Ce chapitre est vaguement pertinent à la section E (i) du programme primaire du CICM 2017, qui prévoit que le candidat à l’examen « explique les mécanismes de transport des substances à travers les membranes cellulaires, y compris une compréhension de l’effet Gibbs-Donnan ». L’effet Gibbs-Donnan n’est bien sûr pas vraiment un mécanisme de transport à travers les membranes cellulaires; le transport à travers les membranes cellulaires est plutôt le mécanisme de l’effet Gibbs-Donnan; mais de telles objections sont inutilement académiques. La question 14 du deuxième article de 2017 consacrait 40% des notes à l’effet Gibbs-Donnan. Apparemment, un grand nombre de candidats à l’examen l’ont confondu avec les gradients électrochimiques qui produisent et maintiennent le potentiel de membrane au repos, ce que les examinateurs ont considéré comme un désastre mineur. Pour éviter toute confusion future, l’effet Gibbs-Donnan peut être résumé ainsi:
- L’effet Gibbs-Donnan décrit la distribution inégale des ions chargés perméants de part et d’autre d’une membrane semi-perméable qui se produit en présence d’ions chargés imperméables.
- À l’équilibre de Gibbs-Donnan,
- De chaque côté de la membrane, chaque solution sera électriquement neutre
- Le produit des ions diffusables d’un côté de la membrane sera égal au produit des ions diffusables de l’autre côté de la membrane
- Les gradients électrochimiques produits par une distribution inégale des ions chargés produisent une différence de potentiel transmembranaire qui peut être calculée à l’aide de Équation de Nernst
- La présence d’ions imperméables sur un côté de la membrane crée un gradient de diffusion osmotique attirant l’eau dans ce compartiment.
- Les mécanismes qui maintiennent le potentiel de membrane au repos et les mécanismes de l’effet Gibbs-Donnan sont des phénomènes différents:
- L’equlibre de Donnan est un processus complètement passif: c’est-à-dire qu’aucun transporteur actif n’est impliqué dans le maintien de cet équilibre.
- Un équilibre de Donnan est un équilibre, c’est-à-dire que les concentrations d’ions de chaque côté de la barrière sont statiques.
- Si l’équilibre de Donnan devait s’établir complètement, l’augmentation des ions intracellulaires provoquerait un gonflement des cellules dû à l’afflux osmotique d’eau.
- À un équilibre de Donnan, le potentiel de membrane au repos ne serait que d’environ -20 mV. Ce potentiel existerait même si la perméabilité de la membrane pour tous les ions était la même.
- Le potentiel de membrane au repos, en revanche, nécessite des perméabilités différentes pour le potassium et pour le sodium, et est maintenu activement par une activité ATPase Na +/K+ constante.
- Parce que les membranes biologiques (en particulier des tissus excitables) ne sont jamais à l’équilibre, l’équation de Goldman-Hodgkin-Katz est généralement un meilleur choix pour expliquer leur comportement électrochimique.
La ressource la plus complète et la plus définitive pour ce sujet devrait être le Livre Source de physiologie cellulaire de Nicholas Sperelakis, où le chapitre 15 (p. 243 de la 3e édition) discute de l’équilibre de Gibbs-Donnan dans de minuscules détails. C’est probablement aussi une bonne référence pour expliquer pourquoi l’effet Gibbs-Donnan n’est pas le principal mécanisme responsable du potentiel de la membrane au repos. Guyton & Hall mentionne l’effet Donnan en relation avec les déplacements des fluides capillaires autour de la page 196 de la 13e édition, et le traitement de ce phénomène y est des plus insatisfaisants. La revue de la physiologie médicale de Ganong fait un travail légèrement meilleur (p. 6 de la 23e édition), soit environ trois paragraphes, ce qui est probablement suffisant pour le travail du gouvernement. Si l’on est capricieusement inadapté au piratage, on peut payer pour ces manuels et y trouver ces références. Alternativement, Nguyen & Kurtz (2006) ont un article gratuit en ligne qui discute le concept en détail, avec une algèbre excessive et un accent sur l’équilibre de Gibbs-Donnan entre le liquide interstitiel et intravasculaire.
