ez a fejezet homályosan releváns a 2017.évi CICM elsődleges tanterv E(i) szakaszához, amely elvárja, hogy a vizsgajelölt “elmagyarázza az anyagok sejtmembránokon keresztüli szállításának mechanizmusait, beleértve a Gibbs-Donnan-effektus megértését”. A Gibbs-Donnan-effektus természetesen nem igazán a sejtmembránokon keresztüli transzport mechanizmusa; inkább a sejtmembránokon keresztüli transzport a Gibbs-Donnan-effektus mechanizmusa; de az ilyen kifogások értelmetlenül akadémikusak. A 14.kérdés a 2017. évi második cikkből a védjegyek 40%-át a Gibbs-Donnan effektusnak szentelte. Nyilvánvaló, hogy a vizsgázók nagy része összekeverte az elektrokémiai gradiensekkel, amelyek létrehozzák és fenntartják a nyugalmi membránpotenciált, amit a vizsgáztatók kisebb katasztrófának tekintettek. A jövőbeli zavar elkerülése érdekében A Gibbs-Donnan-effektus így foglalható össze:
- A Gibbs-Donnan-effektus a permeáns töltésű ionok egyenlőtlen eloszlását írja le egy féligáteresztő membrán mindkét oldalán, amely impermeáns töltésű ionok jelenlétében fordul elő.
- nál nél Gibbs-Donnanegyensúly,
- a membrán mindkét oldalán minden oldat elektromosan semleges lesz
- a membrán egyik oldalán lévő diffúziós ionok szorzata megegyezik a membrán másik oldalán lévő diffúziós ionok szorzatával
- a töltött ionok egyenlőtlen eloszlása által előállított elektrokémiai gradiensek transzmembrán potenciálkülönbséget eredményeznek, amelyet a membrán segítségével lehet kiszámítani Nernst-egyenlet
- az impermeant ionok jelenléte a membrán egyik oldalán ozmotikus diffúziós fokozatot hoz létre, amely vonzza a vizet az a rekesz.
- a nyugalmi membránpotenciált fenntartó mechanizmusok és a Gibbs-Donnanhatás mechanizmusai különböző jelenségek:
- a Donnanon equlibrium egy teljesen passzív folyamat: azaz nem aktív transzporterek vesznek részt ennek az egyensúlynak a fenntartásában.
- a Donnanegyensúly egy egyensúly, azaz az ionkoncentrációk a gát mindkét oldalán statikusak.
- ha a Donnan egyensúly teljesen kialakulna, az intracelluláris ionok növekedése a sejtek megduzzadását okozza a víz ozmotikus beáramlása miatt.
- a Donnan egyensúlyban a nyugalmi membránpotenciál csak körülbelül -20 mV lenne. Ez a potenciál akkor is fennállna, ha az összes Ion membránáteresztő képessége azonos lenne.
- a nyugalmi membránpotenciál ezzel szemben eltérő permeabilitást igényel a kálium és a nátrium esetében, és állandó Na+/K+ ATPáz aktivitással aktívan fennmarad.
- mivel a biológiai membránok (különösen az ingerlékeny szövetek) soha nincsenek egyensúlyban, a Goldman-Hodgkin-Katz egyenlet általában jobb választás az elektrokémiai viselkedésük magyarázatára.
