Tato kapitola je nejasně příslušné Sekce E(i) 2017 CICM Primární Osnovy, které očekávají zkoušku kandidát „vysvětlit mechanismy transportu látek přes buněčné membrány, včetně pochopení Gibbs-Donnana efekt“. Gibbs-Donnana efekt je samozřejmě opravdu není mechanismus transportu přes buněčné membrány; spíše, transport přes buněčné membrány je mechanismus Gibbs-Donnana účinek; ale takové námitky jsou zbytečně akademický. Otázka 14 z druhého papíru roku 2017 věnovaný 40% značky Gibbs-Donnana efekt. Zdá se, že velké množství zkoušku kandidátů zaměňována s elektrochemické gradienty, které produkují a udržují klidový membránový potenciál, který zkoušejících viděn jako menší katastrofa. Aby se zabránilo budoucí záměně, Gibbs-Donnana účinek lze shrnout takto:
- Gibbs-Donnana efekt popisuje nerovné rozdělení permeant nabité ionty na obou stranách polopropustnou membránu, která se vyskytuje v přítomnosti impermeant nabité ionty.
- V Gibbs-Donnana rovnováhy,
- Na každé straně membrány, každé řešení bude elektricky neutrální
- produkt difúzní iontů na jedné straně membrány se rovná součinu difúzní ionty na druhé straně membrány
- elektrochemické gradienty produkován nerovné distribuce nabitých iontů vytváří transmembránový potenciál rozdíl, který lze vypočítat pomocí Nernstova rovnice
- přítomnost impermeant iontů na jedné straně membrány vytváří osmotické difuze gradident přitahuje vodu do ten oddíl.
- mechanismy, které udržují klidový membránový potenciál a mechanismy Gibbs-Donnana efekt jsou odlišné jevy:
- Donnana rovnovážná je zcela pasivní proces: tzn. žádné aktivní transportéry se podílejí na udržení této rovnováhy.
- Donnanova rovnováha je rovnováha, tj. koncentrace iontů na obou stranách bariéry jsou statické.
- pokud by se Donnanova rovnováha plně zavedla, nárůst intracelulárních iontů by způsobil bobtnání buněk v důsledku osmotického přílivu vody.
- při Donnanově rovnováze by klidový membránový potenciál byl pouze asi -20 mV. Tento potenciál by existoval, i kdyby propustnost membrány pro všechny ionty byla stejná.
- klidový membránový potenciál, v kontrastu, vyžaduje různou propustnost pro draslík a sodík, a je aktivně udržována konstantní Na+/K+ Atpázy činnost.
- Protože biologických membrán (zejména exciteable tkání) nejsou nikdy v rovnováze, Goldman-Hodgkin-Katz rovnice je obvykle lepší volbou pro vysvětlení jejich elektrochemické chování.
nejvíce důkladné a definitivní zdroj pro toto téma by měl být Nicholas Sperelakis‘ Buněčné Fyziologie Zdroj Knihu, kde Kapitola 15 (p.243 3. vydání) popisuje Gibbs-Donnana rovnováhy v nepatrné detaily. To je pravděpodobně také dobrá reference pro diskusi o tom, proč Gibbs-Donnanův efekt není hlavním mechanismem zodpovědným za klidový membránový potenciál. Guyton & Hall zmiňuje Donnana účinek ve vztahu k kapilární fluidní směny po stránce 196 13 vydání, a léčba tohoto jevu je většinou neuspokojivý. Ganong přehled Lékařské Fyziologie má mírně lepší práci (str.6 23. vydání), tři nebo tak body, které je pravděpodobně dost dobré pro vládu. Pokud je člověk temperamentně nevhodný k pirátství, lze za tyto učebnice zaplatit a najít v nich tyto odkazy. Alternativně, Nguyen & Kurtz (2006) mají zdarma článek on-line, který popisuje koncept v detailu, s přespříliš algebra a zaměřit se na Gibbs-Donnana rovnováha mezi intersticiální a intravaskulární tekutiny.
