MATERI BIOLOGI PART 9: SISTEM RESPIRASI & SISTEM EKSKRESI

SISTEM PERNAPASAN

1. Organ-Organ Pernapasan dan Fungsinya

Sistem pernapasan manusia terdiri dari saluran udara yang berfungsi sebagai jalur konduksi dan area pertukaran gas.

• Rongga Hidung (Cavum Nasalis):
  • Penyaringan: Rambut hidung menyaring partikel debu besar.
  • Pelembapan & Penghangatan: Sel epitel silia berselimut mukus (lendir) melembapkan udara kering, sementara kapiler darah yang melimpah menghangatkan udara dingin agar sesuai dengan suhu tubuh.
  • Penciuman: Mengandung sel-sel olfaktori sebagai reseptor bau.
• Faring (Tenggorokan): Percabangan jalur antara sistem pernapasan (anterior) dan sistem pencernaan (posterior).
• Epiglotis:
  • Katup tulang rawan fleksibel yang terletak di pangkal laring.
  • Berfungsi menutup jalur pernapasan (trakea) secara otomatis saat kita menelan makanan agar tidak tersedak.
• Laring (Pangkal Tenggorokan):
  • Mengandung epiglotis, katup tulang rawan yang menutup laring saat menelan makanan agar makanan tidak masuk ke saluran napas.
  • Memiliki pita suara (vocal cord) yang bergetar saat udara melewatinya untuk menghasilkan suara.
• Trakea (Batang Tenggorokan):
  • Dindingnya diperkuat oleh cincin tulang rawan berbentuk huruf ‘C’ untuk menjaga saluran tetap terbuka.
  • Lapisan dalamnya tersusun atas epitel silia silindris berseling sel goblet (penghasil mukus). Silia berdenyut ke arah atas untuk menyapu benda asing (debu, bakteri) keluar menuju faring.
• Bronkus dan Bronkiolus:
  • Bronkus: Percabangan trakea menuju paru-paru kanan dan kiri.
  • Bronkiolus: Percabangan bronkus yang semakin mengecil, kehilangan cincin tulang rawan, tetapi memiliki lapisan otot polos yang sensitif terhadap kontrol otonom (mengalami bronkodilatasi atau bronkokonstriksi).
• Alveolus:
  • Kantung udara kecil di ujung bronkiolus berbentuk anggur yang dikelilingi oleh jaring kapiler darah.
  • Dindingnya sangat tipis (terdiri dari satu lapis sel epitel pipih selapis) untuk memfasilitasi pertukaran gas secara difusi.
  • Di sinilah tempat terjadinya fungsi paling krusial, yaitu pertukaran gas antara oksigen (O2) dari udara dengan karbon dioksida (CO2) dari darah.
  • Mengandung zat surfaktan (fosfolipid-protein) yang menurunkan tegangan permukaan cairan alveolus, mencegah alveolus kolaps (mengempis) saat ekspirasi.

2. Mekanisme Ventilasi Paru-Paru (Bernapas)

Ventilasi adalah proses mekanis pergerakan udara masuk (inspirasi) dan keluar (ekspirasi) berdasarkan hukum Boyle (volume berbanding terbalik dengan tekanan). Terdiri dari dua jenis pernapasan:

• Pernapasan Dada (Chest Breathing) Pernapasan ini mengandalkan kerja otot antar-tulang rusuk (interkostal).
  • Inspirasi (Menghirup Napas)
    • Otot antar-tulang rusuk berkontraksi, sehingga rongga dada membusung atau terangkat ke atas dan ke luar.
    • Seperti yang terlihat pada gambar kiri pertama, area dada cenderung lebih aktif bergerak maju sementara posisi diafragma (garis melengkung di batas perut) tidak berubah secara signifikan ke bawah.
  • Ekspirasi (Mengembuskan Napas)
    • Otot antar-tulang rusuk berelaksasi, tulang rusuk turun kembali ke posisi semula, dan volume rongga dada mengecil untuk mendorong udara keluar (gambar kiri kedua).
• Pernapasan Perut (Diaphragmatic Breathing) Pernapasan ini mengandalkan kerja otot diafragma, yaitu sekat otot berbentuk kubah yang membatasi rongga dada dan rongga perut.
  • Inspirasi (Menghirup Napas)
    • Otot diafragma berkontraksi dan bergerak mendatar/turun ke bawah (garis lengkung menekan ke bawah).
    • Akibatnya, rongga dada membesar secara vertikal, memberikan ruang maksimal bagi paru-paru untuk mengembang.
    • Tekanan ke bawah ini mendorong organ-organ di dalam perut, sehingga perut terlihat mengembang ke depan.
  • Ekspirasi (Mengembuskan Napas)
    • Otot diafragma berelaksasi dan kembali melengkung ke atas ke posisi semula.
    • Hal ini membuat volume rongga dada mengecil, perut kembali mengempis, dan udara terdorong keluar dari paru-paru.

