Gibbs-Donnan-effekten

dette kapitel er vagt relevant for afsnit E(i) i 2017 Cicm primære pensum, som forventer, at eksamenskandidaten “forklarer mekanismer til transport af stoffer på tværs af cellemembraner, herunder en forståelse af Gibbs-Donnan-effekten”. Gibbs-Donnan-effekten er naturligvis ikke rigtig en transportmekanisme på tværs af cellemembraner; snarere er transport på tværs af cellemembraner mekanismen for Gibbs-Donnan-effekten; men sådanne indvendinger er meningsløst akademiske. Spørgsmål 14 fra det andet papir i 2017 dedikerede 40% af mærkerne til Gibbs-Donnan-effekten. Tilsyneladende forvekslede et stort antal af eksamenskandidaterne det med de elektrokemiske gradienter, der producerer og opretholder hvilemembranpotentialet, som eksaminatorerne betragtede som en mindre katastrofe. For at forhindre fremtidig forvirring kan Gibbs-Donnan-effekten opsummeres således:

den mest grundige og definitive ressource til dette emne skulle være Nicholas Sperelakis’ Cell Physiology Source Book, hvor Kapitel 15 (s.243 i 3.udgave) diskuterer Gibbs-Donnan-ligevægten i små detaljer. Det er nok også en god reference til en diskussion af, hvorfor Gibbs-Donnan-effekten ikke er den vigtigste mekanisme, der er ansvarlig for hvilemembranpotentialet. Guyton & Hall nævner Donnan-effekten i forhold til kapillærvæskeskift omkring side 196 i den 13.udgave, og behandlingen af dette fænomen der er mest utilfredsstillende. Ganongs gennemgang af medicinsk fysiologi gør et lidt bedre job (s.6 i 23.udgave), tre eller så afsnit, som sandsynligvis er godt nok til regeringsarbejde. Hvis man er temperamentelt uegnet til piratkopiering, kan man betale for disse lærebøger og finde disse referencer inde i dem. Alternativt har Nguyen & Kurts (2006) en gratis artikel online, der diskuterer konceptet i detaljer med overdreven algebra og fokus på Gibbs-Donnan-ligevægten mellem interstitiel og intravaskulær væske.

definition og historie af Gibbs-Donnan (eller bare Donnan) effekt

man kunne forvente, at det bedst defineres af Frederick George Donnan selv (f.eks. i et postume genoptryk af hans papir fra 1911), men desværre havde Donnan selv aldrig været bekendt med behovene hos cicm primære kandidater og gjorde derfor ingen indsats for at forkorte sit princip til en mindeværdig lydbite. I stedet, papiret er en fremragende, velskrevet langformet forklaring af effekten, sandsynligvis bedre end noget, der senere blev offentliggjort i blanke farvebøger. Hvis man har brug for en kort definition, kan man rekonstrueres fra første afsnit i posten fra Encyclopedia of membrans (Drioli & Giorno, 2015):

“Donnan-effekten er fænomenet forudsigelig og ulige fordeling af permeantladede ioner på hver side af en semipermeabel membran i nærvær af uigennemtrængelige ladede ioner”

