L’effetto Gibbs-Donnan

Questo capitolo è vagamente rilevante per la Sezione E(i) del programma primario CICM 2017, che prevede che il candidato all’esame “spieghi i meccanismi di trasporto di sostanze attraverso le membrane cellulari, inclusa una comprensione dell’effetto Gibbs-Donnan”. L’effetto Gibbs-Donnan non è ovviamente un meccanismo di trasporto attraverso le membrane cellulari; piuttosto, il trasporto attraverso le membrane cellulari è il meccanismo dell’effetto Gibbs-Donnan; ma tali obiezioni sono inutilmente accademiche. La domanda 14 del secondo articolo del 2017 ha dedicato il 40% dei marchi all’effetto Gibbs-Donnan. Apparentemente, un gran numero di candidati all’esame lo confondeva con i gradienti elettrochimici che producono e mantengono il potenziale di membrana a riposo, che gli esaminatori consideravano un disastro minore. Per evitare confusione futura, l’effetto Gibbs-Donnan può essere riassunto così:

La risorsa più completa e definitiva per questo argomento dovrebbe essere il libro di Nicholas Sperelakis Cell Physiology Source, dove il capitolo 15 (p.243 della 3a edizione) discute l’equilibrio Gibbs-Donnan in minimi dettagli. Questo è probabilmente anche un buon riferimento per una discussione sul perché l’effetto Gibbs-Donnan non è il principale meccanismo responsabile del potenziale di membrana a riposo. Guyton & Hall menziona l’effetto Donnan in relazione agli spostamenti del fluido capillare a pagina 196 della 13a edizione, e il trattamento di questo fenomeno è molto insoddisfacente. La revisione della fisiologia medica di Ganong fa un lavoro leggermente migliore (p.6 della 23a edizione), tre o più paragrafi che è probabilmente abbastanza buono per il lavoro del governo. Se uno è temperamentally inadatto alla pirateria, si può pagare per questi libri di testo e trovare questi riferimenti al loro interno. In alternativa, Nguyen & Kurtz (2006) ha un articolo gratuito online che discute il concetto in grande dettaglio, con un’algebra eccessiva e un focus sull’equilibrio Gibbs-Donnan tra fluido interstiziale e intravascolare.

Definizione e storia dell’effetto Gibbs-Donnan (o semplicemente Donnan)

Ci si potrebbe aspettare che sia meglio definito da Frederick George Donnan stesso(ad es. in una ristampa postuma del suo articolo del 1911) ma sfortunatamente Donnan stesso non aveva mai avuto familiarità con le esigenze dei candidati primari del CICM e quindi non fece alcuno sforzo per abbreviare il suo principio in un suono memorabile. Invece, la carta è un eccellente, ben scritto a lungo forma spiegazione dell’effetto, probabilmente meglio di qualsiasi altra cosa successivamente pubblicato in libri di testo a colori lucidi. Se si ha bisogno di una breve definizione, si può ricostruire dal primo paragrafo della voce dall’Enciclopedia delle Membrane (Drioli & Giorno, 2015):

“L’effetto Donnan è il fenomeno della distribuzione prevedibile e disuguale di ioni carichi permeanti su entrambi i lati di una membrana semipermeabile, in presenza di ioni carichi impermeabili”