3. Volume dan Kapasitas Paru-Paru

Volume udara yang ditampung paru-paru bervariasi tergantung jenis aktivitas dan kondisi fisik, di antaranya:

• Volume Udara Dasar
  • Volume Tidal (TV): volume udara yang dihirup atau diembuskan secara biasa dalam satu kali pernapasan normal.
  • Volume Cadangan Inspirasi (IRV): volume udara ekstra yang masih dapat dihirup secara maksimal setelah melakukan inspirasi normal (volume komplementer).
  • Volume Cadangan Ekspirasi (ERV): volume udara ekstra yang masih dapat diembuskan sekuat-kuatnya setelah melakukan ekspirasi normal (volume suplementer).
  • Volume Residual (RV): volume udara yang tetap tertinggal di dalam paru-paru dan tidak akan pernah bisa diembuskan keluar, berfungsi menjaga agar kantung udara (alveolus) tidak kolaps/kempes.
• Kapasitas Paru-Paru Kapasitas merupakan kombinasi fungsional dari dua atau lebih volume udara dasar:
  • Kapasitas Inspirasi (IC): Gabungan dari TV + IRV. Menunjukkan jumlah total udara maksimal yang dapat dihirup oleh seseorang dari posisi ekspirasi normal.
  • Kapasitas Residu Fungsional (FRC): Gabungan dari ERV + RV. Menunjukkan jumlah udara yang tersisa di dalam paru-paru setelah melakukan ekspirasi normal.
  • Kapasitas Vital (VC): Gabungan dari IRV + TV + ERV. Ini adalah jumlah udara maksimal yang dapat dikeluarkan dengan kuat setelah seseorang menghirup napas sedalam-dalamnya.
  • Kapasitas Total Paru (TLC): Gabungan dari seluruh komponen volume udara (IRV + TV + ERV + RV). Ini adalah jumlah total udara yang dapat ditampung oleh paru-paru secara keseluruhan setelah inspirasi maksimal.

4. Mekanisme Pertukaran dan Transpor Gas

Pertukaran gas terjadi secara difusi pasif melewati membran respirasi berdasarkan perbedaan tekanan parsial (P) gas.

• Pertukaran Gas di Jaringan Tubuh Kondisi ini terjadi ketika sel-sel jaringan tubuh melakukan respirasi seluler dan menghasilkan sisa metabolisme berupa CO2, sementara mereka membutuhkan pasokan O2.
  • Sel-sel jaringan menghasilkan CO2 dari hasil metabolisme. Gas CO2 ini kemudian berdifusi menembus dinding kapiler endotel masuk ke dalam pembuluh darah kapiler sistemik.
  • Di dalam sel darah merah, CO2 berikatan dengan air (H2O).
  • Reaksi antara CO2 dan H2O ini dikatalisis oleh enzim Karbonat Anhidrase (CAH) untuk membentuk asam karbonat (H2CO3).
  • Asam karbonat (H2CO3) segera terurai (terdisosiasi) menjadi ion bikarbonat (HCO3-) dan ion hidrogen (H+).
  • Ion H+ yang bebas akan diikat oleh hemoglobin (Hb) agar tidak membuat kondisi di dalam sel menjadi terlalu asam (Hb bertindak sebagai buffer/penyangga).
  • Ion bikarbonat (HCO3-) dialirkan keluar dari sel darah merah menuju plasma darah untuk diangkut ke paru-paru.
  • Sebagai gantinya, ion klorida (Cl-) dari plasma masuk ke dalam sel darah merah untuk menjaga keseimbangan muatan listrik sel.
• Pertukaran Gas di Paru-Paru (Alveolus) Kondisi ini terjadi ketika sel darah merah yang membawa sisa metabolisme dari seluruh tubuh sampai di kapiler alveolus paru-paru untuk membuang CO2 dan mengambil oksigen baru dari udara luar. Seluruh reaksi kimia berbalik secara total:
  • Oksigen yang dihirup ke alveolus berdifusi masuk ke dalam sel darah merah (panah merah ke arah kanan) dan berikatan dengan hemoglobin membentuk oksihemoglobin (HbO2).
  • CO2 yang larut dalam plasma langsung berdifusi keluar menuju rongga alveolus.
  • Karbaminohemoglobin pecah kembali menjadi hemoglobin dan gas CO2 bebas (HbCO2 -> Hb + CO2).
  • Ion bikarbonat (HCO3-) di plasma darah ditarik masuk kembali ke dalam sel darah merah, sedangkan ion klorida (Cl-) dipompa keluar.
  • Di dalam sel, HCO3- berikatan dengan H+ membentuk kembali asam karbonat (H2CO3).
  • Enzim CAH kemudian mengurai asam karbonat tersebut menjadi air (H2O) dan gas CO2.
  • Gas CO2 yang telah bebas dari berbagai jalur ini akhirnya berdifusi keluar melewati dinding kapiler menuju alveolus untuk diembuskan keluar tubuh.

