Didaktik der Chemie / Universität Bayreuth

Stand: 28.11.11


Donnangleichgewicht

Vortrag von Sissy Löhner im Rahmen der "Übungen im Vortragen mit Demonstrationen - Physikalische Chemie", W/SS 10/11


Gliederung:


Jedem ist Natriumchlorid als Speisesalz bekannt und in fast jedem Haushalt als Gewürz zu finden. Ein Artikel mit dem Titel: "Kind musste Salzpudding essen und starb" beschrieb, dass ein Kind einen Pudding kochen wollte. Anstelle von Zucker mischte es Salz bei und das Kind starb, nachdem die Mutter es gezwungen hatte, ihren "Fehler" aufzuessen. Ist unser herkömmliches Speisesalz giftig? [1]


1 Osmoseregulation

Der Mensch nimmt durchschnittlich über die Nahrung 12 bis 20 Gramm Salz (NaCl) täglich zu sich. Die Nieren verarbeiten jedoch nur 5 bis 7 Gramm Kochsalz. Die restlichen 10 bis 5 Gramm verbleiben im Körper, genauer gesagt im Blut. [2] Welche Folgen eine zu hohe Salzkonzentration im Blut haben kann, wird experimentell anhand der Pfeffer´schen Zelle gezeigt.

1.1 Pfeffer´sche Zelle

In der Pfeffer´schen Zelle ist das reine Lösungsmittel (destilliertes Wasser) durch eine semipermeable Membran von der Zuckerlösung (Glucoselösung) getrennt. [3] An der Öffnung der mit der Zuckerlösung befüllten Zelle, ist eine Messskala mit Kapillarrohr befestigt, um den Anstieg der Lösung ablesen zu können. An der Öffnung der mit dem Lösungsmittel befüllten Zelle taucht ein Glasrohr in ein Becherglas mit reinem Lösungsmittel ein. Das Glasrohr muss ebenfalls mit dem Lösungsmittel gefüllt sein.


Abb. 1: Aufbau der Pfeffer´schen Zelle (eigene Erstellung)

 

Experiment Diffusion an einer semipermeablen Membran
Material
  • Pfeffer´sche Zelle
 
Chemikalien
  • Glucoselösung
  • Wasser
 
Durchführung Die eine Zelle der Apparatur wird vollständig mit Wasser (Lösungsmittel) gefüllt. An der Öffnung der Zelle wird ein Glasrohr eingesteckt, welches man in ein mit Wasser gefülltes Becherglas taucht. Es muss darauf geachtet werden, dass sich keine Luft in der Zelle und im Glasrohr befindet. In die andere Zelle wird die Glucoselösung gefüllt. An der Öffnung der Zelle wird ein Kapillarrohr mit einer Skala befestigt. Der Flüssigkeitsstand im Kapillarrohr wird zu Beginn des Experimentes und nach 10 Minuten markiert.
Beobachtung Der Flüssigkeitsstand im Kapillarrohr ist angestiegen.
Interpretation Die Wassermoleküle diffundieren aus dem reinen Lösungsmittel durch die semipermeable Membran in die Glucoselösung, da sich in beiden  Zellen unterschiedliche Konzentrationen befinden. Die Glucoselösung hat eine höhere Konzentration als die des Lösungsmittels Wasser. Das System ist nun bestrebt einen Konzentrationsausgleich durchzuführen. Da die Glucosemoleküle impermeabel (nicht diffusionsfähig) sind, können sie nicht in die mit reinem Wasser gefüllten Zelle diffundieren. Somit diffundieren nur die Wassermoleküle in die mit der Glucoselösung gefüllten Zelle. Dabei verdünnt sich die Konzentration dieser Zelle. Die Diffusion findet solange statt, bis der vom Kapillarrohr ausgeübte Druck dem des osmotischen Druckes der Lösung entspricht. Durch die Skala ist nun durch die Differenz der Höhe der Flüssigkeitssäule der osmotische Druck bestimmbar. [3],[8]

 

1.2 Salzkonzentration im Blut

Für jedes Gramm NaCl benötigt der Körper Zellwasser, um es zu binden. Bei einem hohen Verzehr von Kochsalz befindet sich außerhalb der Blutzellen eine hohe Konzentration an NaCl. Innerhalb der Blutzellen befindet sich eine geringe Konzentration an NaCl. Aufgrund des Konzentrationsunterschiedes diffundiert das Zellwasser aus den Blutzellen heraus. Dies hat zur Folge dass die Zellen schrumpfen und absterben. Der Mensch empfindet ein Durstgefühl.

