entropi yang dihsilkan dari dalam sistem). Dalam bentuk persamaan pernyataan ini menjadi dS = dS e + dSi dSe =
(8)
Untuk proses adiabatik, dSe = 0 karena itu dS
=
dS i
0
2.1 Fungsi Disipasi
Pembangkitan entropi di dalam merupakan karakteristika menonjol bagi sistem termodinamika tak balik yang sesungguhnya. Pembangkitan seperti ini sesuai dengan pelepasan (disipasi) energi dalam bentuk energi kalor. Dari pandangan mekanika statistik, keadaan ini mencakup disipasi energi dalam bentuk keteraturan ketidakseimbangannya sebagai kalor menurut sifat gerak acaknya. Fungsi Φ, yang menyatakan laju pembangkit energi dalam, disebut fungsi disipasi, dan lambangnya
Perhatikan bahwa Φ bersatuan daya dan harus selalu positif atau nol. Selain Φ dapat juga digunakan fungsi lain yang ada hubungannya dengan laju produksi entropi. Namun, fungsi disipasi Φ lebih mudah digunakan dalam praktek.
2.2 Termodinamika Tak Balik Dalam Biologi
Proses termodinamik yang berlangsung secara alami seluruhnya disebut proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlangsung secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Contohnya kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Penggunaan termodinamika tak balik dalam biologi dapat ditinjau dari proses metabolisme tubuh. Termodinamika tak balik ini banyak didasarkan pada hukum termodinamika II namun juga masih berhubungan atau bergantung juga pada hukum termodinamika yang lain. Proses metabolisme dalam tubuh manusia dapat disimulasikan sebagai proses adiabatik tak balik, sehingga terdapat perubahan entropi pada setiap aktifitas yang dilakukan. Sama halnya dengan entropi yang terjadi pada sistem, dalam tubuh manusia juga terdapat entropi sistem dan entropi lingkungan yang ada di luar tubuh. Karena pada tubuh manusia terjadi proses adiabatik tak balik sehingga entropi yang terdapat di lingkungan bernilai nol, sebab yang ditinjau adalah proses yang terjadi dalam tubuh. Secara matematis proses ini dapat dituliskan dengan rumus sebagai berikut,
Keterangan : ΔU
: perubahan energi pada sistem yang terjadi pada tubuh manusia
Q
: Penyerapan kalor (anabolisme) Pelepasan kalor (katabolisme)
W
: Kerja tubuh manusia
3. Difusi, Permeabilitas dan Transport aktif 3.1 Permeabilitas Membran Sel
Sel hidup merupakan struktur yang sangat rumit. Dengan penyederhanaan yang luar biasa, sel dapat dianggap sebagai sebuah kantong protoplasma. Kantongnya adalah membran sel. Membaran ini merupakan salah satu diantara beberapa struktur membran yang memisahkan sel menjadi aneka bagian dan
membentuk kerangka kerja yang memungkinkan semua proses kehidupan berlangsung(Ackerman et all, 1979). Membran atau plasmalemma menyelubungi sel dengan fungsi mengatur keluar masuknya zat, menyampaikan atau menerima rangsang, dan strukturnya terdiri dari dua lapisan lipoprotein yang diantara molekul terdapat pori.Pada membran terdapat lapisan ganda dan molekul-molekul posfolipid yang letaknya teratur sedemikian rupa sehingga ujung karbon yang hidropobik terbungkus sedemikian rupa di dalam sebuah lapisan amorf dalam senyawa lipid. Komponen protein membran digambarkan sebagai suatu selaput yang menutupi kedua belah permukaan dan lapisa biomolekul posfolipid. (Prawiranata, 1981).Adanya sifat hidrofobik di bagian tengah lapisan lipid membran plasma menyebabkan membran tersebut tidak mudah ditembus oleh molekul polar, sehingga membran sel mencegah keluarnya komponen-komponen dalam sel yang larut dalam air. Namun, sel juga memerlukan bahan-bahan nutrisi dan membuang limbahnya ke luar sel. Untuk memenuhi kebutuhan ini, sel harus mengembangkan suatu sistem/mekanisme khusus untuk transpor melintasi membran sel. (Subowo, 1995).
