OSMOREGULASI DAN EKSKRESI

ridwan@sith.itb.ac.id

Pendahuluan

• Osmoregulasi dan ekskresi berperan dalam homeostasis untuk menjaga agar lingkungan internal makhluk hidup selalu stabil (steady state)

• Ekskresi berperan dalam pengeluaran zat sisa metabolisme dari dalam tubuh ke lingkungan

• Sisa zat metabolisme yang terakumulasi dalam tubuh dapat mengganggu homeostasis, karena dapat mempengaruhi tekanan osmotik dan kestabilan rasio ion-ion dalam cairan tubuh.

general homeostasis

A generalized diagram of a negative feedback loop. Negative feedback loops maintain a state of homeostasis, or dynamic constancy of the internal environment, by correcting deviations from a set point.

Peran osmoregulasi dan ekskresi

1. Membuang sisa dan hasil samping metabolisme dari dalam tubuh

2. Mencegah gangguan terhadap fungsi enzim dengan cara membuang zat sisa dan produk samping yang bersifat racun

3. Mempertahankan kestabilan rasio ion-ion terlarut dalam cairan tubuh

4. Mengatur jumlah air yang terkandung dalam cairan tubuh

5. Mengatur dan menjaga kestabilan pH cairan tubuh

Osmoregulasi

Osmoregulasi merupakan proses homeostasis untuk menjaga agar cairan tubuh selalu dalam keadaan stabil atau steady state.

Mengapa osmoregulasi jadi penting ?

1. Setiap hewan membutuhkan konsentrasi garam yang berbeda dengan lingkungannya

2. Hewan harus memiliki konsentrasi air yang balance (partikel terlarut total) terhadap lingkungannya

3. Hewan perlu membuang sejumlah sisa hasil metabolisme yang larut dalam air seperti; amonium, kreatinin dan pigmen darah

Aktivitas fisis, kimia, dan perilaku dapat menjaga keseimbangan air tubuh

• Adanya perbedaan air dan garam antara hewan dengan lingkungannya direspon dengan peningkatan laju pertukaran antar keduanya

• Rasio antara luas permukaan dengan volume tubuh ↑ Pertukaran air dan garam antara jaringan dan lingkungan ↑

• Sistem integumen ikut berperan (i.e serangga)• Aktivitas makan dan minum• Hewan terestrial dapat kehilangan air akibat kepanasan

dan bernapas berteduh dan beristirahat• Peningkatan laju metabolisme (makanan + oksigen)

dapat menghasilkan air (air metabolisme)

Bagaimana hewan mengatasi masalah osmoregulasi ?

Pertukaran air dan partikel terlarut antara tubuh dan lingkungan

Mekanisme osmoregulasi

• Hewan regulator hiperosmotik (hewan terestrial dan akuatik tawar) memiliki konsentrasi zat terlarut dalam tubuh lebih tinggi dari lingkungannya, maka untuk menjaga kestabilan cairan tubuh hewan akan :

1. Mengurangi masuknya air ke dalam tubuh atau mengeluarkan kelebihan air dari tubuh

2. Memasukkan garam-garam ke dalam tubuh (melalui makan + minum).

Mekanisme osmoregulasi

• Hewan regulator hipoosmotik (hewan yang hidup di laut) memiliki konsentrasi pelarut dalam tubuh lebih tinggi dari lingkungannya, maka untuk menjaga kestabilan cairan tubuh hewan harus :

1. Menghambat keluarnya air dari dalam tubuh ke lingkungan

2. Mencegah masuknya garam-garam ke dalam tubuh atau mengeluarkan kelebihan garam dari dalam tubuh ke lingkungan

Osmoregulation by some vertebrates. Only birds and mammals can produce a hypertonic urine and thereby retain water efficiently, but marine reptiles and birds can drink seawater and excrete the excess salt through salt glands.

Hewan hiperosmotik

• Hewan air tawar termasuk ikan, amfibi, reptil, dan mamalia termasuk hewan regulator.

• Hewan yang memiliki cairan tubuh hiperosmotik terhadap lingkungannya akan menghadapi 2 masalah :

1. Tubuh cenderung menggembung karena gerakan air masuk ke dalam tubuh mengikuti gradien konsentrasi

2. Hewan kehilangan garam tubuh karena konsentrasi garam di lingkungan lebih rendah

• Oleh karena itu hewan regulator hiperosmotik harus melakukan osmoregulasi, baik pada hewan invertebrata maupun vertebrata, secara umum melalui mekanisme : filtrasi, reabsorbsi, dan sekresi

Osmoregulasi pada serangga

• Ancaman pada serangga adalah kehilangan air melalui penguapan karena luas permukaan tubuh serangga 50 kali lebih besar dari tubuhnya (mamalia hanya ½ kali volume tubuhnya).