er det Donnan-effekten, eller er det Gibbs-Donnan-effekten? Donnan kaldte aldrig sin effekt” Donnan-effekten”, men fra 1911 og fremefter blev den kendt som sådan, og på dette tidspunkt var der nul Gibbs i de offentlige omtaler af dette koncept. J.Gibbs var overvejende en fysiker og matematiker, der bidrog (massivt) til kemi nogle årtier før Donnan kom sammen. Forholdet mellem Donnan-effekten og de udgivne værker af Gibbs blev fundet i 1923 af G. s Adair, der fandt en Gibbsisk ligning fra 1906, som i det væsentlige var identisk med Donnans ligning. Der er ingen tvivl om, at Donnan var signifikant påvirket af Gibbs, i det omfang at give adresser til hans ære og beskrive ham som “en mand af geni, der kombinerer dyb indsigt med de højeste kræfter i logisk ræsonnement” (Donnan, 1925). Efterfølgende publikationer af Donnan (f. eks. Donnan, 1924) er velindrettede med passende attributter, dvs Gibbs’ ligning er anerkendt i begyndelsen. Donnan fortsatte endda med at offentliggøre, hvad der ser ud til at være en to-binds hagiografi af Gibbs’ videnskabelige værker. Så hvis virkning er det? “Gibbs-Donnan” synes at være den mest politisk korrekte tilgang, hvor den kronologisk tidligere forfatter får forrang, men mange forfattere udelader Gibbs selv nu. Dette er en situation, som Josiah Gibbs sandsynligvis ville have været helt i fred med, i betragtning af at han havde en karakter, der var temmelig blottet for flamboyant ambition, og var “ikke en annoncør for personlig berømmelse”.

forklaring af Gibbs-Donnan-effekten

på grund af en vis iboende lethed fra forfatterens side er det følgende i det væsentlige en rekapitulation af den oprindelige beskrivelse Donnan gav for sin egen effekt i 1911, men med kalium erstattet af natrium. Dette forenklede eksperiment med to rum forbliver et effektivt middel til at forklare konceptet; at tilføje cellulær realisme til denne beskrivelse ville ofre klarhed til nøjagtighed.

se, disse to rum. Med henblik på at opretholde en vis tilknytning til college-pensumdokumenter, lad os mærke dem “intracellulære” og “ekstracellulære”. I disse rum opløses nogle ioner. Lad os lave disse kalium og chlorid, fordi de synes vigtige. Adskillelse af rummene er en membran, der er noget permeabel for kalium-og chloridioner, men fuldstændig uigennemtrængelig for proteiner.

koncentrationen af elektrolytter i hvert rum er ens, og elektroneutraliteten i hvert rum opretholdes. Hvis man var på den måde tilbøjelig, kunne man måske repræsentere denne ligevægt som en ligning, hvor “int” betyder intracellulær og “ekst” betyder ekstracellulær.

ekst K. ekst = int K. int

lad os nu erstatte KCL i det intracellulære rum med et kaliumproteinat, dvs.et molekyle, hvor kalium kommer med noget negativt ladet protein (Pr-) som dets konjugat. Proteinet er ikke diffusibelt, og det deltager derfor ikke i ligningen ovenfor (dvs.ekst kan aldrig være det samme som int). Nu forbliver intracellulære og ekstracellulære koncentrationer af kalium de samme (og derfor er kalium ikke tilbøjelig til at diffundere overalt), men nu er der en koncentrationsgradient for chloridionerne. Lad os sige, at den oprindelige koncentration var 100 mmol / L; koncentrationsgradienten er nu fra 100 mmol / L til 0 mmol / L.

så fordi membranen er permeabel for chloridioner, og nu er der en koncentrationsgradient, diffunderer nogle af chloridionerne ind i det intracellulære rum. Af nødvendighed ledsages de af nogle kaliumioner, således at elektroneutraliteten bevares.

chloridionerne afstødes også af det negativt ladede protein i det intracellulære rum, og så forbliver hovedparten af chloridet på den ekstracellulære side af membranen.

så; elektroneutralitet bevares. Så er den samlede koncentrationsbalance af diffusible ioner, således at produktet af ekstracellulære diffusible ionkoncentrationer er det samme som produktet af intracellulære diffusible ionkoncentrationer:

ekst KRL = int KRL int

uden at falde ned i et kaninhul med kvadratiske ligninger, vil det være tilstrækkeligt at sige, at hvis vi startede med koncentrationer på 100 mmol/L på begge sider, når protein er tilsat, ender vi med ca.33 mmol/L chlorid på den intracellulære side såvel som 133 mmol/L kalium; de ekstra ionmolekyler kom fra den ekstracellulære væske, og derfor bliver dette rum relativt ionfattigt med ca. 66,6 mmol/l af hver art.