Definice a historie Gibbs-Donnana (nebo jen Donnana) Efekt
Jeden by mohl očekávat, že to bude nejlepší definovanými Frederick George Donnana sám (např. v posmrtný dotisk jeho 1911 papíru), ale bohužel Donnana sám nikdy nebyl obeznámen s potřebami CICM primárních kandidátů, a proto dělal žádné úsilí, aby zkrátit jeho zásady do památné soundbite. Namísto, papír je vynikající, dobře napsané dlouhodobé vysvětlení efektu, pravděpodobně lepší než cokoli, co bylo následně publikováno v lesklých barevných učebnicích. Pokud člověk potřebuje krátkou definici, lze ji rekonstruovat z prvního odstavce záznamu z encyklopedie membrán (Drioli & Giorno, 2015):
„Na Donnana Efekt je jev předvídatelné a nerovné rozdělení permeant nabité ionty na obou stranách polopropustnou membránu v přítomnosti impermeant nabité ionty“
Je to Donnana efekt, nebo je to Gibbs-Donnana efekt? Donnana nikdy volal jeho efekt „Donnana efekt“, ale od roku 1911 kupředu, to stalo se známé jako takové, a v této fázi, tam byl žádné Gibbs ve veřejné zmínky o tomto konceptu. J.W Gibbs byl převážně fyzik a matematik, který přispěl (masivně) k chemii několik desetiletí předtím, než přišel Donnan. Vztah mezi Donnana efekt a publikoval práce o Gibbs byl objeven v roce 1923. G. S Adair, který našel trochu gibbsův rovnice z roku 1906, který byl v podstatě totožný s Donnana rovnice. Není pochyb o tom, že Donnana byl výrazně ovlivněn Gibbs, do té míry, dávat adresy na jeho počest a popisuje ho jako „génius, který kombinuje hluboký vhled s nejvyšší schopnosti logického uvažování“ (Donnana, 1925). Následné publikace Donnana (např. Donnan, 1924) jsou dobře vybaveni vhodnými atributy, tj. Gibbsova rovnice je uznána na samém začátku. Donnan dokonce publikoval to, co se jeví jako dvousvazková hagiografie Gibbsových vědeckých prací. Takže, Čí je to účinek? „Gibbs-Donnan“ se zdá být nejvíce politicky korektní přístup, kde chronologicky starší autor je dána přednost, ale mnoho spisovatelů vynechat Gibbs i nyní. Je to stav věcí, který Josiah Willard Gibbs by asi byly docela v klidu, vzhledem k tomu, že měl charakter spíše postrádá okázalý ambice, a byl „ne inzerent pro osobní renomé“.
Vysvětlení Gibbs-Donnana efekt
, Protože některé vlastní únava na straně autora, to, co následuje, je v podstatě rekapitulace původní popis Donnana dal pro jeho vlastní účinek v roce 1911, ale s draslík nahradit sodík. Tento zjednodušený dvoukomorový experiment zůstává účinným prostředkem k vysvětlení konceptu; přidání buněčného realismu k tomuto popisu by obětovalo jasnost přesnosti.
Hle, tyto dva oddíly. Pro účely zachování určité přílohy k dokumentům osnov vysoké školy, označme je „intracelulární“ a „extracelulární“. V těchto kompartmentech jsou některé ionty rozpuštěny. Udělejme ty draslík a chlorid, protože ty se zdají důležité. Oddělení kompartmentů je membrána, která je poněkud propustná pro draselné a chloridové ionty, ale zcela nepropustná pro proteiny.
koncentrace elektrolytů v každé buňce je stejný, a electroneutrality každého prostoru, je zachována. Jestliže jeden byl, že jak sklon, jeden by mohl být schopen reprezentovat tuto rovnováhu jako rovnici, kde „int“ znamená, intracelulární a „ext“ znamená extracelulární.
ext x ext = int x, int
Nyní, pojďme nahradit KCl na intracelulární prostor s draslík proteinate, tj. molekuly, kde draslík je dodáván s některými záporně nabité proteiny (Pr), jak je jeho konjugát. Protein není difuzní, a proto se neúčastní výše uvedené rovnice (tj. ext nemůže být nikdy stejný jako int). Nyní, intracelulární a extracelulární koncentrace draslíku zůstávají stejné (a draslíku není nakloněn difuzní kdekoliv), ale teď tam je koncentrační gradient pro ionty chloridu. Řekněme, že původní koncentrace byla 100 mmol/L; koncentrace gradient je nyní ze 100 mmol/L 0 mmol/L
Takže, protože membrána je propustná pro chloridové ionty, a teď tam je koncentrační gradient, některé z chloridové ionty difundují do intracelulárního prostoru. Nezbytně jsou doprovázeny některými ionty draslíku, takže je zachována elektroneutralita.
