DIFUSI, OSMOSIS, DAN PLASMOLISIS

Mempelajari dunia kehidupan tidak terlepas dari pengetahuan tentang hierarki biologi. Dalam pengetahuan biologi, sel merupakan unit terkecil yang dapat melakukan aktivitas kehidupan. Selain itu, dalam organisme terdapat alat transpor yang mampu mengatur organisme lainnya. Sehingga membran sel tersusun atas senyawa fosfolipid bilayer. Oleh karena itu, sel mampu melakukan transpor zat. Hal ini sangat dibutuhkan oleh tumbuhan agar mereka dapat mendistribusikan energi yang mereka dapatkan dari alam.

Metabolisme pada organisme multiselluler mencakup beberapa hal, antara lain transport zat hara dan transport ion. Sistem transport pada hewan yaitu sistem sirkulasi. Pada sistem sirkulasi, aliran materi terjadi
karena adanya daya dorong dari organ pemompa. Sedang sistem transport pada tumbuhan yaitu sistem vaskuler, pada sistem ini aliran senyawa berlangsung mengikuti atau melawan padatan (gradient) konsentrasi.

Untuk kelangsungan hidupnya tumbuhan memerlukan beberapa zat. Zat yang diperlukan tumbuhan diambil dari lingkungan sebagian besar berupa: O2 dan CO2 dari udara diambil melalui daun; air dan mineral dari dalam tanah diambil melalui ujung akar dan bulu-bulu akar. Bagi tumbuhan tingkat rendah, pengambilan zat-zat dapat dilakukan oleh permxkaan tubuhnya. Kemampuan tumbuhan mengambil zat-zat dari lingkungan dilakukan dengan cara difusi, osmosis dan transpor aktif. 

Tumbuhan dan Lingkungan

Pada semua makhluk hidup, dari prokariota hingga organisme multiseluler yang paling kompleks, melakukan pertukaran zat dengan lingkungannya pada tingkat seluler. Pertukaran zat tersebut sangat penting bagi metabolisme sel. Transpor zat melalui membran dibedakan atas 2 (dua), yaitu transpor zat yang memerlukan energi (transpor aktif) dan transpor yang tidak memerlukan energi (transpor pasif). Transpor aktif meliputi proses pompa ATP, eksositosis, dan endositosis. Adapun transpor pasif meliputi proses difusi, osmosis, dan difusi terbantu.

Tumbuhan memerlukan berbagai macam zat untuk kelangsungan hidupnya. Zat-zat tersebut sebagian besar diambil dari lingkungan, misalnya mineral, air, karbon dioksida, dan oksigen. Tumbuhan tingkat tinggi mengambil oksigen dan karbon dioksida melalui daun (Bresnick, 2003).

Air dan garam-garam mineral diserap oleh tumbuhan dari dalam tanah melalui rambut-rambut akar yang terdapat pada epidermis akar. Sel-sel tumbuhan dapat dilewati air, zat-zat makanan yang terlarut, oksigen dan karbondioksida baik ke dalam atau ke luar sel. Untuk melaksanakan fotosintesis, tumbuhan memerlukan karbon dioksida dan air. Tumbuhan juga memerlukan oksigen untuk bernapas. Tumbuhan mengambil air, karbon dioksida, dan oksigen dengan cara difusi, osmosis, dan transpor aktif.

Membran Sel

Sel terdiri atas materi hidup yang disebut dengan protoplasma. Protoplasma sel dibatasi dari lingkungan sekitarnya oleh selaput sel tipis yang disebut dengan membran plasma (membran sel). Membran ini mempunyai kemampuan untuk mengatur secara selektif aliran materi dari dan keluar sel. Berdasarkan kemampuan membran menyeleksi aliran materi antar sel dan lingkungannya maka membran dapat dibedakan menjadi dua jenis. Membran dikatakan permiabel apabila semua jenis molekul dalam cairan dapat melewati membran. Sedang suatu membran dikatakan semi-permeabel jika hanya dapat dilewati oleh molekul-molekul tertentu saja (Annur dan Santooosa, 2008).