ennek a témának a legalaposabb és legmeghatározóbb forrása Nicholas Sperelakis Sejtfiziológiai Forráskönyve lenne, ahol a 15.fejezet (a 3.kiadás 243. oldala) a Gibbs-Donnanegyensúlyt tárgyalja apró részletességgel. Ez valószínűleg jó referencia annak megvitatására is, hogy miért nem a Gibbs-Donnan-effektus a fő mechanizmus, amely felelős a nyugalmi membránpotenciálért. Guyton & Hall megemlíti a donnanhatást a kapilláris folyadék eltolódásával kapcsolatban a 196. oldal körül a 13. kiadásban, és ennek a jelenségnek a kezelése a leginkább kielégítő. Ganong orvosi fiziológiájának áttekintése valamivel jobb munkát végez (6.o.a 23. kiadás), körülbelül három bekezdés, ami valószínűleg elég jó a kormányzati munkához. Ha valaki temperamentumilag alkalmatlan a kalózkodásra, akkor fizethet ezekért a tankönyvekért, és megtalálhatja bennük ezeket a hivatkozásokat. Alternatív megoldásként Nguyen & Kurtz (2006) van egy ingyenes cikk online, amely részletesen tárgyalja a koncepciót, túl sok algebrával és a Gibbs-Donnan egyensúlyra összpontosítva az intersticiális és az intravaszkuláris folyadék között.
A Gibbs-Donnanhatás (vagy csak Donnanhatás) meghatározása és története
azt várhatnánk, hogy a legjobban maga Frederick George Donnan határozza meg (pl. 1911-es cikkének posztumusz újranyomtatásában), de sajnos maga Donnan soha nem ismerte a CICM elsődleges jelöltjeinek igényeit, ezért nem tett erőfeszítéseket arra, hogy elvét emlékezetes hangzássá rövidítse. Helyette, a papír kiváló, jól megírt hosszú formájú magyarázat a hatásról, valószínűleg jobb, mint bármi, amit később fényes színes tankönyvekben publikáltak. Ha rövid meghatározásra van szükség, akkor rekonstruálható a membránok enciklopédiájának bejegyzésének első bekezdéséből (Drioli & Giorno, 2015):
“a Donnanhatás a permeáns töltésű ionok kiszámítható és egyenlőtlen eloszlásának jelensége a féligáteresztő membrán mindkét oldalán, impermeáns töltésű ionok jelenlétében”
ez a Donnanhatás, vagy a Gibbs-Donnanhatás? Donnan soha nem nevezte hatását “Donnan-effektusnak”, de 1911-től kezdve ilyen néven vált ismertté, és ebben a szakaszban nulla Gibbs volt a koncepció nyilvános említésében. J.W Gibbs túlnyomórészt fizikus és matematikus volt, aki (nagymértékben) hozzájárult a kémiához néhány évtizeddel Donnan megjelenése előtt. A Donnanhatás és Gibbs publikált munkái közötti kapcsolatot 1923-ban G. S Adair tárta fel, aki 1906-ban talált egy Gibbs-egyenletet, amely lényegében azonos volt Donnanéval. Nem kétséges, hogy Donnanra Gibbs jelentős hatást gyakorolt, olyan mértékben, hogy a tiszteletére címeket adott, és úgy jellemezte őt, mint” zseniális embert, aki a mély betekintést ötvözi a logikai érvelés legmagasabb erejével ” (Donnan1925). Donnan későbbi publikációi (pl. Donnan, 1924) jól felszereltek megfelelő attribútumokkal, azaz Gibbs egyenletét a legelején elismerik. Donnan még Gibbs tudományos munkáinak kétkötetesnek tűnő hagiográfiáját is közzétette. Szóval, kinek a hatása? Úgy tűnik, hogy a” Gibbs-Donnan ” a politikailag korrekt megközelítés, ahol az időrendben korábbi szerző elsőbbséget élvez, de sok író még most is kihagyja Gibbst. Ez egy olyan helyzet, amellyel Josiah Willard Gibbs valószínűleg meglehetősen békében lett volna, tekintve, hogy olyan karakterrel rendelkezett, amely meglehetősen mentes a ragyogó ambícióktól, és “nem volt hirdető a személyes hírnévért”.
