BAB 7 Integrasi biokimia dalam modul kedokteran
BAB VII
Biokimia Muskuloskeletal
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 144
A.
KOMPOSISI STRUKTUR TULANG DAN OTOT
Tulang merupakan jaringan ikat termineralisasi. Tulang terdiri atas bahan organik
(protein) & anorganik. Bahan organik yaitu protein antara lain kolagen Tipe I (90-95%) dan
Tipe V (sedikit) dan bahan anorganik/mineral
terdiri atas kristalin hidrosiapatit
Ca10[PO4]6[OH]2), dimana mengandung natrium, magnesium,karbonat, fluorida, 99% kalsium
tubuh. Kristalin hidrosiapatit akan memberi kekuatan dan kelenturan.
Protein utama tulang berupa kolagen tipe I, terdiri motif protein yaitu poly-Asp dan
poly-Glu yang mengikat kalsium dan memberi kerangka bagi mineralisasi. Struktur
makromolekul berupa proteoglikan.
Pada remodeling tulang, dimana struktur dinamik diresorpsi pengendapan jaringan
tulang yang baru, yang beradaptasi dengan sinyal fisik ( menahan beban tubuh) dan hormon.
Sel yang berperan sebagai sel osteoklas (resorpsi) dan osteoblas (pengendapan tulang) .
Osteoblas mengendalikan mineralisasi dengan mengatur pelintasan ion kalsium dan fosfat,
enzim alkali fosfatase untuk menghasilkan ion fosfat . Peranan osteoklas dalam resorpsi tulang,
enzim-enzim lisosomal hidorolase & ion H di lepas dalam ling mikro (pH rendah/asam), di
matriks tulang osteoklas, disolusi kalsium fosfat, produk resorpsi tulang ke sitoplasma melalui
kapiler darah.
Kelainan tulang yaitu osteogenesis Imperfekta ( tulang rapuh), terjadi defisiensi jaringan
ikat, menyebabkan mutasi gen COL1A1 & COL1A2. Osteopetrosis ( penyakit tulang pualam)
terjadi peningkatan densitas tulang, akibat ketidakmampuan resorpsi tulang menyebabkan
mutasi gen yang mengkode karbonik anhidrase.
Komposisi biokimia jaringan otot terdiri atas protein otot yang berfungsi struktural
untuk sistem biologis. Otot merupakan transducer
esi
ioki ia uta a ya g merubah
energi potensial (kimia) menjadi energi kinetik (mekanisme). Jaringan tunggal terbesar : 20%
massa tubuh baru lahir, 40% massa tubuh dewasa dan 30% massa tubuh tua. Otot sebagai
transducer kimia mekanis memiliki syarat yaitu ada suplai energi kimia yang konstan (ATP,
kreatin fosfat), ada pengaturan aktivitas mekanis (kecepatan, lama dan kekuatan kontraksi
otot), mesin berhubungan dengan operator melalui sistem syaraf, bisa digunakan lebih dari
satu kali dan dapat dikembalikan ke keadaan semula.
Syarat diatas dipenuhi oleh 3 tipe otot terdiri atas otot rangka, otot jantung/lurik, otot
polos . Umumnya otot berfungsi sebagai penarik bukan pendorong. Otot rangka bersifat
volunter syaraf. Otot polos dan jantung involunter.
Komposisi biokimia jaringan otot yaitu otot lurik terdiri atas serabut sel otot berinti
banyak, dikelilingi membran yang peka terhadap listrik membentuk sarkolema yang
direntangkan terdiri miofibril dalam sarkoplasma terdapat dalam cairan intrasel, serta
mengandung ATP dan fosfokreatin.
Sarkomer merupakan unit fungsional otot, sarkomer ini akan berulang sepanjang poros
fibril jarak 1500-2500 nm. Bila dilihat menggunakan mikroskop terdiri atas pita A (gelap) dan I
(terang) berselang-seling, sedangkan pada pita A (zona H) bersifat kurang padat dan pita I
terbagi 2 dibatasi garis z.