Définition et historique de l’effet Gibbs-Donnan (ou simplement Donnan)
On pourrait s’attendre à ce qu’il soit mieux défini par Frederick George Donnan lui-même (par exemple. dans une réimpression posthume de son article de 1911), mais malheureusement Donnan lui-même n’avait jamais été au courant des besoins des candidats aux primaires du CICM et n’a donc fait aucun effort pour abréger son principe en une phrase sonore mémorable. Au lieu de cela, l’article est une excellente explication longue et bien écrite de l’effet, probablement meilleure que tout ce qui a été publié ultérieurement dans des manuels en couleurs brillantes. Si l’on a besoin d’une définition courte, on peut reconstruire à partir du premier paragraphe de l’entrée de l’Encyclopédie des membranes (Drioli & Giorno, 2015):
» L’effet Donnan est le phénomène de distribution prévisible et inégale d’ions chargés perméants de part et d’autre d’une membrane semi-perméable, en présence d’ions chargés imperméables »
Est-ce l’effet Donnan, ou est-ce l’effet Gibbs-Donnan? Donnan n’a jamais appelé son effet « l’effet Donnan », mais à partir de 1911, il est devenu connu comme tel, et à ce stade, il n’y avait aucun Gibbs dans les mentions publiques de ce concept. J.W Gibbs était principalement un physicien et un mathématicien qui a contribué (massivement) à la chimie quelques décennies avant l’arrivée de Donnan. La relation entre l’effet Donnan et les travaux publiés par Gibbs a été mise au jour en 1923 par G.S Adair, qui a trouvé une équation gibbsienne de 1906 qui était essentiellement identique à l’équation de Donnan. Il ne fait guère de doute que Donnan a été considérablement influencé par Gibbs, au point de donner des discours en son honneur et de le décrire comme « un homme de génie, combinant une perspicacité profonde avec les plus hautes puissances du raisonnement logique » (Donnan, 1925). Publications ultérieures de Donnan (par ex. Donnan, 1924) sont bien fournis avec des attributions appropriées, c’est-à-dire que l’équation de Gibbs est reconnue au tout début. Donnan a même publié ce qui semble être une hagiographie en deux volumes des travaux scientifiques de Gibbs. Alors, de qui est-ce l’effet? « Gibbs-Donnan » semble être l’approche la plus politiquement correcte où l’auteur chronologiquement antérieur est donné la primauté, mais de nombreux écrivains omettent Gibbs même maintenant. C’est un état de fait avec lequel Josiah Willard Gibbs aurait probablement été tout à fait en paix, considérant qu’il possédait un caractère plutôt dépourvu d’ambition flamboyante, et qu’il n’était « pas un annonceur de renommée personnelle ».
Explication de l’effet Gibbs-Donnan
En raison d’une certaine lassitude inhérente de la part de l’auteur, ce qui suit est essentiellement une récapitulation de la description originale donnée par Donnan pour son propre effet en 1911, mais avec du potassium substitué au sodium. Cette expérience simplifiée à deux compartiments reste un moyen efficace d’expliquer le concept; ajouter du réalisme cellulaire à cette description sacrifierait la clarté à la précision.
Voici ces deux compartiments. Dans le but de maintenir un certain attachement aux documents du programme d’études collégiales, étiquetons-les « intracellulaires » et « extracellulaires ». Dans ces compartiments, certains ions sont dissous. Faisons ces potassium et chlorure, car ceux-ci semblent importants. La séparation des compartiments est une membrane qui est quelque peu perméable aux ions potassium et chlorure, mais complètement imperméable aux protéines.
La concentration d’électrolytes dans chaque compartiment est égale et l’électroneutralité de chaque compartiment est maintenue. Si l’on était ainsi incliné, on pourrait représenter cet équilibre comme une équation, où « int » signifie intracellulaire et « ext » signifie extracellulaire.
ext × ext = int × int
Maintenant, remplaçons le KCl dans le compartiment intracellulaire par un protéinate de potassium, c’est-à-dire une molécule où le potassium vient avec une protéine chargée négativement (Pr-) comme conjugué. La protéine n’est pas diffusable, et donc elle ne participe pas à l’équation ci-dessus (c’est-à-dire que ext ne peut jamais être la même que int). Maintenant, les concentrations intracellulaires et extracellulaires de potassium restent les mêmes (et le potassium n’est donc pas enclin à diffuser n’importe où), mais il existe maintenant un gradient de concentration pour les ions chlorure. Disons que la concentration initiale était de 100 mmol / L; le gradient de concentration est maintenant de 100 mmol / L à 0 mmol /L.
Donc, comme la membrane est perméable aux ions chlorure et qu’il y a maintenant un gradient de concentration, certains ions chlorure diffusent dans le compartiment intracellulaire. Par nécessité, ils sont accompagnés de quelques ions potassium, de sorte que l’électroneutralité est préservée.
