この章は、2017CICMプライマリーシラバスのセクションE(i)に漠然と関連しており、試験候補者は”ギブス-ドンナン効果の理解を含む細胞膜を横断する物質の輸送メカニズムを説明する”ことを期待している。 ギブス-ドンナン効果はもちろん、実際には細胞膜を横断する輸送のメカニズムではなく、むしろ、細胞膜を横断する輸送はギブス-ドンナン効果のメカニズムであるが、そのような異議は無意味に学術的である。 質問14 2017年の第二の論文から、マークの40％をギブス-ドナン効果に捧げました。 どうやら、試験の候補者の多くは、試験官がマイナーな災害として見た休息膜電位を生成し、維持する電気化学勾配とそれを混同しました。 将来の混乱を防ぐために、Gibbs-Donnan効果を次のように要約することができます:
- Ｇｉｂｂｓ-Ｄｏｎｎａｎ効果は，不透過性荷電イオンの存在下で起こる半透膜の両側における透過性荷電イオンの不均一な分布を記述する。
- ギブス-ドナン平衡では、
- 膜の両側では、各溶液は電気的に中性になります
- 膜の片側の拡散性イオンの積は、膜の反対側の拡散性イオンの積に等しくなります
- 荷電イオンの不均等な分布によって生成される電気化学勾配は、膜貫通電位差を生成し、これは以下を用いて計算することができる。ネルンスト方程式
- 膜の片側に不透過性イオンが存在することにより、浸透拡散勾配が生じ、水を次のように引き寄せる。 そのコンパートメント。
- 休止膜電位を維持するメカニズムとGibbs-Donnan効果のメカニズムは異なる現象である：
- Donnan equlibriumは完全に受動的なプロセスであり、すなわち、この平衡を維持す
- ドナン平衡は平衡であり、すなわち障壁の両側のイオン濃度は静的である。
- ドナン平衡が完全に確立された場合、細胞内イオンの増加は水の浸透圧流入により細胞が膨潤する原因となる。
- ドナン平衡では、静止膜電位は-20mV程度にしかなりません。 この電位は、すべてのイオンの膜透過性が同じであっても存在するであろう。
- 静止膜電位は、対照的に、カリウムとナトリウムのための異なる透過性を必要とし、一定のNa+/K+ATPase活性によって積極的に維持されます。
- 生体膜（特に興奮性組織）は平衡状態にあることがないため、通常、それらの電気化学的挙動を説明するためのGoldman-Hodgkin-Katz方程式がより良い選択です。
このトピックの最も徹底的で決定的なリソースは、ニコラス-スペレラキスの細胞生理学のソースブックでなければならず、第15章（第3版のp.243）はギブス-ドナン平衡を非常に詳細に論じている。 これはおそらく、Gibbs-Donnan効果が休止膜電位の原因となる主なメカニズムではない理由についての議論のための良い参考資料でもあります。 Guyton&Hallは、第13版の196ページの周りの毛細管流体シフトに関連してDonnan効果に言及しており、この現象の治療は最も満足していません。 医学生理学のGanongのレビューは、わずかに良い仕事をしています(p.6の23版),おそらく政府の仕事のために十分である三つかそこらの段落. 著作権侵害に不適当であれば、これらの教科書の代金を支払い、それらの中にこれらの参考文献を見つけることができます。 また、Nguyen&Kurtz(2006)は、この概念を非常に詳細に議論する無料の記事をオンラインで持っており、過剰代数と間質液と血管内液の間のGibbs-Donnan平衡に焦点を当てています。
ギブス-ドンナン効果の定義と歴史
フレデリック-ジョージ-ドンナン自身によって最もよく定義されていると予想されるかもしれない（例えば。 彼の1911年の論文の死後の再版では）しかし、残念なことに、ドナン自身はCICMの主要候補者のニーズに精通していなかったので、彼の原則を記憶に残るsoundbiteに短縮するための努力をしなかった。 代わりに、この論文は効果の優れた、よく書かれた長い形の説明であり、おそらくその後光沢のある色の教科書に掲載されたものよりも優れています。 短い定義が必要な場合は、膜の百科事典（Drioli&Giorno、2015）のエントリの最初の段落から再構成することができます。:
“ドナン効果は、不透過性の荷電イオンの存在下で、半透膜の両側に透過性の荷電イオンが予測可能で不均等に分布する現象です”
