dit hoofdstuk is vaag relevant voor Sectie E (i) van de 2017 CICM primaire Syllabus, die verwacht dat de examenkandidaat “mechanismen van transport van stoffen door celmembranen zal uitleggen, inclusief een begrip van het Gibbs-Donnan-effect”. Het Gibbs-Donnan-effect is natuurlijk niet echt een mechanisme van transport over celmembranen; eerder is transport over celmembranen het mechanisme van Gibbs-Donnan-effect; maar dergelijke bezwaren zijn zinloos academisch. Opdracht 14 uit de tweede paper van 2017 besteedde 40% van de cijfers aan het Gibbs-Donnan-effect. Blijkbaar verwarde een groot aantal van de examenkandidaten het met de elektrochemische gradiënten die het rustmembraan potentieel produceren en behouden, wat de examinatoren als een kleine ramp beschouwden. Om verwarring in de toekomst te voorkomen, kan het Gibbs-Donnan-effect als volgt worden samengevat::
- het Gibbs-Donnan-effect beschrijft de ongelijke verdeling van permeante geladen ionen aan weerszijden van een semipermeabel membraan dat optreedt in de aanwezigheid van ondoordringbare geladen ionen.
- Bij Gibbs-Donnan-evenwicht,
- Aan elke kant van het membraan, elke oplossing zal zijn elektrisch neutraal
- Het product van diffundeerbare ionen aan de ene kant van het membraan gelijk aan het product van diffundeerbare ionen aan de andere kant van het membraan
- De elektrochemische verlopen geproduceerd door de ongelijke verdeling van de geladen ionen produceert een transmembraan potentiaal verschil dat kan worden berekend met behulp van de Nernst-vergelijking
- De aanwezigheid van impermeant ionen aan de ene kant van het membraan creëert osmose en diffusie gradident het aantrekken van water in dat compartiment.
- de mechanismen die het rustmembraan potentieel behouden en de mechanismen van het Gibbs-Donnan effect zijn verschillende verschijnselen:
- het Donnan equlibrium is een volledig passief proces: er zijn dus geen actieve transporters betrokken bij het handhaven van dit evenwicht.
- een Donnan-evenwicht is een evenwicht, d.w.z. ionconcentraties aan weerszijden van de barrière zijn statisch. Als het Donnan-evenwicht volledig tot stand zou komen, zou de toename van intracellulaire ionen de cellen doen opzwellen als gevolg van de osmotische toevloed van water.
- bij een Donnan-evenwicht zou de potentiële rustmembraan slechts ongeveer -20 mV bedragen. Dit potentieel zou zelfs bestaan als de membraandoorlaatbaarheid voor alle ionen gelijk was.
- het rustmembraan potentieel vereist daarentegen verschillende permeabiliteiten voor kalium en voor natrium, en wordt actief gehandhaafd door constante Na+/K+ ATPase activiteit.Omdat biologische membranen (vooral van prikkelbare weefsels) nooit in evenwicht zijn, is de Goldman-Hodgkin-Katz-vergelijking meestal een betere keuze om hun elektrochemische gedrag te verklaren.
de meest grondige en definitieve bron voor dit onderwerp zou Nicholas Sperelakis’ celfysiologie Bron boek, waar hoofdstuk 15 (p.243 van de 3e editie) bespreekt het Gibbs-Donnan evenwicht in minuscule detail. Dat is waarschijnlijk ook een goede referentie voor een discussie over waarom het Gibbs-Donnan effect niet het belangrijkste mechanisme is dat verantwoordelijk is voor het membraan potentieel in rust. Guyton & Hall noemt het Donnan-effect met betrekking tot capillaire vloeistofverschuivingen rond pagina 196 van de 13e editie, en de behandeling van dit fenomeen daar is zeer onbevredigend. Ganong ‘ s Review of Medical Physiology doet iets beter werk( p. 6 van de 23ste editie), drie of zo paragrafen die waarschijnlijk goed genoeg is voor overheidswerk. Als men is temperamentally ongeschikt voor piraterij, kan men betalen voor deze schoolboeken en vind deze referenties in hen. Als alternatief, Nguyen & Kurtz (2006) hebben een gratis artikel online dat het concept in grote detail bespreekt, met overmatige algebra en een focus op het Gibbs-Donnan evenwicht tussen interstitiële en intravasculaire vloeistof.