È l’effetto Donnan o è l’effetto Gibbs-Donnan? Donnan non chiamò mai il suo effetto “l’effetto Donnan”, ma dal 1911 in poi divenne noto come tale, e in questa fase non c’era zero Gibbs nelle menzioni pubbliche di questo concetto. J.W Gibbs è stato prevalentemente un fisico e matematico che ha contribuito (massicciamente)alla chimica alcuni decenni prima Donnan è arrivato. Il rapporto tra l’effetto Donnan e le opere pubblicate da Gibbs è stato portato alla luce nel 1923 da G. S Adair, che ha trovato un’equazione gibbsiana dal 1906 che era essenzialmente identica all’equazione di Donnan. Non c’è dubbio che Donnan sia stato significativamente influenzato da Gibbs, al punto di dare indirizzi in suo onore e descriverlo come “un uomo di genio, che combina profonda intuizione con i più alti poteri del ragionamento logico” (Donnan, 1925). Successive pubblicazioni di Donnan (es. Donnan, 1924) sono ben forniti di attribuzioni appropriate, cioè l’equazione di Gibbs è riconosciuta all’inizio. Donnan ha anche continuato a pubblicare quella che sembra essere un’agiografia in due volumi delle opere scientifiche di Gibbs. Quindi, di chi è l’effetto? “Gibbs-Donnan” sembra essere l’approccio più politicamente corretto in cui viene dato il primato all’autore cronologicamente precedente, ma molti scrittori omettono Gibbs anche ora. Questo è uno stato di cose che Josiah Willard Gibbs sarebbe probabilmente stato abbastanza in pace con, considerando che possedeva un personaggio piuttosto privo di ambizione fiammeggiante, e non era “un inserzionista per fama personale”.

Spiegazione dell’effetto Gibbs-Donnan

A causa di una certa stanchezza intrinseca da parte dell’autore, ciò che segue è essenzialmente una ricapitolazione della descrizione originale che Donnan ha dato per il suo effetto nel 1911, ma con il potassio sostituito dal sodio. Questo esperimento semplificato a due compartimenti rimane un mezzo efficace per spiegare il concetto; aggiungere realismo cellulare a questa descrizione sacrificherebbe la chiarezza alla precisione.

Ecco questi due scomparti. Ai fini del mantenimento di un certo attaccamento ai documenti del programma universitario, etichettiamoli “intracellulari” e “extracellulari”. In questi compartimenti, alcuni ioni sono sciolti. Facciamo quelli di potassio e cloruro, perché quelli sembrano importanti. Separando i compartimenti è una membrana che è in qualche modo permeabile agli ioni di potassio e cloruro, ma completamente impermeabile alle proteine.

La concentrazione di elettroliti in ciascun compartimento è uguale e viene mantenuta l’elettroneutralità di ciascun compartimento. Se uno fosse così inclinato, si potrebbe essere in grado di rappresentare questo equilibrio come un’equazione, dove “int” significa intracellulare e “ext” significa extracellulare.

ext × ext = int × int

Ora, sostituiamo il KCl nel compartimento intracellulare con un proteinato di potassio, cioè una molecola in cui il potassio viene fornito con una proteina caricata negativamente (Pr-) come coniugato. La proteina non è diffusibile e quindi non partecipa all’equazione di cui sopra (cioè ext non può mai essere uguale a int). Ora, le concentrazioni intracellulari ed extracellulari di potassio rimangono le stesse (e quindi il potassio non è incline a diffondersi ovunque), ma ora c’è un gradiente di concentrazione per gli ioni cloruro. Diciamo che la concentrazione iniziale era di 100 mmol/L; il gradiente di concentrazione è ora da 100 mmol/L a 0 mmol/L.

Così, perché la membrana è permeabile agli ioni cloruro e ora c’è un gradiente di concentrazione, alcuni ioni cloruro diffusa nel compartimento intracellulare. Per necessità, sono accompagnati da alcuni ioni di potassio, in modo che l’elettroneutralità sia preservata.

Gli ioni cloruro sono anche respinti dalla proteina caricata negativamente nel compartimento intracellulare, e quindi la maggior parte del cloruro rimane sul lato extracellulare della membrana.

Quindi; l’elettroneutralità è preservata. Così è l’equilibrio totale di concentrazione degli ioni diffusibili, tale che il prodotto delle concentrazioni diffusibili extracellulari dello ion è lo stesso del prodotto delle concentrazioni diffusibili intracellulari dello ion:

ext × ext = int × int

Senza cadere in un buco di coniglio di equazioni di secondo grado, è sufficiente dire che, se abbiamo iniziato con le concentrazioni di 100 mmol/L su entrambi i lati, una volta che la proteina è aggiunto finiamo con circa il 33 mmol/L di cloruro di intracellulare lato, oltre a 133 mmol/L di potassio; extra ioni di molecole è venuto dal liquido extracellulare, e che, pertanto, vano diventa relativamente agli ioni di poveri, con circa il 66,6 mmol/L di ogni specie.

