Hopp til innhald
Forsøk

Forsøk: Simulering av membranpotensial

Nervesystemet er både fascinerande og komplekst. Det kan vere vanskeleg å forstå korleis membranpotensialet sørgjer for at ein nerveimpuls kan sendast. I dette forsøket kan du få ei aha-oppleving ved å utforske korleis kvilepotensialet blir danna.
Forsøksoppsett til membranpotensialet. Illustrasjon.
Voltmeteret måler spenningsforskjellen på inn- og utsida av membranen. Bilete: Kristin Bøhle / CC BY-SA 4.0

Føremål

Føremålet med dette forsøket er at du skal erfare og forstå korleis ion vandrar gjennom cellemembranen, og korleis det oppstår eit kvilepotensial som gjer at nerveimpulsar kan sendast.

Teori

Ei kurve som går opp når nerveimpulsen blir send. Kurva går deretter ned til opphavleg nivå, som er kvilepotensialet. Graf.
Spenningsforskjell over ein cellemembran når nervecella blir stimulert. A: kvilepotensial. B: aksjonspotensial. C: reetablert kvilepotensial. t: tid. Bilete: Nicola Graf / CC BY-SA 4.0

For at nerveimpulsar skal kunne sendast, må nervecellene danne og halde oppe eit membranpotensial. Det vil seie ein spenningsforskjell mellom væska som er inne i og utanfor nervecella. Spenningsforskjellen i ei nervecelle som er i ro, blir omtalt som kvilepotensialet. Stimulering av denne nervecella kan endre spenningen og forårsake eit aksjonspotensial, som er den elektriske impulsen som nervecella overfører signal med.

Før ein ny impuls kan sendast, må kvilepotensialet etablerast på nytt. Men korleis blir kvilepotensialet generert og halde oppe? Svaret ligg delvis i at cellemembranen er semipermeabel.

Video: Kristin Bøhle, Alf Jacob Nilsen / CC BY-SA 4.0

I væska i og utanfor nervecella er det oppløyste ion som natrium (Na+), klorid (Cl–), andre negative ion og ikkje minst kalium (K+).

Når ein nerveimpuls har passert i nervecella og kvilepotensialet skal reetablerast, er konsentrasjonen av K+-ion høgare inne i nervecella enn utanfor. I motsetnad til dei fleste andre ion kan K+-ion bevege seg fritt inn i og ut av cella via spesialiserte ionekanalar i membranen. Konsentrasjonsforskjellen får K+-ion til å diffundere ut av nervecella, slik at det blir ein netto bevegelse av positiv ladning. Dette skaper ein spenningsforskjell over cellemembranen med meir negativ ladning inni cella enn utanfor. Dette er kvilepotensialet på cirka –70 mV.

Skjematisk framstilling av iona i og utanfor nervecella etter ein nerveimpuls. Illustrasjon.
Når løysningane på kvar side av ein halvgjennomtrengjeleg membran har ulik fordeling av negative og positive ladningar, skaper det ein spenningsforskjell. Legg merke til at konsentrasjonen av dei positive K⁺-iona held fram med å vere høgare på den eine sida av membranen. Det kjem av at dei blir tiltrekte av dei negative iona som er fanga av membranen. Likevel er det mest negative ladningar på innsida. Bilete: Alexander Maar / CC BY-SA 4.0

Sjølv om det er fleire faktorar som bidreg til å danne kvilepotensialet, kan dette eksperimentet demonstrere korleis konsentrasjonsforskjellen og eigenskapane til iona skaper ein spenningsforskjell.

Hypotese

Les gjennom framgangsmåten, og skriv ned kva resultat du forventar å få etter gjennomført forsøk. Kva spenning trur du voltmeteret kjem til å vise?

Utstyr, materiale og løysningar

Kvar gruppe på 2–4 elevar treng følgjande:

  • 300 ml 0,01 M kaliumklorid-løysning (KCl)

  • 100 ml 0,1 M kaliumklorid-løysning (KCl)

  • destillert vatn

  • voltmeter

  • elektrodar (klorert sølvtråd)

  • begerglas (200–300 ml)

  • trakt

  • cellofanpapir til innpakking (plastfolie)

  • gummistrikk

  • klemmestativ og tre klemmer

  • to kablar med krokodilleklemmer

  • pipettar

  • saks

Framgangsmåte

Før de startar forsøket, bør du vite kva kvilepotensial er. Diskuter korleis det oppstår spenningsforskjell i celler, og kva som skaper denne forskjellen på inn- og utsida av membranen.

Begerglas halvfullt med klar væske. Illustrasjon.
Bilete: Kristin Bøhle / CC BY-SA 4.0

  1. Fyll begerglaset med cirka 200 ml av 0,01 M kaliumklorid-løysninga (KCl). Ho representerer vevsvæska, altså det mediet på utsida av membranen.

