S Fließgleichgewichte - Experimente Biologie

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S Fließgleichgewichte

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Fließgleichgewichte                               
V.Schneider

Info: In den Lehrbüchern der Biologie werden solche Regelungen in den verschiedensten Modellen dem Verständnis angeboten. Hier folgen wir dem „Badewannenmodell“. Es erscheint recht anschaulich und kann alle Möglichkeiten darstellen.

Man kann drei Arten von „Gleichgewichten“ unterscheiden:
Das statische Gleichgewicht:. Darunter versteht man einen Zustand, in dem sich zwei Substanzen in ihren Gewichten ausgleichen (die Waage halten).
Das chemische Gleichgewicht: Darunter versteht man einen Verlauf der Hin- und der Rückreaktion, bei dem sich Reaktionsteilnehmer bei Ende der Reaktion in Bezug auf ihre Teilchenzahlen und Gewichte nicht verändern, obwohl sie sehr dynamisch miteinander reagieren.  Dieses Gleichgewicht ist für viele chemische Prozesse ausschlaggebend und für Reaktionen ein entscheidender Vorgang. (Massenwirkungsgesetz, Gleichgewichtskonstante, Michalis-Menten Konstante).
Das biologische Gleichgewicht: Darunter versteht man das Phänomen, dass eine Substanz in einer ablaufenden Kette von Reaktionen meist die gleiche Konzentration hat, obwohl sie ständig ausgetauscht wird. 

Abb. 1: einfaches Schema eines Fließgleichgewichts:
die zulaufende Menge ist gleich der ablaufenden Menge.
 









Abb.2: Schema eines vollständigen einfachen Regelsystems, 
das für die Einhaltung eines biologischen Gleichgewichts notwendig ist.

Man benötigt einen Messfühler(Sinneszellen), zwei Stellglieder, die aktiviert oder passiviert werden (meist Enzyme oder Hormone), einen Regler (oft das Gehirn), der einen Sollwert festlegt und den ankommenden Messwert mit dem Sollwert vergleicht. Steuerungsleitungen an die ausführenden Organe (Stellglieder), sind meist Nervenbahnen, immer aber auch Hormone die über die Blutbahn ihre Zielorgane erreichen und innerhalb den Zellen die entsprechenden Enzyme.
Die Regelsysteme können mit entsprechenden Mechanismen die zu regelnden Mengen Größe in etwa (mit geringen Schwankungen) konstant halten, sodass der Stoffwechsel nach dem Massenwirkungsgesetz ablaufen kann.
Die Begriffe stammen auch der Technik und erscheinen leicht irreführend, als günstiger werden die folgenden Begriffe vorgeschlagen:
Regler: ZNS ; Zu regende Größe: zu regelnde Menge oder zu regelnder Zustand ; Fühler: Sinneszellen;  Stellglied: Organ / Hormon / Zellhormon ; Sollwert: eingestellte Menge ;  Störgrösse: einwirkende Menge von außen.   
Diese Regelungssysteme sind sehr komplex aufgebaut, sie erlauben jedoch ein sehr differenzierte Reaktion von sogenannten Störgrößen, die auf außen auf das System einwirken. Solche Regelsysteme sind oft vielfach hintereinander geschachtelt. Die Gesamtheit dieser Systeme steuert den Stoffwechsel, z. B auch den Blutdruck, die Hauttemperatur, das Training, das Wachstum und auch das menschliche Verhalten kann als komplexes „biologisches Gleichgewicht“ verstanden werden.
 
