El efecto Gibbs-Donnan

Este capítulo es vagamente relevante para la Sección E (i) del Plan de estudios de Primaria CICM de 2017, que espera que el candidato al examen «explique los mecanismos de transporte de sustancias a través de las membranas celulares, incluida una comprensión del efecto Gibbs-Donnan». El efecto Gibbs-Donnan, por supuesto, no es realmente un mecanismo de transporte a través de las membranas celulares; más bien, el transporte a través de las membranas celulares es el mecanismo del efecto Gibbs-Donnan; pero tales objeciones son inútilmente académicas. La pregunta 14 del segundo artículo de 2017 dedicó el 40% de las marcas al efecto Gibbs-Donnan. Aparentemente, un gran número de los candidatos al examen lo confundieron con los gradientes electroquímicos que producen y mantienen el potencial de membrana en reposo, lo que los examinadores vieron como un desastre menor. Para evitar confusiones futuras, el efecto Gibbs-Donnan puede resumirse de esta manera:

El recurso más completo y definitivo para este tema tendría que ser el Libro Fuente de Fisiología Celular de Nicholas Sperelakis, donde el Capítulo 15 (p. 243 de la 3a edición) discute el equilibrio de Gibbs-Donnan en minúsculos detalles. Esa es probablemente también una buena referencia para una discusión de por qué el efecto Gibbs-Donnan no es el principal mecanismo responsable del potencial de membrana en reposo. Guyton & Hall menciona el efecto Donnan en relación con los cambios de fluido capilar alrededor de la página 196 de la 13a edición, y el tratamiento de este fenómeno allí es de lo más insatisfactorio. La Revisión de la Fisiología Médica de Ganong hace un trabajo ligeramente mejor (p. 6 de la 23a edición), unos tres párrafos que probablemente son lo suficientemente buenos para el trabajo gubernamental. Si uno es temperamentalmente inadecuado para la piratería, uno puede pagar por estos libros de texto y encontrar estas referencias dentro de ellos. Alternativamente, Nguyen & Kurtz (2006) tiene un artículo gratuito en línea que discute el concepto en gran detalle, con un exceso de álgebra y un enfoque en el equilibrio de Gibbs-Donnan entre el fluido intersticial y el intravascular.

Definición e historia del Efecto Gibbs-Donnan (o simplemente Donnan)

Uno podría esperar que sea mejor definido por el propio Frederick George Donnan (por ejemplo. en una reimpresión póstuma de su artículo de 1911), pero desafortunadamente el propio Donnan nunca había estado familiarizado con las necesidades de los candidatos primarios del CICM y, por lo tanto, no hizo ningún esfuerzo para abreviar su principio en una frase de sonido memorable. En cambio, el artículo es una excelente y bien escrita explicación en formato largo del efecto, probablemente mejor que cualquier otra publicación posterior en libros de texto en color brillante. Si se necesita una definición corta, se puede reconstruir a partir del primer párrafo de la entrada de la Enciclopedia de Membranas (Drioli & Giorno, 2015):

«El Efecto Donnan es el fenómeno de distribución predecible y desigual de iones cargados permeables a ambos lados de una membrana semipermeable, en presencia de iones cargados impermeables»