• Kehilangan air terutama melalui jalan spirakulum, sehingga serangga menutup spirakelnya saat gerakan pernafasan

• Untuk mengatasinya serangga memiliki kutikula yang berlilin yang sangat impermeabel terhadap air.

• organ ekskretori serangga adalah badan malphigi, bersama dengan saluran pencernaan belakang membentuk sistem ekskretori-osmoregulator

The Malpighian tubules of insects. (a) The Malpighiantubules of insects are extensions of the digestive tract thatcollect water and wastes from the body’s circulatory system.(b) K+ is secreted into these tubules, drawing water with itosmotically. Much of this water (see arrows) is reabsorbedacross the wall of the hindgut.

Organ ekskresi serangga

Organ ekskresi

The protonephridia of flatworms. A branching system of tubules, bulblike flame cells, and excretory pores make up the protonephridia of flatworms. Cilia inside the flame cells draw in fluids from the body by their beating action. Substances are then expelled through pores which open to the outside of the body.

Bagaimana osmoregulasi dan ekskresi pada ikan air tawar dan ikan laut

???

Ekskresi

• Fungsi ekskresi ~ osmoregulsi• Setiap pemukaan yang permeabel dan langsung

memisahkan ruangan yang mengandung hasil ekskresi dengan lingkungannya ~ tempat ekskresi : contoh membran plasma amoeba, epidermis hewan rendah, trakea pada arthropoda, insang pada ikan, kulit pada amfibi, serta paru-paru pada hewan tinggi

• Pada hewan tingkat tinggi terdapat organ ekskresi yang khusus ~ ginjal

Ginjal

Bagaimana perbedaan ginjal mamalia darat dan mamalia laut

???

Ginjal Mamalia Laut

• Memiliki struktur penyimpan glikogen di sel epitel tubulus proksimal

• Memiliki kumpulan pembuluh darah (vasa rekta) yang lebih banyak

• Memiliki sporta perimedularis → lapisan yang terdiri dari kolagen, serat elastis, dan

otot polos

• Bagian medula ginjal lebih tebal (Oritz, 2001)

STRUKTUR GINJAL

• Cetacea (lumba-lumba dan paus), Pinniped

(anjing laut, singa laut, walrus) & Otter :

ginjal renikulatus (banyak lobus setiap lobus → korteks dan

medula dalam satu kaliks)

(Ortiz, 2001; Montagna, 1963; www.emc.maricopa.edu)

Zat buangan ekskresi

• Zat buangan ekskresi mengandung nitrogen sebagai hasil metabolisme protein dan asam nukleat. contoh : amonia , urea , dan asam urat

• Amonia berasal dari deaminasi protein, pemisahan gugus amino (-NH2)

• Amonia yang terbentuk selanjutnya dipakai untuk : pembentukan asam amino kembali, pembentukan adenin dan guanin, diubah menjadi urea yang larut dlm air dan asam urat.

Proteins Nucleic acids

Amino acids Nitrogenous bases

–NH2

Amino groups

Most aquatic animals,including many fishes

Mammals, amphibians,sharks, some bony fishes

Birds, insects, manyreptiles, land snails

Uric acid

UreaAmmonia

Kelompok hewan berdasarkan zat ekskresi yang dikeluarkannya :

• Amniotelik : buangan berupa amonia , mudah larut dalam air , berat molekul kecil, mudah berdifusi dalam air, bersifat racun, contoh : invertebrata, teleostei, amfibia

• Ureotelik : buangan berupa urea, terbentuk dalam hati (vertebrata) , merupakan hasil reaksi antara amonia dengan CO2, bersifat kurang larut dalam air, tidak setoksik amonia, contoh : elasmobranchia, amfibia dewasa, mamalia

• Urekotelik : buangan berupa asam urat, buangan yang ideal untuk burung, dapat disimpan di dalam sel, membutuhkan air untuk mengekskresikannya, dapat mengendap sampai membentuk kristal.