Les ions chlorure sont également repoussés par la protéine chargée négativement dans le compartiment intracellulaire, de sorte que la majeure partie du chlorure reste du côté extracellulaire de la membrane.
Donc; l’électroneutralité est préservée. Il en est de même du bilan de concentration totale des ions diffusables, de sorte que le produit des concentrations d’ions diffusables extracellulaires est le même que le produit des concentrations d’ions diffusables intracellulaires:
ext × ext=int × int
Sans tomber dans un terrier d’équations quadratiques, il suffira de dire que si on partait avec des concentrations de 100 mmol/L de part et d’autre, une fois la protéine ajoutée on se retrouve avec environ 33 mmol/L de chlorure du côté intracellulaire, ainsi que 133 mmol/L de potassium ; les molécules d’ions supplémentaires provenaient du liquide extracellulaire, et donc ce compartiment devient relativement pauvre en ions, avec environ 66,6 mmol/L de chaque espèce.
Maintenant, bien sûr, parce qu’il y a un gradient électrique ainsi qu’un gradient de diffusion chimique agissant sur les ions, il y aura une répartition légèrement inégale de la charge à travers la membrane, conduisant à une différence de potentiel. C’est un concept familier discuté longuement dans le chapitre sur le potentiel de la membrane de repos. Il suffira de dire que pour chaque ion l’équilibre entre le gradient de concentration et le gradient électrique est décrit par l’équation de Nernst, et la différence de potentiel totale à travers la membrane qui résulte de l’effet combiné de tous les mouvements d’ions peut être décrite par l’équation de Goldman–Hodgkin–Katz, compte tenu du fait que pour chaque ion la perméabilité de la membrane sera différente. En bref, l’effet Gibbs-Donnan crée une différence de potentiel transmembranaire car la distribution des ions chargés à travers la membrane est inégale. Cette différence de potentiel est apparemment assez faible. Sperelakis (2011) donne une valeur de -20 mV, bien qu’on ne sache pas d’où vient ce nombre.
Nous sommes donc maintenant à l’équilibre de Gibbs-Donnan: les produits des concentrations d’ions diffusables doivent être les mêmes des deux côtés, et de chaque côté de la membrane, la neutralité électrique est préservée. Cependant, la présence de protéines non diffusables rend la concentration totale de molécules intracellulaires beaucoup plus élevée que la concentration de molécules extracellulaires:
Concentration intracellulaire = int + int + int
Concentration extracellulaire = ext + ext
En fait, dans cette expérience de pensée (extrêmement physiologiquement inexacte), la différence d’osmolalité est assez frappante (il y a environ 134 MOSM / L de différence). Avec ce type de gradient osmotique, l’eau traverserait la membrane, provoquant un gonflement hideux et une explosion de la cellule.
Évidemment, cela ne se produit pas in vivo. L’ATPase Na +/K+ joue un rôle majeur dans la prévention de l’osmoexplosion cellulaire en pompant trois ions sodium hors de la cellule en échange de deux potassiums. La terrible perméabilité au sodium de la membrane cellulaire signifie que le sodium se maintient généralement dans le compartiment extracellulaire, y maintenant l’osmolalité. En conséquence, un deuxième effet Donnan (cette fois avec les ions non diffusables étant du sodium extracellulaire) est établi à travers la membrane, ce qui maintient un contre-gradient osmotique pour le mouvement de l’eau. Ainsi, il y a un « double effet Donnan » en action à chaque membrane cellulaire. Aux fins de l’examen, il serait conseillé au stagiaire CICM d’éviter des termes tels que « osmoexplosion »; l’énoncé formel serait que « Les pompes à sodium alimentées par l’ATP diminuent l’osmolalité intracellulaire en transportant activement le sodium hors du liquide intracellulaire, maintenant ainsi l’homéostasie du volume cellulaire via un deuxième effet Donnan ».
L’importance de l’ATPase Na +/ K+ dans le maintien d’un volume cellulaire stable a été bien établie par une série d’auteurs précoces qui ont désactivé la pompe à l’aide de diverses méthodes et ont ensuite observé que les cellules gonflaient et se rompaient. Par exemple, Russo et al (1977) ont utilisé l’hypothermie pour arrêter toute activité métabolique cellulaire et ainsi abolir le pompage ionique. Les tranches de foie de rat ont été incubées à 1ºC pendant 90 minutes, puis examinées au microscope électronique, en les comparant à des témoins normothermiques. Lorsque les pompes ioniques étaient désactivées, la taille des cellules augmentait considérablement. Leur teneur en eau a augmenté d’environ 60% et leur teneur en sodium a plus que quadruplé.