definitie en geschiedenis van het Gibbs-Donnan (of gewoon Donnan) Effect
men zou kunnen verwachten dat het het best wordt gedefinieerd door Frederick George Donnan zelf (bijv. in een postume herdruk van zijn artikel uit 1911) maar helaas was Donnan zelf nooit bekend met de behoeften van CICM primaire kandidaten en deed daarom geen moeite om zijn Principe af te korten tot een memorabele soundbite. In plaats daarvan is het papier een uitstekende, goed geschreven lange-vorm verklaring van het effect, waarschijnlijk beter dan alles wat vervolgens gepubliceerd in glossy kleurenboeken. Als men een korte definitie nodig heeft, kan men reconstrueren aan de hand van de eerste alinea van het artikel uit de Encyclopedia of Membranes (Drioli & Giorno, 2015):
“het Donnan-Effect is het fenomeen van voorspelbare en ongelijke verdeling van doordringende geladen ionen aan weerszijden van een semipermeabel membraan, in aanwezigheid van ondoordringbare geladen ionen”
is het het Donnan effect, of het Gibbs-Donnan effect? Donnan noemde zijn effect nooit “het Donnan-effect”, maar vanaf 1911 werd het als zodanig bekend, en in dit stadium was er nul Gibbs in het publiek noemt van dit concept. J.W Gibbs was voornamelijk een natuurkundige en wiskundige die (massaal) bijdroeg aan de chemie enkele decennia voordat Donnan langs kwam. De relatie tussen het Donnan-effect en de gepubliceerde werken van Gibbs werd in 1923 ontdekt door G. S Adair, die een Gibbsiaanse vergelijking uit 1906 vond die in wezen identiek was aan Donnans vergelijking. Er is weinig twijfel dat Donnan in belangrijke mate beïnvloed werd door Gibbs, in die mate dat hij toespraken hield ter ere van hem en hem beschreef als “een man van genialiteit, die diepgaand inzicht combineerde met de hoogste krachten van logisch redeneren” (Donnan, 1925). Latere publikaties van Donnan (bijv. Donnan, 1924) zijn goed uitgerust met de juiste attributies, dat wil zeggen Gibbs’ vergelijking wordt erkend aan het begin. Donnan publiceerde zelfs een tweedelige hagiografie van Gibbs ‘ wetenschappelijke werken. Dus, wiens effect is het? “Gibbs-Donnan” lijkt de meest politiek correcte benadering te zijn waar de chronologisch eerdere auteur voorrang krijgt, maar veel schrijvers laten Gibbs zelfs nu weg. Dit is een stand van zaken waar Josiah Willard Gibbs waarschijnlijk vrede mee zou hebben gehad, gezien het feit dat hij een karakter had dat vrij verstoken was van flamboyante ambitie, en “geen adverteerder was voor persoonlijke bekendheid”.Verklaring van het Gibbs-Donnan-effect
vanwege een zekere inherente vermoeidheid van de kant van de auteur, wat volgt is in wezen een recapitulatie van de oorspronkelijke beschrijving die Donnan gaf voor zijn eigen effect in 1911, maar met kalium vervangen door natrium. Dit vereenvoudigde experiment met twee compartimenten blijft een effectief middel om het concept te verklaren; om cellulair realisme aan deze beschrijving toe te voegen zou helderheid aan nauwkeurigheid opofferen.
zie deze twee compartimenten. Met het oog op het behoud van enige gehechtheid aan college syllabus documenten, laten we label ze “intracellulair” en “extracellulair”. In deze compartimenten worden enkele ionen opgelost. Laten we die kalium en chloride maken, want die lijken belangrijk. Het scheiden van de compartimenten is een membraan dat enigszins doorlaatbaar is voor kalium-en chloride-ionen, maar volledig ondoordringbaar is voor eiwitten.
de concentratie van elektrolyten in elk compartiment is gelijk en de elektroneutraliteit van elk compartiment wordt gehandhaafd. Als men op die manier geneigd zou zijn, zou men dit evenwicht als een vergelijking kunnen voorstellen, waar “int” intracellulair betekent en “ext” extracellulair betekent.
ext × ext = int × int
laten we nu de KCl in het intracellulaire compartiment vervangen door een kaliumproteïnaat, dat wil zeggen een molecuul waarvan het kalium komt met een negatief geladen eiwit (Pr-) als conjugaat. Het eiwit is niet diffuseerbaar, en dus neemt het niet deel aan de vergelijking hierboven (dat wil zeggen dat ext nooit hetzelfde kan zijn als int). Nu blijven intracellulaire en extracellulaire concentraties van kalium hetzelfde (en dus is het kalium niet geneigd om overal te diffunderen), maar nu is er een concentratiegradiënt voor de chloride-ionen. Laten we zeggen dat de oorspronkelijke concentratie 100 mmol/L was; de concentratiegradiënt is nu van 100 mmol/L naar 0 mmol/l
omdat het membraan doorlaatbaar is voor chloride-ionen en er nu een concentratiegradiënt is, diffunderen sommige chloride-ionen in het intracellulaire compartiment. Ze gaan noodzakelijkerwijs vergezeld van enkele kaliumionen, zodat de elektroneutraliteit behouden blijft.