Jedoch sollte man auf den Salzverzehr nicht verzichten, da dies ebenfalls dem Körper schadet. Bei einem geringen Verzehr von NaCl befindet sich im Extrazellularraum eine geringere Konzentration, als im Intrazellularraum. Dies hat zur Folge, dass aufgrund des Konzentrationsunterschiedes Wassermoleküle in die Blutzellen diffundieren und die Zelle aufquillt und platzen kann. Der Salzgehalt im Körper muss in einer bestimmten Konzentration vorliegen, damit kein Konzentrationsgradient entsteht. [5], [10]


Abb. 2:
Zellen in Umgebung unterschiedlicher Salzkonzentrationen (eigene Erstellung)


2 Donnangleichgewicht

2.1 Ionenkonzentration bei permeablen Membranen

Nun wird die Ionenkonzentration nach Lösen von Natriumchlorid im Intra- und Extrazellulärraum beim Ablauf der Diffusion genau betrachtet:

Bei einer Membran, bei der alle Moleküle und Ionen diffusionsfähig sind und ein unterschiedliches chemisches Potential auf beiden Seiten der Membran vorliegt, diffundieren die Ionen und Moleküle solange, bis sich auf beiden Seiten die gleiche Konzentration eingestellt hat und Elektroneutralität herrscht. Im Intrazellulärraum befindet sich die gleiche Konzentration an Natrium-Kationen und Chlorid-Anionen, wie im Extrazellulärraum. Das elektrochemische Potential ist jetzt gleich 0. [5], [7]

c (Na+)i ∙ c (Cl-)i = c (Na+)a ∙ c (Cl-)a

Abb. 3: Ionenkonzentration im Intra- und Extrazellulärraum bei permeabler Membran (eigene Erstellung nach [5])

2.2 Ionenkonzentration bei semipermeablen Membranen

In der Realität beinhalten Zellen jedoch Moleküle, die nicht durch die Membran diffundieren können, da eine semipermeable Membran vorliegt. Solche impermeablen Makromoleküle sind beispielsweise Proteine, die in diesem Beispiel einen überwiegend negativen Ladungsschwerpunkt besitzen. Um die chemische Potentiale auszugleichen und Elektroneutralität zu schaffen, müssen sich nun die Ionen neu Umverteilen. Es stellt sich ein neues Gleichgewicht ein – das Donnangleichgewicht.


Abb. 4: Ionenkonzentration im Intra- und Extrazellulärraum bei einer semipermeablen Membran (eigene Erstellung nach [4])

In diesem Beispiel müssen nun Natrium-Kationen als Gegenionen in den Intrazellulärraum diffundieren um einen Ladungsausgleich zu schaffen. Die Ionen sind nun ungleich innerhalb und außerhalb der Zellen verteilt. Wie stark die tatsächliche Ionenverteilung von der Gleichverteilung abweicht, ist abhängig von der Anwesenheit impermeabler Moleküle. Je mehr diffusionsunfähige Moleküle mit negativen Ladungsschwerpunkten, desto mehr Gegenionen diffundieren in die Zelle als Ladungsausgleich.

c (Na+)i ∙ c (Cl-)i = c (Na+)a ∙ c (Cl-)a

9 ∙ 4 = 6 ∙ 6

Die Konzentration an Natrium-Ionen ist nun innerhalb der Zell größer, als die Konzentration der Natrium-Ionen außerhalb der Zelle, während sich bei den Chlorid-Ionen die größere Konzentration im Extrazellularraum befindet. In der Zelle befindet sich nun eine höhere Konzentration an Ionen und Molekülen als außerhalb der Zelle.

c (Na+)i > c (Na+)a

c (Cl-)i < c (Cl-)a

Um den Konzentrationsgradienten auszugleichen, diffundieren Wassermoleküle in die Zelle, welche dann aufquillt und platzen kann. [5], [6], [9]


Zusammenfassung

Salze sind für den menschlichen Organismus notwendig, aber nur in einer bestimmten Konzentration, da sonst Zellen aufplatzen oder schrumpfen können. Demzufolge muss die Salzlösung im Gleichgewicht mit dem Lösungsmittel stehen. Bei nichtdiffusionsfähigen Molekülen  innerhalb von Zellen müssen Gegenionen für einen Ladungsausgleich sorgen, um das Elektroneutralitätsprinzip zu erfüllen. Diese neue Einstellung des Gleichgewichtes ist das so genannte Donnan-Gleichgewicht. In der Natur sollte die Einstellung dieses Gleichgewichtes verhindert werden, da es ebenfalls zum Zelltod führen kann. Der menschliche Körper wirkt dem Donnan-Gleichgewicht mit Hilfe von Ionentransportsystemen, wie der Natrium-Kalium-Pumpe, entgegen.


3 Literatur:

  1. http://www.123recht.net/article.asp?a=16016&ccheck=1  22.10.2010
  2. http://lichtstrahl-magazin.de/Artikel/Gesundheit/LSsalz2.html. 24.10.2010
  3. Atkins, P., de Paula, J.: Kurzlehrbuch Physikalische Chemie. Wiley-VCH Verlag. Weinheim, 2008.
  4. http://www2.chemie.uni-erlangen.de/projects/vsc/chemie-mediziner-neu/phasen/donnan.html. 25.10.2010
  5. Eckert, R.: Tierphysiologie. Georg Thieme Verlag, New York, 2002.
  6. Klinke, R., Silbernagel, S.: Lehrbuch der Physiologie. Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1996.
  7. Moore, W.: Physikalische Chemie. Walter de Gruyter Verlag, Berlin, New York, 1986.
  8. Penzlin, H.: Lehrbuch der Tierphysiologie. Spektrum, Adad. Verlag, Heidelberg, München, 2005.
  9. http://neuro.biologie.uni-freiburg.de/Skriptum/Box2.htm. 25.10.2010
  10. http://www.bio.vobs.at/botanik/b-osmose.htm 24.10.2010

E-Mail: Walter.Wagner ät uni-bayreuth.de, Stand: 28.11.11