Der Gibbs-Donnan-Effekt

Dieses Kapitel ist vage relevant für Abschnitt E (i) des CICM-Primärlehrplans 2017, in dem vom Prüfungskandidaten erwartet wird, dass er „Mechanismen des Transports von Substanzen über Zellmembranen erklärt, einschließlich eines Verständnisses des Gibbs-Donnan-Effekts“. Der Gibbs-Donnan-Effekt ist natürlich nicht wirklich ein Mechanismus des Transports über Zellmembranen; Vielmehr ist der Transport über Zellmembranen der Mechanismus des Gibbs-Donnan-Effekts; aber solche Einwände sind sinnlos akademisch. Frage 14 aus dem zweiten Papier von 2017 widmete 40% der Noten dem Gibbs-Donnan-Effekt. Offenbar verwechselte eine große Anzahl der Prüflinge es mit den elektrochemischen Gradienten, die das Ruhemembranpotential erzeugen und aufrechterhalten, was die Prüfer als kleine Katastrophe ansahen. Um zukünftige Verwechslungen zu vermeiden, kann der Gibbs-Donnan-Effekt folgendermaßen zusammengefasst werden:

Die gründlichste und definitivste Ressource für dieses Thema wäre Nicholas Sperelakis ‚Cell Physiology Source Book , in dem Kapitel 15 (S.243 der 3. Auflage) das Gibbs-Donnan-Gleichgewicht in winzigen Details diskutiert. Das ist wahrscheinlich auch eine gute Referenz für eine Diskussion darüber, warum der Gibbs-Donnan-Effekt nicht der Hauptmechanismus ist, der für das Ruhemembranpotential verantwortlich ist. Guyton & Hall erwähnt den Donnan-Effekt in Bezug auf Kapillarflüssigkeitsverschiebungen um Seite 196 der 13. Ganongs Review of Medical Physiology macht einen etwas besseren Job (S.6 der 23. Ausgabe), drei oder so Absätze, die wahrscheinlich gut genug für die Regierungsarbeit sind. Wenn man temperamentvoll für Piraterie ungeeignet ist, kann man für diese Lehrbücher bezahlen und diese Referenzen darin finden. Alternativ hat Nguyen & Kurtz (2006) einen kostenlosen Artikel online, in dem das Konzept ausführlich diskutiert wird, mit viel Algebra und einem Fokus auf das Gibbs-Donnan-Gleichgewicht zwischen interstitieller und intravaskulärer Flüssigkeit.

Definition und Geschichte des Gibbs-Donnan-Effekts

Man könnte erwarten, dass er am besten von Frederick George Donnan selbst definiert wird (zB. in einem posthumen Nachdruck seines Papiers von 1911), aber leider war Donnan selbst nie mit den Bedürfnissen der CICM-Primärkandidaten vertraut gewesen und bemühte sich daher nicht, sein Prinzip in einen denkwürdigen Soundbite abzukürzen. Stattdessen ist das Papier eine ausgezeichnete, gut geschriebene Langform-Erklärung des Effekts, wahrscheinlich besser als alles, was später in glänzenden Farblehrbüchern veröffentlicht wurde. Wenn man eine kurze Definition benötigt, kann man aus dem ersten Absatz des Eintrags aus der Enzyklopädie der Membranen rekonstruieren (Drioli & Giorno, 2015):

“ Der Donnan-Effekt ist das Phänomen der vorhersagbaren und ungleichen Verteilung von permeant geladenen Ionen auf beiden Seiten einer semipermeablen Membran in Gegenwart von impermeant geladenen Ionen“

Ist es der Donnan-Effekt oder der Gibbs-Donnan-Effekt? Donnan nannte seinen Effekt nie „den Donnan-Effekt“, aber ab 1911 wurde er als solcher bekannt, und zu diesem Zeitpunkt gab es null Gibbs in den öffentlichen Erwähnungen dieses Konzepts. J.W Gibbs war überwiegend ein Physiker und Mathematiker, der einige Jahrzehnte vor Donnan (massiv) zur Chemie beitrug. Die Beziehung zwischen dem Donnan-Effekt und den veröffentlichten Arbeiten von Gibbs wurde 1923 von GS Adair aufgedeckt, der eine Gibbsian-Gleichung von 1906 fand, die im Wesentlichen mit der Donnan-Gleichung identisch war. Es besteht wenig Zweifel, dass Donnan maßgeblich von Gibbs beeinflusst wurde, indem er ihm zu Ehren Adressen gab und ihn als „einen genialen Mann bezeichnete, der tiefe Einsicht mit den höchsten Kräften des logischen Denkens verband“ (Donnan, 1925). Spätere Veröffentlichungen von Donnan (zB. Donnan, 1924) sind mit entsprechenden Zuschreibungen gut ausgestattet, d. h. Gibbs ‚Gleichung wird gleich zu Beginn anerkannt. Donnan veröffentlichte sogar eine scheinbar zweibändige Hagiographie von Gibbs ‚wissenschaftlichen Arbeiten. Also, wessen Wirkung ist es? „Gibbs-Donnan“ scheint der politisch korrekteste Ansatz zu sein, bei dem dem chronologisch früheren Autor Vorrang eingeräumt wird, aber viele Autoren lassen Gibbs auch jetzt noch aus. Dies ist ein Zustand, mit dem Josiah Willard Gibbs wahrscheinlich ziemlich zufrieden gewesen wäre, wenn man bedenkt, dass er einen Charakter besaß, der eher frei von extravagantem Ehrgeiz war, und war „kein Werbetreibender für persönlichen Ruhm“.