de chloride-ionen worden ook afgestoten door de negatief geladen proteã ne in het intracellulaire compartiment, en zo blijft het grootste deel van het chloride aan de extracellulaire kant van het membraan.
dus; elektroneutraliteit wordt bewaard. Zo is de totale concentratiebalans van diffuseerbare ionen, zodanig dat het product van extracellulaire diffuseerbare ionenconcentraties hetzelfde is als het product van intracellulaire diffuseerbare ionenconcentraties:
ext × ext = int × int
Zonder te vervallen in een konijnenhol van kwadratische vergelijkingen, is het voldoende om te zeggen dat als we begonnen met concentraties van 100 mmol/L aan weerszijden, zodra eiwit is toegevoegd eindigen we met ongeveer 33 mmol/L chloride op de intracellulaire kant, evenals 133 mmol/L kalium; de extra ion moleculen kwam van de extracellulaire vloeistof, en daarom dat compartiment wordt relatief ion-armen, met ongeveer 66.6 mmol/L van elke soort.
omdat er zowel een elektrische gradiënt als een chemische diffusiegradiënt is die op de ionen inwerkt, zal er een enigszins ongelijke verdeling van de lading over het membraan zijn, wat leidt tot een potentiaalverschil. Dit is een bekend concept dat uitvoerig wordt besproken in het hoofdstuk over het rustmembraan potentieel. Het volstaat te zeggen dat Voor elk ion de balans tussen de concentratiegradiënt en de elektrische gradiënt wordt beschreven met de Nernst–vergelijking, en dat het totale potentiaalverschil over het membraan, dat het resultaat is van het gecombineerde effect van alle ionenbewegingen, kan worden beschreven met de Goldman–Hodgkin-Katz-vergelijking, rekening houdend met het feit dat Voor elk ion de membraandoorlaatbaarheid verschillend zal zijn. Kortom, het Gibbs-Donnan effect zorgt voor een transmembraanpotentiaal verschil omdat de verdeling van geladen ionen over het membraan ongelijk is. Dit potentiële verschil is blijkbaar vrij klein. Sperelakis (2011) geeft een waarde van -20 mV, hoewel het niet duidelijk is waar dat getal vandaan komt.
dus, we zijn nu bij het Gibbs-Donnan evenwicht: de producten van diffuseerbare ionenconcentraties moeten aan beide zijden hetzelfde zijn, en aan elke kant van het membraan wordt de elektrische neutraliteit behouden. Nochtans, maakt de aanwezigheid van niet-diffusibele proteã ne de totale concentratie van intracellular molecules veel hoger dan de concentratie van extracellular molecules:
intracellulaire concentratie = int + int + int
extracellulaire concentratie = ext + ext
in feite, in dit (Wild fysiologisch onnauwkeurige) gedachte-experiment, is het verschil in osmolaliteit vrij sterk (er is ongeveer 134 mOsm/L verschil). Met dit soort osmotische gradiënt, zou water over het membraan zweven, waardoor de cel afgrijselijk opzwelt en explodeert.
dat gebeurt natuurlijk niet in vivo. De Na+ / K + ATPase speelt een belangrijke rol in het voorkomen van cellulaire osmoexplosie door drie natriumionen uit de cel te pompen in ruil voor twee potassiums. De verschrikkelijke natriumdoorlaatbaarheid van het celmembraan betekent dat het natrium over het algemeen in het extracellulaire compartiment blijft, waardoor de osmolaliteit daar behouden blijft. Dientengevolge, wordt een tweede Donnan effect (dit keer met de niet-diffusibele ionen die extracellulair natrium zijn) gevestigd over het membraan, dat een osmotische contragradiënt voor waterbeweging handhaaft. Aldus, is er een “dubbel Donnan effect” in actie bij elk celmembraan. Voor examendoeleinden, zou de CICM trainee geadviseerd worden om termen als “osmoexplosie” te vermijden; de formele verklaring zou zijn dat “ATP-aangedreven natriumpompen intracellulaire osmolaliteit verminderen door actief natrium uit de intracellulaire vloeistof te transporteren, waardoor het celvolume homeostase via een tweede Donnan effect wordt gehandhaafd”.
het belang van Na+/K+ ATPase voor het handhaven van een stabiel celvolume werd goed vastgesteld door een reeks vroege auteurs die de pomp met behulp van verschillende methoden uitschakelden en vervolgens waargenomen hoe de cellen opzwollen en scheurden. Zo gebruikten Russo et al (1977) onderkoeling om alle cellulaire metabolische activiteit te stoppen en zo ionenpompen af te schaffen. De rattenleverplakken werden gedurende 90 minuten bij 1 ° C geïncubeerd en vervolgens onder een elektronenmicroscoop onderzocht, waarbij ze werden vergeleken met normotherme controles. Nu de ionenpompen uitgeschakeld waren, namen de cellen aanzienlijk toe. Hun watergehalte steeg met ongeveer 60%, en hun natriumgehalte meer dan verviervoudigd.
