Hensikt
Hensikten med dette forsøket er at du skal erfare og forstå hvordan ioner vandrer gjennom cellemembranen, og hvordan det oppstår et hvilepotensial som gjør at nerveimpulser kan sendes.
Teori
For at nerveimpulser skal kunne sendes, må nervecellene danne og opprettholde et membranpotensial. Det vil si en spenningsforskjell mellom væsken som er inne i og utenfor nervecellen. Spenningsforskjellen i en nervecelle som er i ro, omtales som hvilepotensialet. Stimulering av denne nervecellen kan endre spenningen og forårsake et aksjonspotensial, som er den elektriske impulsen som nervecellen overfører signaler med.
Før en ny impuls kan sendes, må hvilepotensialet etableres på nytt. Men hvordan genereres og opprettholdes hvilepotensialet? Svaret ligger delvis i at cellemembranen er semipermeabel.
I væsken i og utenfor nervecellen er det oppløste ioner som natrium (Na+), klorid (Cl–), andre negative ioner og ikke minst kalium (K+).
Når en nerveimpuls har passert i nervecellen og hvilepotensialet skal reetableres, er konsentrasjonen av K+-ioner høyere inne i nervecellen enn utenfor. I motsetning til de fleste andre ioner kan K+-ioner bevege seg fritt inn i og ut av cellen via spesialiserte ionekanaler i membranen. Konsentrasjonsforskjellen får K+-ioner til å diffundere ut av nervecellen, slik at det blir en netto bevegelse av positiv ladning. Dette skaper en spenningsforskjell over cellemembranen med mer negativ ladning inni cellen enn utenfor. Dette er hvilepotensialet på cirka –70 mV.
Selv om det er flere faktorer som bidrar til å danne hvilepotensialet, kan dette eksperimentet demonstrere hvordan konsentrasjonsforskjellen og egenskapene til ionene skaper en spenningsforskjell.
Hypotese
Les gjennom framgangsmåten, og skriv ned hvilket resultat du forventer å få etter gjennomført forsøk. Hvilken spenning tror du voltmeteret kommer til å vise?
Utstyr, materialer og løsninger
Hver gruppe på 2–4 elever trenger følgende:
300 ml 0,01 M kaliumklorid-løsning (KCl)
100 ml 0,1 M kaliumklorid-løsning (KCl)
destillert vann
voltmeter
elektroder (klorert sølvtråd)
begerglass (200–300 ml)
trakt
cellofanpapir til innpakking (plastfolie)
gummistrikk
klemmestativ og tre klemmer
to kabler med krokodilleklemmer
pipetter
saks
Framgangsmåte
Før dere starter forsøket, bør du vite hva hvilepotensial er. Diskuter hvordan det oppstår spenningsforskjell i celler, og hva som skaper denne forskjellen på inn- og utsiden av membranen.
Fyll begerglasset med cirka 200 ml av 0,01 M kaliumklorid-løsningen (KCl). Den representerer vevsvæsken, altså det ekstracellulære mediet på utsiden av membranen.
Skjær en bit cellofanpapir som er stor nok til å dekke enden på trakten. Skyll deretter cellofanen i destillert vann for å gjøre den mer fleksibel. Cellofanen fungerer som en semipermeabel membran.
Pakk cellofanbiten tett rundt enden av trakten, og fest den med en gummistrikk.
Fest trakten i et stativ, slik at nederste del av trakten når ned i KCl-løsningen i begerglasset.
Bruk en pipette for å tilsette 0,1 M KCl-løsning i trakten helt til væskenivåene i og utenfor trakten er jevne. Løsningen inne i trakten representerer det intracellulære mediet (innsiden av cellen).
Måling av spenning
Bruk voltmeter for å måle spenningen i de to væskene som er separert med en halvgjennomtrengelig membran.
Still inn voltmeteret på omtrent 200 mV.
Fest elektrode-ledningene med klemmer til stativet, slik at det blir enklere å styre plasseringen til elektrodene.
Plasser elektroden som er koblet til minus (–) på voltmeteret, i løsningen i begerglasset. Den representerer væsken på utsiden av cellen.
Plasser elektroden som er koblet til pluss (+) på voltmeteret, i løsningen i trakten. Den representerer væsken inne i nervecellen.Følg med på voltmeteret, og registrer spenningen.
Refleksjon
Hva viser voltmeteret? Kan du forklare hva som har skjedd, og hva som er årsaken til dette resultatet?
Har spenningen endret seg etter at du startet forsøket? Hvorfor (ikke)?
Hva ville skjedd dersom det var løsningen i begerglasset som hadde størst konsentrasjon?
Hvordan kan membranen føre til ulik fordeling av ioner i løsningene?
Hvor realistisk er denne modellen? Kan du endre eller legge til elementer for å gjøre eksperimentet mer likt det som foregår i en nervecelle?
Til lærer
Det tar rundt 90 minutter å gjennomføre dette forsøket.
Som i den virkelige nervecellen er dette eksperimentet avhengig av to komponenter: en konsentrasjonsgradient og de semipermeable egenskapene til cellofanen. I likhet med membranen til en nervecelle er cellofanen permeabel for K+-ioner, men nesten ikke-permeabel for Cl–-ioner.
På samme måte som i en nervecelle er det en gradvis netto diffusjon av K+-ioner ut av trakten (0,1 M KCl) og inn i begerglasset (0,01 M KCl). Hvis elektrodene plasseres forsiktig, uten å punktere cellofanen, kan spenningen til løsningen i trakten bli mer negativ. Ved å først stille inn voltmeteret på 200 mV sikrer vi at den endelige avlesningen er lik det virkelige hvilepotensialet.
Selv om det er realistisk, er ikke dette eksperimentet en komplett modell for hvordan hvilepotensialet etableres og opprettholdes. De ekstracellulære og intercellulære væskene inneholder mer enn bare K+- og Cl–-ioner, og det er flere mekanismer som bestemmer membranens permeabilitet. Imidlertid gir denne aktiviteten en mulighet til å diskutere hvor nøyaktig modellen er, og til å introdusere andre aspekter ved nevrobiologi som ionekanaler, natrium-kalium-pumpa og aksjonspotensialet.
Alternativt kan du be elevene diskutere hypotetiske scenarier, for eksempel ved å bruke tilleggsløsninger, en membran med forskjellige egenskaper eller forskjellige konsentrasjoner av KCl.
Kilde
Wegner, C., Kern, R., Kahleis, J. & Maar, A. (2016). The resting potential: introducing foundations of the nervous system. Science in School. Hentet 28. april 2022 fra https://www.scienceinschool.org/article/2016/resting-potential-introducing-foundations-nervous-system/