Erleichterte Diffusion großer Moleküle

Mithilfe dieses Experiments kann die Diffusion unterschiedlich großer Moleküle im wässrigen Medium anhand ihrer Fluoreszenzeigenschaften untersucht werden. Aufgrund der verwendeten Chemikalien bietet sich eine Anwendung vor allem im Schülerlabor an.

 

Geräte und Chemikalien:
Becherglas (250 mL), 2 Schnappdeckelgläser (30 mL), Spatel, Dialyseschlauch (14 kD, 10 cm), Frischhalteklammern oder Gummibänder, Laserpointer (grün, violett), demin. Wasser, dextrangebundenes Texas Red (70 kD), Pyranin (GHS07).

Versuchsdurchführung:
In zwei Schnappdeckelgläsern werden eine Spatelspitze Texas Red und eine Spatelspitze Pyranin jeweils in 10 mL Wasser gelöst. Ein Dialyseschlauch wird von innen und außen gründlich mit Wasser gespült, eine Öffnung mit einer Frischhalteklammer verschlossen und der Schlauch so in ein mit Wasser gefülltes Becherglas gelegt, dass das obere Ende herausragt. Der Schlauch wird jeweils mit ca. 10 mL beider Lösungen befüllt und mit einer zweiten Klammer verschlossen. Anschließend werden die beiden übrigen Lösungen in den Schnappdeckelgläsern sowie der Inhalt des Becherglases und des Dialyseschlauches mittels eines violetten und eines grünen Laserpointers untersucht.

Beobachtung:
Die beiden Lösungen in den Schnappdeckelgläsern können mithilfe des violetten Lasers im Falle von Pyraninlösung zu grüner und im Falle von Texas Red-Lösung zu roter Fluoreszenzemission angeregt werden (siehe Abbildung 41A). Der grüne Laser regt hingegen lediglich die Texas Red-Lösung zur Fluoreszenz an. Bei Bestrahlung des Inhalts des Becherglases mit dem violetten Laser ist zunehmend auch eine grüne Fluoreszenz außerhalb des Dialyseschlauchs zu beobachten. Eine durch den grünen Laser angeregte rote Fluoreszenz ist hingegen lediglich innerhalb des Dialyseschlauchs wahrnehmbar.

 

(A) Schematische Darstellung der Anregung zur Fluoreszenz auf makroskopischer Ebene. (B, C) Submikro-skopische Darstellung der Diffusion der Pyraninmoleküle durch den Dialyseschlauch.

Abbildung: (A) Schematische Darstellung der Anregung zur Fluoreszenz auf makroskopischer Ebene. (B, C) Submikroskopische Darstellung der Diffusion der Pyraninmoleküle durch den Dialyseschlauch.

 

Deutung:
Der Dialyseschlauch weist eine Porengröße von 14 kD auf. Er fungiert somit als semipermeable Membran, durch die lediglich Moleküle durchtreten können, die in ihrem Durchmesser kleiner als die Porengröße sind. Mithilfe des UV-Lichts kann der Durchtritt der Pyraninmoleküle, die sich in ihrer Größe deutlich von Ionen oder kleinen Molekülen wie Wasser unterscheiden, entlang des Konzentrationsgefälles in das wässrige Außenmedium nachgewiesen werden. Die Dextran-gebundenen Texas Red-Moleküle sind hingegen mit einer Größe von 70 kD zu groß, um durch die Poren durchzutreten (vgl. die Strukturformeln der Moleküle in Abbildung 42). Entsprechend verbleiben sie im Dialyseschlauch, was anhand der laserinduzierten roten Fluoreszenz nachgewiesen werden kann.

 

Strukturformeln der Moleküle von dextrangebundenem Texas Red sowie Pyranin. Die Glucoseeinheiten kön-nen α-1,4- oder α-1,6-glycosidisch verbunden sein, so dass verzweigte Dextrannetzwerke entstehen.

Abbildung: Strukturformeln der Moleküle von dextrangebundenem Texas Red sowie Pyranin. Die Glucoseeinheiten können α-1,4- oder α-1,6-glycosidisch verbunden sein, so dass verzweigte Dextrannetzwerke entstehen.

 

Anmerkungen zur Deutung des Experiments:
Je größer, polarer und geladener ein Molekül ist, desto langsamer verläuft die einfache Diffusion durch die Lipiddoppelschicht. Transportproteine die Kanäle bilden ermöglichen es auch solchen Teilchen, mit dem Konzentrationsgefälle schnell von einer Seite der Membran zur anderen zu diffundieren. Dabei bilden die Kanäle nur schwache Wechselwirkungen mit den zu transportierenden Teilchen aus. Eine Vielzahl der Kanäle ist dabei selektiv auf bestimmte Moleküle oder Molekülsorten spezialisiert. Ähnlich wie in Experiment bestimmt u. a. die Porengröße, welche Moleküle durch den Kanal durchtreten können. Es existieren jedoch auch zahlreiche Kanäle, wie bspw. die auf Wassermoleküle spezialisierten Aquaporine, die nicht nur größenselektiv sind, sondern auch deutlich kleinere geladene Teilchen wie Protonen nicht passieren lassen.

 

Literatur:

  • von Hoff, E. (2020). Entwicklung und Evaluation von Konzepten und Formaten zum Wissenstransfer von der Forschung in die Schule und Öffentlichkeit - Am Beispiel des SFB 803 (Dissertation). Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen. Abrufbar unter http://hdl.handle.net/21.11130/00-1735-0000-0005-14C7-4.