Gibbs-Donnan-effekten

dette kapittelet er svakt relevant For Seksjon E (i) i 2017 Cicm Primærpensum, som forventer at eksamenskandidaten skal «forklare mekanismer for transport av stoffer over cellemembraner, inkludert forståelse Av Gibbs-Donnan-effekten». Gibbs-Donnan-effekten er selvfølgelig ikke egentlig en transportmekanisme over cellemembraner; snarere er transport over cellemembraner mekanismen For Gibbs-Donnan-effekten; men slike innvendinger er meningsløst akademiske. Spørsmål 14 fra det andre papiret i 2017 dedikert 40% av merkene Til Gibbs-Donnan-effekten. Tilsynelatende forvirret et stort antall eksamenskandidater det med de elektrokjemiske gradienter som produserer og opprettholder hvilemembranpotensialet, som eksaminatorene så på som en mindre katastrofe. For å hindre fremtidig forvirring kan Gibbs-Donnan-effekten oppsummeres slik:

Den mest grundige og definitive ressursen for dette emnet må Være Nicholas Sperelakis ‘ Cell Physiology Source Book, Hvor Kapittel 15 (s.243 av 3. utgave) diskuterer Gibbs-Donnan-likevekten i liten detalj. Det er sannsynligvis også en god referanse for en diskusjon om hvorfor Gibbs-Donnan-effekten ikke er hovedmekanismen som er ansvarlig for hvilemembranpotensialet. Guyton & Hall nevner Donnan-effekten i forhold til kapillærvæskeskift rundt side 196 i 13. utgave, og behandlingen av dette fenomenet er mest utilfredsstillende. Ganongs Gjennomgang Av Medisinsk Fysiologi gjør en litt bedre jobb (s.6 i 23. utgave), tre eller så avsnitt som sannsynligvis er gode nok til regjeringens arbeid. Hvis man er temperamentelt uegnet til piratkopiering, kan man betale for disse lærebøkene og finne disse referansene i dem. Alternativt har Nguyen & Kurtz (2006) en gratis artikkel på nettet som diskuterer konseptet i detalj, med overmuch algebra og fokus på Gibbs-Donnan-likevekten mellom interstitial og intravaskulær væske.

Definisjon og historie Av Gibbs-Donnan (Eller bare Donnan) Effekt

man kan forvente at Det skal best defineres Av Frederick George Donnan selv (f.eks. i en posthum opptrykk av hans 1911 papir), men dessverre Donnan selv hadde aldri vært kjent med behovene TIL cicm primære kandidater og derfor gjorde ingen forsøk på å forkorte hans prinsipp til en minneverdig soundbite. I stedet, papiret er en utmerket, godt skrevet langform forklaring på effekten, sannsynligvis bedre enn noe senere publisert i glossy farge lærebøker. Hvis man trenger en kort definisjon, kan man rekonstrueres fra første ledd i oppføringen fra Encyclopedia Of Membranes (Drioli & Giorno, 2015):

«Donnan Effekten er fenomenet forutsigbar og ulik fordeling av permeant ladede ioner på hver side av en semipermeable membran, i nærvær av impermeant ladede ioner»

