Metabolisme Tubuh

Metabolisme Tubuh
-Basic Science in Nursing IIIrwan Ary Dharmawan1,
Hana Rizmadewi Agustina2 dan Maria Komariah2
1)
Jurusan Fisika, Universitas Padjadjaran
2) Fakultas Keperawatan, Universitas Padjadjaran
SLIDE
http://phys.unpad.ac.id/jurusan/staff/dharmawan/kuliah
Rujukan
• Principles of Science for Nurses, Joyce James et.al, Blackwell
Science
• Human Body Dynamics, Aydin Tozeren, Springer
• Physics of the Human Body, Irving P. Herman, Springer
• Physics in Biology and Medicine, Paul Davidovits, Academic
Press
• Semua buku Fisika Dasar (Giancoli, Finn, Serway, Halliday,
dll)
• Googling !
Definisi Metabolisma
• Proses yang melibatkan terbentuknya energi, penyimpanan
energi dan pemanfaatannya untuk aktivitas tubuh manusia
disebut dengan Metabolisma
• Secara umum, metabolisma merupakan energi yang
digunakan oleh tubuh dan semua reaksi kimia dalam sel
untuk menjaga tubuh agar tetap hidup
• Proses Metabolic dibagi menjadi dua yaitu anabolic dan
catabolic
Aliran Energi dalam tubuh
Mengapa tubuh kita memerlukan makanan ?
• Untuk mengoperasikan organ tubuh
• Menjaga agar temperatur tubuh tetap
konstan dengan menggunakan kalor yang
dihasilkan dari fungsi organ
• Untuk melakukan kerja
• Membangun suplai energi untuk kebutuhan
5-10% energi dari makanan dikeluarkan melalu feses dan urin
Hukum Pertama Thermodinamika
• Hukum pertama Thermodinamika merupakan hukum
kekekalan Energi untuk berbagai proses, dan dinyatakan
dengan persamaan berikut
∆U
∆U = Q − W
Perubahan energi yang tersimpan dalam tubuh
Q
Perpindahan kalor dalam tubuh manusia
W
Kerja yang dihasilkan oleh tubuh
• Ketika energi yang tersimpan berkurang ∆U < 0 , kalor akan
berpindah dari tubuh Q < 0 dan tubuh menghasilkan kerja
W >0
Perpindahan kalor dalam tubuh manusia
• Perpindahan kalor dalam tubuh manusia terdiri dari kalor
yang diproduksi dari proses metabolisma tubuh dan kalor
yang hilang akibat proses konduksi, konveksi, radiasi dan
evaporasi
• Secara umum perpindahan kalor dalam tubuh manusia
dapat ditulis dengan persamaan
Q = Qmet + Qloss
Qmet
Merupakan kalor yang diproduksi dari hasil metabolisma tubuh
(Metabolic Rate)
Qloss
Merupakan kalor yang dilepaskan oleh tubuh
∆U = Qmet + Qloss − W
Satuan Energi
Aktivitas Manusia vs Metabolic Rate
Energi yang dibutuhkan Manusia
• Bergantung kepada berat dan tinggi manusia tersebut
• Energi yang dikonsumsi oleh manusia dalam melakukan
aktivitas tertentu dibagi dengan luas permukaan
tubuhnya hampir sama untuk semua orang
• Secara empirik luas tubuh manusia dapat dihitung
menggunakan
Luas = 0.202 × W 0.425 × H 0.725
• W dan H menyatakan berat (kg) dan tinggi manusia (m)
berturut-turut
Energi yang dibutuhkan Manusia (contoh)
• Luas tubuh seorang manusia dengan berat 70 kg dan
tinggi 1.55 m adalah 1.70 m2. Metabolic-rate nya dalam
keadaan istirahat adalah 40 cal/m2 -jam x 1.70 m2 = 68
Cal/jam Basal Metabolic Rate
Energi dari Makanan
• Proses Oksidasi : C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + Energi
• Untuk setiap gram glukosa akan dihasilkan Energi sebesar
3.81 Cal
• Nilai kalori per satuan berat yang dihasilkan berbeda
untuk setiap makanan, sebagai contoh : karbohidrat
(gula) dan protein sebesar 4 cal/g , lemak 9 cal/g dan
alkolhol 7 cal/g
• Proses oksidasi makanan memerlukan ‘katalis’ (enzym),
untuk mempertahankan proses metabolisma pada
temperatur tetap
Aktivitas vs Energi yang dihasilkan
Komposisi dan konten Energi dari makanan
Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c)
• Kapasitas Kalor (C) adalah energi (kalor) yang diperlukan
untuk menaikkan temperatur suatu objek sebesar satu
derajat celcius
• Kapasitas kalor per unit volume atau massa disebut dengan
Kalor Spesifik (c)
• Kapasitas kalor merupakan sifat intrisik dari suatu
material/objek sedang Kalor Spesifik merupakan faktor
ekstrinsik
C = mc
Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c)
• Kenaikan temperatur sebesar ∆T dari suatu objek dengan
kalor yang masuk ke dalam tubuh Q dinyatakan dengan
Q
∆T =
mc
• Untuk air c = 1.0 cal/g oC = 1.0 kcal/kg oC
• Untuk tubuh manusia c = 0.83 cal/g oC = 0.83 kcal/kg oC,
artinya adalah diperlukan 83 kcal (kalori makanan) untuk
menaikkan temperatur tubuh manusia dengan berat 100 kg
sebesar 1 derajat celcius
• 0.83 kcal sama dengan kalori yang dihasilkan dari sepotong
roti
Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c)
• Mengapa temperatur tubuh manusia tidak menaik ketika
kita makan sepotong roti terus menerus ?