A Gibbs-Donnanhatás magyarázata
a szerző némi eredendő lassúsága miatt az alábbiakban lényegében összefoglaljuk azt az eredeti leírást, amelyet Donnan adott saját hatására 1911-ben, de káliummal helyettesítve nátrium. Ez az egyszerűsített kétrekeszes kísérlet továbbra is hatékony eszköz a koncepció magyarázatára; a celluláris realizmus hozzáadása ehhez a leíráshoz az egyértelműséget a pontossághoz áldozná.
Íme, ez a két rekesz. A főiskolai tanterv dokumentumaihoz való kötődés fenntartása érdekében címkézzük őket “intracelluláris” és “extracelluláris”. Ezekben a rekeszekben néhány ion feloldódik. Készítsünk káliumot és kloridot, mert azok fontosnak tűnnek. A rekeszek elválasztása olyan membrán, amely kissé áteresztő a kálium – és kloridionokra, de teljesen áteresztő a fehérjékre.
az elektrolitok koncentrációja minden rekeszben egyenlő, és az egyes rekeszek elektroneutralitása megmarad. Ha valaki így hajlik, akkor ezt az egyensúlyt egyenletként ábrázolhatja, ahol az ” int “intracellulárisat, az” ext ” pedig extracellulárisat jelent.
ext ons (EXT = int) int (int) int (3596)>
most cseréljük ki az intracelluláris kompartmentben lévő KCL-t kálium-proteinátra, azaz olyan molekulára, amelyben a kálium valamilyen negatív töltésű proteint (Pr -) tartalmaz konjugátumként. A fehérje nem diffundálható, ezért nem vesz részt a fenti egyenletben (azaz az ext soha nem lehet ugyanaz, mint az int). Most a kálium intracelluláris és extracelluláris koncentrációja változatlan marad (és így a kálium nem hajlamos bárhol diffundálni), de most van egy koncentrációs gradiens a kloridionok számára. Tegyük fel, hogy az eredeti koncentráció 100 mmol/L volt; a koncentráció gradiens most 100 mmol/L-től 0 mmol/l-ig terjed.
mivel a membrán áteresztő a kloridionokra, és most van egy koncentrációgradiens, a kloridionok egy része diffundál az intracelluláris rekeszbe. Szükség esetén néhány káliumion kíséri őket, így az elektroneutralitás megmarad.
a kloridionokat az intracelluláris rekeszben lévő negatív töltésű fehérje is taszítja, így a klorid nagy része a membrán extracelluláris oldalán marad.
tehát; az elektroneutralitás megmarad. Tehát a diffúziós ionok teljes koncentrációmérlege, oly módon, hogy az extracelluláris diffúziós ionkoncentrációk szorzata megegyezik az intracelluláris diffúziós ionkoncentrációk szorzatával:
ext xhamsteren ext = INT xhamsteren int
anélkül, hogy beleesnénk a másodfokú egyenletek nyúllyukába, elegendő azt mondani, hogy ha mindkét oldalon 100 mmol/L koncentrációval kezdtük, akkor a fehérje hozzáadása után körülbelül 33 mmol/L kloridot kapunk az intracelluláris oldalon, valamint 133 mmol/L káliumot; az extra ionmolekulák az extracelluláris folyadékból származnak, és ezért ez a rekesz viszonylag ionszegény lesz, fajonként körülbelül 66,6 mmol/l.
Természetesen, mivel van egy elektromos gradiens, valamint egy kémiai diffúziós gradiens, amely az ionokra hat, a töltés kissé egyenlőtlen eloszlása lesz a membránon, ami potenciálkülönbséghez vezet. Ez egy ismerős fogalom, amelyet a nyugalmi membránpotenciálról szóló fejezetben részletesen tárgyalunk. Elegendő azt mondani, hogy minden ion esetében a koncentrációgradiens és az elektromos gradiens közötti egyensúlyt a Nernst-egyenlet írja le, és a membrán teljes potenciálkülönbségét, amely az összes ionmozgás együttes hatásából származik, a Goldman–Hodgkin–Katz-egyenlet írja le, figyelembe véve azt a tényt, hogy minden ion esetében a membrán permeabilitása eltérő lesz. Röviden: A Gibbs-Donnan-effektus transzmembrán potenciálkülönbséget hoz létre, mert a töltött ionok eloszlása a membránon egyenetlen. Ez a potenciális különbség nyilvánvalóan meglehetősen kicsi. Sperelakis (2011) -20 mV értéket ad, bár nem világos, honnan származik ez a szám.
