tämä luku liittyy hämärästi CICM: n vuoden 2017 ensisijaisen opetussuunnitelman E jakson i kohtaan, jossa edellytetään, että tenttiehdokas ”selittää aineiden kuljetusmekanismit solukalvojen yli, mukaan lukien Gibbs-Donnanin vaikutuksen ymmärtäminen”. Gibbs-Donnanin vaikutus ei tietenkään ole varsinaisesti solukalvojen välisen kuljetuksen mekanismi, vaan solukalvojen välinen kuljetus on Gibbs-Donnanin vaikutuksen mekanismi, mutta tällaiset vastalauseet ovat aiheettoman akateemisia. Vuoden 2017 toisen paperin kysymys 14 omisti 40 prosenttia merkeistä Gibbs-Donnan-efektille. Ilmeisesti suuri osa tenttikandidaateista sekoitti sen sähkökemiallisiin gradientteihin, jotka tuottavat ja ylläpitävät lepokalvon potentiaalia, mitä tenttaajat pitivät pienenä katastrofina. Tulevan sekaannuksen estämiseksi Gibbsin-Donnanin efekti voidaan tiivistää näin:
- Gibbsin-Donnanin efekti kuvaa permeanttien varautuneiden ionien epätasaista jakautumista puolipermeisen kalvon molemmin puolin, mikä tapahtuu impermeanttien varautuneiden ionien läsnä ollessa.
- Gibbsin-Donnanin tasapainotilassa
- kalvon kummallakin puolella jokainen liuos on sähköisesti neutraali
- kalvon toisella puolella olevien diffusoituvien ionien tulo on yhtä suuri kuin kalvon toisella puolella olevien diffusoituvien ionien tulo
- varattujen ionien epätasaisen jakautumisen synnyttämät sähkökemialliset gradientit tuottavat transmembraanipotentiaalieron, joka voidaan laskea käyttämällä Nernstin yhtälö
- läpäisemättömien ionien esiintyminen kalvon toisella puolella luo osmoottisen diffuusioasteen, joka vetää vettä puoleensa tuo osasto.
- lepokalvopotentiaalia ylläpitävät mekanismit ja Gibbs-Donnanin efektin mekanismit ovat eri ilmiöitä:
- Donnanin ekulibrium on täysin passiivinen prosessi: eli tämän tasapainon ylläpitämiseen ei osallistu aktiivisia kuljettajia.
- Donnanin tasapainotila on tasapainotila eli ionikonsentraatiot esteen kummallakin puolella ovat staattisia.
- jos donnanin tasapainotila vakiintuisi täysin, solunsisäisten ionien lisääntyminen saisi solut turpoamaan osmoottisen veden virtaamisen vuoksi.
- donnanin tasapainotilassa lepokalvon potentiaali olisi vain noin -20 mV. Tämä potentiaali olisi olemassa, vaikka kaikkien ionien kalvonläpäisevyys olisi sama.
- lepokalvon potentiaali sitä vastoin vaatii kaliumin ja natriumin osalta erilaisia permeabitaatioita, ja sitä ylläpitää aktiivisesti jatkuva Na+/K+ Atpaasiaktiivisuus.
- koska biologiset kalvot (erityisesti herättävissä kudoksissa) eivät ole koskaan tasapainossa, Goldman-Hodgkin-Katz-yhtälö on yleensä parempi valinta niiden sähkökemiallisen käyttäytymisen selittämiseen.
kaikkein perusteellinen ja lopullinen resurssi tästä aiheesta olisi oltava Nicholas Sperelakis ” Cell Physiology Source Book, jossa Luku 15 (s.243, 3rd edition) käsitellään Gibbs-Donnanin tasapaino miniscule yksityiskohtaisesti. Se on luultavasti myös hyvä viittaus keskusteluun siitä, miksi Gibbs-Donnanin vaikutus ei ole tärkein mekanismi, joka vastaa lepokalvon potentiaalista. Guyton & Hall mainitsee donnanin ilmiön suhteessa kapillaarinesteen siirtymiseen 13. painoksen sivun 196 tienoilla, ja tämän ilmiön hoito siellä on kaikkein epätyydyttävintä. Ganong ’ s Review of Medical Physiology does a little better job (s.6 of the 23rd edition), three or so participas which is probably enough for government work. Jos joku on temperamentiltaan sopimaton piratismiin, hän voi maksaa näistä oppikirjoista ja löytää nämä viitteet niiden sisältä. Vaihtoehtoisesti, Nguyen & Kurtz (2006) on vapaa artikkeli verkossa, jossa käsitellään käsitettä hyvin yksityiskohtaisesti, ylimalkaisella algebralla ja keskitytään Gibbsin-Donnanin tasapainotilaan interstitiaalisen ja intravaskulaarisen nesteen välillä.