Na chloridové ionty jsou také odpuzovány záporně nabité bílkoviny v intracelulárním prostoru, a tak většina chloridu sodného zůstává na extracelulární straně membrány.
takže; electroneutralita je zachována. Stejně tak je celková koncentrační rovnováha difuzních iontů, takže produkt extracelulárních difuzních iontů je stejný jako produkt intracelulárních difuzních iontů:
ext x ext = int x, int
Bez pádu do králičí díry kvadratické rovnice, to postačí říci, že když jsme začali s koncentrací 100 mmol/L na jedné straně, jakmile protein je přidán jsme se nakonec s o 33 mmol/L chloridu na intracelulární straně, stejně jako 133 mmol/L draslíku; extra ion molekuly přišel z extracelulární tekutiny, a proto, že prostor se stává poměrně ion-chudé, s o 66.6 mmol/L jednotlivých druhů.
Teď, samozřejmě, protože tam je elektrický gradient, stejně jako chemické difúze gradient působící na ionty, bude mírně nerovnoměrné rozdělení náboje napříč membránou, což vede k potenciální rozdíl. Toto je známý koncept, o kterém se ve velké míře diskutuje v kapitole o klidovém membránovém potenciálu. Postačí říci, že pro každou iontovou rovnováhu mezi koncentrační gradient a elektrický gradient je popsán Nernstova rovnice, a celkový rozdíl potenciálů na membráně, který je výsledkem kombinovaného účinku všech ion pohyby mohou být popsány Goldman–Hodgkin–Katz rovnice, přičemž se v úvahu skutečnost, že pro každý iontové membrány propustnost se bude lišit. Stručně řečeno, Gibbs-Donnana efekt vytváří transmembránový potenciál rozdíl, protože distribuce nabitých iontů přes membránu je nerovnoměrné. Tento potenciální rozdíl je zřejmě poměrně malý. Sperelakis (2011) dává hodnotu -20 mV, i když není jasné, odkud toto číslo pochází.
Takže, jsme nyní v Gibbs-Donnana rovnováhy: produkty difúzní iontové koncentrace musí být stejná na obou stranách a na každé straně membrány elektrické neutrality je zachována. Přítomnost nedifuzovatelného proteinu však činí celkovou koncentraci intracelulárních molekul mnohem vyšší než koncentrace extracelulárních molekul:
Intracelulární koncentrace = int + int + int
Extracelulární koncentrace = ext + ext
ve skutečnosti, V tomto (divoce fyziologicky nepřesné) myšlenkový experiment, rozdíl v osmolalita je docela drsná (tam je o 134 mOsm/L rozdíl). S tímto druhem osmotického gradientu by voda proudila přes membránu, což by způsobilo, že buňka odporně bobtná a exploduje.
je zřejmé, že se to nestane in vivo. Na + / K + ATPáza hraje hlavní roli v prevenci osmoexploze buněk čerpáním tří sodíkových iontů z buňky výměnou za dva draslík. Hrozná propustnost sodíku buněčné membrány znamená, že sodík se obecně drží v extracelulárním kompartmentu a udržuje tam osmolalitu. Jako výsledek, druhý Donnana efekt (tentokrát s non-difúzní iontů je extracelulární sodík) je založena na membráně, která udržuje osmotický counter-gradient pro pohyb vody. Existuje tedy“ dvojitý Donnanův efekt “ v akci na každé buněčné membráně. Pro zkoušku účely, CICM trainee by být poučeni, aby se zabránilo pojmy jako „osmoexplosion“; formální prohlášení by bylo, že „ATP-poháněl čerpadla sodíku snížení intracelulární osmolality aktivním transportu sodíku z mezibuněčné tekutiny, čímž se udržuje objem buněk homeostázy prostřednictvím druhé Donnana efekt“.
význam Na+/K+ Atpázy v udržování stabilní objem buněk byl dobře zavedené sérii brzy autorů, kteří zdravotně postižené čerpadla pomocí různých metod, a pak pozoroval, jak buňky zvětšila a praskla. Například Russo et al (1977) použili hypotermii k zastavení veškeré buněčné metabolické aktivity a tím k zrušení čerpání iontů. Krysí jaterní řezy byly inkubovány při 1ºC na 90 minut a pak zkoumal pod elektronovým mikroskopem, a porovnává je s normothermic kontroly. Při deaktivaci iontových čerpadel se buňky výrazně zvětšily. Jejich obsah vody se zvýšil asi o 60% a obsah sodíku se více než čtyřnásobil.