Er Det Donnan-effekten, Eller Er Det Gibbs-Donnan-effekten? Donnan kalte aldri sin effekt «donnan-effekten», men fra 1911 ble det kjent som sådan, og på dette stadiet var det null Gibbs i de offentlige nevnene om dette konseptet. J.W Gibbs var overveiende en fysiker og matematiker som bidro (massivt) til kjemi noen tiår før Donnan kom sammen. Forholdet Mellom donnan-effekten og publiserte Verk Av Gibbs ble avdekket i 1923 Av G. S Adair, som fant En Gibbsian ligning fra 1906 som var i hovedsak identisk Med donnans ligning. Det er liten tvil om At Donnan var betydelig påvirket Av Gibbs, i den grad han ga adresser til hans ære og beskrev ham som «en geni-mann, som kombinerte dyp innsikt med de høyeste krefter av logisk resonnement» (Donnan, 1925). Senere publikasjoner Av Donnan (f.eks. Donnan, 1924) er godt innredet med passende attribusjoner, dvs. Gibbs ‘ ligning er anerkjent i begynnelsen. Donnan selv gikk på å publisere det som synes å være en to-volum hagiography Av Gibbs ‘ vitenskapelige verk. Så, hvis effekt er det? «Gibbs-Donnan» synes å være den mest politisk korrekte tilnærmingen hvor den kronologisk tidligere forfatteren er gitt forrang, men Mange forfattere utelater Gibbs selv nå. Dette er en tilstand Som Josiah Willard Gibbs ville trolig ha vært helt i fred med, vurderer at han hadde en karakter heller blottet for flamboyant ambisjon, og var «ikke en annonsør for personlig berømmelse».

Forklaring Av Gibbs – donnan-effekten

på grunn av noe iboende lassitude fra forfatterens side, er det som følger i hovedsak en rekapitulasjon av den opprinnelige beskrivelsen Donnan ga for sin egen effekt i 1911, men med kalium substituert for natrium. Dette forenklede to-kompartmenteksperimentet forblir et effektivt middel for å forklare konseptet; å legge til cellulær realisme til denne beskrivelsen vil ofre klarhet til nøyaktighet.

Se, disse to rommene. For å opprettholde noen vedlegg til college pensum dokumenter, la oss merke dem «intracellulær» og «ekstracellulær». I disse rommene oppløses noen ioner. La oss lage de kalium og klorid, fordi de virker viktige. Separering av romene er en membran som er noe permeabel for kalium-og kloridioner, men helt ugjennomtrengelig for proteiner.

konsentrasjonen av elektrolytter i hvert rom er lik, og elektroneutraliteten til hvert rom opprettholdes. Hvis man var på den måten tilbøyelig, kan man være i stand til å representere denne likevekten som en ligning, hvor » int «betyr intracellulær og» ext » betyr ekstracellulær.

ext × ext = int × int

la Oss nå erstatte KCl i det intracellulære rommet med et kaliumproteinat, dvs.et molekyl hvor kalium kommer med noe negativt ladet protein (Pr-) som konjugat. Proteinet er ikke diffuserbart, og så deltar det ikke i ligningen ovenfor (dvs. ext kan aldri være det samme som int). Nå forblir intracellulære og ekstracellulære konsentrasjoner av kalium det samme (og kalium er ikke tilbøyelig til å diffundere hvor som helst), men nå er det en konsentrasjonsgradient for kloridioner. La oss si at den opprinnelige konsentrasjonen var 100 mmol / L; konsentrasjonsgradienten er nå fra 100 mmol / L til 0 mmol / L.

så, fordi membranen er gjennomtrengelig for kloridioner og nå er det en konsentrasjonsgradient, diffunderer noen av kloridionene inn i det intracellulære rommet. Av nødvendighet blir de ledsaget av noen kaliumioner, slik at elektroneutralitet blir bevart.

kloridionene avstøtes også av det negativt ladede proteinet i det intracellulære rommet, og så forblir hoveddelen av kloridet på den ekstracellulære siden av membranen.

så; elektroneutralitet er bevart. Så er den totale konsentrasjonsbalansen av diffusible ioner, slik at produktet av ekstracellulære diffusable ionkonsentrasjoner er det samme som produktet av intracellulære diffusible ionkonsentrasjoner:

ext × ext = int × int

uten å falle inn i et kaninhull av kvadratiske ligninger, vil det være nok å si at hvis vi startet med konsentrasjoner på 100 mmol/L på hver side, når protein er tilsatt, ender vi opp med ca.33 mmol/L klorid på intracellulær side, samt 133 mmol/l kalium; de ekstra ionmolekylene kom fra ekstracellulærvæsken, og derfor blir dette rommet relativt ionfattig, med ca 66,6 mmol/l av hver art.

