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Pflügers Archiv

, Volume 323, Issue 2, pp 158–172 | Cite as

Die Verteilung von Na+ und K+ unter dem Einfluß von Temperaturgradienten

Modell einer thermisch betriebenen Ionenpumpe
  • O. Harth
  • P. Vaupel
Article

Zusammenfassung

Der Ludwig-Soret-Effekt besagt, daß Temperaturgradienten eine Verteilungsänderung von gelösten Teilchen bewirken. In Modellversuchen wird geprüft, wie sich dieser Effekt auf die Verteilung von Na+ und K+ auswirkt.

Die Versuchsanordnung besteht aus einer Meßzelle, deren Rückwand aus isoliertem Kupfer und deren Vorderwand aus verschieden dicken Cellulosehydrat-Membranen (Dicke im getrockneten Zustand: 1–120 μm) bestehen. Die Kupferplatten können auf wahlweise einstellbaren Temperaturen gehalten werden. Die Tiefe der Meßzelle ist variierbar (60–500 μm). Die Meßzelle taucht in eine thermostatisierte Lösung von NaCl und KCl (je 50 mVal/l) ein. Die Kationenkonzentrationen in Meßzellen- und Außenlösung werden flammenphotometrisch bestimmt.

Unter den gewählten Versuchsbedingungen resultiert im stationären Zustand bei Erwärmung der Kupferrückwand eine Anreicherung von K+ und Na+ in der Meßzellenlösung. Die Konzentrierung kommt durch Thermodiffusion und Thermoosmose zustande. Bei der Thermodiffusion übersteigt der K+-Einstrom den Na+-Einstrom. Die Bevorzugung der Kaliumionen nimmt mit abnehmender Zellentiefe und zunehmender Temperaturdifferenz zu.

Die Ergebnisse werden im Hinblick darauf diskutiert, ob Temperaturgradienten, die als unspezifische Effekte des Zellstoffwechsels entstehen, bei Verteilung von Ionen in biologischen Systemen eine Bedeutung zukommt. Eine solche Anordnung könnte dann als thermisch betriebene Ionenpumpe angesprochen werden.

Schlüsselwörter

Thermodiffusion Thermoosmose Thermisch betriebene Ionenpumpe Cellulosehydrat-Membranen 

The distribution of Na+ and K+ as influenced by temperature gradients

Model of a thermically driven ion pump

Summary

The Ludwig-Soret-Effect means that temperature gradients effect a change of the local concentration of solutions. Normally in a homogeneous aqueous solution the ions diffuse from a higher to a lower temperature. In a special model this effect is tested for sodium and potassium ions under various conditions. It is of interest that this process is reversible.

The experimental device consists of a cell-like chamber with an insulated copper backwall and a frontside of cellulosehydrate-membrane of variable thickness (1–120 μm, dry). The temperature of the copper wall may be varied. The chamber is submerged in an aqueous temperature controlled solution of 50 mVal/l KCl and 50 mVal/l NaCl. Consistently the cation concentrations of both, the inner and the outer solution, were determined by a flame photometer.

Upon heating the copper backwall Na+ and K+ accumulate in the warmer inner solution. This accumulation is caused by both thermodiffusion and thermoosmosis. Under steady state conditions K+-influx is more accentuated than that of Na+. The accentuation of K+-accumulation increases in all cases of increased temperature gradients, by raising the temperature of the cell backwall, by reducing the depthdimension of the cell or by using thinner separating-membranes.

The results are discussed in view of temperature gradients in living cells. Such gradients may also occur in biological systems caused by heat formation produced in cell metabolism. Those temperature gradients may influence the local ion concentration especially in the region of the cell membrane. This effect may be interpreted as an ion pump driven by the unspecific physical energy of heat.

Key-Words

Thermodiffusion Thermoosmosis Thermically Driven Ion Pump Cellulosehydrate Membranes 

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Copyright information

© Springer-Verlag 1971

Authors and Affiliations

  • O. Harth
    • 1
  • P. Vaupel
    • 1
  1. 1.Physiologisches Institut der Johannes Gutenberg-Universität MaizMaizDeutschland

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