Respirasi, Lingkungan Internal, Koordinasi dan Teknologi Gen

Lari sprint mengejar bus dan tubuh Anda memainkan simfoni: otot membakar glukosa lebih cepat, jantung menggandakan outputnya, ventilasi menjadi lebih dalam, keringat mulai mengalir, dan ginjal menyesuaikan kembali pemulihan airnya — semua dikendalikan tanpa kesadaran sadar. Unit ini mengikuti mesin tersebut: respirasi pada skala molekuler, otot dan jantung pada skala jaringan, saraf dan hormon sebagai pengontrol, serta teknologi genetik sebagai jendela modern untuk memahaminya.

WBI15 Respirasi, Lingkungan Internal, Koordinasi, dan Teknologi Genetik adalah unit IA2 kedua: 1 jam 45 menit, 90 skor. Unit ini mengevaluasi Topik 7 (Respirasi, Otot, dan Lingkungan Internal) dan Topik 8 (Koordinasi, Respons, dan Teknologi Genetik), dan satu pertanyaan 20-skor dibangun di atas artikel ilmiah yang dirilis sebelumnya — Anda telah mempelajarinya terlebih dahulu.

Respirasi melepaskan energi secara bertahap, masing-masing dikatalisis oleh enzim spesifik. Ringkasan respirasi aerob:

Kondisi anaerob menghentikan rantai — NAD tereduksi tidak dapat didaur ulang — sehingga piruvat menerima hidrogennya dan berubah menjadi laktat di otot. Setelah berolahraga, laktat dibawa ke hati dan direkonstruksi menjadi glukosa (membutuhkan oksigen: utang oksigen).

Kuotien respirasi: $\mathrm{RQ} = \mathrm{CO_2}\ \text{produced} / \mathrm{O_2}\ \text{consumed}$. Karbohidrat 1.0, protein 0.9, lipid ≈ 0.7 — RQ organisme mengungkapkan apa yang sedang dibakar.

Cek contoh terkerjakan. Respirometer menunjukkan 60 cm³ CO₂ yang dihasilkan dan 60 cm³ O₂ yang dikonsumsi dalam interval yang sama: RQ = 1.0 — karbohidrat. Benih yang berkecambah dengan RQ 0.7 sedang membakar cadangan lipid.

Tendon menghubungkan otot ke tulang; ligamen menghubungkan tulang ke tulang melintasi sendi; otot bekerja dalam pasangan antagonis. Serabut otot rangka adalah sel yang menyatu, multinukleat, penuh dengan miofilamen aktin dan miosin.

Kontraksi adalah siklus filamen geser: potensial aksi melepaskan Ca²⁺; kalsium mengekspos situs pengikatan aktin; kepala miosin yang teraktivasi (ATP-nya telah terurai) berikatan, menarik aktin, lalu terlepas ketika ATP baru berikatan — ribuan kepala per detik, setiap langkah beberapa nanometer.

Serat serabut cepat: tebal, sedikit mitokondria, cepat dan kuat, lelah dengan cepat (lari sprint). Serat serabut lambat: banyak mitokondria, suplai darah kaya, mioglobin — daya tahan.

Otot jantung bersifat miogenik: berdetak tanpa input saraf. Nodus sinoatrial menetapkan tempo; gelombang menyebar di seluruh atrium menuju nodus atrioventrikular, kemudian melalui serat Purkinje ke ventrikel — atrium berkontraksi lebih dulu, ventrikel beberapa saat kemudian.

Pusat kontrol kardiovaskular dan pusat ventilasi di medula oblongata menyesuaikan kedua sistem sesuai kebutuhan: reseptor kimiawi mendeteksi CO₂ dan pH, baroreseptor mendeteksi tekanan.

Cek terarah. Saat istirahat: 70 cm³ × 72 min⁻¹ ≈ 5.0 dm³ min⁻¹. Selama latihan: 120 cm³ × 150 min⁻¹ = 18 dm³ min⁻¹ — tabel yang disukai ujian. Ventilasi meningkat seiring, dibaca dari jejak spirometer (volume tidal × frekuensi napas = ventilasi menit).

Homeostasis mempertahankan lingkungan internal dalam kesetimbangan dinamis — bukan ketenangan, melainkan variabel yang berfluktuasi dalam batas sempit. Umpan balik negatif mengoreksi penyimpangan ke arah mana pun (pola termostat); umpan balik positif memperbesarnya (spiral, bukan loop — seperti pada potensial aksi atau demam yang tidak terkendali).

