Metabolisme Tubuh

Irwan Ary Dharmawan1, 1) Jurusan Fisika, Universitas Padjadjaran

SLIDEhttp://phys.unpad.ac.id/jurusan/staff/dharmawan/kuliah

RujukanPrinciples of Science for Nurses, Joyce James et.al, Blackwell Science Human Body Dynamics, Aydin Tozeren, SpringerPhysics of the Human Body, Irving P. Herman, SpringerPhysics in Biology and Medicine, Paul Davidovits, Academic PressSemua buku Fisika Dasar (Giancoli, Finn, Serway, Halliday, dll)Googling !

Definisi MetabolismaProses yang melibatkan terbentuknya energi, penyimpanan energi dan pemanfaatannya untuk aktivitas tubuh manusia disebut dengan MetabolismaSecara umum, metabolisma merupakan energi yang digunakan oleh tubuh dan semua reaksi kimia dalam sel untuk menjaga tubuh agar tetap hidupProses Metabolic dibagi menjadi dua yaitu anabolic dan catabolic

Aliran Energi dalam tubuh

Mengapa tubuh kita memerlukan makanan ?Untuk mengoperasikan organ tubuhMenjaga agar temperatur tubuh tetap konstan dengan menggunakan kalor yang dihasilkan dari fungsi organUntuk melakukan kerjaMembangun suplai energi untuk kebutuhan 5-10% energi dari makanan dikeluarkan melalu feses dan urin

Hukum Pertama ThermodinamikaHukum pertama Thermodinamika merupakan hukum kekekalan Energi untuk berbagai proses, dan dinyatakan dengan persamaan berikutPerubahan energi yang tersimpan dalam tubuhPerpindahan kalor dalam tubuh manusiaKerja yang dihasilkan oleh tubuhKetika energi yang tersimpan berkurang , kalor akan berpindah dari tubuh dan tubuh menghasilkan kerja

Perpindahan kalor dalam tubuh manusiaPerpindahan kalor dalam tubuh manusia terdiri dari kalor yang diproduksi dari proses metabolisma tubuh dan kalor yang hilang akibat proses konduksi, konveksi, radiasi dan evaporasiSecara umum perpindahan kalor dalam tubuh manusia dapat ditulis dengan persamaanMerupakan kalor yang diproduksi dari hasil metabolisma tubuh (Metabolic Rate)Merupakan kalor yang dilepaskan oleh tubuh

Satuan Energi

Aktivitas Manusia vs Metabolic Rate

Energi yang dibutuhkan ManusiaBergantung kepada berat dan tinggi manusia tersebutEnergi yang dikonsumsi oleh manusia dalam melakukan aktivitas tertentu dibagi dengan luas permukaan tubuhnya hampir sama untuk semua orangSecara empirik luas tubuh manusia dapat dihitung menggunakan

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 MakananProses Oksidasi : C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + EnergiUntuk setiap gram glukosa akan dihasilkan Energi sebesar 3.81 CalNilai 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/gProses 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

Kapasitas Kalor (C) dan Kalor Spesifik (c)Kenaikan temperatur sebesar dari suatu objek dengan kalor yang masuk ke dalam tubuh dinyatakan denganUntuk air c = 1.0 cal/g oC = 1.0 kcal/kg oCUntuk 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 celcius0.83 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)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 manusiaManusia 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 tubuhJika suhu tubuh lebih rendah, maka jantung kita akan berhenti berfungsi

Temperatur dan aktivitas manusia20% energi digunakan oleh otot untuk bekerja80% dari energi yang dihasilkan untuk bekerja akan dikonversikan menjadi kalor dalam tubuh manusiaJika dari 80% tidak dikonversikan ke dalam kalor maka temperatur tubuh akan meningkatSebagai 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 manusiaSumber dari kalor pada tubuh terdapat pada bagian tubuh yang dalamUntuk mengeleminasikannya maka harus dikonduksikan melalui kulitAgar terjadi konduksi maka harus terdapat perbedaan temperatur, oleh karena itu temperatur kulit harus lebih rendahDalam 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)

Mekanisme lain untuk konduksi dlm tubuhMayoritas 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 darah menuju permukaan kulit. Kalor kemudian dipindahkan menuju permukaan melalui proses konduksi. Jika aliran kalor melalui darah berlebih , maka jaringan kapiler dekat permukaan akan menghambat aliran darah, sehingga aliran darah akan tereduksi.

Pengendalian temperatur pada kulit (konveksi)Hc merupakan kalor yang dipindahkan melalu konveksiKc adalah koefisien konveksiTs adalah temperatur kulitTa 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)

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/jamHc = 65.4 cal/jam

Radiasi Hc merupakan kalor yang dipindahkan melalu radiasiKr adalah koefisien radiasi (6.0 cal/m2 jam C)Ts adalah temperatur kulitTr adalah temperatur permukaan radiasiAr adalah luas permukaan radiasie 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

******************************