Erklärung des Gibbs-Donnan-Effekts

Aufgrund einiger inhärenter Trägheit seitens des Autors ist das Folgende im Wesentlichen eine Rekapitulation der ursprünglichen Beschreibung, die Donnan 1911 für seinen eigenen Effekt gab, jedoch mit Kalium anstelle von Natrium. Dieses vereinfachte Experiment mit zwei Kompartimenten bleibt ein wirksames Mittel zur Erklärung des Konzepts; Um dieser Beschreibung zellulären Realismus hinzuzufügen, würde die Klarheit der Genauigkeit geopfert.

Siehe, diese zwei Fächer. Um eine gewisse Bindung an die Lehrplandokumente des Colleges aufrechtzuerhalten, bezeichnen wir sie als „intrazellulär“ und „extrazellulär“. In diesen Kompartimenten sind einige Ionen gelöst. Lassen Sie uns diese Kalium und Chlorid machen, weil diese wichtig erscheinen. Die Kompartimente werden durch eine Membran getrennt, die für Kalium- und Chloridionen etwas durchlässig, für Proteine jedoch völlig undurchlässig ist.

Die Konzentration der Elektrolyte in jedem Kompartiment ist gleich und die Elektroneutralität jedes Kompartiments bleibt erhalten. Wenn man so geneigt wäre, könnte man dieses Gleichgewicht als Gleichung darstellen, wobei „int“ intrazellulär und „ext“ extrazellulär bedeutet.

ext × ext = int × int

Ersetzen wir nun das KCl im intrazellulären Kompartiment durch ein Kaliumproteinat, d. H. Ein Molekül, in dem das Kalium mit einem negativ geladenen Protein (Pr-) als Konjugat geliefert wird. Das Protein ist nicht diffundierbar und nimmt daher nicht an der obigen Gleichung teil (dh ext kann niemals mit int identisch sein). Jetzt bleiben intrazelluläre und extrazelluläre Konzentrationen von Kalium gleich (und so neigt das Kalium nicht dazu, irgendwo zu diffundieren), aber jetzt gibt es einen Konzentrationsgradienten für die Chloridionen. Angenommen, die ursprüngliche Konzentration betrug 100 mmol / l; Der Konzentrationsgradient beträgt jetzt 100 mmol/ l bis 0 mmol/ L.

Da die Membran für Chloridionen durchlässig ist und es jetzt einen Konzentrationsgradienten gibt, diffundieren einige der Chloridionen in das intrazelluläre Kompartiment. Sie werden notwendigerweise von einigen Kaliumionen begleitet, so dass die Elektroneutralität erhalten bleibt.

Die Chloridionen werden auch durch das negativ geladene Protein im intrazellulären Kompartiment abgestoßen, so dass der Großteil des Chlorids auf der extrazellulären Seite der Membran verbleibt.

Damit; Elektroneutralität bleibt erhalten. So ist die Gesamtkonzentrationsbilanz diffusionsfähiger Ionen, so dass das Produkt der extrazellulären diffusionsfähigen Ionenkonzentrationen das gleiche ist wie das Produkt der intrazellulären diffusionsfähigen Ionenkonzentrationen:

ext × ext = int × int

Ohne in ein Kaninchenloch quadratischer Gleichungen zu geraten, genügt es zu sagen, dass wir, wenn wir mit Konzentrationen von 100 mmol / l auf beiden Seiten beginnen, nach Zugabe von Protein auf der intrazellulären Seite etwa 33 mmol / l Chlorid sowie 133 mmol / l Kalium erhalten; Die zusätzlichen Ionenmoleküle stammten aus der extrazellulären Flüssigkeit, und daher Kompartiment wird relativ ionenarm, mit etwa 66,6 mmol / l jeder Spezies.