5. Kontrol dan Regulasi Pernapasan

Tubuh mengatur frekuensi pernapasan secara tidak sadar melalui pusat kendali di otak untuk menjaga homeostasis pH darah.

• Pusat Pernapasan: Terletak di Medula Oblongata dan Pons Varolii pada batang otak.
• Kemoreseptor Sentral & Perifer:
  • Mendeteksi perubahan kadar kimia darah. Stimulus utama yang memicu peningkatan frekuensi pernapasan bukanlah kekurangan O2, melainkan kenaikan kadar CO2 dan penurunan pH darah (peningkatan ion H+).
  • Ketika kadar CO2 darah naik (hiperkapnia), pH darah turun (bersifat asam). Medula oblongata mendeteksi keasaman ini dan mengirimkan impuls ke otot interkostal dan diafragma untuk bernapas lebih cepat dan dalam guna membuang kelebihan CO2.

6. Gangguan pada Sistem Pernapasan

• Asma: Penyempitan saluran pernapasan (bronkiolus) akibat hiperaktivitas otot polos terhadap alergen (debu, rambut, udara dingin).
• Emfisema: Kerusakan mekanis dinding-dinding alveolus, menyebabkan alveolus robek dan menyatu menjadi kantung besar yang rapuh. Akibatnya, luas permukaan untuk difusi gas berkurang drastis (sering dipicu oleh asap rokok).
• Pneumonia: Infeksi pada alveolus oleh bakteri (Streptococcus pneumoniae), virus, atau jamur yang menyebabkan alveolus meradang dan terisi oleh cairan lendir atau nanah, mengganggu difusi oksigen.
• Asidosis Respiratori: Penurunan pH darah di bawah batas normal (<7.35) akibat kegagalan ventilasi paru-paru mengeluarkan CO2, sehingga asam karbonat menumpuk di darah.

SISTEM EKSKRESI

1. Konsep Dasar Ekskresi, Sekresi, dan Defekasi

• Ekskresi: Proses pengeluaran zat-zat sisa metabolisme yang sudah tidak digunakan lagi oleh tubuh dan jika tidak dikeluarkan akan bersifat racun (toksik). Contoh: Urine, keringat, CO2, dan cairan empedu.
• Sekresi: Proses pengeluaran zat atau getah oleh kelenjar yang masih berguna bagi tubuh. Contoh: Hormon dan enzim.
• Defekasi: Proses pengeluaran zat sisa pencernaan makanan yang tidak mengalami penyerapan di usus besar berbentuk feses.

