Rangka, otot & gerak
Tulang, sendi, dan otot bekerja sama agar kita bisa berdiri, berlari, dan menulis.
Jenjang yang disarankan: SD, SMP, SMA, kuliah.
Penjelasan untuk SD
Kita bisa berdiri, berlari, dan menulis karena tulang dan otot bekerja sama.
Rangka adalah susunan tulang di dalam tubuh. Tubuh orang dewasa memiliki sekitar 206 tulang. Tugas rangka:
- Menopang tubuh supaya bisa berdiri tegak.
- Melindungi bagian penting: tengkorak melindungi otak, tulang rusuk melindungi jantung dan paru-paru.
- Tempat melekatnya otot sehingga tubuh bisa bergerak.
Sendi adalah tempat bertemunya dua tulang, misalnya di siku, lutut, dan bahu. Karena ada sendi, tubuh bisa ditekuk dan diputar.
Otot menggerakkan tulang dengan cara menarik. Otot bekerja berpasangan. Saat lenganmu ditekuk, otot di bagian depan lengan atas mengencang. Saat lengan diluruskan, otot di bagian belakang yang bekerja.
Hewan bergerak dengan cara berbeda. Kepiting dan serangga memiliki kerangka keras di luar tubuhnya. Cacing tidak bertulang dan bergerak dengan memanjang-memendekkan tubuhnya. Ikan berenang dengan sirip dan ekor, burung terbang dengan sayap, dan ular merayap dengan otot dan sisik perutnya.
Supaya tulang dan otot kuat: makan ikan, telur, susu, atau sayuran hijau yang mengandung kalsium; bermain di bawah sinar matahari pagi; banyak bergerak; dan duduk dengan nyaman.
Poin kunci
- Rangka menopang, melindungi, dan menjadi tempat melekat otot.
- Sendi membuat tubuh bisa ditekuk dan diputar.
- Otot menarik tulang dan bekerja berpasangan.
- Kalsium, sinar matahari pagi, dan bergerak aktif menjaga tulang tetap kuat.
Aktivitas
Pegang lengan atasmu, lalu tekuk dan luruskan lengan perlahan. Otot mana yang terasa mengencang saat menekuk, dan mana saat meluruskan? Hitung juga ruas-ruas jari tanganmu.
Penjelasan untuk SMP
Sistem gerak manusia terdiri atas rangka (alat gerak pasif) dan otot (alat gerak aktif).
Rangka dibagi menjadi rangka aksial (tengkorak, tulang belakang, tulang rusuk, tulang dada) dan rangka apendikular (tulang anggota gerak beserta gelang bahu dan gelang panggul). Tulang belakang tersusun atas ruas-ruas yang dipisahkan bantalan tulang rawan.
Jenis tulang:
- Tulang keras: kuat karena mengandung kalsium dan fosfor. Di bagian dalam beberapa tulang terdapat sumsum tulang merah yang membentuk sel darah.
- Tulang rawan: lentur, misalnya pada daun telinga, ujung hidung, dan di antara ruas tulang belakang. Pada anak-anak, sebagian tulang rawan berangsur menjadi tulang keras (osifikasi).
Sendi menghubungkan tulang:
- Sendi mati: tidak dapat digerakkan, misalnya antartulang tengkorak.
- Sendi kaku: sedikit gerak, misalnya antarruas tulang belakang.
- Sendi gerak: engsel (siku, lutut), peluru (bahu, pangkal paha), putar (antara tulang atlas dan tulang pemutar di leher), pelana (pangkal ibu jari), dan geser (antartulang pergelangan tangan).
Tiga jenis otot:
- Otot rangka: melekat pada tulang, tampak lurik, bekerja sesuai kehendak, dan cepat lelah.
- Otot polos: di dinding organ dalam seperti usus dan pembuluh darah, bekerja tanpa disadari.
- Otot jantung: lurik, bekerja tanpa disadari, dan tidak mudah lelah.
Otot hanya bisa menarik, sehingga bekerja berpasangan. Pada lengan, bisep dan trisep bersifat antagonis: saat bisep berkontraksi dan trisep mengendur, lengan menekuk; sebaliknya lengan lurus.
Gangguan sistem gerak antara lain patah tulang, keseleo (cedera ligamen), osteoporosis (tulang keropos), dan rakitis akibat kekurangan vitamin D.
Hewan memiliki tiga jenis rangka: rangka dalam (vertebrata), rangka luar dari kitin pada artropoda yang harus berganti kulit agar dapat tumbuh, dan rangka hidrostatik pada cacing tanah, yang bergerak dengan otot melingkar dan memanjang yang menekan cairan tubuhnya.
Poin kunci
- Rangka = alat gerak pasif; otot = alat gerak aktif.
- Sendi gerak: engsel, peluru, putar, pelana, dan geser.
- Tiga jenis otot: rangka, polos, dan jantung.
- Otot antagonis (bisep–trisep) menghasilkan gerak bolak-balik.
Aktivitas
Rendam satu tulang ayam dalam cuka selama 3 hari, dan jemur satu tulang lainnya sampai sangat kering. Bandingkan kelenturannya. Zat apa yang hilang pada tiap tulang?