Potongan melintang myofibril, mikrograf elektron terdiri 2 filamen longitudinal yaitu
filamen tebal pada pita A yaitu miosin dengan diameter 16 nm deret heksagonal dan filamen
tipis pada pita I meluas ke pita A tidak sampai pita H, diameter 6 nm yaitu aktin, tropomiosin
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 145
dan troponin. Pita A filamen tipis terletak setangkup antara 3 filamen tebal masing-masing
filamen tebal dikelilingi simetris oleh 6 filamen tipis. Jembatan lintang/ silang (cross bridges)
akan interaksi filamen tebal dan tipis. Kontraksi pada zona H dan pita I memendek
menyebabkan susunan filamen yang bertautan (interdigitating) harus bergeser satu sama lain
selama kontraksi otot.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 146
Gambar 7.1 Struktur otot
Aktin merupakan monomer G-aktin, struktur protein globuler, BM 43.000, 25% berat
protein otot, terdapat magnesium serta berpolimerisasi membentuk G-aktin berpolimerisasi.
Aktin F (6-7 nm) mempunyai struktur berulang setiap 35,5 nm. Ada 4 Protein lain bagian kecil
dari massa otot lurik yaitu tropomiosin yang
terdiri dari molekul fibrosa 2 rantai dan
pada celah aktin-F terdapat disemua otot, troponin yang merupakan unit untuk otot lurik terdiri
3 protein berupa troponin T (TpT) terikat pada tropomiosin, troponin I (TpI) menghambat
interaksi aktif F-miosin dan troponin C (TpC) protein pengikat 4 kalsium ((mirip kalmodulin) dan
filamen tipis otot lurik Aktin-F, tropomiosin dan 3 komponen troponin.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 147
Gambar 7.2 Aktin dan miosin
Miosin memiliki 55% berat protein otot dan membentuk filamen tebal berupa
heksamer, BM 460.000, mempunyai bagian fibrosa 2 heliks membelit dengan kepala globuler
pada ujung heliks, BM sepasang heksamer rantai berat 200.000, BM sepasang heksamer rantai
ringan 15.000-27.000. Miosin otot beraktivitas menghidrolisis ATP (ATP-ase) yang terikat pada
aktinF. Miosin dipecah oleh tripsin menjadi 2 fragmen yosin yaitu :
1. Meromiosin ringan (LMM), light meromiosin, terdiri dari kumpulan serabut -heliks tidak
larut dan tidak ada aktivitas ATPase dan tidak terikat aktin-F
2. Meromiosin berat (HMM), heavy meromiosin merupakan protein larut, BM 34.000,
mempunyai bagian fibrosa dan globuler dan ada aktivitas ATPase dan terikat pada aktin F
Gambar 7.4 meromiosin ringan dan berat
Ada 2 Subfragmen HMM
S1 : BM 115.000, fibrosa, ada aktitvitas ATP-ase
S2 : ada aktivitas ATPase, aktivitas katalitik dipercepat 100-200x dengan penambahan
aktin-F. Aktin-F dapat meningkatkan pelepasan produk ATPase -Aktinin pada
protein pada garis Z, terikat pada aktin-F dari filamen tipis
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 148
Gambar 7.5 Aktivitas subfragmen meromiosin berat
Siklus biokimia kontraksi otot kepala iosi
e ghidrolisis ATP → ADP + Pi, kepala
miosin yang mengandung ADP dan Pi berotasi mengikat aktin-F → 900 C, ADP dan Pi dilepas dari
aktin-miosin 450 C dengan menarik aktin ke pusat sarkomer , ATP baru terikat pada aktin-F
miosin terjadi miosin afinitas rendah menyebabkan kepala miosin lepas, aktin-F relaksasi
sampai tergantung pengikatan ATP pada siklus 1.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 149
Gambar 7.6 siklus aktin-miosin
Gambar 7.7 Peranan Ca dalam pengikatan aktin-miosin
Pengaturan kontraksi dan Relaksasi Otot, dimana Ca2+ memegang peranan pengaturan
penting dan 2 mekanisme umum pengaturan kontraksi otot yaitu berdasarkan aktin dan
berdasarkan myosin. Pengaturan kontraksi berdasarkan aktin, terjadi pada otot lurik, otot
vertebrata dan otot jantung. ATP bukan molekul pengatur ideal karena sebagai sumber energi
yang segera untuk kontraksi. Penghambat (inhibitor) otot lurik adalah sistem troponin. Bila
tropomiosin, troponin terdapat bersama dengan filamen aktin dan miosin pada tropomiosin
terletak pada celah aktin F dengan ketiga komponen troponin yaitu TpT, TPI dan TpC. TpI
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 150
mencegah pengikatan kepala miosin ke tempat pengikatan aktin-F dengan merubah konformasi
aktin-F bertujuan mencegah percepatan ATPase myosin.