Da nun sowohl ein elektrischer Gradient als auch ein chemischer Diffusionsgradient auf die Ionen einwirkt, kommt es natürlich zu einer etwas ungleichen Ladungsverteilung über die Membran, was zu einer Potentialdifferenz führt. Dies ist ein bekanntes Konzept, das im Kapitel über das Ruhemembranpotential ausführlich diskutiert wird. Es genügt zu sagen, dass für jedes Ion das Gleichgewicht zwischen dem Konzentrationsgradienten und dem elektrischen Gradienten durch die Nernst–Gleichung beschrieben wird, und die Gesamtpotentialdifferenz über die Membran, die sich aus der kombinierten Wirkung aller Ionenbewegungen ergibt, kann durch die Goldman–Hodgkin-Katz-Gleichung beschrieben werden, unter Berücksichtigung der Tatsache, dass für jedes Ion die Membranpermeabilität unterschiedlich sein wird. Kurz gesagt, der Gibbs-Donnan-Effekt erzeugt eine Transmembranpotentialdifferenz, da die Verteilung geladener Ionen über die Membran ungleichmäßig ist. Diese Potentialdifferenz ist offenbar recht gering. Sperelakis (2011) gibt einen Wert von -20 mV an, obwohl nicht klar ist, woher diese Zahl kommt.

Wir befinden uns also im Gibbs-Donnan-Gleichgewicht: Die Produkte diffusionsfähiger Ionenkonzentrationen müssen auf beiden Seiten gleich sein, und auf jeder Seite der Membran bleibt die elektrische Neutralität erhalten. Das Vorhandensein von nicht diffundierbarem Protein macht jedoch die Gesamtkonzentration intrazellulärer Moleküle viel höher als die Konzentration extrazellulärer Moleküle:

Intrazelluläre Konzentration = int + int + int

Extrazelluläre Konzentration = ext + ext

Tatsächlich ist in diesem (wild physiologisch ungenauen) Gedankenexperiment der Unterschied in der Osmolalität ziemlich stark (es gibt etwa 134 mOsm / l Unterschied). Bei dieser Art von osmotischem Gradienten würde Wasser über die Membran strömen, wodurch die Zelle schrecklich anschwillt und explodiert.

Offensichtlich passiert das nicht in vivo. Die Na + / K + -ATPase spielt eine wichtige Rolle bei der Verhinderung der zellulären Osmoexplosion, indem sie drei Natriumionen aus der Zelle im Austausch gegen zwei Kalium pumpt. Die schreckliche Natriumpermeabilität der Zellmembran bedeutet, dass das Natrium im Allgemeinen im extrazellulären Kompartiment verbleibt und dort die Osmolalität aufrechterhält. Infolgedessen wird ein zweiter Donnan-Effekt (diesmal mit den nicht diffundierenden Ionen, die extrazelluläres Natrium sind) über die Membran hergestellt, der einen osmotischen Gegengradienten für die Wasserbewegung aufrechterhält. Somit ist an jeder Zellmembran ein „doppelter Donnan-Effekt“ in Aktion. Zu Prüfungszwecken würde dem CICM-Auszubildenden geraten, Begriffe wie „Osmoexplosion“ zu vermeiden; Die formale Aussage wäre, dass „ATP-angetriebene Natriumpumpen die intrazelluläre Osmolalität verringern, indem sie Natrium aktiv aus der intrazellulären Flüssigkeit transportieren und dadurch die Homöostase des Zellvolumens über einen zweiten Donnan-Effekt aufrechterhalten“.

Die Bedeutung der Na + / K + -ATPase für die Aufrechterhaltung eines stabilen Zellvolumens wurde von einer Reihe früher Autoren gut belegt, die die Pumpe mit verschiedenen Methoden deaktivierten und dann beobachteten, wie die Zellen anschwollen und rissen. (1977) verwendeten Hypothermie, um alle zellulären Stoffwechselaktivitäten zu stoppen und dadurch das Ionenpumpen abzuschaffen. Die Rattenleberscheiben wurden 90 Minuten bei 1ºC inkubiert und dann unter einem Elektronenmikroskop untersucht, wobei sie mit normothermen Kontrollen verglichen wurden. Mit deaktivierten Ionenpumpen nahmen die Zellen deutlich zu. Ihr Wassergehalt stieg um etwa 60% und ihr Natriumgehalt mehr als vervierfachte sich.

