7.3.3.1 Ionenpermeabilität der Zellmembran - Phywe

Ionenpermeabilität der Zellmembran
7.3.3.1
Die Zellmembran reguliert den Transport von Nährstoffen und Wasser in die Zelle hinein und von Abfallprodukten
und Wasser aus der Zelle heraus. Dies kann sowohl passiv z.B. auf Grund von osmotischen
Prozessen als auch aktiv erfolgen. In diesem Versuch soll die selektive Permeabilität einer künstlichen
Membran (Dialyseschlauch) für H + - und OH - - Ionen untersucht werden.
Material
1 Cobra4 Wireless Manager 12600.00
1 Cobra4 Wireless-Link 12601.00
1 Cobra4 Sensor-Unit pH, BNC-Anschluss 12631.00
1 Software measure für Cobra4 14550.61
1 pH-Elektrode, Gelfüllung, BNC-Stecker 46265.15
1 Magnetrührer Mini, ohne Heizung 47334.93
1 Magnetrührstäbchen, l = 30 mm 46299.02
1 Entfernungsstab für Magnetrührstäbchen 35680.03
1 Bunsenstativ, l = 750 mm 37694.00
2 Doppelmuffe 02043.00
2 Universalklemme 37715.00
1 Messzylinder, 25 ml 36627.00
1 Trichter, d = 55 mm 34457.00
1 Spritzflasche, 500 ml, Kunststoff 33931.00
2 Becherglas, 250 ml, hohe Form 36004.00
2 Becherglas, 50 ml, hohe Form 36001.00
1 Dialysierschlauch, d = 24 mm, 1 m 64208.00
2 Dialysierclips, 2 Stk. 64209.00
1 Einweg-Handschuhe, mittel, Latex, 100 Stk. 46359.00
1 Puffertabletten, pH 4,00, 100 Stk. 30281.10
1 Puffertabletten, pH 10,00, 100 Stk. 30283.10
1 Salzsäure-Maßlösung, 1 mol/l, 1 l 48454.70
1 Natriumhydroxid-Maßlösung, 1 mol/l, 1 l 48329.70
1 Wasser, dest., 5 l 31246.81
Zusätzlich wird benötigt
1 PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher
Abb. 1: Versuchsaufbau
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Ionenpermeabilität der Zellmembran
Sicherheitshinweis
Natriumhydroxidlösungen wirken je nach Konzentration stark ätzend oder reizend auf Haut, Augen und
Schleimhäute. Nebel reizen die Atemorgane. Bei Verätzungen Gewebezerstörungen mit starken
Schmerzen. Darf nicht in die Hände von Kindern gelangen.
Salzsäure wirkt je nach Konzentration stark ätzend oder reizend. Dämpfe reizen die Atemorgane, wobei
die Schleimhäute der oberen Atemorgane besonders betroffen sind. Konzentrierte Säuren zerstören
Haut und Textilien.
Dämpfe (Nebel) nicht einatmen. Hautkontakt vermeiden. Bei der Arbeit geeignete Schutzkleidung,
Schutzhandschuhe und Schutzbrille tragen.
Erste Hilfe: Betroffene Haut, Augen bei gut geöffnetem Lidspalt mit viel Wasser gründlich spülen. Bei
Augenverletzungen unverzüglich Arzt konsultieren. Bei Unfall oder Unwohlsein sofort Arzt hinzuziehen.
Nach dem Einatmen: Frischluft, Atemwege freihalten. Bei Atemnot: Transport zum Arzt in halbsitzender
Stellung.
Entsorgung: Lösungen mit Wasser verdünnen, neutralisieren (pH 6-8) und wegspülen.
Vorbereitende Arbeiten
Herstellung einer künstlichen Zelle (Beutel aus Dialyseschlauch):
— Vom Dialyseschlauch werden 2 ca. 15 cm lange Stücke abgeschnitten und an einem Ende jeweils
mit einer Dialysierklemme verschlossen. Tipp: Sollte der Dialyseschlauch schwer zu öffnen
sein, kurz in destilliertem Wasser geschmeidig machen.
— Ein Beutel aus Dialyseschlauch wird in ein 250-ml-Becherglas gestellt und mit Hilfe eines Messzylinders
mit 15 ml Salzsäure (1 mol/l) gefüllt. Vorsicht: Schutzhandschuhe tragen! Anschließend
wird der Beutel mit einer Dialysierklemme verschlossen, mit destilliertem Wasser an der Außenseite
sorgfältig gereinigt und auf einer sauberen Unterlage abgelegt.