2. Organ-Organ Ekskresi Manusia beserta Zat Sisanya

• Paru-Paru (Pulmo)
  • Fungsi: Mengeluarkan zat sisa berupa gas karbon dioksida (CO2) dan uap air (H2O) yang dihasilkan dari respirasi seluler.
  • Mekanisme Singkat: Pengangkutan CO2 dari jaringan menuju paru-paru didominasi dalam bentuk ion bikarbonat (HCO3-) di plasma darah melalui bantuan enzim karbonat anhidrase. Sesampainya di kapiler alveolus, ion bikarbonat diurai kembali menjadi gas CO2 untuk dikeluarkan melalui proses hembusan napas.
  • Catatan: Penjelasan lengkap di bab sistem pernapasan.
• Hati (Hepar)
  • Fungsi: Merombak eritrosit (sel darah merah) yang sudah tua/rusak serta melakukan detoksifikasi racun.
  • Zat Sisa yang Dihasilkan:
    • Cairan Empedu: Hasil perombakan hemoglobin dari eritrosit tua. Hemoglobin dipecah menjadi zat besi (disimpan), globin (digunakan kembali untuk protein), dan hemin. Hemin diubah menjadi zat warna empedu berupa bilirubin (warna kuning-hijau) dan biliverdin. Bilirubin nantinya dioksidasi di usus menjadi urobilin (mewarnai urine dan feses).
    • Urea: Hasil pembongkaran asam amino yang berlebih melalui Siklus Urea (Ornitin). Senyawa amonia yang bersifat sangat beracun diubah oleh hati menjadi urea yang lebih aman, lalu dialirkan ke ginjal untuk dibuang bersama urine.
• Kulit (Integumen)
  • Fungsi: Mengeluarkan keringat sekaligus berfungsi sebagai organ termoregulasi (pengatur suhu tubuh).
  • Struktur Lapisan Kulit:
    • Epidermis (Kulit Ari): Lapisan luar yang terdiri dari stratum korneum (sel mati yang mudah mengelupas) dan stratum germinativum (mengandung sel-sel yang aktif membelah dan zat melanin pembentuk warna kulit).
    • Dermis (Kulit Jangat): Lapisan dalam yang kaya akan struktur penting seperti pembuluh darah, ujung saraf reseptor, akar rambut, kelenjar minyak (glandula sebasea), dan kelenjar keringat (glandula sudorifera).
  • Kandungan Keringat: Air, garam dapur (NaCl), dan sedikit sisa urea.
• Ginjal
  • Fungsi: Menyaring darah, menjaga tekanan osmosis cairan tubuh (osmoregulasi), dan membuang sisa metabolisme nitrogen (urine).
  • Struktur Makroskopis (Luar ke Dalam): Korteks (kulit ginjal) -> Medula (sumsum ginjal) -> Pelvis renalis (rongga ginjal).
  • Struktur Mikroskopis (Nefron): Merupakan unit fungsional terkecil ginjal. Terdiri dari badan malpighi (glomerulus + kapsula bowman) dan tubulus-tubulus (Tubulus proksimal, lengkung henle, tubulus distal, tubulus kolektivus).

Struktur Nefron

• Komponen Vaskular (Pembuluh Darah)
  • Arteri Renalis: Pembuluh arteri yang membawa darah kaya oksigen serta mengandung zat-zat sisa metabolisme dari tubuh masuk ke dalam ginjal untuk disaring.
  • Arteriola Aferen: Cabang arteri yang menyalurkan darah masuk menuju gumpalan kapiler penyaring (Glomerulus).
  • Arteriola Eferen: Pembuluh darah yang membawa darah keluar dari Glomerulus setelah zat sisanya tersaring.
  • Vena Renalis: Pembuluh vena yang membawa darah bersih yang sudah selesai disaring dan miskin oksigen keluar dari ginjal kembali menuju jantung.
• Badan Malpighi (Alat Penyaringan Utama)
  • Glomerulus: Untaian atau gumpalan kapiler darah berbentuk bulat. Di sinilah terjadi tahap pertama pembentukan urine, yaitu Filtrasi (penyaringan darah berdasarkan ukuran molekul).
  • Kapsula Bowman: Kantung berongga berbentuk cangkir yang membungkus Glomerulus. Fungsinya adalah menampung cairan hasil penyaringan dari Glomerulus yang disebut sebagai urine primer (filtrat glomerulus).
• Komponen Tubulus (Saluran Penyerapan & Pengeluaran)
  • Tubulus Kontortus Proksimal: Saluran berkelok-kelok setelah Kapsula Bowman. Di sini terjadi tahap Reabsorpsi, yaitu penyerapan kembali zat-zat yang masih sangat dibutuhkan tubuh (seperti glukosa, asam amino, dan air).
  • Lengkung Henle: Saluran berbentuk melengkung seperti huruf U yang menjorok ke bagian medula ginjal. Saluran ini terbagi menjadi dua area:
    • Lengkung Henle Desenden: Jalur menurun, sangat permeabel terhadap air sehingga terjadi penyerapan air secara pasif.
    • Lengkung Henle Asenden: Jalur menaik, permeabel terhadap garam/ion (NaCl) sehingga terjadi penyerapan ion secara aktif untuk mengatur kepekatan cairan tubuh.
  • Tubulus Kontortus Distal: Saluran berkelok-kelok di bagian akhir nefron. Tempat terjadinya tahap Augmentasi, yaitu pembuangan zat-zat sisa yang berlebihan atau beracun (seperti sisa obat-obatan, ion hidrogen, amonia) ke dalam filtrat untuk membentuk urine sebenarnya.
  • Tubulus Kolektivus / Saluran Pengumpul: Saluran vertikal panjang yang berfungsi mengumpulkan urine sebenarnya dari beberapa nefron sekaligus untuk dialirkan menuju ke pelvis renalis (rongga ginjal) sebelum menuju ke kandung kemih.