nå, selvfølgelig, fordi det er en elektrisk gradient samt en kjemisk diffusjonsgradient som virker på ionene, vil det være en litt ulik fordeling av ladning over membranen, noe som fører til en potensiell forskjell. Dette er et kjent konsept diskutert i store lengder i kapitlet om hvilemembranpotensialet. Det er nok å si at for hver ion er balansen mellom konsentrasjonsgradienten og den elektriske gradienten beskrevet Av nernst-ligningen, og den totale potensielle forskjellen over membranen som resulterer fra den kombinerte effekten av alle ionbevegelsene, kan beskrives Av Goldman-Hodgkin-Katz-ligningen, idet man tar hensyn til det faktum at for hver ion vil membranpermeabiliteten være forskjellig. Kort sagt, Gibbs-donnan-effekten setter opp en transmembranpotensialforskjell fordi fordelingen av ladede ioner over membranen er ujevn. Denne potensielle forskjellen er tilsynelatende ganske liten. Sperelakis (2011) gir en verdi på -20 mV, men det er ikke klart hvor dette tallet kommer fra.

så, Vi er Nå På Gibbs-Donnan-likevekten: produktene av diffusible ionkonsentrasjoner må være de samme på begge sider, og på hver side av membranen er elektrisk nøytralitet bevart. Tilstedeværelsen av ikke-diffusibelt protein gjør imidlertid den totale konsentrasjonen av intracellulære molekyler mye høyere enn konsentrasjonen av ekstracellulære molekyler:

Intracellulær konsentrasjon = int + int + int

Ekstracellulær konsentrasjon = ext + ext

faktisk, i dette (vilt fysiologisk unøyaktige) tankeeksperimentet, er forskjellen i osmolalitet ganske sterk (det er omtrent 134 mOsm/L forskjell). Med denne typen osmotisk gradient vil vann bølge over membranen, noe som får cellen til å svulme hideously og eksplodere.

Det Skjer Selvsagt Ikke in vivo. Na + / K + atpase spiller en viktig rolle i å forhindre cellulær osmoeksplosjon ved å pumpe tre natriumioner ut av cellen i bytte for to kalium. Den forferdelige natriumpermeabiliteten til cellemembranen betyr at natrium generelt holder seg til det ekstracellulære rommet, og opprettholder osmolaliteten der. Som et resultat etableres en andre donnan-effekt (denne gangen med de ikke-diffusible ioner som ekstracellulær natrium) over membranen, som opprettholder en osmotisk motgradient for vannbevegelse. Dermed er det en «dobbel Donnan-effekt» i aksjon ved hver cellemembran. For eksamensformål, cicm trainee ville bli bedt om å unngå begreper som «osmoexplosion»; den formelle uttalelsen ville være at «ATP-drevne natriumpumper redusere intracellulær osmolalitet ved aktivt å transportere natrium ut av den intracellulære væske, og dermed opprettholde cellevolum homeostase via en andre donnan effekt».

betydningen Av Na + / K + ATPase for å opprettholde et stabilt cellevolum ble godt etablert av en rekke tidlige forfattere som deaktiverte pumpen ved hjelp av ulike metoder og deretter observert da cellene svulmet og bristet. For eksempel Brukte Russo et al (1977) hypotermi for å stoppe all cellulær metabolsk aktivitet og dermed avskaffe ionpumping. Rotteleverskivene ble inkubert VED 1º i 90 minutter og deretter undersøkt under et elektronmikroskop, sammenlignet med normoterme kontroller. Med ionpumper deaktivert, økte cellene i størrelse markant. Deres vanninnhold økte med ca 60%, og deres natriuminnhold mer enn firedoblet.