それはDonnan効果ですか、それともGibbs-Donnan効果ですか？ ドナンは彼の効果を”ドナン効果”とは呼ばなかったが、1911年以降はそのように知られるようになり、この段階ではこの概念の一般的な言及にはギブスがなかった。 J.W Gibbsは主にDonnanが来る数十年前に化学に（大規模に）貢献した物理学者および数学者でした。 ドナン効果とギブスによる出版された作品との関係は、1923年にG.S Adairによって発掘され、1906年からドナンの方程式と本質的に同一であったギブス方程式を発見した。 ドナンがギブスの影響を大きく受けていたことは疑いの余地がなく、彼の名誉のために演説を行い、彼を”深い洞察力と論理的推論の最高の力を組み合わせた天才の男”と表現している（Donnan、1925）。 Donnanによるその後の出版物（例えば。 Donnan,1924)は適切な帰属を備えており、すなわちギブスの方程式は冒頭で認められている。 ドナンはさらにギブスの科学的作品の二巻のハギオグラフィーのように見えるものを出版した。 それで、それは誰の効果ですか？ “ギブス-ドナン”は、年代順に前の著者が優位性を与えられている最も政治的に正しいアプローチのようですが、多くの作家は今でもギブスを省略しています。 これはジョサイア・ウィラード・ギブスが派手な野心を欠いた性格を持っており、「個人的な名声のための広告主ではなかった」ことを考慮すると、おそらくかなり平和になっていたであろう状況である。
ギブス-ドンナン効果の説明
著者の一部に固有の怠惰のために、以下は本質的にドンナンが1911年に彼自身の効果のために与えた元の説明の要約であるが、ナトリウムに置き換えられたカリウムである。 この単純化された二区画実験は、概念を説明する有効な手段であり、この説明に細胞のリアリズムを追加することは、正確さに明快さを犠牲にするであろう。
見よ、これら二つの区画。 大学のシラバス文書へのいくつかの添付ファイルを維持する目的のために、私たちはそれらを”細胞内”と”細胞外”とラベル付けしましょう。 これらの区画では、いくつかのイオンが溶解する。 これらのカリウムと塩化物を作ってみましょう、それらは重要に見えるので。 コンパートメントを分けることはカリウムおよび塩化物イオンに幾分透過性であるが、蛋白質に完全に不浸透性膜である。
各区画内の電解質の濃度は等しく、各区画の電気エネルギーは維持される。 そのように傾斜していれば、この平衡を方程式として表すことができるかもしれません。”int”は細胞内を意味し、”ext”は細胞外を意味します。
ext×ext=int×int
さて、細胞内コンパートメント内のKClをプロテイン酸カリウム、すなわちカリウムが負に荷電したタンパク質（Pr-）を共役とした分子に置き換えましょう。 タンパク質は拡散性ではないため、上記の式には関与しません（つまり、extはintと同じになることはありません）。 現在、カリウムの細胞内および細胞外濃度は同じままである（したがって、カリウムはどこにも拡散する傾向はない）が、塩化物イオンの濃度勾配がある。 元の濃度は100mmol/Lで、濃度勾配は100mmol/Lから0mmol/Lになりました。
膜は塩化物イオンに対して透過性であり濃度勾配があるので塩化物イオンの一部は細胞内コンパートメントに拡散します 必要に応じて、それらはいくつかのカリウムイオンを伴うので、電気中性子は保存される。
塩化物イオンはまた細胞内コンパートメントの否定的に荷電された蛋白質によって撃退され、従って塩化物の大部分は膜の細胞外の側面に残ります。
だから;electroneutralityは保存されています。 細胞外拡散性イオン濃度の生成物が細胞内拡散性イオン濃度の生成物と同じになるように、拡散性イオンの総濃度バランスもそうである:
ext×ext=int×int
二次方程式のウサギの穴に落ちることなく、両側に100mmol/Lの濃度で開始すると、タンパク質が添加されると、細胞内側に約33mmol/Lの塩化物、133mmol/Lのカリウムで終わると言うことで十分である。-それぞれの種の約66.6ミリモル/lで、貧しい。
もちろん、電気的勾配とイオンに作用する化学的拡散勾配があるため、膜全体の電荷のわずかに不均等な分布があり、電位差につながります。 これは休止の膜の潜在性の章で大きい長さで論議されるよく知られた概念である。 各イオンについて濃度勾配と電気勾配のバランスはＮｅｒｎｓｔ方程式によって記述され，すべてのイオン運動の複合効果から生じる膜全体の電位差はＧｏｌｄｍａｎ–Ｈｏｄｇｋｉｎ–Ｋａｔｚ方程式によって記述できると言えば十分である。 要するに、Gibbs-Donnan効果は、膜を横切る荷電イオンの分布が不均一であるため、膜貫通電位差を設定します。 この電位差は明らかに非常に小さい。 Sperelakis(2011)は-20mVの値を与えますが、その数値がどこから来たのかは明らかではありません。
拡散性イオン濃度の生成物は両側で同じでなければならず、膜の両側で電気的中立性が保存されています。 しかし、非拡散性タンパク質の存在は、細胞内分子の総濃度を細胞外分子の濃度よりもはるかに高くする:
細胞内濃度=int+int+int
細胞外濃度=ext+ext
実際、この（乱暴に生理学的に不正確な）思考実験では、浸透圧の差はかなり厳しいです（約134mOsm/Lの差があります）。 この種の浸透圧勾配では、水が膜を横切って急増し、細胞が恐ろしく膨潤して爆発する。