Effets de Gibbs-Donnan au-delà de l’échelle cellulaire
En plus d’influencer l’environnement confus infesté d’ATP-pompe de la cellule, l’effet de Gibbs-Donnan influence également d’autres environnements macroscopiques, et grâce à une discussion détaillée de ces questions ne relève pas du mandat de ce chapitre, il serait inutile d’ignorer complètement ces applications du concept. En bref, partout où une membrane sépare des compartiments et isole une substance non diffusable au sein de l’un d’eux, nous pouvons trouver une application de l’effet Gibbs-Donnan.
En Australie, La Physiologie Viva de Kerry Brandis est généralement la première introduction détaillée à ce concept que l’on rencontre après avoir quitté l’école de médecine, et l’exemple discuté ci-dessous a été élaboré à partir de ses excellentes notes sur le sujet. Si l’on exige quelque chose de plus substantiel de la littérature publiée et que l’on ne veut pas payer pour le livre de Brandis, Nguyen & Kurtz (2006) ont produit une excellente critique du sujet, hérissée d’un épais fourré de dérivations mathématiques. Pour conserver certains vestiges de l’accent mis sur l’examen, ceux-ci ont été omis de la discussion ci-dessous.
En bref, on nous présente à nouveau deux compartiments, cette fois interstitiel et intravasculaire. Remplissons-les de concentrations physiologiquement plausibles d’électrolytes.
Tous les ions restent en place. Il n’y a pas de forces qui les déplacent. Ajoutons maintenant de la protéine anionique, comme avant.
Maintenant, il y a une force électrostatique repoussant le chlorure hors du compartiment intravasculaire. Par conséquent, plus de chlorure s’accumule dans le liquide interstitiel. La même force attire le sodium dans le compartiment intravasculaire. Ceci est en concurrence avec le gradient de concentration. Afin de rendre le concept plus facile à comprendre, l’auteur a eu recours à la conception graphique au niveau de la maternelle, représentant les gradients électrochimiques avec des pentes colorées. On peut presque imaginer de petits ions glissant sur eux.
La force d’attraction de la protéine anionique pour le sodium est en concurrence avec le gradient de concentration qui la ramène dans le compartiment interstitiel. À une certaine concentration, une sorte d’équilibre est atteinte.
Bien sûr, en réalité, ce n’est pas un véritable équilibre. Il y a encore une concentration inégale de particules des deux côtés de la membrane. Un équilibre entre le gradient de concentration et le gradient électrostatique est atteint, mais il reste de l’eau à considérer.
L’eau est attirée par osmose dans le compartiment vasculaire. Le mouvement de l’eau diluerait alors la concentration des ions et il y aurait un changement de leurs gradients de concentration. Il n’y a donc pas d’état d’équilibre stable.
Il y a un mouvement de certains ions hors de l’espace intravasculaire, mais à l’équilibre de Gibbs-Donnan, il y a encore plus de particules dans le compartiment vasculaire, exerçant une pression oncotique.
La force oncotique aspirant l’eau dans les capillaires s’oppose à la pression hydrostatique capillaire, qui est appliquée par l’action de pompage du cœur. Si cette pression devient trop importante (par exemple. si le cœur tombe en panne et que la pression veineuse capillaire augmente), la pression hydrostatique capillaire surmonte la pression oncotique plasmatique et force l’eau à sortir du compartiment vasculaire. Un œdème s’ensuit.
La distribution des ions dans les compartiments interstitiel et intravasculaire peut être exprimée en termes de facteur de coefficient qui décrit la distribution de l’ion dans le liquide interstitiel en proportion de sa concentration dans le plasma. Ceci est généralement appelé le facteur de Gibbs-Donnan. La valeur de ce facteur pour les cations monovalents est de 0,95 (c’est-à-dire que la concentration en sodium dans le liquide interstitiel est de 0,95 × la concentration dans le plasma). Pour les anions monovalents, c’est 1,05. Les cations divalents comme le calcium sont partiellement liés aux protéines, et l’effet Gibbs–Donnan ne s’applique qu’aux formes ionisées. Pour eux, le facteur est de 0,90 (et inversement 1,10 pour les anions divalents).