Gibbs-Donnan effects beyond the cellular scale

Bortsett fra å påvirke forvirrende ATP-pumpe-infisert miljø av cellen, Gibbs-Donnan effect også påvirker andre makroskopiske miljøer, og gjennom en detaljert diskusjon av disse sakene faller utenfor mandatet til dette kapitlet, ville det være galt å fullstendig ignorere disse anvendelser av konseptet. Kort sagt, hvor en membran skiller rom og isolerer en ikke-diffusibel substans i en av dem, kan vi finne noen anvendelse Av Gibbs-Donnan-effekten.

I Australia er Kerry Brandis ‘ The Physiology Viva vanligvis den første detaljerte introduksjonen til dette konseptet man møter etter å ha forlatt med skolen, og eksemplet som er omtalt nedenfor, er utarbeidet fra hans gode notater om emnet. Hvis man krever noe mer betydelig fra den publiserte litteraturen og ikke er villig Til Å betale For Brandis ‘ bok, Har Nguyen & Kurtz (2006) produsert en utmerket gjennomgang av emnet, bristling med en tett tykkelse av matematiske avledninger. For å opprettholde noen rester av eksamen fokus, disse har blitt utelatt fra diskusjonen nedenfor.

kort sagt, igjen presenteres vi med to rom, denne gangen interstitial og intravaskulær. La oss fylle disse med fysiologisk plausible konsentrasjoner av elektrolytter.

alle ioner forblir satt. Det er ingen krefter som skifter dem rundt. Nå kan vi legge til noe anionisk protein, som før.

Nå er det en elektrostatisk kraft som avviser klorid ut av det intravaskulære rommet. Følgelig samler mer klorid i interstitialvæsken. Den samme kraften tiltrekker natrium tilbake i det intravaskulære rommet. Dette konkurrerer med konsentrasjonsgradienten. For å gjøre konseptet lettere å forstå, har forfatteren tydd til barnehage-nivå grafisk design, som representerer de elektrokjemiske gradienter med fargede bakker. Man kan nesten forestille seg små ioner som glir ned dem.

den attraktive kraften av anionisk protein for natrium konkurrerer med konsentrasjonsgradienten suger den tilbake i interstitialrommet. Ved en viss konsentrasjon oppnås en slags likevekt.

selvfølgelig er dette i virkeligheten ikke en sann likevekt. Det er fortsatt ulik partikkelkonsentrasjon på begge sider av membranen. En likevekt mellom konsentrasjonsgradienten og den elektrostatiske gradienten er nådd, men det er fortsatt vann å vurdere.

Vann er osmotisk tiltrukket i det vaskulære rommet. Bevegelsen av vann ville da fortynne konsentrasjonen av ioner, og det ville være en endring i konsentrasjonsgradienter. Så det er ingen stabil steady state.

det er bevegelse av noen ioner ut av det intravaskulære rommet, men Ved Gibbs-Donnan-likevekt er det fortsatt flere partikler i det vaskulære rommet, og utøver et onkotisk trykk.

den onkotiske kraften som suger vann inn i kapillærene, er motsatt av det kapillære hydrostatiske trykket, som påføres ved pumpevirkningen av hjertet. Hvis dette trykket blir for stort (f.eks. hvis hjertet svikter og kapillært venetrykk stiger) det kapillære hydrostatiske trykket overvinter plasma onkotisk trykk og tvinger vannet ut av det vaskulære rommet. Ødem oppstår.

fordelingen av ioner i interstitiale og intravaskulære rom kan uttrykkes i form av en koeffisientfaktor som beskriver fordelingen av ion i interstitialvæsken som en andel av konsentrasjonen i plasma. Dette er generelt referert Til Som Gibbs-Donnan-Faktoren. Verdien av denne faktoren for monovalente kationer er 0,95 (dvs. natriumkonsentrasjonen i interstitialvæsken er 0,95 × konsentrasjonen i plasma). For monovalente anioner er det 1,05. Divalente kationer som kalsium er delvis proteinbundet, Og Gibbs-Donnan-effekten gjelder bare for ioniserte former. For dem er faktoren 0,90 (og omvendt 1,10 for de divalente anioner).