明らかに、それは生体内では起こりません。 Ｎ ａ＋／Ｋ＋Ａｔｐアーゼは，二つのカリウムと引き換えに三つのナトリウムイオンを細胞からポンピングすることにより，細胞浸透圧の防止に大きな役割を果たしている。 細胞膜のひどいナトリウムの透磁率はナトリウムが細胞外コンパートメントに一般に保ち、そこに浸透圧を維持することを意味します。 その結果、第二のドナン効果（今回は非拡散性イオンが細胞外ナトリウムである）が膜を横切って確立され、水の移動のための浸透圧反対勾配を維持する。 従って、あらゆる細胞膜で行為に”二重Donnan効果”があります。 試験の目的のために、CICMの研修生は”osmoexplosion”のような言葉を避けるように助言される;形式的な声明は”ATP動力を与えられたナトリウムポンプは積極的に細胞内の液体からナトリウムを運ぶことによって細胞内のosmolalityを減らし、それにより第二のDonnanの効果によって細胞の容積の恒常性を維持する”ことである。
安定した細胞容積を維持する上でのNa+/K+ATPaseの重要性は、様々な方法を使用してポンプを無効にし、細胞が膨潤し破裂するのを観察した一連の初期の著者 例えば、Russo et al(1977)は、低体温症を使用して、すべての細胞代謝活性を停止させ、それによってイオンポンピングを廃止した。 ラット肝臓スライスを1º Cで90分間インキュベートし、電子顕微鏡下で調べ、それらを正常熱対照と比較した。 イオンポンプを無効にすると，細胞のサイズは著しく増加した。 その水分content有量は約60％増加し、そのナトリウムcontent有量は四倍以上であった。
ギブス-ドナン効果細胞スケールを超えた
ギブス-ドナン効果は、細胞の混乱するATPポンプが出没する環境に影響を与えることとは別に、ギブス-ドナン効果は他の巨視的な環境にも影響を与え、これらの問題の詳細な議論は本章の範囲外であるため、これらの概念の適用を完全に無視することは間違っているだろう。 要するに、膜が区画を分離し、そのうちの1つの中で非拡散性物質を分離するところであれば、Gibbs-Donnan効果のいくつかの応用を見つけることができます。
オーストラリアでは、Kerry Brandisの生理学Vivaは、通常、med学校を出た後に遭遇するこの概念の最初の詳細な紹介であり、以下で説明する例は、彼の優れたノートから精緻化されている。 出版された文献からより実質的な何かを必要とし、Brandisの本のために支払うことを望まない場合、Nguyen&Kurtz(2006)は、数学的導出の密な茂みで剛毛、主題の優れたレビューを 試験の焦点のいくつかの痕跡を維持するために、これらは以下の議論から省略されています。
要するに、再び我々は二つの区画、今回は間質と血管内を提示されています。 生理学的にもっともらしい濃度の電解質でこれらを満たしてみましょう。
すべてのイオンが置かれて滞在しています。 それらを動かす力はありません。 今度は前にように陰イオン蛋白質を、加えることを許可する。
今、血管内コンパートメントから塩化物をはじく静電気力があります。 その結果、より多くの塩化物が間質液中に収集される。 同じ力がナトリウムを血管内コンパートメントに引き戻しています。 これは濃度勾配と競合する。 概念を理解しやすくするために、著者は幼稚園レベルのグラフィックデザインに頼っており、色付きの斜面で電気化学的勾配を表現しています。 一つは、ほとんどそれらを滑り落ちる小さなイオンを想像することができます。
ナトリウムに対するアニオン性タンパク質の引力は、それを間質コンパートメントに吸い込む濃度勾配と競合する。 ある濃度では、ある種の平衡に達する。
もちろん、現実にはこれは真の均衡ではありません。 膜の両側にはまだ不均一な粒子濃度があります。 濃度勾配と静電勾配との間の平衡に達しますが、考慮すべき水がまだあります。
水は血管室に浸透圧で引き寄せられます。 水の動きは、イオンの濃度を希釈し、それらの濃度勾配に変化があるであろう。 したがって、安定した定常状態はありません。
血管内空間からいくつかのイオンが移動していますが、ギブス-ドナン平衡では血管室にまだ多くの粒子があり、腫瘍圧を発揮します。
毛細血管に水を吸う腫瘍力は、心臓のポンプ作用によって加えられる毛細血管静水圧によって反対されます。 この圧力があまりにも大きくなった場合（例えば。 心臓が機能しなくなり、毛細血管静脈圧が上昇すると、毛細血管静水圧は血漿腫瘍圧を克服し、血管区画から水を強制的に排出する。 浮腫が続いています。
間質および血管内区画におけるイオンの分布は、間質液中のイオンの分布を血漿中の濃度の割合として記述する係数係数で表すことができる。 これは一般にGibbs-Donnan因子と呼ばれます。 一価カチオンに対するこの因子の値は0.95である（すなわち、間質液中のナトリウム濃度は血漿中の濃度の0.95倍である）。 一価アニオンの場合、その1.05。 カルシウムのような二価の陽イオンは部分的にタンパク質結合しており、ギブス–ドナン効果はイオン化された形態にのみ適用される。 それらのために、因子は0.90（逆に二価アニオンの場合は1.10）である。
