Ionenpermeabilität der Zellmembran

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Waldemar Sachs
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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 Cobra4 Wireless-Link Cobra4 Sensor-Unit ph, BNC-Anschluss Software measure für Cobra ph-elektrode, Gelfüllung, BNC-Stecker Magnetrührer Mini, ohne Heizung Magnetrührstäbchen, l = 30 mm Entfernungsstab für Magnetrührstäbchen Bunsenstativ, l = 750 mm Doppelmuffe Universalklemme Messzylinder, 25 ml Trichter, d = 55 mm Spritzflasche, 500 ml, Kunststoff Becherglas, 250 ml, hohe Form Becherglas, 50 ml, hohe Form Dialysierschlauch, d = 24 mm, 1 m Dialysierclips, 2 Stk Einweg-Handschuhe, mittel, Latex, 100 Stk Puffertabletten, ph 4,00, 100 Stk Puffertabletten, ph 10,00, 100 Stk Salzsäure-Maßlösung, 1 mol/l, 1 l Natriumhydroxid-Maßlösung, 1 mol/l, 1 l Wasser, dest., 5 l Zusätzlich wird benötigt 1 PC mit USB-Schnittstelle, Windows XP oder höher Abb. 1: Versuchsaufbau P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 1

2 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 <Allgemeine Einstellungen> die Messdauer unter <Messung stoppen nach> auf 200 s einstellen und mit Rechtsklick auf das Diagramm unter <Darstellungsoptionen> 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. 2 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

3 Abb. 2: Messparameter 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 <Datei> <Messung speichern unter > 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!) P PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved 3

6 Ionenpermeabilität der Zellmembran 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 <Vermessen> (Abb. 3 und 4) oder <Extrema anzeigen> 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. 6 PHYWE Systeme GmbH & Co. KG All rights reserved P

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