Gambar 7.8.Filamen aktin dengan subfragmen S1
Relaksasi, Ca2+ sarkoplasma turun < 10-7 mol/L akibat Ca2+ kembali ke retikulum
sarkoplasma melalui pompa Ca2+ yang membutuhkan energi. TpC 4Ca2+ kehilangan Ca2+ .
Troponin berinteraksi dengan tropomiosin menghambat interaksi kepala miosin dengan aktinF. Terlepas kepala miosin dari aktin F pada relaksasi. Ca2+ mengatur kontraksi otot dengan
mekanisme alosterik yang diperantarai TpC, TpI, TpT, tropomiosin dan aktin F.
Otot jantung terdiri atas cairan ekstrseluler sumber utama Ca2+ bila cairan ekstraseluler
tidak membasahi otot jantung kontraksi berhenti 1 menit dan pada otot rangka dapat bergerak
beberapa jam tanpa Ca2+ ekstraseluler.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 151
Gambar 7.9 Peranan Ca dalam kontraksi otot
Gambar 7.9 Mekanisme depolarisasi otot
Akibat hilangnya ATP dalam sarkoplasma, pada pompa Ca2+ dalam retikulum
sarkoplasma berhenti mempertahankan konsentrasi Ca2+ sarkoplasma yang rendah terjadi
interaksi miosin-Aktin F dipermudah. Pelepasan miosin dari aktin F yang memerlukan ATP tidak
terjadi menyebabkan kaku mayat (rigor mortis). Pengaturan kontraksi berdasarkan myosin.
Semua otot mempunyai : aktin, miosin dan tropomiosin keculai otot lurik vertebrata
mempunyai troponin. Otot polos mempunyai molekul -aktinin dan tropomiosin, tetapi tidak
mempunyai troponin. Kontraksi otot polos diatur oleh Ca 2+ . Miosin otot polos terikat aktin-F
tidak ada tropomiosin serta tidak ada aktivitas ATPase. Mekanisme otot polos mencegah
pengikatan kepala miosin ke aktin-F fosforilasi rantai ringan memulai siklus kontraksi
pengikatan pelepasan dari otot polos.
Pengaturan kontraksi berdasarkan myosin, pada sarkoplasma otot polos terdapat kinase
ra tai ri ga
iosi → aktivitas terga tu g kalsiu . Aktivitas C2+ dari kinase rantai ringan
miosin berikatan dengan kalmadulin. Ada 4Ca2+ ke subunit kinasenya (BM 105.000) kinase
rantai ringan akan diaktifkan oleh kalmadulin 4Ca 2+ menfosforilasi rantai ringan-p yang
menghambat interaksi aktin-F miosin pada siklus kontraksi dimulai.
Relaksasi Otot Polos 1, Ca2+ sarkoplasma
Biokimia Muskuloskeletal
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 144
A.