nu, selvfølgelig, fordi der er en elektrisk gradient såvel som en kemisk diffusionsgradient, der virker på ionerne, vil der være en lidt ulige fordeling af ladning over membranen, hvilket fører til en potentiel forskel. Dette er et velkendt koncept diskuteret i store længder i kapitlet om hvilemembranpotentialet. Det vil være tilstrækkeligt at sige, at for hver ion er balancen mellem koncentrationsgradienten og den elektriske gradient beskrevet af Nernst–ligningen, og den samlede potentialeforskel på tværs af membranen, der skyldes den kombinerede effekt af alle ionbevægelserne, kan beskrives ved Goldman–Hodgkin-kats-ligningen under hensyntagen til det faktum, at membranpermeabiliteten for hver ion vil være forskellig. Kort sagt opretter Gibbs-Donnan-effekten en transmembranpotentialeforskel, fordi fordelingen af ladede ioner over membranen er ujævn. Denne potentielle forskel er tilsyneladende ret lille. Sperelakis (2011) giver en værdi på -20 mV, selvom det ikke er klart, hvor dette nummer kommer fra.

så vi er nu ved Gibbs-Donnan-ligevægten: produkterne med diffusible ionkoncentrationer skal være de samme på begge sider, og på hver side af membranen bevares elektrisk neutralitet. Tilstedeværelsen af ikke-diffusibelt protein gør imidlertid den totale koncentration af intracellulære molekyler meget højere end koncentrationen af ekstracellulære molekyler:

intracellulær koncentration = int + int + int

ekstracellulær koncentration = ekst + ekst

faktisk er forskellen i osmolalitet i dette (vildt fysiologisk unøjagtige) tankeeksperiment ret skarp (der er omkring 134 mOsm/L forskel). Med denne form for osmotisk gradient vil vand strømme over membranen, hvilket får cellen til at svulme forfærdeligt og eksplodere.

det sker naturligvis ikke in vivo. Na+ / K + ATPase spiller en vigtig rolle i forebyggelsen af cellulær osmoeksplosion ved at pumpe tre natriumioner ud af cellen i bytte for to kalium. Den forfærdelige natriumpermeabilitet af cellemembranen betyder, at natrium generelt holder sig til det ekstracellulære rum og opretholder osmolaliteten der. Som et resultat etableres en anden Donnan-effekt (denne gang med de ikke-diffusible ioner, der er ekstracellulært natrium) over membranen, som opretholder en osmotisk modgradient til vandbevægelse. Der er således en” dobbelt Donnan-effekt ” i aktion ved hver cellemembran. Til eksamensformål vil cicm-praktikanten rådes til at undgå udtryk som “osmoeksplosion”; den formelle erklæring ville være, at “ATP-drevne natriumpumper reducerer intracellulær osmolalitet ved aktivt at transportere natrium ud af den intracellulære væske og derved opretholde cellevolumenhomeostase via en anden Donnan-effekt”.

betydningen af Na+/K+ ATPase ved opretholdelse af et stabilt cellevolumen blev veletableret af en række tidlige forfattere, der deaktiverede pumpen ved hjælp af forskellige metoder og derefter observerede, da cellerne svulmede og sprængte. For eksempel brugte Russo et al (1977) hypotermi til at standse al cellulær metabolisk aktivitet og derved afskaffe ionpumpning. Rotteleverskiverne blev inkuberet ved 1 liter i 90 minutter og derefter undersøgt under et elektronmikroskop, sammenligne dem med normotermiske kontroller. Med ionpumper deaktiveret steg cellerne markant i størrelse. 60%, og deres natriumindhold mere end firedoblet.