¿Es el efecto Donnan, o es el efecto Gibbs-Donnan? Donnan nunca llamó a su efecto «el efecto Donnan», pero a partir de 1911 se hizo conocido como tal, y en esta etapa no hubo ninguna mención pública de Gibbs sobre este concepto. J.W Gibbs fue predominantemente un físico y matemático que contribuyó (masivamente) a la química algunas décadas antes de que llegara Donnan. La relación entre el efecto Donnan y las obras publicadas por Gibbs fue desenterrada en 1923 por G. S Adair, quien encontró una ecuación gibbsiana de 1906 que era esencialmente idéntica a la ecuación de Donnan. No hay duda de que Donnan fue influenciado significativamente por Gibbs, hasta el punto de dar discursos en su honor y describirlo como «un hombre de genio, que combina una visión profunda con los poderes más altos del razonamiento lógico» (Donnan, 1925). Publicaciones posteriores de Donnan (eg. Donnan, 1924) están bien equipadas con atribuciones apropiadas, es decir, la ecuación de Gibbs se reconoce desde el principio. Donnan incluso publicó lo que parece ser una hagiografía de dos volúmenes de los trabajos científicos de Gibbs. Entonces, ¿de quién es el efecto? «Gibbs-Donnan» parece ser el enfoque políticamente más correcto en el que se da primacía al autor cronológicamente anterior, pero muchos escritores omiten a Gibbs incluso ahora. Este es un estado de cosas con el que Josiah Willard Gibbs probablemente habría estado en paz, considerando que poseía un personaje bastante desprovisto de ambición extravagante, y que «no era un anunciante de renombre personal».

Explicación del efecto Gibbs-Donnan

Debido a alguna lasitud inherente por parte del autor, lo que sigue es esencialmente una recapitulación de la descripción original que Donnan dio para su propio efecto en 1911, pero con potasio sustituido por sodio. Este experimento simplificado de dos compartimentos sigue siendo un medio eficaz para explicar el concepto; agregar realismo celular a esta descripción sacrificaría claridad por precisión.

He aquí, estos dos compartimentos. Con el propósito de mantener algún apego a los documentos del plan de estudios de la universidad, etiquetémoslos como «intracelulares» y «extracelulares». En estos compartimentos, algunos iones se disuelven. Hagamos esos de potasio y cloruro, porque parecen importantes. Separando los compartimentos hay una membrana que es algo permeable a los iones de potasio y cloruro, pero completamente impermeable a las proteínas.

La concentración de electrolitos en cada compartimiento es igual, y la electroneutralidad de cada compartimiento se mantiene. Si uno estuviera inclinado de esa manera, uno podría ser capaz de representar este equilibrio como una ecuación, donde «int» significa intracelular y «ext» significa extracelular.

ext × ext = int × int

Ahora, vamos a reemplazar el KCl en el compartimento intracelular con un proteinato de potasio, es decir, una molécula donde el potasio viene con alguna proteína con carga negativa (Pr-) como su conjugado. La proteína no es difusible, por lo que no participa en la ecuación anterior (es decir, ext nunca puede ser lo mismo que int). Ahora, las concentraciones intracelulares y extracelulares de potasio siguen siendo las mismas (por lo que el potasio no está inclinado a difundirse en ninguna parte), pero ahora hay un gradiente de concentración para los iones cloruro. Digamos que la concentración original era de 100 mmol / L; el gradiente de concentración ahora es de 100 mmol / L a 0 mmol / L.

Por lo tanto, debido a que la membrana es permeable a los iones cloruro y ahora hay un gradiente de concentración, algunos de los iones cloruro se difunden en el compartimento intracelular. Por necesidad, están acompañados de algunos iones de potasio, de modo que se conserva la electroneutralidad.

Los iones cloruro también son repelidos por la proteína con carga negativa en el compartimento intracelular, por lo que la mayor parte del cloruro permanece en el lado extracelular de la membrana.

Por lo tanto, la electroneutralidad se conserva. También lo es el balance de concentración total de iones difusibles, de modo que el producto de las concentraciones de iones difusables extracelulares es el mismo que el producto de las concentraciones de iones difusibles intracelulares:

ext × ext = int × int

Sin caer en una madriguera de ecuaciones cuadráticas, bastará con decir que si comenzamos con concentraciones de 100 mmol/L en ambos lados, una vez que se agrega proteína, terminamos con aproximadamente 33 mmol/L de cloruro en el lado intracelular, así como 133 mmol/L de potasio; las moléculas de iones adicionales vinieron del fluido extracelular, y por lo tanto, ese compartimento se vuelve relativamente pobre en iones, con aproximadamente 66,6 mmol/L de cada especie.