KOMPOSISI STRUKTUR TULANG DAN OTOT
Tulang merupakan jaringan ikat termineralisasi. Tulang terdiri atas bahan organik
(protein) & anorganik. Bahan organik yaitu protein antara lain kolagen Tipe I (90-95%) dan
Tipe V (sedikit) dan bahan anorganik/mineral
terdiri atas kristalin hidrosiapatit
Ca10[PO4]6[OH]2), dimana mengandung natrium, magnesium,karbonat, fluorida, 99% kalsium
tubuh. Kristalin hidrosiapatit akan memberi kekuatan dan kelenturan.
Protein utama tulang berupa kolagen tipe I, terdiri motif protein yaitu poly-Asp dan
poly-Glu yang mengikat kalsium dan memberi kerangka bagi mineralisasi. Struktur
makromolekul berupa proteoglikan.
Pada remodeling tulang, dimana struktur dinamik diresorpsi pengendapan jaringan
tulang yang baru, yang beradaptasi dengan sinyal fisik ( menahan beban tubuh) dan hormon.
Sel yang berperan sebagai sel osteoklas (resorpsi) dan osteoblas (pengendapan tulang) .
Osteoblas mengendalikan mineralisasi dengan mengatur pelintasan ion kalsium dan fosfat,
enzim alkali fosfatase untuk menghasilkan ion fosfat . Peranan osteoklas dalam resorpsi tulang,
enzim-enzim lisosomal hidorolase & ion H di lepas dalam ling mikro (pH rendah/asam), di
matriks tulang osteoklas, disolusi kalsium fosfat, produk resorpsi tulang ke sitoplasma melalui
kapiler darah.
Kelainan tulang yaitu osteogenesis Imperfekta ( tulang rapuh), terjadi defisiensi jaringan
ikat, menyebabkan mutasi gen COL1A1 & COL1A2. Osteopetrosis ( penyakit tulang pualam)
terjadi peningkatan densitas tulang, akibat ketidakmampuan resorpsi tulang menyebabkan
mutasi gen yang mengkode karbonik anhidrase.
Komposisi biokimia jaringan otot terdiri atas protein otot yang berfungsi struktural
untuk sistem biologis. Otot merupakan transducer
esi
ioki ia uta a ya g merubah
energi potensial (kimia) menjadi energi kinetik (mekanisme). Jaringan tunggal terbesar : 20%
massa tubuh baru lahir, 40% massa tubuh dewasa dan 30% massa tubuh tua. Otot sebagai
transducer kimia mekanis memiliki syarat yaitu ada suplai energi kimia yang konstan (ATP,
kreatin fosfat), ada pengaturan aktivitas mekanis (kecepatan, lama dan kekuatan kontraksi
otot), mesin berhubungan dengan operator melalui sistem syaraf, bisa digunakan lebih dari
satu kali dan dapat dikembalikan ke keadaan semula.
Syarat diatas dipenuhi oleh 3 tipe otot terdiri atas otot rangka, otot jantung/lurik, otot
polos . Umumnya otot berfungsi sebagai penarik bukan pendorong. Otot rangka bersifat
volunter syaraf. Otot polos dan jantung involunter.
Komposisi biokimia jaringan otot yaitu otot lurik terdiri atas serabut sel otot berinti
banyak, dikelilingi membran yang peka terhadap listrik membentuk sarkolema yang
direntangkan terdiri miofibril dalam sarkoplasma terdapat dalam cairan intrasel, serta
mengandung ATP dan fosfokreatin.
Sarkomer merupakan unit fungsional otot, sarkomer ini akan berulang sepanjang poros
fibril jarak 1500-2500 nm. Bila dilihat menggunakan mikroskop terdiri atas pita A (gelap) dan I
(terang) berselang-seling, sedangkan pada pita A (zona H) bersifat kurang padat dan pita I
terbagi 2 dibatasi garis z.