Termoregulasi berjalan melalui hipotalamus: hilang panas melalui vasodilatasi dan berkeringat; konservasi panas melalui vasokonstriksi, menggigil, dan ereksi rambut. Adrenalin mempersiapkan respons fight-or-flight — detak jantung, glukosa darah, dan saluran udara semuanya merespons bersamaan.

Darah masuk glomerulus nefron bertekanan tinggi — arteriol aferen lebih lebar daripada eferen — dan molekul kecil dipaksa melewati podosit dan membran basal ke dalam kapsul Bowman (ultrafiltrasi: semua kecuali sel dan protein besar). Tubulus konvolutus proksimal mereabsorpsi semua glukosa dan asam amino serta sebagian besar garam dan air (transport aktif lalu osmosis). Lingkungan Henle membangun gradien potensi air di sumsum melalui perkalian contre-courant. Duktus kolektiva mengambil keputusan akhir: ADH dari hipofisis menyisipkan aquaporin agar lebih banyak air direabsorpsi — urine pekat saat dehidrasi, encer saat tidak.

Asam amino berlebih dideaminasi di hati; amonia beracun berubah menjadi urea untuk diekskresikan.

Cek terarah. ADH ada → dinding duktus kolektiva permeabel → air keluar顺着 gradien ke darah sumsum → volume kecil, urine pekat. Alkohol menekan ADH → volume besar, urine encer.

Faktor transkripsi berikatan dengan promotor gen dan mengaktifkan atau menonaktifkan transkripsi. Hormon steroid menembus membran dan bertindak sebagai faktor transkripsi itu sendiri — satu gen dapat melayani beberapa jaringan. Epigenetik membungkam gen tanpa mengubah urutan basa: metilasi DNA dan modifikasi histon (asetilasi) mengemas DNA menjauh dari mesin transkripsi. Kegagalan penting: gen penekan tumor yang termetilasi tidak dapat menahan pembelahan sel; kesalahan imprinting menjelaskan sindrom Prader–Willi.

Neuron diam memompa Na⁺ keluar dan K⁺ masuk (pompa natrium-potassium), menjaga interior sekitar −70 mV. Stimulus melebihi ambang batas (sekitar −55 mV) membuka saluran natrium: potensial aksi all-or-nothing melonjak ke +30 mV, kemudian saluran kalium melakukan repolarisasi; masa refraktori mencegah perjalanan mundur dan menetapkan frekuensi maksimum.

Pada neuron bermyelin, impuls melompat dari node ke node (konduksi saltatorik) — jauh lebih cepat. Di sinaps, masuknya kalsium memicu vesikel neurotransmiter melebur dengan membran presinaptik; transmitter berdifusi dan berikatan dengan reseptor postsinaptik; enzim kemudian membersihkan celah. Obat bekerja di sini: SSRIs memblokir reuptake serotonin, sehingga sinyal bertahan; lidokain memblokir saluran natrium; ecstasy (MDMA) membanjiri celah dengan serotonin lalu mengurasnya.

Sistem saraf terbagi: SPP (otak, sumsum tulang belakang) dan SPB — somatik (sukarela) dan autonom (tidak sukarela; simpatetik mempercepat, parasimpatetik menenangkan). Reseptor adalah transduser: batang (cahaya redup, banyak per sel bipolar — sensitivitas), kerucut (warna, satu-ke-satu — ketajaman), serta termoreseptor, kemoreseptor, baroreseptor, nosiseptor (nyeri). Busur refleks spinal melewati neurone sensorik → relai → motorik di materi abu-abu sumsum tulang belakang — cepat, tidak sukarela, protektif. Habituasi adalah penurunan respons terhadap stimulus berbahaya berulang.

Fitokrom berubah antara Pr (menyerap merah) dan Pfr (menyerap jauh-merah; bias merah matahari membuat Pfr dominan, mengontrol perkecambahan dan pembungaan berdasarkan panjang hari). Aksin memanjangkan sel dengan asam dinding sel; gibberelin menginduksi enzim (amilase di lapisan aleuron) yang memobilisasi pati dalam perkecambahan.