Membran merupakan media pemisah yang bersifat selektif permeabel dengan menahan komponen tertentu dan melewatkan komponen lainnya. Proses pemisahan dengan menggunakan membran pada pemisahan fasa cair-cair umumnya didasarkan atas ukuran partikel dan beda muatan dengan gaya dorong (driving force) berupa beda tekanan, medan listrik, dan beda konsentrasi (Yusuf, et al., 2008).

Macam-macam membrane permeabilitas (Parjatmo, 1987):

1.     Impermeable (tidak permeable), dimana air maupun zat terlarut didalamnya tidak dapat melaluinya.

2.     Permeable, yaitu membrane yang dapat dilalui oleh air maupun zat tertentu yang terlarut didalamnya.

3.     Semi permeable, yaitu membrane yang hanya dapat dilalui oleh air tetapi tidak dapat dilalui oleh zat terlarut, misalnya membaran sitoplasma.

Transpor pasif

Dapat berlangsung karena adanya perbedaan konsentrasi larutan di antara kedua sisi membran. Pada transpor pasif tidak rnemerlukan energi rnetabolik. Transpor pasif ini bersifat spontan. Transpor pasif dibedakan menjadi tiga, yaitu difusi sederhana (simple diffusion), difusi dipermudah atau difasilitasi (facilitated diffusion), dan osmosis.Terdapat dua proses fisikokimiawi yang penting dalam transport materi dalam sel yaitu difusi dan osmosis (Alkatiri, 1996).

Difusi merupakan peristiwa perpindahan melekul dengan menggunakan tenaga kinetik bebas, proses perpindahan ini berlangsung dari derajat konsentrasi tinggi ke derajat konsentrasi rendah. Proses ini akan terus berlangsung hingga dicapai titik keseimbangan. Osmosis merupakan suatu peristiwa perembesan suatu molekul air melintasi membran yang memisahkan dua larutan dengan potensial air yang berbeda. Proses osmosis berlangsung dari larutan hipotonik menuju larutan yang hipertonik atau perpindahan air dari molekul larutan yang potensial airnya

tinggi ke potensial yang rendah.

Ketika sel tumbuhan diletakkan pada larutan yang hipertonik/lebih pekat dibanding konsentrasi plasma selnya maka air yang berada dalam vakoula akan merembes ke luar sel. Akibatnya protoplasma mengkerut dan terlepas dari dinding sel, peristiwa ini disebut dengan plasmolisis. Keadaan tersebut dapat kembali seperti semula apabila lingkungan sel diganti dengan larutan hipotonik. Kembalinya keadaan protoplasma setelah plasmolisis disebut deplasmolisis. Difusi terfasilitasi juga masih dianggap ke dalam transpor pasif karena zat terlarut berpindah menurut gradien konsentrasinya.

2.4  Transpor aktif

Perbedaan utama antara transpor aktif, osmosis, dan difusi adalah energi yang dikeluarkan sel. Pada osmosis dan difusi, sel tidak mengeluarkan energi apapun untuk memindahkan zat melewati membran sel karena zat berpindah sesuai dengan gradien konsentrasi. Dengan kata lain, difusi dan osmosis terjadi secara spontan.

Transpor aktif merupakan mekanisme pemindahan molekul atau zat tertentu melalui membran sel, berlawanan arah dengan gradien konsentrasi. Oleh karena itu, harus ada energi tambahan dari sel yang digunakan untuk membantu perpindahan tersebut.

Energi tambahan yang digunakan dalam proses transpor aktif berasal dari ATP yang dihasilkan oleh mitokondria melalui proses respirasi. Selain itu, pada membran sel terdapat lapisan protein. Salah satu jenis protein yang terdapat di membran sel tersebut adalah protein transpor. Protein transpor mengenali zat tertentu yang masuk atau keluar sel.

Zat yang dipindahkan dengan cara transpor aktif pada umumnya adalah zat yang memiliki ukuran molekul cukup besar sehingga tidak mampu melewati membran sel. Sel mengimbangi tekanan osmosis lingkungannya dengan cara menyerap atau mengeluarkan molekul-molekul tertentu. Dengan  demikian, terjadi aliran air masuk atau keluar sel. Kemampuan mengimbangi tekanan osmosis dengan transpor aktif menjadi sangat penting untuk bertahan hidup.

