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S Lösungen mit Wasser: bio-physikalische Hintergrund                zurück                         

Diffusion: Die Tendenz von Teilchen, sich in einem gegeben Raum möglichst weiträumig zu verteilen, nennt man Diffusion. Diffusionserscheinungen findet man bei Stoffen, die sich untereinander lösen können, also hydrophile Stoffe untereinander oder hydrophobe Stoffe untereinander. Dabei wird eine größtmögliche Unordnung angestrebt: die Entropie erreicht den Maximalwert. Bei üblichen Temperaturen haben feste Stoffe die geringste Entropie und Gase die höchste, Flüssigkeiten liegen dazwischen. Die Geschwindigkeit der Diffusion steigt mit der Temperatur. Beim absoluten Nullpunkt findet auch keine Diffusion mehr statt. Stoffe, die sich auf Grund ihrer Molekülstruktur gegenseitig abstoßen, diffundieren auch nicht ineinander: z.B. Öle und Wasser.
Diffusion und Lebewesen: Im Bereich der lebenden Zelle ist die Diffusion der Stoffe ausreichend, um alle chemischen Umsetzungen in kürzester Zeit durchführen zu können. Bei Vielzellern muss der „Stoffwechsel“, der ja immer auch mit Stofftransporten verbunden ist, durch besondere Vorrichtungen bezüglich der Beschleunigung von Diffusionsvorgängen, unterstützt werden. Dies wird durch Pumpsysteme für Nährstoffe, für Gase: O2 und CO2 (Blutkreislauf bei Landwirbeltieren, Kiemenatmung bei Fischen, (Tracheenatmung bei Insekten) sowie durch extreme Oberflächenvergrößerungen (Darm, Lunge, Kapillarwände) gewährleistet. Die biologischen Membranen haben deswegen so große Bedeutung, als sie Diffusionssperren darstellen, die Reaktionsräume voneinander abgrenzen, indem für bestimmte Stoffe die Diffusion verhindert wird.
Beobachtungen: Im Mikroskop lässt sich schon bei geringer Vergrößerung ein „Zittern“ von Teilchen in Lösungen feststellen, das von der Temperatur der untersuchten Lösung abhängig ist. Die Bewegung wurde schon früh auf die Bewegung der einzelnen Moleküle zurückgeführt (Brown`sche Molekularbewegung, nach dem britischen Botaniker Brown, der sie 1827 entdeckte). Bei Gasen bewirkt die Molekularbewegung, dass sie sich in jedem Volumen vollständig verteilen. In Flüssigkeiten findet die Verteilung ebenfalls statt, aber wesentlich langsamer und auch in Abhängigkeit von der Größe der Moleküle und der Erdanziehung. Die Verteilung von Teilchen ist zufällig und ohne Richtung. Verschiedene Substanzen diffundieren in Abhängigkeit von ihrer Molekulargewicht sehr verschieden schnell in andere Substanzen, z.B: bei O Grad:
 
Wasserstoff 1700m/Sek
Kohlenstoffdioxid 450m/Sek
Sauerstoff 425m/Sek
Quecksilberdampf 170m/Sek
 
Aus den Zahlen ergibt sich, dass die Diffusion der biologisch wichtigen Gase bei den geringen Strecken innerhalb von Zellen für den Stoffwechsel ausreicht. Eine Daumenregel besagt: Bei Entfernungen von unter 1mm ist die Diffusionsgeschwindigkeit für Lebewesen ausreichend. (Aber: Bei körperlivhrn Hochleistungen reicht die Transportmechanismen für Sauerstoff bei Muskelzellen nicht aus. Um zu überleben, können sie eine „Sauerstoffschuld“ eingehen -- im Gegensatz zu den Gehirnzellen.)

Wasser ist ein besonderer Saft!

Auf Grund der Dipolstruktur des Wassermoleküls gibt es messbare Bindungen zwischen den einzelnen Wassermolekülen (Wasserstoff-brücken- Bindungen).
zwischenmolekulare Kräfte  

Diese zwischenmolekularen Kräfte bewirken: 
Wasser ist bei Erdtemperaturen flüssig.
                            (OH2 ---- Vergleichbare Substanzen wie Ammoniak (NH3) oder Schwefelwasserstoff (SH2) sind Gase) 

Wasser bildet Hydrathüllen um andere Stoffe herum.
Wasser löst andere Stoffe in sich (Lösungen), oder dringt in andere hochmolekulare Substanzen (wie Stärke) ein (Quellung).
Wasser bildet mit Stoffen, die keine OH-Gruppen haben, Grenzflächen aus. 
Wasser bildet mit Stoffen, die mit einem hydrophilen und hydrophoben Ende ausgestattet sind (Dipolmoleküle), Membranen aus. 

Einfachstes Beispiel: Seifenblasen (vgl Zelle).

Modell einer Biomembran
  




Biomembranen sind sehr komplex aufgebaut. Man nimmt an, dass die Kombinationen von verschiedenen Stoffe ineinander und miteinander die Anzahl der Enzyme weit übertrifft. Tunnelproteine vermitteln den Kontakt mit der Außenwelt. 
Es werden aber auch Verdauungsenzyme oder Hormone nach außen abgegeben oder Giftstoffe oder Medikamente von außen aufgenommen.

 Arbeitsunterlagen   Lösungen   Diffusion   Diffusion in Gelatine    Emulsionen    pH-Wert

 
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