tehát most A Gibbs-Donnan egyensúlyban vagyunk: a diffúziós ionkoncentrációk termékeinek mindkét oldalon azonosnak kell lenniük, és a membrán mindkét oldalán megmarad az elektromos semlegesség. A nem diffúz fehérje jelenléte azonban az intracelluláris molekulák teljes koncentrációját sokkal magasabbra teszi, mint az extracelluláris molekulák koncentrációja:
intracelluláris koncentráció = int + int + int
extracelluláris koncentráció = ext + ext
valójában ebben a (vadul fiziológiailag pontatlan) gondolatkísérletben az ozmolalitás különbsége meglehetősen éles (körülbelül 134 mOsm/L különbség van). Ezzel a fajta ozmotikus gradienssel a víz átáramlik a membránon, aminek következtében a sejt szörnyen megduzzad és felrobban.
nyilvánvaló, hogy ez nem történik meg in vivo. A Na+ / K + ATPáz nagy szerepet játszik a sejtes ozmoexplózió megakadályozásában azáltal, hogy három nátriumiont pumpál ki a sejtből két káliumért cserébe. A sejtmembrán szörnyű nátrium-permeabilitása azt jelenti, hogy a nátrium általában az extracelluláris rekeszben marad, fenntartva ott az ozmolalitást. Ennek eredményeként egy második Donnanhatás (ezúttal a nem diffúziós ionok extracelluláris nátrium) jön létre a membránon, amely fenntartja az ozmotikus ellengradienst a víz mozgásához. Így minden sejtmembránon” kettős Donnanhatás ” van. Vizsga céljából a CICM gyakornokának azt tanácsoljuk, hogy kerülje az olyan kifejezéseket, mint az” osmoexplosion”; a hivatalos nyilatkozat az lenne, hogy”az ATP-meghajtású nátriumszivattyúk csökkentik az intracelluláris ozmolalitást azáltal, hogy aktívan szállítják a nátriumot az intracelluláris folyadékból, ezáltal fenntartva a sejttérfogat homeosztázisát egy második Donnanhatás révén”.
a Na+/K+ ATPáz fontosságát a stabil sejttérfogat fenntartásában számos korai szerző jól bizonyította, akik különböző módszerekkel letiltották a pumpát, majd megfigyelték, ahogy a sejtek megduzzadtak és megrepedtek. Például Russo et al (1977) hipotermiát használt az összes sejt metabolikus aktivitásának megállítására és ezáltal az ionszivattyúzás megszüntetésére. A patkánymájszeleteket inkubáltuk 1 INCC-on 90 percig, majd elektronmikroszkóppal megvizsgáltuk, összehasonlítva őket normoterm kontrollokkal. Az ionszivattyúk letiltásával a sejtek mérete jelentősen megnőtt. Víztartalmuk körülbelül 60% – kal nőtt, nátriumtartalmuk pedig több mint megnégyszereződött.
Gibbs-Donnan hatások a sejtskálán túl
A Gibbs-Donnanhatás a sejt zavaró ATP-pumpával fertőzött környezetének befolyásolása mellett más makroszkopikus környezeteket is befolyásol, és e kérdések részletes megvitatása révén e fejezet hatáskörén kívül esik, helytelen lenne teljesen figyelmen kívül hagyni a koncepció ezen alkalmazásait. Röviden, ahol egy membrán elválasztja a rekeszeket, és izolál egy nem diffúziós anyagot az egyikben, megtalálhatjuk a Gibbs-Donnanhatás alkalmazását.