Landmark dan fungsi: belahan serebral (sukarela, pikiran), serebelum (koordinasi, keseimbangan), hipotalamus dan hipofisis di bawahnya (homeostasis, hormon), medula oblongata (jantung, pernapasan). MRI menunjukkan struktur; fMRI menunjukkan aktivitas melalui aliran darah beroksigen; CT pemindaian struktur cepat; PET metabolisme dengan pelacak radioaktif.

Kimia terlebih dahulu: Parkinson adalah defisit dopamin — diobati dengan L-Dopa, yang menembus sawar darah-otak dan dikonversi menjadi dopamin di otak. Serotonin rendah terkait depresi — target dari SSRI.

DNA rekombinan: enzim restriksi memotong DNA pada sekuens pengenalannya, meninggalkan ujung lengket; gen manusia (dibuat tanpa intron dari mRNA) disisipkan ke dalam plasmid dengan ligase DNA; plasmid mentransformasi bakteri inang; gen penanda (resistensi antibiotik atau fluoresensi) menyeleksi sel yang menyerapnya. Skala besar dalam fermenter dan bakteri mensekresikan insulin manusia — lebih bersih dan aman daripada mengekstraksi dari babi. Hewan GM menghasilkan protein manusia dalam susu; risiko dan manfaat tanaman GM (resistensi, hasil panen versus aliran gen ke kerabat liar) adalah evaluasi standar.

Mikroarray mengidentifikasi gen aktif: sampel mRNA berhibridisasi dengan probe komplementer pada chip; titik yang berfluoresensi menandai gen yang ditranskripsi. Bioinformatika membandingkan sekuens lintas spesies dan individu — bagaimana kekerabatan kini diukur.

1. Sebutkan tahap respirasi yang terjadi di matriks mitokondria dan salah satu inputnya.
2. Otot pelari menghasilkan laktat. Jelaskan mengapa, dan apa yang terjadi pada laktat setelah itu.
3. Kepala miosin tidak dapat berlepas tanpa ATP. Jelaskan apa artinya ini untuk otot setelah kematian.
4. Hitung output jantung untuk volume stroke 85 cm³ dan denyut jantung 140 min⁻¹.
5. Jelaskan mengapa arteriol aferen lebih lebar daripada arteriol eferen.
6. Nyatakan dua perbedaan antara umpan balik negatif dan positif, dengan satu contoh masing-masing.
7. Mengapa mielinasi meningkatkan kecepatan konduksi?
8. Ambang akson adalah −55 mV. Stimulus memindahkannya ke −60 mV. Apa yang terjadi, dan mengapa?
9. Cahaya merah mengubah fitokrom menjadi bentuk mana?
10. Jelaskan mengapa L-Dopa diberikan alih-alih dopamin itu sendiri.
11. Titik mikroarray berfluoresensi kuat. Apa yang ditunjukkan hal itu?
12. Mengapa gen insulin manusia harus dibuat dari mRNA daripada DNA genomik saat disisipkan ke dalam bakteri?

Jawaban: 1 reaksi penghubung (atau siklus Krebs) — input piruvat (asetil); 2 oksigen terbatas sehingga NAD tereduksi didaur ulang dengan mereduksi piruvat menjadi laktat; setelah itu laktat menuju hati dan dikonversi kembali menjadi glukosa, menggunakan oksigen; 3 tanpa ATP, miosin tetap terikat pada aktin — kaku jenazah; 4 $85 \times 140 = 11\,900\ \text{cm}^3\,\text{min}^{-1} = 11.9\ \text{dm}^3\,\text{min}^{-1}$; 5 perbedaan tekanan mendorong ultrafiltrasi plasma ke kapsul Bowman; 6 umpan balik negatif mengembalikan variabel ke titik setelnya (termoregulasi); umpan balik positif mendorongnya semakin menjauh (demam naik); 7 impuls melompat antar nodus Ranvier alih-alih mendepolarisasi seluruh membran — langkah yang lebih sedikit namun lebih besar; 8 tidak ada apa-apa — ambang batas tidak tercapai, sehingga tidak ada potensial aksi (semua atau nothing); 9 Pfr; 10 dopamin tidak dapat menembus sawar darah-otak tetapi L-Dopa dapat, dan dikonversi menjadi dopamin di dalam otak; 11 gen tersebut sedang ditranskripsi secara aktif — mRNA-nya hadir dan berhibridisasi; 12 bakteri tidak dapat melakukan splicing intron, sehingga gen harus berasal dari mRNA matang yang sudah tidak memilikinya.