Gambar 1.7 Membrane dalam aktivitas seluluer
Peranan membran dalam aktivitas seluler yaitu mengatur keluar masuknya bahan antara sel dengan lingkungannya, antara sel dengan organel-organelnya. Selain itu membran juga berperan dalam metabolisme sel. Organel-organel sel
seperti nukleus, kloroplas, mitokondria, dan retikulum endoplasma juga diselubungi membran. Seperti semua membran biologis, membran plasma memiliki permeabilitas selektif, yakni membran ini memungkinkan beberapa substansi dapat melintasinya dengannya lebih mudah dari pada substansi yang lainnya. Komposisi lipid dan protein penyusun membran bervariasi, bergantung pada jenis dan fungsi membran itu sendiri. Namun demikian membran mempunyai ciri-ciri yang sama, yaitu bersifat selektif permeabel terhadap molekul-molekul. Air, gas, dan molekul kecil hidrofobik secara bebas dapat melewati membran secara difusi sederhana. Ion dan molekul polar yang tidak bermuatan harus dibantu oleh protein permease spesifik untuk dapat diangkut melalui membran dengan proses yang disebut difusi terbantu ( fasilitated diffusion). Kedua cara pengangkutan ini disebut transpor pasif. Untuk mengangkut ion dan molekul dalam arah yang melawan gradien konsentrasi, suatu proses transpor aktif harus diterapkan. Dalam hal ini protein aktifnya memerlukan energi berupa ATP, ataupun juga digunakan cara couple lewat proses antiport dan symport . Membran plasma berfungsi untuk mengasingkan kandungan sel daripada persekitaran luar. Ia juga dapat mengawal pergerakan bahan ke dalam dan keluar sel. Molekul-molekul kecil dan bahan larut lipid dapat melalui lapisan lipid dengan mudah. Contoh molekul-molekul kecil ialah air,oksigen, karbon dioksida.Selain itu, membran plasma berfungsi untuk melindungi organel-organel di dalam sel. Sifat khusus membran lainnya disamping susunan kimianya adalah sifat fungsionalnya yang semi permeabel (permeabel diferensial). Air melalui membran secara pasif berdasarkan gradien potensial air. Beberapa larutan dapat lewat tetapi dengan kecepatan dan mekanisme yang berbeda-beda. Pada membran tidak hidup, perbedaan permeabilitas bergantung pada besar kecilnya molekul yang hendak lewat dan ditentukan pula oleh besarnya pori-pori membran. Tetapi pada membran plasma(sel hidup) besarnya molekul tidak berpengaruh. Hal ini diduga ada kaitannya dengan kelarutan zat itu dalam salah satu komponen
membran. Jadi, membran bukan sekedar lapisan yang pasif. (Tim Fisiologi Tumbuhan, 2008). Adanya muatan pada membran menyebabkan terjadinya potensial. Konsentrasi keseimbangan ion dari dua belah sisi membran berbeda. Proses tercapainya keseimbangan dari berbagai keadaan tidak seimbang merupakan contoh termodinamika larutan balik yang terjadi pada sistem biologi. Membran mempunyai dua fungsi yaitu memberikan kerangka luar dari proses kehidupan dan pemisahan sitoplasma. Membran memisahkan protoplasma menjadi bagian bagian tetapi pemisahan itu selektif. (Lovelles, 1991). Suatu membran tetap berwujud fluida begitu suhu turun, hingga akhirnya pada beberapa suhu kritis, fosfolipid mengendap dalam suatu susunan yang rapat dan membrannya membeku. Suhu beku membran tergantung pada komposisi lipidnya. Membran tetap berwujud fluida pada suhu yang lebih rendah jika membran itu mengandung banyak fosfolipid dengan ekor hidrokarbon tak jenuh. Suatu sel dapat mengubah komposisi lipid membrannya dalam tingkatan tertentu sebagai penyesuaian terhadap suhu yang berubah. Misalnya, dalam banyak tumbuhan yang dapat bertahan pada kondisi yang sangat dingin, persentase fosfolipid tak jenuh meningkat dalam musim gugur, suatu adaptasi yang menghalangi pembekuan membran selama musim dingin. (Campbell, dkk, 2002).