Gibbs-Donnanin (tai vain donnanin) efektin määritelmä ja historia
voisi olettaa sen parhaiten määrittelevän Frederick George Donnanin itsensä (esim. vuonna postuumi uusintapainos hänen 1911 paperi), mutta valitettavasti Donnan itse ei ollut koskaan ollut perehtynyt tarpeisiin cicm ensisijainen ehdokkaat ja siksi ei yrittänyt lyhentää hänen periaate osaksi ikimuistoinen soundbite. Sen sijaan paperi on erinomainen, hyvin kirjoitettu pitkänmuotoinen selitys vaikutukselle, luultavasti parempi kuin mikään myöhemmin kiiltävävärisissä oppikirjoissa julkaistu. Jos tarvitaan lyhyttä määritelmää, se voidaan rekonstruoida membraanien ensyklopedian (Drioli & Giorno, 2015:
”Donnanin ilmiö on ilmiö, jossa permeantti-varautuneet ionit jakautuvat ennustettavasti ja epätasaisesti puolipermeoituvan kalvon molemmin puolin, kun läsnä on läpäisemättömiä varautuneita ioneja.”
onko se donnanin vai Gibbsin-Donnanin ilmiö? Donnan ei koskaan kutsunut efektiään” Donnanin efektiksi”, mutta vuodesta 1911 lähtien se tuli tunnetuksi sellaisena, ja tässä vaiheessa tämän käsitteen julkisissa maininnoissa ei ollut gibbsiä. J.W Gibbs oli pääasiassa fyysikko ja matemaatikko jotka osaltaan (massiivisesti) kemia joitakin vuosikymmeniä ennen Donnan tuli pitkin. Suhde donnanin vaikutus ja julkaistu teosten Gibbs oli kaivettu vuonna 1923, G. S Adair, jotka löysivät Gibbsian yhtälö, 1906, joka oli olennaisesti sama kuin Donnanin yhtälö. Ei ole epäilystäkään siitä, että Donnan oli merkittävästi vaikuttanut Gibbs, siinä määrin antaa osoitteita hänen kunniakseen ja kuvataan häntä ”mies nero, yhdistämällä syvällinen oivallus kanssa korkein valtuudet loogista päättelyä” (Donnan, 1925). Donnanin myöhemmät julkaisut (esim. Donnan, 1924) ovat hyvin varustettuja asianmukaisilla attribuutioilla, eli Gibbsin yhtälö tunnustetaan heti alussa. Donnan jopa lähti julkaista, mitä näyttää olevan kaksiosainen hagiografia, Gibbs ” tieteellisiä teoksia. Kenen vaikutus se on? ”Gibbs-Donnan” vaikuttaa poliittisesti korrektimmalta lähestymistavalta, jossa kronologisesti varhaisemmalle kirjailijalle annetaan etusija, mutta monet kirjoittajat jättävät Gibbsin jo nyt pois. Tämä on asiaintila, jonka Josiah Willard Gibbs olisi todennäköisesti ollut melko rauhassa, ottaen huomioon, että hänellä oli merkki melko vailla mahtipontinen kunnianhimoa, ja oli ”ei mainostaja henkilökohtaista tunnettuutta”.
selitys Gibbsin-Donnanin efektille
tekijän jonkin luontaisen uupumuksen vuoksi seuraa lähinnä Yhteenveto alkuperäisestä kuvauksesta, jonka Donnan antoi omasta vaikutuksestaan vuonna 1911, mutta jossa kalium on korvattu natriumilla. Tämä yksinkertaistettu kaksiosainen koe on edelleen tehokas keino selittää käsite; solurealismin lisääminen tähän kuvaukseen uhraisi selkeyden tarkkuudelle.