Ausztráliában Kerry Brandis the Physiology Viva című könyve általában az első részletes bevezetés ebbe a koncepcióba, amellyel az orvosit elhagyva találkozunk, és az alábbiakban tárgyalt példát a témával kapcsolatos kiváló jegyzeteiből dolgozták ki. Ha valaki igényel valami lényeges a publikált szakirodalom, és nem hajlandó fizetni Brandis könyve, Nguyen & Kurtz (2006) készített egy kiváló felülvizsgálatát a téma, sörtéjű sűrű bozót matematikai levezetések. A vizsga fókuszának néhány maradványának fenntartása érdekében ezeket kihagytuk az alábbi vitából.
röviden, ismét két rekeszt mutatunk be, ezúttal interstitialis és intravaszkuláris. Töltsük meg ezeket fiziológiailag elfogadható elektrolitkoncentrációkkal.
az összes ion a helyén marad. Nincsenek olyan erők, amelyek elmozdítanák őket. Most adjunk hozzá néhány anionos fehérjét, mint korábban.
most van egy elektrosztatikus erő, amely taszítja a kloridot az intravaszkuláris rekeszből. Következésképpen több klorid gyűlik össze az intersticiális folyadékban. Ugyanaz az erő vonzza vissza a nátriumot az intravaszkuláris rekeszbe. Ez versenyez a koncentrációgradienssel. Annak érdekében, hogy a koncepció könnyebben érthető legyen, a szerző óvodai szintű grafikai tervezéshez folyamodott, amely az elektrokémiai gradienseket színes lejtőkkel ábrázolja. Szinte el lehet képzelni, hogy kis ionok csúsznak le rajtuk.
az anionos fehérje nátriumra gyakorolt vonzó ereje versenyez a koncentrációgradienssel, amely visszaszívja az intersticiális rekeszbe. Egy bizonyos koncentrációban valamilyen egyensúly érhető el.
természetesen a valóságban ez nem igazi egyensúly. A membrán mindkét oldalán még mindig egyenlőtlen a részecskekoncentráció. A koncentrációgradiens és az elektrosztatikus gradiens között egyensúly van, de még mindig van víz, amelyet figyelembe kell venni.
a víz ozmotikusan vonzódik az érrendszerbe. A víz mozgása ezután hígítja az ionok koncentrációját, és megváltozik a koncentráció gradiensük. Tehát nincs stabil egyensúlyi állapot.
egyes ionok elmozdulnak az intravaszkuláris térből, de a Gibbs-Donnan egyensúlyban még mindig több részecske van az érrendszerben, onkotikus nyomást gyakorolva.
a vizet a kapillárisokba szívó onkotikus erőt ellenzi a kapilláris hidrosztatikus nyomás, amelyet a szív pumpáló hatása alkalmaz. Ha ez a nyomás túl nagy lesz(pl. ha a szív meghibásodik, és a kapilláris vénás nyomás emelkedik) a kapilláris hidrosztatikus nyomás legyőzi a plazma onkotikus nyomást, és kiszorítja a vizet az érrendszerből. Ödéma következik be.
az ionok eloszlása az intersticiális és intravaszkuláris rekeszekben egy koefficiens tényezővel fejezhető ki, amely leírja az ion eloszlását az intersticiális folyadékban a plazmakoncentráció arányában. Ezt általában Gibbs-Donnan faktornak nevezik. Ennek a tényezőnek az értéke monovalens kationok esetén 0,95(azaz az intersticiális folyadék nátriumkoncentrációja 0,95 a plazmakoncentráció). Monovalens anionok esetében annak 1,05. A kétértékű kationok, mint a kalcium, részben fehérjéhez kötődnek, és a Gibbs – Donnanhatás csak az ionizált formákra vonatkozik. Számukra a tényező 0,90 (fordítva pedig 1,10 a kétértékű anionok esetében).