1. Difusi
Istilah difusi berasal dari bahasa Latin Diffundere yang artinya "menyebar". Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan dimana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi.
Gambar Difusi
Difusi adalah peristiwa di mana terjadi tranfer materi melalui materi lain. Transfer materi ini berlangsung karena atom atau partikel selalu bergerak oleh agitasi thermal. Walaupun sesungguhnya gerak tersebut merupakan gerak acak tanpa arah tertentu, namun secara keseluruhan ada arah neto dimana entropi akan meningkat. Difusi merupakan proses irreversible. Pada fasa gas dan cair, peristiwa difusi mudah terjadi; pada fasa padat difusi juga terjadi walaupun memerlukan waktu lebih lama. Difusi adalah suatu proses yang amat cepat apabila terjadi dalam satu sel biologi. Tetapi dalam skala makroskopik proses itu dapat menjadi amat lambat jika tidak dibantu dengan pengadukan dan konveksi. Misalnya, jika orang memasukkan beberapa sendok gula ke dalam secangkir kopi, gula akan tenggelam di alas. Sesudah itu terjadilah suatu lapisan tipis kopi yang jenuh dengan gula. Tanpa pengadukan molekul-molekul gula itu akan menyebar perlahan-lahan, yaitu mendifusi dalam kopi. Untuk keseluruhan secangkir kopi itu, dapat diperlukan berhari-hari untuk mencapai keseimbangan. Dalam skala mikroskopik sel-sel biologi, dan dalam skala yang lebih kecil lagi pada molekul-molekul pereaksi, difusi menjadi amat cepat. Molekul dapat medifusi ke seluruh bagian sebuah sel hanya dalam waktu beberapa milidetik. Difusi terjadi dalam sistem yang tidak seimbang. Peristiwa difusi pada tumbuhan sangat penting untuk keseimbangan hidup tumbuhan. Karbon dioksida (CO 2) dan oksigen (O 2) diambil oleh tumbuhan dari udara melalui proses difusi. Pengambilan air dan garam mineral oleh tumbuhan dari dalam tanah, salah satunya melalui proses difusi. Difusi zat dari dalam tanah ke dalam tubuh tumbuhan disebabkan konsentrasi garam mineral di tanah lebih tinggi daripada di dalam sel. Demikian juga gas CO 2 di udara masuk ke dalam tubuh tumbuhan karena konsentrasi CO 2 di udara lebih tinggi daripada di dalam sel tumbuhan. Sebaliknya, O 2 dapat berdifusi keluar tubuh tumbuhan jika konsentrasi O2 dalam tubuh tumbuhan lebih tinggi akibat adanya fotosintesis dalam sel (Loveless, 1991).
Gambar : Difusi
Difusi merupakan peristiwa mengalirnya atau berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah, sedangkan osmosis adalah perpindahan air melalui membran permeabel selektif dari bagian yang lebih encer ke bagian yang lebih pekat (Kustiyah, 2007). Contoh peristiwa difusi yang sederhana adalah pemberian gula pada cairan teh tawar dan contoh peristiwa osmosis adalah kentang yang dimasukkan ke dalam air garam. Kecepatan difusi ditentukan oleh : Jumlah zat yang tersedia, kecepatan gerak kinetik dan jumlah celah pada membran sel. Difusi sederhana ini dapat terjadi melalui dua cara: a. Melalui celah pada lapisan lipid ganda, khususnya jika bahan berdifusi terlarut lipid b. Melalui saluran licin pada beberapa protein transpor. Tekanan osmotik merupakan sifat koligatif, yang berarti bahwa sifat ini bergantung pada konsentrasi zat terlarut, dan bukan pada sifat zat terlarut itu sendiri. 1) Mekanisme difusi Difusi merupakan proses perpindahan atau pergerakan molekul zat atau gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Difusi melalui membran dapat berlangsung melalui tiga mekanisme, yaitu difusi sederhana (simple difusion),difusi melalui saluran yang terbentuk oleh protein transmembran ( simple difusion by chanel formed), dan difusi difasilitasi (fasiliated difusion). Difusi