Ora, naturalmente, poiché c’è un gradiente elettrico e un gradiente di diffusione chimica che agisce sugli ioni, ci sarà una distribuzione leggermente diseguale della carica attraverso la membrana, portando ad una differenza di potenziale. Questo è un concetto familiare discusso a lungo nel capitolo sul potenziale di membrana a riposo. Basti dire che, per ogni ione l’equilibrio tra il gradiente di concentrazione, e il gradiente elettrico è descritto dall’equazione di Nernst, e la totale differenza di potenziale attraverso la membrana, che è il risultato dell’effetto combinato di tutti il movimento di ioni può essere descritta da Goldman–Hodgkin–Katz equazione, tenendo conto del fatto che, per ogni ione, la permeabilità della membrana sarà diverso. In breve, l’effetto Gibbs-Donnan imposta una differenza di potenziale transmembrana perché la distribuzione degli ioni caricati attraverso la membrana è irregolare. Questa differenza potenziale è apparentemente piuttosto piccola. Sperelakis (2011) dà un valore di -20 mV, anche se non è chiaro da dove provenga quel numero.

Quindi, siamo ora all’equilibrio Gibbs-Donnan: i prodotti delle concentrazioni di ioni diffusibili devono essere uguali su entrambi i lati e su ciascun lato della membrana viene preservata la neutralità elettrica. Tuttavia, la presenza di proteine non diffusibili rende la concentrazione totale di molecole intracellulari molto più alta della concentrazione di molecole extracellulari:

concentrazione Intracellulare = int + int + int

concentrazione Extracellulare = ext + ext

infatti, in questo (selvaggiamente fisiologicamente imprecise) esperimento di pensiero, la differenza in osmolalità è abbastanza stark (circa 134 mOsm/L di differenza). Con questo tipo di gradiente osmotico, l’acqua si riverserebbe attraverso la membrana, causando la cellula a gonfiarsi orribilmente ed esplodere.

Ovviamente, ciò non accade in vivo. L’ATPasi Na + / K + svolge un ruolo importante nel prevenire l’osmoesplosione cellulare pompando tre ioni di sodio dalla cellula in cambio di due potassi. La terribile permeabilità del sodio della membrana cellulare significa che il sodio generalmente si mantiene nel compartimento extracellulare, mantenendo l’osmolalità lì. Di conseguenza, un secondo effetto Donnan (questa volta con gli ioni non diffusibili essendo sodio extracellulare) è stabilito attraverso la membrana, che mantiene un contro-gradiente osmotico per il movimento dell’acqua. Quindi, c’è un” doppio effetto Donnan ” in azione in ogni membrana cellulare. Ai fini degli esami, il tirocinante CICM sarebbe consigliato di evitare termini come” osmoexplosion”; la dichiarazione formale sarebbe che”Le pompe di sodio alimentate da ATP diminuiscono l’osmolalità intracellulare trasportando attivamente il sodio dal fluido intracellulare, mantenendo così l’omeostasi del volume cellulare attraverso un secondo effetto Donnan”.

L’importanza di Na+/K+ ATPasi nel mantenere un volume cellulare stabile è stata ben stabilita da una serie di primi autori che hanno disabilitato la pompa usando vari metodi e poi osservato come le cellule si gonfiavano e si rompevano. Ad esempio, Russo et al (1977) hanno usato l’ipotermia per fermare tutta l’attività metabolica cellulare e quindi abolire il pompaggio di ioni. Le fette di fegato di ratto sono state incubate a 1ºC per 90 minuti e poi esaminate al microscopio elettronico, confrontandole con controlli normotermici. Con le pompe ioniche disabilitate, le celle aumentavano notevolmente di dimensioni. Il loro contenuto di acqua è aumentato di circa il 60% e il loro contenuto di sodio è più che quadruplicato.