Ahora, por supuesto, debido a que hay un gradiente eléctrico, así como un gradiente de difusión química que actúa sobre los iones, habrá una distribución ligeramente desigual de la carga a través de la membrana, lo que conduce a una diferencia de potencial. Este es un concepto familiar discutido en gran medida en el capítulo sobre el potencial de membrana en reposo. Bastará con decir que para cada ion el equilibrio entre el gradiente de concentración y el gradiente eléctrico se describe mediante la ecuación de Nernst, y la diferencia de potencial total a través de la membrana que resulta del efecto combinado de todos los movimientos de iones se puede describir mediante la ecuación de Goldman–Hodgkin–Katz, teniendo en cuenta el hecho de que para cada ion la permeabilidad de la membrana será diferente. En resumen, el efecto Gibbs-Donnan establece una diferencia de potencial transmembrana porque la distribución de iones cargados a través de la membrana es desigual. Esta diferencia de potencial es aparentemente bastante pequeña. Sperelakis (2011) da un valor de -20 mV, aunque no está claro de dónde proviene ese número.

Por lo tanto, ahora estamos en el equilibrio de Gibbs-Donnan: los productos de las concentraciones de iones difusibles deben ser los mismos en ambos lados, y a cada lado de la membrana se preserva la neutralidad eléctrica. Sin embargo, la presencia de proteína no difusible hace que la concentración total de moléculas intracelulares sea mucho mayor que la concentración de moléculas extracelulares:

Concentración intracelular = int + int + int

Concentración extracelular = ext + ext

De hecho, en este experimento mental (extremadamente inexacto fisiológicamente), la diferencia en osmolalidad es bastante marcada (hay aproximadamente 134 mOsm/L de diferencia). Con este tipo de gradiente osmótico, el agua surgiría a través de la membrana, causando que la célula se hinchara horriblemente y explotara.

Obviamente, eso no sucede in vivo. La ATPasa Na+/K+ juega un papel importante en la prevención de la osmoexplosión celular bombeando tres iones de sodio fuera de la célula a cambio de dos potassiums. La terrible permeabilidad al sodio de la membrana celular significa que el sodio generalmente se mantiene en el compartimento extracelular, manteniendo la osmolalidad allí. Como resultado, se establece un segundo efecto Donnan (esta vez con los iones no difusibles siendo sodio extracelular) a través de la membrana, que mantiene un contra gradiente osmótico para el movimiento del agua. Por lo tanto, hay un «doble efecto Donnan» en acción en cada membrana celular. Para fines de examen, se aconsejaría al aprendiz de CICM que evitara términos como» osmoexplosión»; la declaración formal sería que»las bombas de sodio alimentadas por ATP disminuyen la osmolalidad intracelular transportando sodio activamente fuera del fluido intracelular, manteniendo así la homeostasis del volumen celular a través de un segundo efecto Donnan».

La importancia de la ATPasa Na+ / K+ para mantener un volumen celular estable fue bien establecida por una serie de autores tempranos que deshabilitaron la bomba utilizando varios métodos y luego observaron como las células se hinchaban y se rompían. Por ejemplo, Russo et al (1977) utilizaron la hipotermia para detener toda la actividad metabólica celular y, por lo tanto, abolir el bombeo de iones. Las rebanadas de hígado de rata se incubaron a 1 ° C durante 90 minutos y luego se examinaron bajo un microscopio electrónico, comparándolas con controles normotérmicos. Con las bombas de iones desactivadas, las células aumentaron de tamaño notablemente. Su contenido de agua aumentó en aproximadamente un 60% y su contenido de sodio se cuadruplicó con creces.