Tidak mungkin Heat loss !
Perpindahan Kalor (konduksi)
1 dQ
∆T
= −K
A dt
∆x
• Ruas kiri disebut juga dengan Fluks Kalor (Heat Fluks), yang
menyatakan jumlah Kalor yang mengalir per satuan luas A
dan waktu. Tanda minus menyatakan bahwa kalor
berpindah dari daerah yang lebih panas ke daerah yang
lebih dingin.
• Konduktivitas Thermal (K), menyatakan bagaimana
temperatur bervariasi secara spasial yang disebabkan
adanya perpindahan kalor diantara dua daerah yang
dipisahkan oleh jarak delta x.
Temperatur pada tubuh manusia
• Manusia sebagai mahluk hidup berdarah ‘panas’ harus
selalu menjaga kesetimbangan temperatur tubuhnya pada
suhu konstan (37oC)
• Jika suhu tubuh kita lebih tinggi dari suhu normal akan
menyebabkan rusaknya protein dalam proses metabolisma
tubuh
• Jika suhu tubuh lebih rendah, maka jantung kita akan
berhenti berfungsi
Temperatur dan aktivitas manusia
• 20% energi digunakan oleh otot untuk bekerja
• 80% dari energi yang dihasilkan untuk bekerja akan
dikonversikan menjadi kalor dalam tubuh manusia
• Jika dari 80% tidak dikonversikan ke dalam kalor maka
temperatur tubuh akan meningkat
• Sebagai contoh seorang manusia dengan berat 70 kg
mengkonsumsi kalori sebanyak 260 cal/jam. Sekitar 208
dikonversikan menjadi kalor. Jika tidak maka akan terjadi
kenaikan temperatur sebesar 3oC / jam collapse !
Konduksi dalam tubuh manusia
• Sumber dari kalor pada tubuh terdapat pada bagian tubuh
yang dalam
• Untuk mengeleminasikannya maka harus dikonduksikan
melalui kulit
• Agar terjadi konduksi maka harus terdapat perbedaan
temperatur, oleh karena itu temperatur kulit harus lebih
rendah
• Dalam keadaan normal temperatur kulit sekitar 35oC, dalam
keadaan dingin sekitar 27oC
Konduksi dalam tubuh manusia (contoh)
• Jika tebal jaringan antara tubuh manusia bagian luar dan bagian dalam
adalah 3 cm, dengan luas permukaan rata-rata untuk terjadi konduksi
adalah 1,5m2. Kemudian perbedaan temperatur antara tubuh bagian
dalam dan kulit sebesar 2oC. Maka kalor yang mengalir per jamnya
adalah (Konduktivitas termal jaringan = 18 cal cm /m2 –jam- oC)
dQ KA∆T 18 ×1.5 × 2
= 18cal/jam
=
=
dt
L
3
Mekanisme lain untuk konduksi dlm tubuh
• Mayoritas kalor ditransportkan dari tubuh bagian dalam ke
sistem aliran darah. Kalor masuk ke dalam sel interior
dengan mekanisme konduksi. Dalam kasus ini, proses
konduksi sangat cepat jarak antara kapiler dan sel sumber
kalor sangat tipis. Sistem aliran darah akan membawa kalor
yang dibawa oleh dara menuju permukaan kulit. Kalor
kemudian dipindahkan menuju permukaan melalui proses
konduksi.
• Jika aliran kalor melalui darah berlebih , maka jaringan
kapiler deket permukaan akan menghambat aliran darah,
sehingga aliran darah akan tereduksi.
Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)
•
•
•
•
Hc merupakan kalor yang dipindahkan melalu konveksi
Kc adalah koefisien konveksi
Ts adalah temperatur kulit
Ta adalah temperatur udara
Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)
Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)
• Contoh : seorang manusia dalam keadaan telanjang dengan luas
permukaan 1.7m2, berdiri dan luas permukaan yang terekspos adalah
1.36m2. Jika temperatur udara 25oC dan temperatur rata-rata kulit
adalah 33oC, maka jumlah kalor yang dihilangkan adalah (Kc = 6cal/m2 –
jam – oC , tiada angin)
Hc = 65.4 cal/jam
• Dalam keadaan bekerja manusia menghasilkan 170 cal/jam, oleh karena
itu kecepatan angin perlu ditambah 1.5 m/detik untuk menghasilkan
proses pendinginan sebesar 170 cal/jam
Radiasi
•
•
•
•
•
•
Hc merupakan kalor yang dipindahkan melalu radiasi
Kr adalah koefisien radiasi (6.0 cal/m2 – jam – C)
Ts adalah temperatur kulit
Tr adalah temperatur permukaan radiasi
Ar adalah luas permukaan radiasi
e adalah emisivitas permukaan kulit (menuju 1)
Radiasi (contoh)
• Seorang manusia dengan Ar = 1.5 m2, Tr=25oC dan Ts=32oC.
Maka radiasi loss nya sebesar 63 cal/jam
Radiasi (contoh)
• Seorang manusia dengan Ar = 1.5 m2, Tr=25oC dan Ts=32oC.
Maka radiasi loss nya sebesar 63 cal/jam