Katso, nämä kaksi osastoa. Pitääksemme yllä jonkinlaista kiintymystä Collegen opetussuunnitelmaa koskeviin asiakirjoihin merkitkäämme ne ”solunsisäisiksi”ja ” solunulkoisiksi”. Näihin lokeroihin liukenee joitakin ioneja. Tehdään niistä kalium-ja kloridituotteita, koska ne tuntuvat tärkeiltä. Lokeroita erottaa kalvo, joka on jonkin verran läpäisevä kalium-ja kloridi-ioneille, mutta täysin läpäisemätön proteiineille.
elektrolyyttien pitoisuus kussakin osastossa on yhtä suuri, ja elektronineutraliteetti kunkin osaston säilyy. Jos olisi näin taipuvainen, tämä tasapaino voitaisiin esittää yhtälönä, jossa ”int” tarkoittaa solunsisäistä ja ”ext” tarkoittaa solunulkoista.
ext × ext = int × int
nyt korvataan solunsisäinen KCL kaliumproteinaatilla eli molekyylillä, jossa kaliumin konjugaattina on jokin negatiivisesti varautunut proteiini (Pr -). Proteiini ei diffusoidu, joten se ei osallistu yllä olevaan yhtälöön (eli ext ei voi koskaan olla sama kuin int). Nyt solunsisäiset ja solunulkoiset kaliumpitoisuudet pysyvät samoina (ja siten kalium ei ole taipuvainen diffuusioitumaan mihinkään), mutta nyt kloridi-ioneille on olemassa konsentraatiogradientti. Oletetaan, että alkuperäinen pitoisuus oli 100 mmol / L; pitoisuusgradientti on nyt 100 mmol/L-0 mmol / L.
koska kalvo läpäisee kloridi-ionit ja nyt on konsentraatiogradientti, osa kloridi-ioneista hajaantuu solunsisäiseen osastoon. Välttämättömyyden mukaan niihin liittyy joitakin kaliumioneja, jotta elektronineutraliteetti säilyy.
kloridi-ioneja karkottaa myös negatiivisesti varautunut proteiini solunsisäisessä osastossa, joten pääosa kloridista jää solunulkoiselle puolelle kalvoa.
joten; elektroneutraliteetti säilyy. Näin on diffusoituvien ionien kokonaiskonsentraatiotasapaino siten, että solunulkoisen diffusoituvan ionikonsentraation tuote on sama kuin solunsisäisen diffusoituvan ionikonsentraation tuote:
ext × ext = int × int
joutumatta kvadraattisten yhtälöiden kaninkoloon, riittää kun sanotaan, että jos alussa on 100 mmol/L pitoisuuksia kummaltakin puolelta, kun proteiinia on lisätty, päädymme noin 33 mmol/L kloridia solunsisäiseen puoleen sekä 133 mmol/L kaliumia; ekstraionimolekyylit tulivat solunulkoisesta nesteestä, ja siksi lokerosta tulee suhteellisen ioniköyhä, kunkin lajin noin 66,6 mmol/l.
koska ioneihin vaikuttaa sähköinen gradientti sekä kemiallinen diffuusiogradientti, varaus jakautuu kalvon poikki hieman epätasaisesti, mikä johtaa potentiaalieroon. Tämä on tuttu käsite, jota käsitellään laajasti lepokalvon potentiaalia käsittelevässä luvussa. Riittää, kun sanotaan, että kunkin ionin konsentraatiogradientin ja sähköisen gradientin välinen tasapaino kuvataan Nernstin yhtälöllä, ja kaikkien ioniliikkeiden yhteisvaikutuksesta johtuvaa kalvon välistä kokonaispotentiaalieroa voidaan kuvata Goldman–Hodgkin–Katz-yhtälöllä ottaen huomioon, että kunkin ionin kalvon läpäisevyys on erilainen. Lyhyesti sanottuna Gibbsin-Donnanin ilmiö muodostaa transmembraanin potentiaalieron, koska varautuneiden ionien jakauma kalvon poikki on epätasainen. Tämä potentiaaliero on ilmeisesti aika pieni. Sperelakis (2011) antaa arvoksi -20 mV, vaikka ei ole selvää, mistä kyseinen luku tulee.