sederhana melalui membrane berlangsung karena molekul-molekul yang berpindah atau bergerak melalui membran bersifat larut dalam lemak (lipid) sehingga dapat menembus lipid bilayer pada membran secara langsung. Membran sel permeabel terhadap molekul larut lemak seperti hormon steroid, vitamin A, D, E, dan K serta bahan-bahan organik yang larut dalam lemak, Selain itu, memmbran sel juga sangat permeabel terhadap molekul anorganik seperti O,CO 2, HO, dan H 2O. Beberapa molekul kecil khusus yang terlarut dalam serta ion-ion tertentu, dapat menembus membran melalui saluran atau chanel. Saluran ini terbentuk dari protein
transmembran,
semacam
pori
dengan
diameter
tertentu
yang
memungkinkan molekul dengan diameter lebih kecil dari diameter pori tersebut dapat melaluinya. Sementara itu, molekul – molekul berukuran besar seperti asam amino, glukosa, dan beberapa garam – garam mineral, tidak dapat menembus membrane secara langsung, tetapi memerlukan protein pembawa atau transporter untuk dapat menembus membran. Proses masuknya molekul besar yang melibatkan transporter dinamakan difusi difasilitasi. 2) Mekanisme Difusi dan Difasilitasi Difusi difasilitasi (facilitated diffusion) adalah pelaluan zat melalui rnembran plasrna yang melibatkan protein pembawa atau protein transporter. Protein transporter tergolong protein transmembran yang memliki tempat perlekatan terhadap ion atau molekul vang akan ditransfer ke dalam sel. Setiap molekul atau ion memiliki protein transforter yang khusus, misalnya untuk pelaluan suatu molekul glukosa diperlukan protein transforter yang khusus untuk mentransfer glukosa ke dalam sel. Protein transporter untuk grukosa banyak ditemukan pada sel-sel rangka, otot jantung, sel-sel lemak dan sel-sel hati, karena sel – sel tersebut selalu membutuhkan glukosa untuk diubah menjadi energi.
Faktor yang mempengaruhi difusi : 1. Suhu, makin tinggi difusi makin cepat 2. BM makin besar difusi makin lambat 3. Kelarutan dalam medium, makin besar difusi makin cepat
4. Perbedaan Konsentrasi, makin besar perbedaan konsentrasi antara dua bagian, makin besar proses difusi yang terjadi. 5. Jarak tempat berlangsungnya difusi, makin dekat jarak tempat terjadinya difusi, makin cepat proses difusi yang terjadi. 6. Area Tempat berlangsungnya Difusi, makin luas area difusi, makin cepat proses difusi. Pada bidang-bidang batas yang terpisahkan oleh membran (misalnya membrane sel), laju difusinya dapat amat lambat. Walaupun sesungguhnya bukan merupakan jenis gejala yang berbeda, difusi melalui membran pemisah disebut permeabilitas. Macam-macam difusi : 1. Difusi volume Difusi volume (volume diffusion) adalah transfer materi menembus volume materi lain. Pada umumnya, atom yang bermigrasi dalam difusi volume pada padatan menghadapi halangan yang lebih besar dibandingkan dengan halangan yang dihadapi pada difusi volume dalam cairan atau gas. Hal ini terlihat dari enthalpi aktivasi atau energi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya difusi menembus
volume-padatandibandingkan
dengan
enthalpi
aktivasi
yang
diperlukan untuk terjadinya difusi menembus volume-cairan atau volume-gas. Dalam struktur kristal, adanya kekosongan posisi atom memungkinkan atom di sebelahnya bergerak mengisi kekosongan tersebut sementara ia sendiri meninggalkan tempat semula yang ia isi menjadi kosong. Posisi kosong yang baru terbentuk akan memberikan kemungkinan untuk diisi oleh atom di sebelahnya; dan demikian seterusnya. Mekanisme ini merupakan mekanisme yang paling mungkin untuk terjadinya difusi internal . Kemungkinan lain adalah adanya atom yang lepas dari kisi kristalnya dan menjadi atom interstisial dan menjadi mudah bergerak. Jika dimensi atom yang berdifusi jauh lebih kecil dari dimensi atom materi yang harus ditembus, difusi interstisial mudah berlangsung. Mekanisme ini terjadi misalnya jika karbon, nitrogen, oksigen, dan hidrogen berdifusi ke dalam metal. Hal yang sama terjadi pada difusi ion-ion alkali ke dalam gelas silikat. Kehadiran