— In der gleichen Art und Weise wird der zweite Beutel mit Natronlauge (1 mol/l) gefüllt. 250-ml-
Becherglas vorher reinigen! Beide Beutel dürfen sich nicht berühren!
Aufbau und Durchführung
— Der Aufbau erfolgt gemäß Abb. 1
— pH-Elektrode am entsprechenden Eingang der Cobra4 Sensor-Unit pH anschließen.
— Cobra4 Wireless Manager in die USB-Schnittstelle des PCs stecken.
— Die Software „measure Cobra4“ starten, das Messgerät wird automatisch erkannt.
— Messdaten lt. Abb. 2 einstellen. Im Menü „Navigator“ unter die
Messdauer unter auf 200 s einstellen und mit Rechtsklick auf das
Diagramm unter den pH-Bereich auf 1-12 einstellen, oder einfach Versuch
„CD6 1.2 Ionenpermeabilität der Zellmembran“ laden (Experiment > Experiment öffnen > 4.
Biologie). Es werden nun alle benötigten Voreinstellungen zur direkten Messwertaufnahme geladen.
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Abb. 2: Messparameter
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— Kalibrierung der pH-Elektrode vornehmen, dazu die beiden Pufferlösungen in zwei 50-ml-
Bechergläser geben und im Fenster „Messkanal“ den Reiter „Kalibrierung aufrufen (das Fenster
„Messkanal“ kann geöffnet werden, indem im Graph mit Klicken auf die rechte Maustaste „Darstellungsoptionen“
gewählt wird). Falls die verwendete Elektrode vor Kurzem bereits kalibriert
wurde, kann auf eine erneute Kalibrierung verzichtet werden (Kalibrierdaten werden automatisch
abgespeichert).
— Universalklemmen mittels der Doppelmuffen an der Stativstange des Bunsenstativs befestigen.
— 250-ml-Becherglas mit dem Magnetrührstäbchen versehen, etwa 150 ml destilliertes Wasser einfüllen
und auf den Magnetrührer stellen.
— pH-Elektrode mit Hilfe einer der Universalklemmen so anbringen, dass sie vollständig in das destillierte
Wasser eintaucht.
— Den Rührer auf eine mittlere Rührgeschwindigkeit einregeln (Vorsicht: Das Magnetrührstäbchen
darf nicht an die pH-Elektrode schlagen!).
— Messung starten.
— Mit Salzsäure gefüllter Dialysebeutel ca. 20 s nach dem Start der Messung in das Becherglas
absenken und mit der zweiten Universalklemme befestigen.
— Der zeitliche Verlauf der Reaktion ist am Monitor visuell zu verfolgen und endet automatisch nach
200 Sekunden.
— Nach Beendigung der Messung werden die Daten im Menü
abgespeichert.
— In gleicher Art und Weise wird die Messung mit dem Dialysebeutel, gefüllt mit Natronlauge wiederholt
(Becherglas, pH-Sonde und Magnetrührstäbchen vorher gründlich mit destilliertem Wasser
abspülen!)
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Abb. 3: pH-Zeit-Kurve beim Austritt von H + - Ionen
Abb. 4: pH-Zeit-Kurve beim Austritt von OH - - Ionen
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Ergebnis und Auswertung
Die Abb. 3 und 4 zeigen die pH-Zeit-Kurven für Salzsäure und Natronlauge, wie sie nach Beendigung
der Messung vom Programm dargestellt werden.
Durch den Austritt von H + - Ionen sinkt der pH-Wert im Becherglas, durch den Austritt von OH - - Ionen
steigt der pH-Wert. Die Geschwindigkeit der pH-Wert-Änderung ist mit Hilfe der Funktionen
(Abb. 3 und 4) oder auswertbar. Daraus ergibt sich für Salzsäure eine Änderungsgeschwindigkeit
von 2,46 pH/183 s (= 0,013 pH/s) und für Natronlauge von 7,40 pH/180 s (= 0,041
pH/s). OH - - Ionen dringen also schneller durch die Dialysemembran als H + - Ionen.
Verwenden Sie – wie für diese Versuchsbeschreibung geschehen – nicht demineralisiertes, sondern
destilliertes Wasser, ist der pH-Wert unter Umständen höher. Den pH-Wert können Sie noch weiter erhöhen,
indem Sie das Wasser zum Kochen bringen. Dadurch wird das im Wasser befindliche Kohlendioxid
ausgetrieben.
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Raum für Notizen
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