Efectos de Gibbs-Donnan más allá de la escala celular

Además de influir en el confuso entorno infestado de ATP de la célula, el efecto de Gibbs-Donnan también influye en otros entornos macroscópicos, y a través de una discusión detallada de estos asuntos cae fuera del ámbito de este capítulo, sería erróneo ignorar completamente estas aplicaciones del concepto. En resumen, donde una membrana separa compartimentos y aísla una sustancia no difusible dentro de uno de ellos, podemos encontrar alguna aplicación del efecto Gibbs-Donnan.

En Australia, La Fisiología Viva de Kerry Brandis suele ser la primera introducción detallada a este concepto que se encuentra después de dejar la escuela de medicina, y el ejemplo que se discute a continuación ha sido elaborado a partir de sus excelentes notas sobre el tema. Si uno requiere algo más sustancial de la literatura publicada y no está dispuesto a pagar por el libro de Brandis, Nguyen & Kurtz (2006) ha producido una excelente revisión del tema, con un denso matorral de derivaciones matemáticas. Para mantener algunos vestigios del enfoque del examen, se han omitido de la discusión a continuación.

En resumen, nuevamente se nos presentan dos compartimentos, esta vez intersticial e intravascular. Llenémoslos con concentraciones fisiológicamente plausibles de electrolitos.

Todos los iones se mantienen. No hay fuerzas que los muevan. Ahora agreguemos un poco de proteína aniónica, como antes.

Ahora, hay una fuerza electrostática que expulsa el cloruro del compartimento intravascular. En consecuencia, se acumula más cloruro en el líquido intersticial. La misma fuerza está atrayendo sodio de vuelta al compartimento intravascular. Esto compite con el gradiente de concentración. Para hacer el concepto más fácil de entender, el autor ha recurrido al diseño gráfico a nivel de jardín de infantes, que representa los gradientes electroquímicos con pendientes de colores. Uno casi puede imaginar pequeños iones deslizándose por ellos.

La fuerza de atracción de la proteína aniónica para el sodio compite con el gradiente de concentración que la succiona de nuevo al compartimento intersticial. A cierta concentración, se alcanza algún tipo de equilibrio.

Por supuesto, en realidad esto no es un verdadero equilibrio. Todavía hay una concentración de partículas desigual a ambos lados de la membrana. Se alcanza un equilibrio entre el gradiente de concentración y el gradiente electrostático, pero todavía hay que considerar el agua.Gradiente osmótico de Gibbs-Donnan

El agua es atraída osmóticamente al compartimento vascular. El movimiento del agua diluiría entonces la concentración de los iones, y habría un cambio en sus gradientes de concentración. Por lo tanto, no hay un estado estacionario estable.

Hay movimiento de algunos iones fuera del espacio intravascular, pero en el equilibrio de Gibbs-Donnan todavía hay más partículas en el compartimiento vascular, ejerciendo una presión oncótica.

La fuerza oncótica de succión de agua en los capilares se opone a la presión hidrostática capilar, que se aplica por la acción de bombeo del corazón. Si esta presión se vuelve demasiado grande (ej. si el corazón falla y la presión venosa capilar aumenta), la presión hidrostática capilar supera la presión oncótica del plasma y fuerza el agua fuera del compartimiento vascular. Se produce edema.

La distribución de iones en los compartimentos intersticial e intravascular puede expresarse en términos de un factor de coeficiente que describe la distribución del ion en el líquido intersticial como una proporción de su concentración en el plasma. Esto se conoce generalmente como el Factor Gibbs-Donnan. El valor de este factor para los cationes monovalentes es de 0,95 (es decir, la concentración de sodio en el líquido intersticial es de 0,95 × la concentración en plasma). Para los aniones monovalentes, su 1,05. Los cationes divalentes como el calcio están parcialmente unidos a proteínas, y el efecto Gibbs – Donnan solo se aplica a las formas ionizadas. Para ellos, el factor es 0,90 (y a la inversa, 1,10 para los aniones divalentes).