Gibbs-Donnan effecten buiten de cellulaire schaal
naast het beïnvloeden van de verwarrende ATP-pomp-besmette omgeving van de cel, beïnvloedt het Gibbs-Donnan effect ook andere macroscopische omgevingen, en door een gedetailleerde bespreking van deze zaken valt buiten de opdracht van dit hoofdstuk, zou het verkeerd zijn om deze toepassingen van het concept volledig te negeren. Kortom, waar een membraan compartimenten scheidt en een niet-diffuseerbare substantie in één van hen isoleert, kunnen we een toepassing vinden van het Gibbs-Donnan effect.
in Australië is Kerry Brandis’ The Physiology Viva meestal de eerste gedetailleerde introductie tot dit concept dat men tegenkomt na het verlaten van de medische school, en het onderstaande voorbeeld is uitgewerkt uit zijn uitstekende aantekeningen over het onderwerp. Als men iets meer substantiële uit de gepubliceerde literatuur nodig heeft en niet bereid is te betalen voor het boek van Brandis, heeft Nguyen & Kurtz (2006) een uitstekende recensie van het onderwerp geproduceerd, boordevol met een dichte wirwar van wiskundige afleiding. Om een aantal sporen van examenfocus te behouden, deze zijn weggelaten uit de onderstaande discussie.
kortom, opnieuw worden we gepresenteerd met twee compartimenten, dit keer interstitiële en intravasculaire. Laten we deze vullen met fysiologisch plausibele concentraties van elektrolyten.
alle ionen blijven op hun plaats. Er zijn geen krachten die ze verplaatsen. Laten we nu wat anionische eiwitten toevoegen, zoals voorheen.
nu is er een elektrostatische krachtafstotende chloride uit het intravasculaire compartiment. Daardoor verzamelt zich meer chloride in het interstitiële vocht. Dezelfde kracht trekt natrium terug naar het intravasculaire compartiment. Dit concurreert met de concentratiegradiënt. Om het concept gemakkelijker te begrijpen, heeft de auteur zijn toevlucht genomen tot grafisch ontwerp op kleuterschoolniveau, dat de elektrochemische gradiënten met gekleurde hellingen vertegenwoordigt. Men kan zich bijna voorstellen dat er kleine ionen naar beneden glijden.
de aantrekkingskracht van anionisch eiwit voor natrium concurreert met de concentratiegradiënt die het terugzuigt in het interstitiële compartiment. Bij een bepaalde concentratie wordt een soort evenwicht bereikt.
in werkelijkheid is dit natuurlijk geen echt evenwicht. Er is nog steeds ongelijke deeltjesconcentratie aan beide zijden van het membraan. Een evenwicht tussen de concentratiegradiënt en de elektrostatische gradiënt wordt bereikt, maar er is nog steeds water te overwegen.
Water wordt osmotisch aangetrokken door het vasculaire compartiment. De beweging van water zou dan de concentratie van de ionen verdunnen, en er zou een verandering in hun concentratiegradiënten zijn. Er is dus geen stabiele steady state.
sommige ionen bewegen uit de intravasculaire ruimte, maar bij Gibbs-Donnan-evenwicht zijn er nog steeds meer deeltjes in het vasculaire compartiment, waardoor een oncotische druk wordt uitgeoefend.
de oncotische kracht die water in de haarvaten zuigt wordt tegengesteld door de capillaire hydrostatische druk, die wordt uitgeoefend door de pompactie van het hart. Als deze druk te groot wordt (bijv. als het hart faalt en de capillaire veneuze druk stijgt) overwint de capillaire hydrostatische druk de plasma oncotische druk en dwingt het water uit het vasculaire compartiment. Er ontstaat oedeem.
de verdeling van ionen in het interstitiële en intravasculaire compartiment kan worden uitgedrukt in termen van een coëfficiënt die de verdeling van het ion in het interstitiële vocht beschrijft als een deel van de concentratie in het plasma. Dit wordt meestal aangeduid als de Gibbs-Donnan Factor. De waarde van deze factor voor monovalente kationen is 0,95 (d.w.z. de natriumconcentratie in het interstitiële vocht is 0,95 × de concentratie in plasma). Voor monovalente anionen is het 1,05. Divalente kationen zoals calcium zijn gedeeltelijk eiwit gebonden, en het Gibbs-Donnan effect is alleen van toepassing op de geïoniseerde vormen. Voor hen is de factor 0,90 (en omgekeerd 1,10 voor de divalente anionen).