Gibbs-Donnan-Effekte jenseits der zellulären Skala

Abgesehen von der Beeinflussung der verwirrenden, von ATP-Pumpen befallenen Umgebung der Zelle beeinflusst der Gibbs-Donnan-Effekt auch andere makroskopische Umgebungen, und durch eine detaillierte Diskussion dieser Angelegenheiten, die nicht in den Zuständigkeitsbereich dieses Kapitels fallen, wäre es falsch, diese Anwendungen des Konzepts vollständig zu ignorieren. Kurz gesagt, überall dort, wo eine Membran Kompartimente trennt und eine nicht diffundierende Substanz in einem von ihnen isoliert, können wir eine Anwendung des Gibbs-Donnan-Effekts finden.

In Australien ist Kerry Brandis ‚ The Physiology Viva normalerweise die erste detaillierte Einführung in dieses Konzept, auf das man nach dem Verlassen der Medizinschule trifft, und das unten diskutierte Beispiel wurde aus seinen hervorragenden Notizen zu diesem Thema erarbeitet. Wenn man etwas Wesentlicheres von der veröffentlichten Literatur verlangt und nicht bereit ist, für Brandis ‚Buch zu bezahlen, hat Nguyen & Kurtz (2006) eine ausgezeichnete Rezension des Themas produziert, die mit einem dichten Dickicht mathematischer Ableitungen gespickt ist. Um einige Spuren des Prüfungsfokus beizubehalten, Diese wurden in der folgenden Diskussion weggelassen.

Kurz gesagt, wieder werden uns zwei Kompartimente präsentiert, diesmal interstitiell und intravaskulär. Füllen wir diese mit physiologisch plausiblen Elektrolytkonzentrationen.

Alle Ionen bleiben stehen. Es gibt keine Kräfte, die sie verschieben. Fügen wir nun wie zuvor etwas anionisches Protein hinzu.

Jetzt gibt es eine elektrostatische Kraft, die Chlorid aus dem intravaskulären Kompartiment abstößt. Folglich sammelt sich mehr Chlorid in der interstitiellen Flüssigkeit. Die gleiche Kraft zieht Natrium zurück in das intravaskuläre Kompartiment. Dies konkurriert mit dem Konzentrationsgradienten. Um das Konzept verständlicher zu machen, hat der Autor auf Grafikdesign auf Kindergartenebene zurückgegriffen, das die elektrochemischen Gradienten mit farbigen Steigungen darstellt. Man kann sich fast vorstellen, dass kleine Ionen sie hinunterrutschen.

Die Anziehungskraft des anionischen Proteins für Natrium konkurriert mit dem Konzentrationsgradienten, der es zurück in das interstitielle Kompartiment saugt. Bei einer bestimmten Konzentration wird eine Art Gleichgewicht erreicht.

Natürlich ist dies in Wirklichkeit kein wahres Gleichgewicht. Es gibt immer noch ungleiche Partikelkonzentration auf beiden Seiten der Membran. Ein Gleichgewicht zwischen dem Konzentrationsgradienten und dem elektrostatischen Gradienten ist erreicht, aber es ist noch Wasser zu berücksichtigen.

Wasser wird osmotisch in das Gefäßkompartiment angezogen. Die Bewegung von Wasser würde dann die Konzentration der Ionen verdünnen, und es würde eine Änderung ihrer Konzentrationsgradienten geben. Es gibt also keinen stabilen Steady State.

Es gibt eine Bewegung einiger Ionen aus dem intravaskulären Raum, aber im Gibbs-Donnan-Gleichgewicht befinden sich noch mehr Partikel im Gefäßkompartiment, die einen onkotischen Druck ausüben.

Der onkotischen Kraft, die Wasser in die Kapillaren saugt, steht der kapillare hydrostatische Druck gegenüber, der durch die Pumpwirkung des Herzens ausgeübt wird. Wenn dieser Druck zu groß wird (zB. wenn das Herz versagt und der kapillare Venendruck ansteigt) überwindet der kapillare hydrostatische Druck den Plasma-onkotischen Druck und drückt das Wasser aus dem Gefäßkompartiment. Es kommt zu Ödemen.

Die Verteilung der Ionen in den interstitiellen und intravaskulären Kompartimenten kann in Form eines Koeffizientenfaktors ausgedrückt werden, der die Verteilung des Ions in der interstitiellen Flüssigkeit als Anteil seiner Konzentration im Plasma beschreibt. Dies wird allgemein als Gibbs-Donnan-Faktor bezeichnet. Der Wert dieses Faktors für einwertige Kationen beträgt 0,95 (d. H. Die Natriumkonzentration in der interstitiellen Flüssigkeit beträgt 0,95 × die Konzentration im Plasma). Für einwertige Anionen ist es 1.05. Zweiwertige Kationen wie Calcium sind teilweise proteingebunden, und der Gibbs–Donnan-Effekt gilt nur für die ionisierten Formen. Für sie beträgt der Faktor 0,90 (und umgekehrt 1,10 für die zweiwertigen Anionen).