atom-atom asing dalam posisi interstisial metal sangat mempengaruhi sifat-sifat mekanis metal. 2. Difusi Bidang Batas Apabila di dalam padatan hadir butiran-butiran yang berlainan fasa dengan material induk, terbentuklah bidang batas antara butiran dengan material induk dan terjadilah gejala permukaan. Di bidang batas ini terdapat energi ekstra yang akan menyebabkan materi yang berdifusi cenderung menyusur permukaan. Peristiwa ini dikenal dengan difusi bidang batas ( grain boundary diffusion). Inilah macam difusi yang ke-dua. Energi aktivasi yang diperlukan pada difusi bidang batas ini lebih rendah dari energi aktivasi pada difusi volume. Mekanisme ini dapat dilihat dalam gambar dibawah ini
3. Difusi Permukaan Macam difusi yang ke-tiga terjadi manakala ada retakan; materi yang berdifusi cenderung menyusur permukaan retakan. Difusi macam ini dikenal dengan difusi permukaan ( surfacediffusion). Konsentrasi di permukaan retakan lebih tinggi dari konsentrasi di volume. Energi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya difusi permukaan lebih rendah dibanding dengan energi aktivasi yang diperlukan untuk terjadinya difusi bidang batas. Gambar dibawah ini secara skematis menggambarkan macam difusi yang ke-tiga ini.
Jadi jika Qvol adalah energi aktivasi untuk difusi volume, Qbb adalah energi aktivasi untuk difusi bidang batas, dan Qperm adalah energy aktivasi untuk difusi permukaan, maka Qvol >Qbb >Qperm Tidak banyak sistem di mana ketiga macam energi aktivasi tersebut dapat ditentukan; dari yang sedikit itu diperoleh perbandingan : Qvol : Qbb : Qperm ≈ 4 : 3 : 2 atau 4 : 2 : 1 Sejalan dengan perbedaan energi aktivasi, maka koefisien difusi mempunyai nilai Dperm > Dbb > Dvol Namun perlu diingat bahwa terjadinya difusi tidak hanya ditentukan oleh koefisien difusi saja. Jumlah materi yang terdifusi ditentukan juga oleh konsentrasi materi yang ada. Di samping itu luas bidang yang secara efektif memberikan jalan untuk terjadinya difusi juga memegang peran. Walaupun Dbb > Dvol namun jika luas permukaan bidang batas ini jauh lebih kecil dari luas bidang untuk terjadinya difusi volume, maka difusi volume akan lebih dominan.
4.
Transpor Aktif
Transpor aktif adalah pemompaan zat terlarut melintasi membran biologis, melawan konsentrasinya atau gradien elektrokimia. Kemampuan sel untuk mempertahankan zat kecil terlarut dalam sitoplasma pada konsentrasi lebih tinggi dari cairan sekitarnya merupakan faktor penting dalam kelangsungan hidup sel. Banyak sel-sel hewan, misalnya, menjaga konsentrasi natrium dan kalium yang sangat berbeda dibandingkan dengan lingkungan mereka. Transpor aktif memungkinkan sel-sel tidak hanya untuk mempertahankan tingkat zat terlarut yang layak, tetapi juga untuk memompa ion melintasi gradien elektrokimia. Proses ini menciptakan tegangan melintasi membran yang dapat dimanfaatkan untuk kekuatan kerja seluler.
Gambar 1.9 Difusi
Untuk memahami transpor aktif, yang pertama harus memahami transpor pasif. Menurut hukum kedua termodinamika, tanpa masukan energi tambahan, partikel akan selalu bergerak dari suatu keadaan untuk melawan gangguan keadaan. Dalam kasus trafik selular, ini berarti bahwa zat terlarut kecil secara alami akan bergerak dari daerah yang konsentrasi tinggi lebih teratur ke daerah yang konsentrasi rendah kurang teratur. Hal ini dikenal sebagai difusi menuruni gradien konsentrasi. Transpor pasif adalah gerakan alami zat terlarut melintasi membran menuruni gradien konsentrasi. Sebuah contoh dari jenis protein transpor aktif adalah pompa natriumkalium. Karena ion natrium membawa muatan positif dan ion kalium membawa muatan negatif, ketidakseimbangan ini tidak hanya merupakan gradien konsentrasi,
tetapi
juga
gradien
elektrokimia.
