Aufgaben: Die Osmose

Definieren Sie Osmose und geben Sie an, welche Eigenschaft eine Membran haben muss, damit dieses Phänomen auftritt.

Was bedeutet es, dass eine Lösung in Bezug auf eine Zelle hypotonisch, isotonisch oder hypertonisch ist? Erklären Sie dies, indem Sie angeben, in welche Richtung sich das Wasser jeweils bewegt.

Drei identische rote Blutkörperchen werden in drei verschiedene Lösungen (A, B und C) gegeben und zeigen nach einigen Minuten das im Schema dargestellte Aussehen. Geben Sie an, ob die Lösung in jedem Gefäß in Bezug auf das rote Blutkörperchen hypotonisch, isotonisch oder hypertonisch war, und begründen Sie Ihre Antwort.

Rote Blutkörperchen werden in destilliertes Wasser gegeben. Erklären Sie unter Anwendung des Osmosekonzepts, was mit diesen Zellen geschieht und warum.

Eine Pflanzenzelle erleidet in einem hypertonischen Medium Plasmolyse, während sie in einem hypotonischen Medium prall (turgeszent) wird, aber nicht platzt, wie es eine tierische Zelle täte. Erklären Sie, welche Struktur der Pflanzenzelle dies verhindert und wie sie wirkt.

Auch Bakterien sind den Auswirkungen der Osmose ausgesetzt. Nutzen Sie diese Tatsache, um zu erklären, warum Einsalzen und Einzuckern traditionelle, wirksame Methoden zur Haltbarmachung von Lebensmitteln sind.

Menschliche Erythrozyten werden in drei Reagenzgläser gegeben: Reagenzglas 1 enthält $\text{NaCl}$ mit $0,9\,\%$ ($0,9\ \text{g/100\ mL}$); Reagenzglas 2 enthält $\text{NaCl}$ mit $0,2\,\%$; Reagenzglas 3 enthält eine wässrige Harnstofflösung $0,3\ \text{M}$ (deren anfängliche Osmolarität etwa $300\ \text{mOsm/L}$ beträgt und der des Erythrozyten-Zytoplasmas entspricht). Unter dem Mikroskop beobachtet man, dass die roten Blutkörperchen in Reagenzglas 1 ihr Volumen behalten, in Reagenzglas 2 und 3 jedoch anschwellen und vollständig platzen (Hämolyse). Begründen Sie das osmotische Verhalten der Erythrozyten in den Reagenzgläsern 1 und 2 und erklären Sie den scheinbaren Widerspruch in Reagenzglas 3, wenn man weiß, dass die Membran für Harnstoff durchlässig ist.

Untersucht wird die Zellantwort auf Salzgehalt bei zwei Pflanzenarten: dem Halophyten Salicornia europaea und dem Glykophyten Arabidopsis thaliana. Steigt die Konzentration von $\text{NaCl}$ im Boden auf $300\ \text{mM}$, erleidet Arabidopsis irreversible Plasmolyse und stirbt, während Salicornia den Turgor aufrechterhält, indem sie $\text{Na}^+$-Ionen aktiv in ihren Vakuolen einlagert und Prolin sowie andere kompatible gelöste Stoffe in ihrem Cytosol anreichert. Interpretieren Sie das osmotische Problem, das der Salzgehalt des Bodens für die Wurzeln darstellt, begründen Sie thermodynamisch, wie die beiden Anpassungen von Salicornia es ihr ermöglichen, weiter Wasser aufzunehmen, ohne die Funktion ihrer cytoplasmatischen Enzyme zu beeinträchtigen, und sagen Sie voraus, was mit dem Turgor geschähe, wenn der aktive Transport in die Vakuole gehemmt würde.

Im U-förmigen Osmometer des Schemas trennt eine ideale semipermeable Membran (durchlässig für Wasser, undurchlässig für gelöste Stoffe) zwei wässrige Glucoselösungen von 0,1 M und 0,5 M. Zu Beginn ist der Flüssigkeitsspiegel in beiden Schenkeln gleich hoch.

1. a) Ein Schüler behauptet, der Nettowasserstrom setze sich fort, bis die Glucosekonzentration in beiden Schenkeln genau 0,3 M beträgt. Widerlegen Sie seine Behauptung begründet, indem Sie erklären, welche physikalische Kraft die Osmose stoppt und warum im mit „?“ gekennzeichneten Gleichgewicht ein Konzentrationsunterschied zwischen beiden Seiten bestehen bleibt.
2. b) Wird in einem neuen Versuchsaufbau die 0,5-M-Glucoselösung im rechten Schenkel durch eine 0,5-M-NaCl-Lösung ersetzt und im linken Schenkel die 0,1-M-Glucoselösung beibehalten, sagen Sie begründet voraus, ob der schließlich erreichte Höhenunterschied größer, kleiner oder gleich dem im ursprünglichen Experiment sein wird.

Herausforderung des Themas. Als biomedizinische Beraterin bzw. biomedizinischer Berater sollen Sie bewerten, wie osmotischer Stress die Zellintegrität beeinflusst, um ein isotonisches Getränk zu entwickeln.

1. Experiment zu Hause: Schneiden Sie drei Kartoffelstreifen von genau $5,0\text{ cm}$ zurecht. Legen Sie einen in Mineralwasser (Medium A), einen in Wasser mit $1,0\text{ g}$ Kochsalz pro $100\text{ mL}$ (Medium B) und einen in Wasser mit $10,0\text{ g}/100\text{ mL}$ (Medium C) für $2$ Stunden ein.

2. Datenerhebung: Messen Sie mit einem Lineal mit Millimeterskala die Endlänge jedes Streifens, berechnen Sie seine prozentuale Veränderung ($\Delta L = \frac{L_f - L_i}{L_i} \cdot 100$) und halten Sie seine Festigkeit beim Anfassen in einer Tabelle fest.

3. Begründeter Bericht: Erstellen Sie ein Diagramm mit Ihren Messwerten und verfassen Sie einen kurzen Bericht, in dem Sie Folgendes begründen:

4. das beobachtete osmotische Verhalten (Turgor gegenüber Plasmolyse) und die Rolle der Aquaporine.

5. den Grund, warum die Feinstruktur der Lipiddoppelschicht die freie Diffusion der Ionen $\text{Na}^+$ und $\text{Cl}^-$ verhindert, und erklären Sie, welchen vermittelten Transport (passiv oder aktiv) sie zum Überqueren benötigen würden.

Bewertet werden:

• Genauigkeit bei der Erhebung empirischer Daten und bei der Berechnung von $\Delta L$.

• Korrekte biologische Begründung der Osmose in Abhängigkeit von der Tonizität des Mediums.

• Angemessene Einbeziehung der Membranstruktur und der Transportmechanismen.