Potongan melintang myofibril, mikrograf elektron terdiri 2 filamen longitudinal yaitu
filamen tebal pada pita A yaitu miosin dengan diameter 16 nm deret heksagonal dan filamen
tipis pada pita I meluas ke pita A tidak sampai pita H, diameter 6 nm yaitu aktin, tropomiosin
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 145
dan troponin. Pita A filamen tipis terletak setangkup antara 3 filamen tebal masing-masing
filamen tebal dikelilingi simetris oleh 6 filamen tipis. Jembatan lintang/ silang (cross bridges)
akan interaksi filamen tebal dan tipis. Kontraksi pada zona H dan pita I memendek
menyebabkan susunan filamen yang bertautan (interdigitating) harus bergeser satu sama lain
selama kontraksi otot.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 146
Gambar 7.1 Struktur otot
Aktin merupakan monomer G-aktin, struktur protein globuler, BM 43.000, 25% berat
protein otot, terdapat magnesium serta berpolimerisasi membentuk G-aktin berpolimerisasi.
Aktin F (6-7 nm) mempunyai struktur berulang setiap 35,5 nm. Ada 4 Protein lain bagian kecil
dari massa otot lurik yaitu tropomiosin yang
terdiri dari molekul fibrosa 2 rantai dan
pada celah aktin-F terdapat disemua otot, troponin yang merupakan unit untuk otot lurik terdiri
3 protein berupa troponin T (TpT) terikat pada tropomiosin, troponin I (TpI) menghambat
interaksi aktif F-miosin dan troponin C (TpC) protein pengikat 4 kalsium ((mirip kalmodulin) dan
filamen tipis otot lurik Aktin-F, tropomiosin dan 3 komponen troponin.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 147
Gambar 7.2 Aktin dan miosin
Miosin memiliki 55% berat protein otot dan membentuk filamen tebal berupa
heksamer, BM 460.000, mempunyai bagian fibrosa 2 heliks membelit dengan kepala globuler
pada ujung heliks, BM sepasang heksamer rantai berat 200.000, BM sepasang heksamer rantai
ringan 15.000-27.000. Miosin otot beraktivitas menghidrolisis ATP (ATP-ase) yang terikat pada
aktinF. Miosin dipecah oleh tripsin menjadi 2 fragmen yosin yaitu :
1. Meromiosin ringan (LMM), light meromiosin, terdiri dari kumpulan serabut -heliks tidak
larut dan tidak ada aktivitas ATPase dan tidak terikat aktin-F
2. Meromiosin berat (HMM), heavy meromiosin merupakan protein larut, BM 34.000,
mempunyai bagian fibrosa dan globuler dan ada aktivitas ATPase dan terikat pada aktin F
Gambar 7.4 meromiosin ringan dan berat
Ada 2 Subfragmen HMM
S1 : BM 115.000, fibrosa, ada aktitvitas ATP-ase
S2 : ada aktivitas ATPase, aktivitas katalitik dipercepat 100-200x dengan penambahan
aktin-F. Aktin-F dapat meningkatkan pelepasan produk ATPase -Aktinin pada
protein pada garis Z, terikat pada aktin-F dari filamen tipis
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 148
Gambar 7.5 Aktivitas subfragmen meromiosin berat
Siklus biokimia kontraksi otot kepala iosi
e ghidrolisis ATP → ADP + Pi, kepala
miosin yang mengandung ADP dan Pi berotasi mengikat aktin-F → 900 C, ADP dan Pi dilepas dari
aktin-miosin 450 C dengan menarik aktin ke pusat sarkomer , ATP baru terikat pada aktin-F
miosin terjadi miosin afinitas rendah menyebabkan kepala miosin lepas, aktin-F relaksasi
sampai tergantung pengikatan ATP pada siklus 1.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 149
Gambar 7.6 siklus aktin-miosin
Gambar 7.7 Peranan Ca dalam pengikatan aktin-miosin
Pengaturan kontraksi dan Relaksasi Otot, dimana Ca2+ memegang peranan pengaturan
penting dan 2 mekanisme umum pengaturan kontraksi otot yaitu berdasarkan aktin dan
berdasarkan myosin. Pengaturan kontraksi berdasarkan aktin, terjadi pada otot lurik, otot
vertebrata dan otot jantung. ATP bukan molekul pengatur ideal karena sebagai sumber energi
yang segera untuk kontraksi. Penghambat (inhibitor) otot lurik adalah sistem troponin. Bila
tropomiosin, troponin terdapat bersama dengan filamen aktin dan miosin pada tropomiosin
terletak pada celah aktin F dengan ketiga komponen troponin yaitu TpT, TPI dan TpC. TpI
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 150
mencegah pengikatan kepala miosin ke tempat pengikatan aktin-F dengan merubah konformasi
aktin-F bertujuan mencegah percepatan ATPase myosin.