Macam-macam organ ekskresi

1. Vakuola kontraktil : protozoa air tawar dan sebagian protozoa air laut,

2. Protonepridia : platyhelmintes ; planaria dan ascelmintes

3. Metanepridia : anelida ,

4. Kelenjar antenal dan kelenjar hijau : Crustacea ; terletak di bagian kepala

5. Badan malphigi : serangga

6. Ginjal : hewan vertebrata; ikan-amfibia-reptil-aves-mamalia

The metanephridia of annelids. Most invertebrates, such as the annelid shown here, have metanephridia. These consist of tubules that receive a filtrate of coelomic fluid, which enters the funnel-like nephrostomes. Salt can be reabsorbed from these tubules, and the fluid that remains, urine, is released from pores into the external environment.

Ginjal

Struktural dan fungsional nefron

Nefron memiliki 1. unsur pembuluh : arteriol aferen, glomelurus, arteriol eferen, dan kapiler

tubuler

2. unsur epitel : kapsul Bowman, tubulus proksimal, lengkung Henle, tubulus distal dan saluran penampung/pengumpul

Proses pada fungsi nefron :1. Ultrafiltrasi : berlangsung pada badan Malphigi, air, glukosa, urea dari plasma

darah disaring di glomelurus. Filtrat ditampung di Kapsul Bowman dan dialirkan ke tubulus ginjal

2. Reabsorbsi selektif : substansi penting untuk keseimbangan air tubuh diserap kembali dari filtrat dalam tubulus ginjal ke kapiler tubuler, antara lain : glukosa, fosfat, klorida, urea

3. Sekresi : memindahkan substansi tak penting/racun dari darah dalam kapiler peritubuler ke tubulus ginjal

4. Produksi : sel-sel tubulus renalis memproduksi substansi-substansi ke tubulus renalis atau ke kapiler peritubuler

Satu Nephron

Mekanisme dan proses filtrasi

• Mekanisme pergerakan ion-ion umumnya dengan cara transpor aktif atau difusi (transpor pasif)

• Reabsorbsi glukosa, ion Na+, ion Cl- dilakukan dengan cara transpor aktif

• Pembentukan urin ditentukan oleh beberapa faktor :

1. Permeabilitas spesifik dari membran2. Transpor aktif membutuhkan energi3. Difusi dari sejumlah materi melintasi membran4. Gradien konsentrasi antara bagian korteks dengan medula5. Adanya pengendalian secara hormonal (aldosteron, angiotensin,

renin, ADH)

Filtrasi glomelurus

Membran filtrasi pada badan Malphigi terdiri atas 3 lap :1. Sel endotelium glomelurus

2. Membran basal

3. Epitel kapsul Bowman

Ke-3 struktur tsb sangat sesuai untuk filtrasi karena :1. Glomelurus punya banyak kapiler

2. Pembuluh darah yang masuk ke glomelurus mempunyai diameter yang lebih besar dari pada yang keluar sehingga tekanan darah di glomelurus menjadi besar

3. Membran filtrasi menjadi sangat tipis

Akibatnya : aliran cairan yang melintasi membran filtrasi menjadi lebih cepat , sekitar 100 kali kecepatan aliran kapiler yang terdapat pada jaringan otot.

Filtrasi pada glomelurus

Bagaimana filtrat terbentuk ? • Permeabilitas membran kapiler

Dalam keadaan normal membran filtrasi tidak dapat ditembus oleh protein dalam plasma darah. Permeabilitas membran filtrasi dapat meningkat pada kondisi abnormal misal : suplai darah ke ginjal berkurang, kondisi anoksia (kekurangan oksigen), terdapat senyawa yang bersifat racun.

• Volume filtrat glomelurusvolume filtrat glomelurus sama dengan jumlah volume cairan yang menembus membran filtrasi per menit. Orang normal volume filtrat sekitar 125 ml per menit ~ 7,5 liter per jam ~ 180 liter per hari. Filtrat yang terbentuk 99% direabsorbsi , sisanya merupakan urin

• Fraksi filtrasifraksi filtrasi = volume filtrat glomelurus / aliran plasma ke ginjalbesarnya sekitar 0,2 atau 20%

• Gaya-gaya yang terlibat dalam proses filtrasi1. Tekanan hidrostatis yg ditimbulkan oleh darah dalam glomelurus (P.g)2. tekanan osmosis larutan koloid dalam glomelurus (P.op)3. tekanan hidrostatis yg ditimbulkan oleh filtrat kapsul Bowman (P.c)4. Gaya filtrasi (P.f)