Pompa
natrium-kalium
memindahkan tiga ion natrium keluar sel untuk setiap dua ion kalium yang mereka bawa ke dalamnya, sehingga muatan negatif bersih pada sel secara keseluruhan. Perbedaan muatan pada setiap sisi dari membran selular menciptakan tegangan potensi membran yang memungkinkan sel untuk bertindak sebagai baterai, dan bekerja seluler listrik. Pada transpor aktif diperlukan energi dari dalam sel untuk melawan gradien konsentrasi (Hipotonis Hipertonis). Transpor aktif sangat diperlukan untuk memelihara keseimbangan molekul-molekul di dalam sel. Sumber energi untuk transpor aktif adalah ATP (adenosin trifosfat). Transpor aktif hampir sama
dengan difusi terfasilitasi. Namun berbeda pada protein pembawa (carrier protein) saat transpor aktif, yang harus menggunakan energi agar bisa melakukan transportasi melawan konsentrasi. Transpor aktif melibatkan reseptor dan transpoter. Sistem transpor dapat dijelaskan dalam pengertian fungsional menurut jumlah molekul yang bergerak dan arah gerakan :
Uniport
: satu molekul arah sama
Symport
: dua molekul, arah dan waktu bersamaan
Antiport
: dua molekul, arah berbeda, dan waktu bersamaan
Gambar 2.0 Sistem Transpor
Dalam mekanisme transpor aktif, terdapat beberapa macam mekanisme, yaitu : A. Transpor Aktif Primer
Jenis mekanisme transpor aktif ini memerlukan energi dalam bentuk ATP secara langsung untuk membawa molekul melawan gradien konsentrasi. Akibat adanya transpor aktif primer ini membuat terjadinya potensi membran.
Gambar 2.1
Transpor Aktif
Contoh dari Transpor aktif primer ini adalah transpor ion K yang masuk ke dalam sel, dan menjaga gradien konsentrasi ion K dalam sel lebih besar dari pada di luar sel.. B. Transpor Aktif Sekunder
Memiliki energi yang bebas dipakai karena mekanisme ini menggunakan energi secara berkala. Energi yang tersimpan dalam mekanisme ini dalam bentuk gradien konsentrasi ion. Pada transpor aktif sekunder, terjadinya bergantung kepada potensi membran yang ada dan bergantung pada adanya transpor aktif sekunder.
Contoh dari transpor aktif adalah transpor asam amino dan glukosa melewati membran plasma dengan suatu protein khusus.. Ada beberapa sub mekanisme transpor aktif sekunder, diantaranya adalah : I. Transpor aktif sekunder (co-Transport)
Yang disebut sebagai co-transpor pada proses transpor aktif sekunder adalah ketika pendistribusian masuk sel molekul asam amino dan glukosa menggunakan protein khusus dan bersamaan dengan masuknya ion nartium kedalam sel. Hal tersebut menyediakan potensial membran, mengingat transppor
natrium merupakan transpor aktif primer. Hal tersebut terus terjadi meskipun konsentrasi glukosa dan asam amino dalam sel lebih tinggi. Karena molekul glukosa dan asam amino tersebut masuk karena menggunakan sebagian energi datri transpor natrium.
II. Transpor aktif sekunder counter Tr ansport . (Ex change)
Dalam counter transport berlangsung pertukaran partikel, yaitu ketika molekul ion natrium masuk kedalam sel, ada molekul yang akan seketika itu juga keluar dari sel. Semisal adalah Na-Ca exchange yang terjadi ketika 1 ion Ca ditranspor keluar sel, maka akan ada 3 molekul Na yang akan masuk ke dalam sel. Selain Na-Ca, ada pula NA-H, yang akan mentranspor 1 ion Natrium ketika beberapa jumlah hidrogen keluar dalam sel. Dalam kasus ini, transpor aktif sekunder counter transpor telah berjasa mengatur kadar PH dalam s el.