Gibbs-Donnana účinky mimo buněčné rozsahu
na Rozdíl od ovlivňování matoucí ATP-pumpa-zamořené prostředí buňky, Gibbs-Donnana efekt také ovlivňuje další makroskopické prostředí, a přes detailní diskusi o těchto záležitostech spadá mimo oblast působnosti této kapitoly, bylo by na škodu, aby zcela ignorovat tyto aplikace konceptu. Stručně řečeno, kdekoli membrána odděluje kompartmenty a izoluje nedifuzovatelnou látku v jedné z nich, můžeme najít nějaké použití Gibbs-Donnanova efektu.
V Austrálii, Kerry Brandis‘ Fyziologie Viva je obvykle první podrobný úvod k tomuto pojetí se člověk setkává po odchodu medicínu, a příklad popsány níže byla vypracována z jeho vynikající poznámky na toto téma. Pokud člověk potřebuje něco více podstatného z publikované literatury a je ochoten zaplatit za Brandis‘ kniha, Nguyen & Kurtz (2006) přinesly vynikající recenze předmětu, ježily s hustou houští matematické derivace. Chcete-li zachovat některé pozůstatky zaměření zkoušky, tyto byly vynechány z diskuse níže.
Stručně řečeno, opět máme dva kompartmenty, tentokrát intersticiální a intravaskulární. Vyplňme je fyziologicky věrohodnými koncentracemi elektrolytů.
všechny ionty zůstávají na místě. Nejsou tam žádné síly, které by je posouvaly. Nyní umožňuje přidat nějaký aniontový protein, jako předtím.
nyní existuje elektrostatická síla odpuzující chlorid z intravaskulárního kompartmentu. V důsledku toho se v intersticiální tekutině shromažďuje více chloridů. Stejná síla přitahuje sodík zpět do intravaskulárního kompartmentu. To konkuruje koncentračnímu gradientu. Pro snazší pochopení konceptu se autorka uchýlila k grafickému návrhu na úrovni mateřské školy, který představuje elektrochemické gradienty s barevnými svahy. Lze si téměř představit, že po nich kloužou malé ionty.
přitažlivá síla aniontové bílkovin, sodíku soutěží s koncentrační gradient sání zpět do intersticiálního prostoru. Při určité koncentraci se dosáhne nějaké rovnováhy.
ve skutečnosti to samozřejmě není skutečná rovnováha. Na obou stranách membrány je stále nerovnoměrná koncentrace částic. Je dosaženo rovnováhy mezi koncentračním gradientem a elektrostatickým gradientem, ale stále je třeba zvážit vodu.
voda je osmoticky přitahována do vaskulárního kompartmentu. Pohyb vody by pak zředil koncentraci iontů a došlo by ke změně jejich koncentračních gradientů. Takže neexistuje stabilní ustálený stav.
Tam je pohyb některé ionty mimo intravaskulární prostor, ale Gibbs-Donnana rovnováhy jsou stále více částic v cévní prostoru, působí onkotický tlak.
onkotický síly sání vody do kapilár je na rozdíl od kapilární hydrostatický tlak, který je aplikován pomocí pumpování srdce. Pokud je tento tlak příliš velký (např. pokud selže srdce a kapilární žilní tlak stoupá) kapilární hydrostatický tlak překonává plazmatické onkotický tlak a tlačí vodu ven z cévního prostoru. Následuje edém.
rozdělení iontů v intersticiální a intravaskulární oddílů může být vyjádřena koeficientem faktor, který popisuje rozdělení iontů v intersticiální tekutiny jako podíl jeho koncentrace v plazmě. Toto je obecně označováno jako faktor Gibbs-Donnan. Hodnoty tohoto faktoru pro monovalentní kationty je 0.95 (tj. koncentrace sodíku v intersticiální tekutině je 0.95 × koncentrace v plazmě). Pro monovalentní anionty je to 1,05. Dvojmocné kationty, jako je vápník, jsou částečně vázány na bílkoviny a Gibbs-Donnanův efekt se vztahuje pouze na ionizované formy. Pro ně je faktor 0,90 (a naopak 1,10 pro dvojmocné anionty).