Pompa natrium kalium merupakan contoh transpor aktif yang banyak ditemukan pada membran sel. Perpindahan molekul ini menggunakan energi ATP untuk mengeluarkan natrium (Na+) keluar sel dan bersama dengan itu memasukkan kalium (K+) ke dalam sel.

Ion Na+ dan K+ dengan transpor aktif dapat melewati membran sel.  (1) Ion Na+ terikat pada suatu tempat di protein membran. (2) Ion Na+ tersusun dengan formasi tertentu untuk dilepaskan ke luar sel. (3) Ion K+ dari luar diikat.(4) Hal ini m erangsang memb ran sel untuk kembali ke bentuk semula. (5) Ion K+ dilepaskan protein membran dan masuk ke dalam sel.

Perhatikan gambar berikut :

2.5  Transport­ Ion­­ Channel

Transport lewat ion channel khusus bagi ion-ion yang sulit ditransport secara difusi akibat muatan listriknya. Ion channel ini mempunyai sifat yang sangat selektif dan terbukanya channel tersebut akibat potensial listrik sepanjang membran sel dan melalui ikatan channel dengan hormon atau neurotransmitter (Parjatmo, 2005).

2.6  Difusi

Difusi merupakan perpindahan partikel zat dari larutan berkonsentrasi tinggi ke larutan berkonsentrasi rendah. Contoh yang sederhana adalah pemberian gula pada cairan teh tawar, lambat laun cairan teh menjadi manis.

Perhatikan Gambar .

Gambar . Proses Difusi

Gambar di atas menunjukkan perpindahan konsentrasi larutan yang lebih tinggi ke konsentrasi larutan yang lebih rendah sampai terjadi keseimbangan dinamis.

Peristiwa difusi pada tumbuhan sangat penting untuk keseimbangan hidup tumbuhan. Karbon dioksida (CO₂) dan oksigen (O₂) diambil oleh tumbuhan dari udara melalui proses difusi. Pengambilan air dan garam mineral oleh tumbuhan dari dalam tanah, salah satunya melalui proses difusi. Difusi zat dari dalam tanah ke dalam tubuh tumbuhan  disebabkan konsentrasi garam mineral di tanah lebih tinggi daripada di dalam sel. Demikian juga gas CO₂ di udara masuk ke dalam tubuh tumbuhan karena konsentrasi CO₂ di udara lebih tinggi daripada di dalam sel tumbuhan. Sebaliknya, O₂ dapat berdifusi keluar tubuh tumbuhan jika konsentrasi O₂ dalam tubuh tumbuhan lebih tinggi akibat adanya fotosintesis dalam sel (Loveless, 1991).

Difusi merupakan peristiwa mengalirnya atau berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah, sedangkan osmosis adalah perpindahan air melalui membran permeabel selektif dari bagian yang lebih encer ke bagian yang lebih pekat (Kustiyah, 2007). Contoh peristiwa difusi yang sederhana adalah pemberian gula pada cairan teh tawar dan contoh peristiwa osmosis adalah kentang yang dimasukkan ke dalam air garam.

Kecepatan difusi ditentukan oleh : Jumlah zat yang tersedia, kecepatan gerak kinetik dan jumlah celah pada membran sel. Difusi sederhana ini dapat terjadi melalui dua cara:

a. Melalui celah pada lapisan lipid ganda, khususnya jika bahan berdifusi terlarut lipid

b. Melalui saluran licin pada beberapa protein transpor.