olemme siis nyt Gibbsin-Donnanin tasapainotilassa: diffusoituvien ionikonsentraatioiden tuotteiden on oltava samat molemmin puolin, ja kalvon kummallakin puolella sähköinen neutraalius säilyy. Kuitenkin ei-diffusoituvan proteiinin läsnäolo tekee solunsisäisten molekyylien kokonaiskonsentraatiosta paljon suuremman kuin solunulkoisten molekyylien konsentraatio.:
solunsisäinen pitoisuus = int + int + int
solunulkoinen pitoisuus = ext + ext
itse asiassa tässä (hurjan fysiologisesti epätarkassa) ajatuskokeessa osmolaliteetin ero on melko jyrkkä (ero on noin 134 mOsm/L). Tällaisella osmoottisella gradientilla vesi syöksyisi kalvon yli aiheuttaen solun turpoamisen ja räjähtämisen.
näin ei ilmeisesti tapahdu in vivo. Na+ / K+ Atpaasilla on merkittävä rooli solun osmoeksplosion estämisessä pumppaamalla kolme natriumionia ulos solusta vastineeksi kahdesta potassiumista. Solukalvon kauhea natriumin läpäisevyys tarkoittaa sitä, että natrium pysyy yleensä solunulkoisessa osastossa säilyttäen osmolaliteetin siellä. Tämän seurauksena kalvon poikki muodostuu toinen donnanin vaikutus (tällä kertaa ei-diffusoituvien ionien ollessa solunulkoista natriumia), joka ylläpitää osmoottista vastagradienttia veden liikkumiselle. Näin ollen jokaisella solukalvolla on toiminnassa” kaksinkertainen Donnan-efekti”. Cicm: n harjoittelijaa kehotetaan välttämään sellaisia termejä kuin ”osmoexplosion”; virallinen lausunto olisi, että ”ATP-käyttöiset natriumpumput vähentävät solunsisäistä osmolaliteettia kuljettamalla aktiivisesti natriumia ulos solunsisäisestä nesteestä, mikä ylläpitää solun tilavuuden homeostaasia toisen Donnanin vaikutuksen kautta”.
Na+/K+ ATPaasin merkitys solujen vakaan tilavuuden ylläpitämisessä vahvistettiin hyvin, kun joukko varhaisia tekijöitä sammutti pumpun eri menetelmillä ja havaitsi sitten solujen turpoavan ja repeilevän. Esimerkiksi Russo et al (1977) käytti hypotermiaa pysäyttääkseen kaiken solujen metabolisen toiminnan ja poistaakseen siten ionipumppauksen. Rotan maksaviipaleita inkuboitiin 1ºC: ssa 90 minuutin ajan, minkä jälkeen ne tutkittiin elektronimikroskoopilla ja verrattiin normotermisiin kontrolleihin. Ionipumppujen ollessa pois käytöstä solujen koko kasvoi huomattavasti. Niiden vesipitoisuus kasvoi noin 60 prosenttia ja natriumpitoisuus yli nelinkertaistui.
Gibbs-Donnanin vaikutukset soluasteikon ulkopuolella
sen lisäksi, että Gibbs-Donnanin efekti vaikuttaa solun sekavaan ATP-pumpun saastuttamaan ympäristöön, Gibbs-Donnanin efekti vaikuttaa myös muihin makroskooppisiin ympäristöihin, ja näiden seikkojen yksityiskohtaisen käsittelyn vuoksi ei kuulu tämän luvun piiriin, olisi väärin jättää kokonaan huomiotta nämä käsitteen Sovellukset. Lyhyesti sanottuna, aina kun kalvo erottaa lokeroita ja eristää ei-diffusoituvan aineen johonkin niistä, voimme löytää jonkin verran soveltamista Gibbs-Donnanin vaikutus.