3. Mekanisme Pembentukan Urin

• Tahap Filtrasi (Glomerulus)
  • Zat-zat yang berukuran kurang dari sekitar 40 kD dapat melintasi membran glomerulus.
  • Sel darah dan protein besar (di atas 40 kD) tertahan di dalam pembuluh darah, sedangkan air dan molekul kecil lolos membentuk filtrat.
• Proses di Tubulus Kontortus Proksimal Di saluran ini terjadi penyerapan kembali (reabsorpsi) sekaligus pembuangan aktif (sekresi/augmentasi):
  • Reabsorpsi (Penyerapan Kembali)
    • 100% glukosa dan asam amino diserap kembali ke tubuh.
    • Sebagian besar garam diserap melalui kombinasi difusi dan transpor aktif.
    • Sebagian besar air diserap kembali secara pasif melalui proses osmosis.
  • Sekresi: Tubulus secara aktif memasukkan ion hidrogen (H+), amonium (NH4+), kreatinin, dan sisa metabolisme obat ke dalam saluran untuk dibuang.
• Proses di Lengkung Henle Fokus utama di bagian menurun (desenden) lengkung nefron ini adalah reabsorpsi sebagian air secara osmosis ke jaringan sekitar, membuat cairan di dalam tubulus menjadi lebih pekat.
• Proses di Tubulus Kontortus Distal
  • Tubulus menyerap kembali sebagian garam menggunakan transpor aktif untuk menjaga homeostasis elektrolit tubuh.
  • Sekresi/Augmentasi: Terjadi pembuangan kembali ion-ion seperti H+, K+, Na+, dan Cl- secara selektif guna menjaga keseimbangan pH darah.
• Proses di Saluran Pengumpul
  • Terjadi reabsorpsi sebagian air secara osmosis, yang volumenya sangat dipengaruhi oleh kebutuhan hidrasi tubuh (regulasi hormon).
  • Hasil Akhir (Urine Sebenarnya): Cairan yang keluar di ujung bawah saluran pengumpul ini mengandung: Sampah metabolisme nitrogen seperti urea, kreatinin, dan asam urat, serta kelebihan air dan garam yang tidak dibutuhkan lagi oleh tubuh.

4. Sistem Renin Angiotensin Aldosterone (RAAS)

Sistem ini merupakan mekanisme feedback negatif tubuh untuk meregulasi volume darah, tekanan darah, serta kadar ion natrium (Na+), kalium (K+), dan hidrogen (H+) di dalam darah. Berikut tahapan RAAS:

• Tahap 1: Tubuh mengalami kondisi pemicu seperti Dehidrasi, kekurangan ion natrium (Na+), atau pendarahan.
• Tahap 2: Kondisi tersebut menyebabkan terjadinya penurunan volume darah.
• Tahap 3: Penurunan volume darah ini secara langsung berakibat pada penurunan tekanan darah.
• Tahap 4: Penurunan tekanan darah dideteksi oleh sel khusus di ginjal yang disebut Sel Jukstaglomerulus.
• Tahap 5: Sel jukstaglomerulus merespons dengan meningkatkan sekresi enzim Renin ke dalam darah.
• Tahap 6: Di sisi lain, organ Hati secara konstan memproduksi protein plasma tidak aktif bernama Angiotensinogen.
• Tahap 7: Enzim Renin yang dilepaskan ginjal kemudian memotong Angiotensinogen menjadi Angiotensin I.
• Tahap 8: Angiotensin I mengalir melalui pembuluh darah menuju Paru-paru. Di kapiler paru-paru, terdapat enzim bernama ACE (Angiotensin Converting Enzyme).
• Tahap 9: Enzim ACE mengubah Angiotensin I menjadi bentuk aktifnya, yaitu Angiotensin II.
• Tahap 10 & 11: Angiotensin II menstimulasi bagian kulit/luar kelenjar adrenal, yaitu Korteks Adrenal, untuk meningkatkan sekresi hormon Aldosteron. Peningkatan ion kalium pada cairan ekstraseluler juga dapat menstimulasi korteks adrenal secara langsung untuk merilis aldosteron.
• Tahap 12: Hormon Aldosteron targetnya adalah tubulus ginjal. Di ginjal, aldosteron memicu peningkatan reabsorpsi Na+ dan air, serta meningkatkan sekresi ion K+ dan H+ ke dalam urine.
• Tahap 13 & 15: Karena air dan natrium diserap kembali dalam jumlah banyak ke pembuluh darah, terjadi peningkatan volume darah. Pada saat yang bersamaan, Angiotensin II (dari langkah 9) juga bekerja sebagai vasokonstriktor kuat yang memicu penyempitan pembuluh darah arteriol.
• Tahap 14: Kombinasi dari penyempitan pembuluh darah (tahap 15) dan peningkatan volume darah (tahap 13) sukses menyebabkan tekanan darah meningkat kembali hingga mencapai batas normal.
• Tambahan informasi:
  • Obat-obatan penurun darah tinggi (hipertensi) golongan ACE Inhibitor bekerja dengan cara menghambat langkah 8.
  • Dengan dihambatnya enzim ACE, Angiotensin II tidak terbentuk, sehingga pembuluh darah tetap melebar (tidak vasokonstriksi) dan aldosteron tidak memicu penyerapan air.
  • Hasilnya, volume darah berkurang dan tekanan darah pun turun.

4. Faktor-Faktor yang Memengaruhi Produksi Urine

• Hormon ADH (Antidiuretic Hormone): Dihasilkan oleh hipotalamus dan disimpan di hipofisis posterior. ADH berfungsi meningkatkan reabsorpsi air di tubulus kolektivus.
  • Jika ADH tinggi: Reabsorpsi air tinggi -> urine yang dihasilkan sedikit dan pekat.
  • Jika ADH rendah: Reabsorpsi air rendah -> urine yang dihasilkan banyak dan encer.
• Suhu Lingkungan: Saat suhu dingin, kelenjar keringat kurang aktif, sehingga tubuh membuang kelebihan air melalui peningkatan volume urine.
• Konsumsi Zat Diuretik (Kopi/Teh/Alkohol): Zat-zat ini dapat menghambat sekresi hormon ADH, sehingga memicu peningkatan sekresi air dan menyebabkan produksi urine melonjak (sering buang air kecil).
• Kondisi Psikologis (Stres/Cemas): Meningkatkan tekanan darah, sehingga laju filtrasi di glomerulus meningkat dan produksi urine bertambah.

5. Gangguan dan Penyakit pada Sistem Ekskresi

• Diabetes Mellitus: Ditemukannya glukosa pada urine. Penyebabnya adalah kegagalan pankreas memproduksi hormon insulin secara optimal atau resistensi insulin, sehingga kadar glukosa darah sangat tinggi dan tidak mampu direabsorpsi sepenuhnya oleh TKP.
• Albuminuria: Ditemukannya protein albumin pada urine. Indikasi terjadinya kerusakan pada alat penyaring, yaitu glomerulus (kegagalan proses filtrasi).
• Diabetes Insipidus: Penderita mengeluarkan urine dalam jumlah yang sangat banyak secara konstan (bisa mencapai 20-30 liter per hari). Disebabkan oleh kekurangan hormon ADH.