Gambar 7.8.Filamen aktin dengan subfragmen S1
Relaksasi, Ca2+ sarkoplasma turun < 10-7 mol/L akibat Ca2+ kembali ke retikulum
sarkoplasma melalui pompa Ca2+ yang membutuhkan energi. TpC 4Ca2+ kehilangan Ca2+ .
Troponin berinteraksi dengan tropomiosin menghambat interaksi kepala miosin dengan aktinF. Terlepas kepala miosin dari aktin F pada relaksasi. Ca2+ mengatur kontraksi otot dengan
mekanisme alosterik yang diperantarai TpC, TpI, TpT, tropomiosin dan aktin F.
Otot jantung terdiri atas cairan ekstrseluler sumber utama Ca2+ bila cairan ekstraseluler
tidak membasahi otot jantung kontraksi berhenti 1 menit dan pada otot rangka dapat bergerak
beberapa jam tanpa Ca2+ ekstraseluler.
Integrasi Biokimia dalam Modul Kedokteran (Endah Wulandari & Laifa Annisa Hendarmin)
pg. 151
Gambar 7.9 Peranan Ca dalam kontraksi otot
Gambar 7.9 Mekanisme depolarisasi otot
Akibat hilangnya ATP dalam sarkoplasma, pada pompa Ca2+ dalam retikulum
sarkoplasma berhenti mempertahankan konsentrasi Ca2+ sarkoplasma yang rendah terjadi
interaksi miosin-Aktin F dipermudah. Pelepasan miosin dari aktin F yang memerlukan ATP tidak
terjadi menyebabkan kaku mayat (rigor mortis). Pengaturan kontraksi berdasarkan myosin.
Semua otot mempunyai : aktin, miosin dan tropomiosin keculai otot lurik vertebrata
mempunyai troponin. Otot polos mempunyai molekul -aktinin dan tropomiosin, tetapi tidak
mempunyai troponin. Kontraksi otot polos diatur oleh Ca 2+ . Miosin otot polos terikat aktin-F
tidak ada tropomiosin serta tidak ada aktivitas ATPase. Mekanisme otot polos mencegah
pengikatan kepala miosin ke aktin-F fosforilasi rantai ringan memulai siklus kontraksi
pengikatan pelepasan dari otot polos.
Pengaturan kontraksi berdasarkan myosin, pada sarkoplasma otot polos terdapat kinase
ra tai ri ga
iosi → aktivitas terga tu g kalsiu . Aktivitas C2+ dari kinase rantai ringan
miosin berikatan dengan kalmadulin. Ada 4Ca2+ ke subunit kinasenya (BM 105.000) kinase
rantai ringan akan diaktifkan oleh kalmadulin 4Ca 2+ menfosforilasi rantai ringan-p yang
menghambat interaksi aktin-F miosin pada siklus kontraksi dimulai.
Relaksasi Otot Polos 1, Ca2+ sarkoplasma