Penjelasan untuk SMA
Tulang adalah jaringan hidup. Matriksnya tersusun atas serat kolagen (lentur) dan kristal kalsium fosfat (keras). Osteoblas membentuk tulang baru, osteoklas merombak tulang, dan osteosit memelihara matriks dari dalam rongga kecil (lakuna). Pada tulang kompak, sel-sel tersusun dalam sistem Havers di sekitar saluran berisi pembuluh darah dan saraf. Tulang terus dirombak sepanjang hidup; beban latihan meningkatkan kepadatannya. Kadar kalsium darah diatur hormon paratiroid (menaikkan) dan kalsitonin (menurunkan), sedangkan vitamin D membantu penyerapan kalsium di usus.
Struktur otot rangka: otot → berkas otot → serabut otot (sel panjang berinti banyak) → miofibril → sarkomer, unit kontraksi yang dibatasi dua garis Z. Sarkomer berisi filamen tipis aktin dan filamen tebal miosin.
Teori filamen geser:
- Impuls saraf tiba di sambungan saraf-otot dan melepaskan asetilkolin.
- Membran serabut otot terdepolarisasi, lalu retikulum sarkoplasma melepaskan ion Ca²⁺.
- Ca²⁺ berikatan dengan troponin sehingga tropomiosin bergeser dan tempat ikatan pada aktin terbuka.
- Kepala miosin berikatan dengan aktin (jembatan silang) dan menarik filamen aktin ke tengah sarkomer. ATP diperlukan untuk melepas dan menyiapkan kembali kepala miosin.
Hasilnya sarkomer memendek, tetapi panjang filamen aktin dan miosin sendiri tidak berubah. Setelah kematian, ATP habis sehingga jembatan silang tidak lepas; inilah penyebab kaku mayat (rigor mortis).
Energi otot berasal dari ATP yang tersedia, kreatin fosfat (beberapa detik), respirasi aerob (latihan lama), dan fermentasi asam laktat (latihan berat singkat). Serabut lambat (tipe I) kaya mitokondria dan mioglobin serta tahan lelah; serabut cepat (tipe II) kuat tetapi cepat lelah.
Poin kunci
- Tulang terus dibentuk osteoblas dan dirombak osteoklas.
- Sarkomer adalah unit kontraksi; filamen aktin dan miosin bergeser, bukan memendek.
- Ca²⁺ membuka tempat ikatan aktin; ATP melepaskan kepala miosin.
- Serabut tipe I tahan lelah; tipe II kuat tetapi cepat lelah.
Aktivitas
Buat model sarkomer dari dua sisir atau potongan karton yang saling menyusup. Peragakan filamen yang bergeser dan jelaskan mengapa sarkomer memendek walaupun filamennya tidak.
Penjelasan untuk kuliah
Kopling eksitasi–kontraksi: potensial aksi menjalar ke tubulus T; reseptor dihidropiridin (sensor tegangan) di tubulus T terhubung secara mekanis dengan reseptor ryanodin di retikulum sarkoplasma sehingga Ca²⁺ dilepaskan. Pompa SERCA mengembalikan Ca²⁺ saat relaksasi. Pada otot jantung, pelepasan Ca²⁺ dipicu oleh Ca²⁺ yang masuk dari luar sel, sedangkan otot polos diatur terutama melalui kalmodulin dan kinase rantai ringan miosin.
Mekanika otot: gaya maksimum dicapai pada panjang sarkomer optimal, ketika tumpang-tindih aktin–miosin paling efektif (hubungan panjang–tegangan). Makin cepat otot memendek, makin kecil gaya yang dihasilkan (hubungan gaya–kecepatan). Tubuh mengatur gaya dengan merekrut unit motorik, mulai dari unit kecil tahan lelah lalu unit besar (prinsip ukuran Henneman), dan dengan menaikkan frekuensi impuls hingga terjadi sumasi dan tetanus.
Biomekanika: sebagian besar sendi anggota gerak bekerja sebagai tuas kelas tiga. Bisep melekat dekat siku, sehingga harus menghasilkan gaya jauh lebih besar dari beban di tangan, tetapi tangan bergerak cepat dan jauh. Ini pertukaran antara gaya dan kecepatan; bandingkan dengan capit kepiting di Laboratorium Tuas.
Perbandingan: rangka luar kuat dan ringan pada ukuran kecil, tetapi berat dan harus diganti saat pergantian kulit (ekdisis, diatur hormon ekdison), yang membatasi ukuran tubuh artropoda darat. Rangka hidrostatik memungkinkan gerak peristaltik. Tendon menyimpan dan melepaskan energi elastis saat berlari. Burung memiliki tulang berongga yang terhubung dengan kantong udara.
Secara klinis, massa tulang puncak terbentuk pada masa remaja hingga awal dewasa, sehingga gizi dan aktivitas fisik pada usia sekolah berpengaruh besar pada risiko osteoporosis di usia tua. Penurunan estrogen setelah menopause mempercepat perombakan tulang.
Poin kunci
- Kopling eksitasi–kontraksi: tubulus T → reseptor ryanodin → Ca²⁺.
- Gaya otot bergantung pada panjang sarkomer, kecepatan, dan rekrutmen unit motorik.
- Sendi anggota gerak umumnya tuas kelas tiga: gaya ditukar dengan kecepatan.
- Massa tulang puncak dibangun pada masa remaja.
Aktivitas
Bisep melekat sekitar 4 cm dari siku, dan beban 5 kg dipegang 35 cm dari siku. Hitung gaya bisep untuk menahan lengan bawah mendatar (abaikan berat lengan). Diskusikan keuntungan tuas kelas tiga ini dari segi kecepatan.