Effetti di Gibbs-Donnan oltre la scala cellulare

Oltre ad influenzare l’ambiente confuso infestato da ATP-pompa della cellula, l’effetto di Gibbs-Donnan influenza anche altri ambienti macroscopici, e attraverso una discussione dettagliata di questi argomenti non rientra nelle competenze di questo capitolo, sarebbe fuori luogo ignorare completamente queste applicazioni del concetto. In breve, laddove una membrana separa i compartimenti e isola una sostanza non diffusibile all’interno di uno di essi, possiamo trovare qualche applicazione dell’effetto Gibbs-Donnan.

In Australia, La fisiologia Viva di Kerry Brandis è di solito la prima introduzione dettagliata a questo concetto che si incontra dopo aver lasciato la scuola di medicina, e l’esempio discusso di seguito è stato elaborato dalle sue eccellenti note sull’argomento. Se uno richiede qualcosa di più sostanziale dalla letteratura pubblicata e non è disposto a pagare per il libro di Brandis, Nguyen & Kurtz (2006) ha prodotto un’eccellente recensione dell’argomento, irta di una fitta boscaglia di derivazioni matematiche. Per mantenere alcune vestigia di messa a fuoco esame, questi sono stati omessi dalla discussione qui sotto.

In breve, ancora una volta siamo presentati con due compartimenti, questa volta interstiziali e intravascolari. Riempiamoli con concentrazioni fisiologicamente plausibili di elettroliti.

Tutti gli ioni rimangono fermi. Non ci sono forze che li spostano. Ora consente di aggiungere alcune proteine anioniche, come prima.

Ora, c’è una forza elettrostatica che respinge il cloruro dal compartimento intravascolare. Di conseguenza, più cloruro si raccoglie nel liquido interstiziale. La stessa forza sta attirando il sodio nel compartimento intravascolare. Questo compete con il gradiente di concentrazione. Per rendere il concetto più comprensibile, l’autore ha fatto ricorso alla progettazione grafica a livello di scuola materna, che rappresenta i gradienti elettrochimici con pendenze colorate. Si può quasi immaginare piccoli ioni scivolare giù di loro.

La forza attrattiva della proteina anionica per il sodio compete con il gradiente di concentrazione risucchiandolo nel compartimento interstiziale. Ad una certa concentrazione, viene raggiunta una sorta di equilibrio.

Naturalmente, in realtà questo non è un vero equilibrio. C’è ancora una concentrazione di particelle disuguali su entrambi i lati della membrana. Viene raggiunto un equilibrio tra il gradiente di concentrazione e il gradiente elettrostatico, ma c’è ancora acqua da considerare.

L’acqua viene attratta osmoticamente nel compartimento vascolare. Il movimento dell’acqua diluirebbe quindi la concentrazione degli ioni e ci sarebbe un cambiamento nei loro gradienti di concentrazione. Quindi non c’è uno stato stazionario stabile.

C’è movimento di alcuni ioni fuori dallo spazio intravascolare, ma all’equilibrio Gibbs-Donnan ci sono ancora più particelle nel compartimento vascolare, esercitando una pressione oncotica.

La forza oncotica che succhia l’acqua nei capillari è opposta dalla pressione idrostatica capillare, che viene applicata dall’azione di pompaggio del cuore. Se questa pressione diventa troppo grande(ad es. se il cuore fallisce e la pressione venosa capillare aumenta) la pressione idrostatica capillare supera la pressione oncotica del plasma e costringe l’acqua fuori dal compartimento vascolare. Ne consegue edema.

La distribuzione degli ioni nei compartimenti interstiziale e intravascolare può essere espressa in termini di un fattore di coefficiente che descrive la distribuzione dello ion nel liquido interstiziale in proporzione alla sua concentrazione nel plasma. Questo è generalmente indicato come il fattore Gibbs-Donnan. Il valore di questo fattore per i cationi monovalenti è 0,95 (cioè la concentrazione di sodio nel liquido interstiziale è 0,95 × la concentrazione nel plasma). Per gli anioni monovalenti, è 1.05. I cationi bivalenti come il calcio sono parzialmente legati alle proteine e l’effetto Gibbs – Donnan si applica solo alle forme ionizzate. Per loro, il fattore è 0,90 (e viceversa 1,10 per gli anioni bivalenti).