Gibbs-Donnan-effekter ud over celleskalaen

bortset fra at påvirke det forvirrende ATP-pumpeinficerede miljø i cellen, påvirker Gibbs-Donnan-effekten også andre makroskopiske miljøer, og gennem en detaljeret diskussion af disse forhold falder uden for dette kapitel, ville det være galt at ignorere disse anvendelser af konceptet fuldstændigt. Kort sagt, hvor en membran adskiller rum og isolerer et ikke-diffusibelt stof i en af dem, kan vi finde en vis anvendelse af Gibbs-Donnan-effekten.

i Australien er Kerry Brandis’ fysiologi Viva normalt den første detaljerede introduktion til dette koncept, man møder efter at have forladt medicinskolen, og eksemplet diskuteret nedenfor er uddybet fra hans fremragende noter om emnet. Hvis man kræver noget mere omfattende fra den offentliggjorte litteratur og er uvillig til at betale for Brandis’ bog, Nguyen & Kurts (2006) har produceret en fremragende gennemgang af emnet, strittende med en tæt krat af matematiske afledninger. For at opretholde nogle rester af eksamensfokus er disse udeladt fra nedenstående diskussion.

kort sagt, igen præsenteres vi med to rum, denne gang interstitiel og intravaskulær. Lad os fylde disse med fysiologisk plausible koncentrationer af elektrolytter.

alle ioner forbliver sat. Der er ingen kræfter, der skifter dem rundt. Lad os nu tilføje noget anionisk protein som før.

nu er der en elektrostatisk kraft, der afviser chlorid ud af det intravaskulære rum. Følgelig samles mere chlorid i den interstitielle væske. Den samme kraft tiltrækker natrium tilbage i det intravaskulære rum. Dette konkurrerer med koncentrationsgradienten. For at gøre konceptet lettere at forstå har forfatteren tyet til grafisk design på børnehaveniveau, der repræsenterer de elektrokemiske gradienter med farvede skråninger. Man kan næsten forestille sig, at små ioner glider ned ad dem.

den attraktive kraft af anionisk protein til natrium konkurrerer med koncentrationsgradienten, der suger det tilbage i det interstitielle rum. Ved en vis koncentration nås en slags ligevægt.

selvfølgelig er dette i virkeligheden ikke en sand ligevægt. Der er stadig ulige partikelkoncentration på begge sider af membranen. En ligevægt mellem koncentrationsgradienten og den elektrostatiske gradient nås, men der er stadig vand at overveje.

vand tiltrækkes osmotisk ind i det vaskulære rum. Vandbevægelsen ville derefter fortynde koncentrationen af ionerne, og der ville være en ændring i deres koncentrationsgradienter. Så der er ingen stabil stabil tilstand.

der er bevægelse af nogle ioner ud af det intravaskulære rum, men ved Gibbs-Donnan-ligevægt er der stadig flere partikler i det vaskulære rum, der udøver et onkotisk tryk.

den onkotiske kraft, der suger vand ind i kapillærerne, modsættes af det kapillære hydrostatiske tryk, som påføres ved hjertets pumpevirkning. Hvis dette pres bliver for stort (f.eks. hvis hjertet svigter, og det kapillære venetryk stiger) overvinder det kapillære hydrostatiske tryk det onkotiske plasma-tryk og tvinger vandet ud af det vaskulære rum. Ødem opstår.

fordelingen af ioner i de interstitielle og intravaskulære rum kan udtrykkes i form af en koefficientfaktor, der beskriver fordelingen af ionen i interstitialvæsken som en andel af dens koncentration i plasmaet. Dette kaldes generelt Gibbs-Donnan-faktoren. Værdien af denne faktor for monovalente kationer er 0,95 (dvs.natriumkoncentrationen i den interstitielle væske er 0,95 liter koncentrationen i plasma). For monovalente anioner, dens 1,05. Divalente kationer som calcium er delvist proteinbundne, og Gibbs – Donnan-effekten gælder kun for de ioniserede former. For dem er faktoren 0,90 (og omvendt 1,10 for de divalente anioner).