Australiassa Kerry Brandisin ”The Physiology Viva” on yleensä ensimmäinen yksityiskohtainen Johdatus tähän käsitteeseen, jonka hän kohtaa valmistuttuaan lääkiksestä, ja alla käsitelty esimerkki on laadittu hänen erinomaisten muistiinpanojensa pohjalta. Jos joku vaatii julkaistulta kirjallisuudelta jotain merkittävämpää ja on haluton maksamaan Brandisin kirjasta, Nguyen & Kurtz (2006) on laatinut aiheesta erinomaisen katsauksen, joka on täynnä tiheää matemaattisten derivointien tiheikköä. Säilyttää joitakin jäänteitä tentti keskittyä, nämä on jätetty pois keskustelun alla.
lyhyesti, jälleen meille esitetään kaksi osastoa, tällä kertaa interstitiaalinen ja intravaskulaarinen. Täyttäkäämme nämä fysiologisesti uskottavilla elektrolyyttipitoisuuksilla.
kaikki ionit pysyvät paikoillaan. Ei ole voimia, jotka siirtäisivät niitä ympäriinsä. Nyt lisätään anionista proteiinia, kuten ennenkin.
nyt intravaskulaarisesta tilasta poistuu sähköstaattista voimaa hylkivä kloridi. Näin ollen interstitiaalinesteeseen kertyy enemmän kloridia. Sama voima vetää natriumia takaisin intravaskulaariseen tilaan. Tämä kilpailee pitoisuusgradientin kanssa. Jotta käsite olisi helpompi ymmärtää, kirjoittaja on turvautunut lastentarhatason graafiseen suunnitteluun, joka edustaa sähkökemiallisia kaltevuuksia värillisillä rinteillä. Voi melkein kuvitella pienten ionien liukuvan niitä pitkin.
anionisen proteiinin vetovoima natriumin suhteen kilpailee pitoisuusgradientin kanssa, joka imee sen takaisin interstitiaaliosastoon. Tietyssä pitoisuudessa saavutetaan jonkinlainen tasapaino.
todellisuudessa kyse ei tietenkään ole todellisesta tasapainosta. Kalvon molemmin puolin on edelleen epätasaista hiukkaspitoisuutta. Konsentraatiogradientin ja sähköstaattisen gradientin välinen tasapaino saavutetaan, mutta vettä on vielä harkittava.
vesi vetää osmoottisesti puoleensa verisuonitilaan. Tällöin veden liike laimentaisi ionien konsentraatiota ja niiden pitoisuusgradientit muuttuisivat. Vakaata vakaata tilaa ei siis ole.
intravaskulaarisesta tilasta liikkuu joitakin ioneja, mutta Gibbsin-Donnanin tasapainotilassa on vielä enemmän hiukkasia verisuonitilassa, mikä aiheuttaa onkoottisen paineen.
vettä kapillaareihin imevää onkoottista voimaa vastustaa kapillaarien hydrostaattinen paine, jota sydämen pumppaava toiminta kohdistaa. Jos tästä paineesta tulee liian suuri (esim. jos sydän pettää ja kapillaarilaskimopaine nousee) kapillaari hydrostaattinen paine voittaa plasman onkoottisen paineen ja pakottaa veden ulos verisuonitilasta. Seurauksena on turvotusta.
ionien jakautuminen interstitiaalisiin ja intravaskulaarisiin lokeroihin voidaan ilmaista kertoimella, joka kuvaa ionin jakautumista interstitiaalinesteessä osuutena sen pitoisuudesta plasmassa. Tätä kutsutaan yleensä Gibbs-Donnanin tekijäksi. Tämän tekijän arvo monovalenteille kationeille on 0,95 (eli natriumpitoisuus interstitiaalinesteessä on 0,95 × pitoisuus plasmassa). Monovalenteille anioneille sen 1.05. Kaksiarvoiset kationit kuten kalsium ovat osittain proteiineihin sitoutuneita, ja Gibbs-Donnanin efekti koskee vain ionisoituneita muotoja. Niille kerroin on 0,90 (ja kääntäen 1,10 divalenteille anioneille).