Hubungan ke-4 gaya adalah : P.f = P.g – (P.op – P.c)

Pengukuran volume filtrat glomelurus

• Jumlah substansi yang difiltrasi per menit adalah :

= kadar substansi dalam plasma (PA) x volume filtrat yang terbentuk per menit

• Jumlah substansi yang diekskresikan per menit adalah :

= kadar substansi dalam urin (UA) x volume urin yang diekskresikan per menit (V)

• Jumlah substansi yang difiltrasi = jumlah substansi yang diekskresikan, maka :

Volume filtrat glomelurus (terbentuk) = UA x V / PA

Syarat substansi untuk mengukur volume filtrasi glomelurus

1. Dapat dengan bebas menembus membran filtrasi

2. Tidak direabsorbsi, tidak diekskresi, dan tidak dimetabolisir

3. Tidak mengdakan ikatan dengan protein plasma

4. Tidak bersifat racun , tidak membahayakan tubuh dan mudah dianalisis

LAJU FILTRASI GLOMELURUS

Jika seseorang makan obat kemanakah obat tsb berlanglangbuana di dalam tubuh?

Dapatkah anda menentukan berapa kecepatan suatu zat dikeluarkan dari dalam tubuh ke dalam urin ???

Bowman’scapsule

Blood

Proximal tubule

NaClHCO3

–H2O Glucose and

amino acids

Somedrugsand poisons

NH3H+

CORTEX

MEDULLA

FiltrateH2OSalts (NaCl, etc.)

HCO3–

H+

Urea

Glucose

Amino acids

Some drugs

Reabsorption

Active transport

Passive transport

Secretion

(active transport)

Distal tubule

H2OHCO3

–NaCl

K+

H+

Collectingduct

NaCl

NaCl

Urea

H2ONaCl

H2O

Urine (to renal pelvis)

Loop ofHenle

Osmolaritas pada nephron

Laju Filtrasi Glomelurus (LFG)

LFG = UA x V

PA

Dimana : UA = zat A di dalam urin

V = volume urin yang diekskresikan

PA = zat A di dalam plasma

Latihan

Diketahui volume urin yang diekskresikan adalah 2 ml per menit.

Jika zat A di dalam urin 120 mg per ml urin, dan zat A di dalam plasma darah 2 mg per ml plasma, maka hitunglah laju filtrasi glomelurus untuk zat A !

Solusi

• Zat A yang diekskresikan = UA x V = 120 mg/ml x 2 ml/menit = 240 mg/menit

• Maka : LGF = 240 mg/menit 2 mg/ml

= 120 ml/menit

Clearence

• Clearence adalah kemampuan ginjal membersihkan suatu zat tertentu dari plasma darah yang diukur dalam waktu 1 menit, atau dengan kata lain :

Clearence = volume plasma yang mengandung substansi, dimana jumlah substansi tersebut sama dengan jumlah substansi yang terdapat dalam urin yang diekskresikan dalam waktu 1 menit.

Dalam kenyataannya Clearence = laju filtrasi glomelurus

CA = UA x V

PA

CA = clearence substansi AUA = jumlah substansi A dalam urin (g/ml)V = kecepatan pembentukan urin (ml/menit)PA = jumlah substansi A dalam plasma (g/ml)

Homeostasis air dalam tubuh

Tugas

1. Jelaskan perbedaan mekanisme regulasi osmosis antara ikan air tawar dan ikan laut

2. Diketahui suatu zat A yang diekskresikan dalam urin sebanyak 400 mg/menit. Bila kadar zat A di dalam urin = 100 mg/ml dan zat tersebut dalam plasma terkandung sebanyak 5 mg/ml plasma, berapakah :a. volume urin yang diekskresikan per menitb. besarnya laju filtrasi glomelurus

Hibernasi bisa bangun kembali

Selama hibernasi berlangsung , termoregulator pada hipotalamus di set sampai 1oC di atas suhu lingkungan. Sehingga jika suhu lingkungan jatuh ke tingkat yang membahayakan (zona hipotermia) maka hewan akan segera meningkatkan laju metabolismenya untuk menghindari kematian.

Kembali

Endoterm vs Ektoterm

Karena hewan endoterm harus mempertahankan suhu tubuhnya dengan cara metabolisme,

sedangkan pada hewan ektoterm panas tubuh diperoleh dari panas lingkungannya, terutama dari panas radiasi matahari

Kembali