Tekanan osmotik merupakan sifat koligatif, yang berarti bahwa sifat ini bergantung pada konsentrasi zat terlarut, dan bukan pada sifat zat terlarut itu sendiri.

l) Mekanisme difusi

Difusi merupakan proses perpindahan atau pergerakan molekul zat atau gas dari konsentrasi tinggi ke konsentrasi rendah. Difusi melalui membran dapat berlangsung melalui tiga mekanisme, yaitu difusi sederhana (simple difusion),difusi melalui saluran yang terbentuk oleh protein transmembran (simple difusion by chanel formed), dan difusi difasilitasi (fasiliated difusion).  Difusi sederhana melalui membrane berlangsung karena molekul-molekul yang berpindah atau bergerak melalui membran bersifat larut dalam lemak (lipid) sehingga dapat menembus lipid bilayer pada membran secara langsung. Membran sel permeabel terhadap molekul larut lemak seperti hormon steroid, vitamin A, D, E, dan K serta bahan-bahan organik yang larut dalam lemak, Selain itu, memmbran sel juga sangat permeabel terhadap molekul anorganik seperti O,CO2, HO, dan H2O.

Beberapa molekul kecil khusus yang terlarut dalam serta ion-ion tertentu, dapat menembus membran melalui saluran atau chanel. Saluran ini terbentuk dari protein transmembran, semacam pori dengan diameter tertentu yang memungkinkan molekul dengan diameter lebih kecil dari diameter pori tersebut dapat melaluinya. Sementara itu, molekul – molekul berukuran besar seperti asam amino, glukosa, dan beberapa garam – garam mineral, tidak dapat menembus membrane secara langsung, tetapi memerlukan protein pembawa atau transporter untuk dapat menembus membran.  Proses masuknya molekul besar yang melibatkan transporter dinamakan difusi difasilitasi. 

2) Mekanisme Difusi dan Difasilitasi

Difusi difasilitasi (facilitated diffusion) adalah pelaluan zat melalui rnembran plasrna yang melibatkan protein pembawa atau protein transporter. Protein transporter tergolong protein transmembran yang memliki tempat perlekatan terhadap ion atau molekul vang akan ditransfer ke dalam sel. Setiap molekul atau ion memiliki protein transforter yang khusus, misalnya untuk pelaluan suatu molekul glukosa diperlukan protein transforter yang khusus untuk mentransfer glukosa ke dalam sel.  Protein transporter untuk grukosa banyak ditemukan pada sel-sel rangka, otot jantung, sel-sel lemak dan sel-sel hati, karena sel – sel tersebut selalu membutuhkan glukosa untuk diubah menjadi energi.

Faktor yang mempengaruhi difusi :

1. Suhu, makin tinggi difusi makin cepat

2. BM makin besar difusi makin lambat

3. Kelarutan dalam medium, makin besar difusi makin cepat

4. Perbedaan Konsentrasi, makin besar perbedaan konsentrasi antara dua bagian, makin besar proses difusi yang terjadi.

5. Jarak tempat berlangsungnya difusi, makin dekat jarak tempat terjadinya difusi,    makin cepat proses difusi yang terjadi.

6. Area Tempat berlangsungnya Difusi, makin luas area difusi, makin cepat proses difusi.

2.7  Osmosis

Secara luas, proses osmosis diartikan sebagai proses perpindahan pelarut melewati sebuah membran semipermeabel. Secara sederhana, osmosis dapat diartikan sebagai proses difusi air sebagai pelarut, melewati sebuah membran semipermeabel. Masuknya air ini dapat menyebabkan tekanan air yang disebut tekanan osmotik . Pada sel tanaman disebut  tekanan turgor .

Terdapat tiga sifat larutan yang dapat menentukan pergerakan air pada osmosis, yaitu hipertonik,  hipotonik, dan isotonik . Suatu larutan dikatakan hipertonik jika memiliki konsentrasi zat terlarut lebih tinggi dibandingkan larutan pembandingnya. Dalam hal ini, larutan pembanding akan bersifat hipotonik karena memiliki konsentrasi zat terlarut lebih kecil. Larutan isotonik, memiliki konsentrasi zat terlarut yang sama dengan larutan pembanding.