Trakt som har fått ein halvgjennomtrengjeleg membran fest til enden med ein strikk. Illustrasjon.
Bilete: Kristin Bøhle / CC BY-SA 4.0

  1. Skjer ein bit cellofanpapir som er stor nok til å dekkje enden på trakta. Skyl deretter cellofanet i destillert vatn for å gjere det meir fleksibelt. Cellofanet fungerer som ein membran.

  2. Pakk cellofanbiten tett rundt enden av trakta, og fest han med ein gummistrikk.

Stativ med ei trakt fest over eit begerglas. Øvst er det ein pipette. Illustrasjon.
Forsøksoppsett – membranpotensial. Bilete: Kristin Bøhle / CC BY-SA 4.0

  1. Fest trakta i eit stativ, slik at nedste del av trakta når ned i KCl-løysninga i begerglaset.

  2. Bruk ein pipette for å tilsetje 0,1 M KCl-løysning i trakta heilt til væskenivåa i og utanfor trakta er jamne. Løysninga inne i trakta representerer det intracellulære mediet (innsida av cella).

Måling av spenning

Bruk voltmeter for å måle spenninga i dei to væskene som er separerte med ein halvgjennomtrengjeleg membran.

Forsøksoppsett til membranpotensialet. Illustrasjon.
Voltmeteret måler spenningsforskjellen på inn- og utsida av membranen. Bilete: Kristin Bøhle / CC BY-SA 4.0

  1. Still inn voltmeteret på omtrent 200 mV.

  2. Fest elektrode-leidningane med klemmer til stativet, slik at det blir enklare å styre plasseringa til elektrodane.

  3. Plasser elektroden som er kopla til minus (–) på voltmeteret, i løysninga i begerglaset. Ho representerer væska på utsida av cella.
    Plasser elektroden som er kopla til pluss (+) på voltmeteret, i løysninga i trakta. Ho representerer væska inne i nervecella.

  4. Følg med på voltmeteret, og registrer spenninga.

Refleksjon

  1. Kva viser voltmeteret? Kan du forklare kva som har skjedd, og kva som er årsaka til dette resultatet?

  2. Har spenninga endra seg etter at du starta forsøket? Kvifor (ikkje)?

  3. Kva ville skjedd dersom det var løysninga i begerglaset som hadde størst konsentrasjon?

  4. Korleis kan membranen føre til ulik fordeling av ion i løysningane?

  5. Kor realistisk er denne modellen? Kan du endre eller leggje til element for å gjere eksperimentet meir likt det som går føre seg i ei nervecelle?

Til lærar

Det tek rundt 90 minutt å gjennomføre dette forsøket.

Som i den verkelege nervecella er dette eksperimentet avhengig av to komponentar: ein konsentrasjonsgradient og dei semipermeable eigenskapane til cellofanet. Til liks med membranen til ei nervecelle er cellofanet permeabelt for K+-ion, men nesten ikkje-permeabelt for Cl–-ion.

På same måte som i ei nervecelle er det ein gradvis netto diffusjon av K+-ion ut av trakta (0,1 M KCl) og inn i begerglaset (0,01 M KCl). Viss elektrodane blir plasserte forsiktig, utan å punktere cellofanet, kan spenninga til løysninga i trakta bli meir negativ. Ved å først stille inn voltmeteret på 200 mV sikrar vi at den endelege avlesinga er lik det verkelege kvilepotensialet.

Sjølv om det er realistisk, er ikkje dette eksperimentet ein komplett modell for korleis kvilepotensialet blir etablert og halde oppe. Dei ekstracellulære og intercellulære væskene inneheld meir enn berre K+- og Cl–-ion, og det er fleire mekanismar som bestemmer permeabiliteten til membranen. Likevel gir denne aktiviteten ei moglegheit til å diskutere kor nøyaktig modellen er, og til å introdusere andre aspekt ved nevrobiologi som ionekanalar, natrium-kalium-pumpa og aksjonspotensialet.

Alternativt kan du be elevane diskutere hypotetiske scenario, til dømes ved å bruke tilleggsløysningar, ein membran med ulike eigenskapar eller ulike konsentrasjonar av KCl.

Kjelde

Wegner, C., Kern, R., Kahleis, J. & Maar, A. (2016). The resting potential: introducing foundations of the nervous system. Science in School. Henta 28. april 2022 frå https://www.scienceinschool.org/article/2016/resting-potential-introducing-foundations-nervous-system/

Relatert innhald

Fagstoff
Membranpotensial og nerveimpuls

Nerveimpulsar er elektriske signal som blir skapte av ion i bevegelse. Her forklarer vi samanhengen mellom ionestraum, nerveimpuls og membranpotensial.