Beispiele:
Kniesehnen-Reflex. Ein vergleichsweise einfaches Regelungssystem ist der Kniesehnen-Reflex.
Störgröße wäre der Schlag auf die Kniesehne. Dadurch erfolgt eine Dehnung des Muskels (Veränderung der zuvor geregelten Größe). Die Muskelspindeln (Messfühler) melden die Dehnung an das ZNS (Regler). Dieses löst ein Zusammenziehen des Muskels (Stellglied) aus. Dadurch schnellt der Unterschenkel hoch.
Blutzuckerregelung: Der durch die Verdauung in die Blutbahn gelangende Zucker (Störgröße) stört den eingestellten Zuckergehalt im Blut (Sollwert). Die Bauchspeicheldrüse schüttet Insulin (Stellglied) aus, das Rezeptoren zum Beispiel auf den Leberzellen (Stellglied 1)aktiviert, die den Zucker aufnehmen, d. h. aus dem Blut entfernen. Damit die Reaktion immer wieder stattfinden kann, wird das Insulin selbst rasch abgebaut durch Enzyme im Blut (Stellglied 2 wäre also das Insulin abbauende Enzym).
Körpertemperatur: Bei Muskelarbeit wird in den Muskelzellen Energie freigesetzt (Störgröße). Das Blut verteilt die Wärme gleichmäßig im Körper. Diese Wärmeenergie würde zu einer Überhitzung des Körpers führen. Der Sollwert ist jedoch 38 Grad Celsius. Das Temperaturregelungssystem im Gehirn (Regler) vergleicht diesen Wert mit den Werten, die von den Sinneszellen der Haut (Kälte und Wärmerezeptoren, Messrezeptoren) gemeldet werden. Steigt die Messwerte, werden die Hautkapillaren (Stellglied1) geöffnet: man wird „rot“. Gleichzeitig werden die Schweißdrüsen (Stellglied 2) angeregt, zu produzieren. Der austretende warme Schweiß verdunstet an der Oberfläche und entfernt so die überschüssige Wärmeenergie. Dieser Prozess wird mit einem Wärmegefühl begleitet.
Fieber: Bei Fieber wird der Sollwert der Körpertemperatur höher gestellt. Dieser wird durch bestimmte fieberfordernde Stoffe verursacht. Das Temperaturzentrum selbst ist also beeinflussbar. Bei Krankheitsbeginn fröstelt man folgerichtig (Wärme muss im Körper gehalten werden, um die höhere Temperatur zu erhalten). Ist das Fieber vorbei, schwitzt man die überschüssige Wärme wieder aus.
 
Aufgaben: Entwickeln Sie jeweils ein „Badenwannenmodell“ für die genannten biologischen Vorgänge. Legen Sie dabei Wert auf die beteiligten Sinnesorgane bzw. Sinneszellen und die Stellglieder!
 

Fließgleichgewicht Arbeitsunterlage1----------------------------------------
Fließgleichgewicht Demonstration
"Baumannscher Versuch"
vgl.  auch: Schlüter,K. u. B. Kremer (2015):Modelle und Modellversuche im Biologieunterricht, Schneider Verl.
 
Man benötigt:
0,5 g Cystein in 100 ml o,1 molarer Natriumacetat- Lösung, pH 7,0 (jeweils frisch ansetzen!), EisenIIsulfat FeSOx 7 H20
 
Geräte: 1 Liter Erlenmeyerkolben (oder eine entsprechend große Flasche mit großer Fläche zwischen der Lösung und dem Luftraum).
 
Die Reaktion:                                                                                                              

Ablauf der Reaktionen
Versuch:
1: In der fertigen Cysteinlösung werden 0,2 g FeSO4 gelöst. Die entstandene rotviolette Färbung verschwindet nach etwas 2 min wieder. Die Färbung beruht auf einem Komplex zwischen Cystein und dreiwertigem Eisen.
2: Bei erneutem Schütteln tritt wieder die rotviolette Färbung auf.
3: Man kann diese Farbverschiebung durch Schütteln mehrmals wiederholen.

Fragen:  Welche Substanz wird oxidiert, welche reduziert?  Welche Rolle spielen die Eisenionen?  
Wann kommen die Reaktionen des Fließgleichgewichts zum Stillstand, d.h. wann wird das chemische Gleichgewicht erreicht? Erklären Sie an Hand des Reaktionsbildes den gesamten Reaktionsverlauf!


Info: Würde man KCN hinzufügen, kommt es zu einer irreversiblen Braunfärbung, da sich ein Eisen-Cyanid Komplex bildet. Darauf beruht die tödliche Wirkung des KCN auch in lebenden Systemen, da das entscheidende Enzym in der Atmungskette ebenfalls Eisenionen enthält. Dieser Versuch ist wegen der Giftigkeit von KCN im Schulbereich verboten!

 
 
Fließgleichgewicht Arbeitsunterlage 2------------------------------------
Aufgabe: 
Leiten Sie aus dem Modell eine grundsätzliche Regelung der Konzentration des Blutzuckers im Blut beim Menschen ab! 
 
Modell:
 

















Benennen Sie:  (mit Hilfe von Lehrbücher, Internet etc.)


    



 
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