Pergerakan molekul air melalui membran semipermeabel selalu dari larutan hipotonis menuju ke larutan hipertonis sehingga perbandingan konsentrasi zat terlarut kedua larutan seimbang (isotonik). Misalnya, sebuah sel diletakkan di dalam air murni. Konsentrasi zat terlarut di dalam sel lebih besar (hipertonik) karena adanya garam mineral, asam-asam organik, dan berbagai zat lain yang dikandung sel. Dengan demikian, air akan terus mengalir ke dalam sel sehingga konsentrasi larutan di dalam sel dan di luar sel sama. Namun, membran sel memiliki kemampuan yang terbatas untuk mengembang sehingga sel tersebut tidak pecah. Pada sel darah merah, peristiwa ini disebut hemolisis.

Pada sel tumbuhan, peristiwa ini dapat teratasi karena sel tumbuhan memiliki dinding sel yang menahan sel mengembang lebih lanjut. Pada sel tumbuhan keadaan ini disebut  turgid. Keadaan sel turgid membuat tanaman kokoh dan tidak layu. Di alam, air jarang ditemukan dalam keadaan murni, air selalu mengandung garam-garam dan mineral-mineral tertentu. Dengan demikian, air aktif keluar atau masuk sel. Hal tersebut berkaitan dengan konsentrasi  zat terlarut pada sitoplasma. Pada saat air di dalam sitoplasma maksimum, sel akan mengurangi kandungan mineral garam dan zat-zat yang terdapat di dalam sitoplasma. Hal ini membuat konsentrasi zat terlarut di luar sel sama besar dibandingkan konsentrasi air di dalam sel.

Jika sel dimasukkan ke dalam larutan hipertonik, air akan terus-menerus keluar dari sel. Sel akan mengerut, mengalami dehidrasi, dan bahkan dapat
mati. Pada sel tumbuhan, hal ini menyebabkan sitoplasma mengerut dan terlepas dari dinding sel. Peristiwa ini disebut plasmolisis. Dengan demikian, pada saat tertentu, sel perlu meningkatkan kembali kandungan zat-zat dalam sitoplasma

untuk menaikkan tekanan osmotik di dalam sel. Cara sel mempertahankan tekanan osmotiknya ini disebut  osmoregulasi.

Demikian seterusnya, sel selalu aktif dan hal tersebut dilakukan untuk mempertahankan kondisi setimbang antara sel dan lingkungannya. Proses metabolisme membutuhkan air dan mineral atau garam dan berbagai zat yang terkandung dalam sitoplasma. Akibatnya, tekanan osmotik dan konsentrasi molekul-molekul lain berubah sehingga terjadi aliran difusi dan osmosis yang terus-menerus dari sel ke luar atau dari luar ke dalam sel.

Untuk memenuhi kebutuhan materi dan mempertahankan keseimbangan fisiologi didalam tubuhnya, tumbuhan melakukan beberapa aktivitas, di antaranya adalah absorbsi (penyerapan), transportasi (pengangkutan) atau translokasi (pemindahan) dan transpirasi (pelepasan air melalui stomata). Beberapa prinsip yang berhubungan dengan proses penyerapan pada akar :

1. Penyerapan air tanah oleh akar dapat terjadi melalui meknisme imbibisi, difusi, osmosis dan transpor aktif.

2. Pada tumbuhan darat, penyerapan gas-gas (O2 dan CO2) lebih banyak melalui  sedangkan ion-ion dalam larutan tanah melalui akar. Pada tumbuhan air hampir seluruh permukaan tubuhnya dapat melakukan penyerapan air beserta gas-gas dan ion-ion yang terlarut di dalamnya.

Osmosis adalah proses perpindahan atau pergerakan molekul zat pelarut, dari larutan yang konsentrasi zat pelarutnya tinggi menuju larutan yang konsentrasi zat pelarutya rendah melalui selaput atau membran selektif permeabel atau semi permeabel. Jika di dalam suatu bejana yang dipisahkan oleh selaput semipermiabel, jika dalam suatu bejana yang dipisahkan oleh selaput semipermiabel ditempatkan dua larutan glukosa yang terdiri atas air sebagai pelarut dan glukosa sebagai zat terlarut dengan konsentrasi yang berbeda dan dipisahkan oleh selaput selektif permeabel, maka air dari larutan yang berkonsentrasi rendah akan bergerak atau berpindah menuju larutan glukosa yang konsentrainya tinggi melalui selaput permeabel.

Osmosis adalah suatu topik yang penting dalam biologi karena fenomena ini dapat menjelaskan mengapa air dapat ditransportasikan ke dalam dan ke luar sel. Pada hewan, untuk bisa bertahan dalam lingkungan yang hipotonik atau hipertonik, maka diperlukan pengaturan keseimbangan air, yaitu dalam proses osmoregulasi.

Faktor–faktor yang mempengaruhi terjadinya osmosis pada sel hidup :

1. Ukuran zat terlarut: semakin banyak zat terlarut maka peristiwa          terjadinya osmosis akan semakin cepat. Karena zat terlarut memiliki tekanan osmotik yang berfungsi untuk memecah zat pelarut bergerak melalui membrane semipermeable.
2. Tebal membran: semakin tebal suatu membrane akan memperhambat terjadinya osmosis. Karena dapat menyebabkan semakin sulitnya zat terlarut menembus membrane tersebut.
3. Luas permukaan
4. Jarak zat pelarut dan zat terlarut
5. Suhu

2.8  Difusi Terfasilitasi

Transport dengan cara difusi fasilitas mempunyai perbedaan dengan difusi sederhana yaitu difusi fasilitas terjadi melalui carrier spesifik dan difusi ini mempunyai kecepatan transport maksimum (Vmax). Suatu bahan yang akan ditransport lewat cara ini akan terikat lebih dahulu dengan carrier protein yang spesifik, dan ikatan ini akan membuka channel tertentu untuk membawa ikatan ini ke dalam sel. Jika konsentrasi bahan ini terus ditingkatkan, maka jumlah carrier akan habis berikatan dengan bahan tersebut sehingga pada saat itu kecepatan difusi menjadi maksimal (Vmax). Pada difusi sederhana hal ini tidak terjadi, makin banyak bahan kecepatan transport bahan maakin meningkat tanpa batas.

Difusi terfasilitasi adalah sejenis transpor pasif yang molekul solutnya bergerak menuruni gradien konsentrasi dengan bantuan protein pembawa pada membran. Suatu protein pembawa mengambil sebuah molekul, kemudian protein tersebut berubah ke bentuk alternatifnya untuk menyimpan molekul ke sisi lain membran. Dalam hal ini tidak diperlukan masukan energi(Bresnick:2003)

2.9 Imbibisi

Imbibisi adalah penyerapan air (absorpsi) oleh benda-benda yang padat (solid) atau agak padat (semi solid) karena benda-benda tersebut mempunyai zat penyusun dari bahan yang berupa koloid.

Ada banyak hal yang merupakan proses penyerapan air yang terjadi pada makhluk hidup, misalnya penyerapan air dari dalam tanah oleh akar tanaman. Namun, penyerapan yang dimaksudkan di sini yaitu penyerapan air oleh biji kering. Hal ini banyak kita jumpai di kehidupan kita sehari-hari yaitu pada proses pembibitan tanaman padi, pembuatan kecambah tauge, biji kacang hijau terlebih dahulu direndam dengan air. Pada peristiwa perendaman inilah terjadi proses imbibisi oleh kulit biji tanaman tersebut. Tidak hanya itu, proses imbibisi juga memiliki kecepatan penyerapan air yang berbeda-beda untuk setiap jenis biji tanaman.

Syarat terjadinya imbibisi:

1.     Perbedaan Ψ antara benih dengan larutan, dimana Ψ benih < Ψ larutan

2.     Ada tarik menarik yang spesifik antara air dengan benih

3.     Benih memiliki partikel koloid yang merupakan matriks, bersifat hidrofil berupa protein, pati, selulose

4.     Benih kering memiliki Ψ sangat rendah. Hubungan antara Ψ dengan komponen penyusun: Ψ = Ψm + Ψp

5.     Volume air yang diserap + volume biji mula-mula > volume biji setelah menyerap air, sebagian air telah digunakan untuk menjalankan proses metabolisme

6.     Proses metabolime: aktivasi enzim, hidrolisis cadangan makanan, respirasi