O efeito Gibbs-Donnan

este capítulo é vagamente relevante para a seção e (i) do programa primário CICM de 2017, que espera que o candidato ao exame “explique mecanismos de transporte de substâncias através das membranas celulares, incluindo uma compreensão do efeito Gibbs-Donnan”. O efeito Gibbs-Donnan não é realmente um mecanismo de transporte através das membranas celulares; ao contrário, o transporte através das membranas celulares é o mecanismo do efeito Gibbs-Donnan; mas tais objeções são pontualmente acadêmicas. Pergunta 14 do segundo artigo de 2017 dedicou 40% das marcas ao efeito Gibbs-Donnan. Aparentemente, um grande número de candidatos ao exame confundiu-o com os gradientes eletroquímicos que produzem e mantêm o potencial de membrana em repouso, que os examinadores viam como um pequeno desastre. Para evitar confusões futuras, Gibbs-Donnan efeito pode ser resumida assim:

A mais completa e definitiva do recurso para este tópico teria que ser Nicholas Sperelakis’ Célula Fisiologia Origem do Livro, onde o Capítulo 15 (p.243 da 3ª edição) discute o Gibbs-Donnan equilíbrio em minúsculo detalhe. Isso provavelmente também é uma boa referência para uma discussão sobre por que o efeito Gibbs-Donnan não é o principal mecanismo responsável pelo potencial da membrana em repouso. Guyton & Hall menciona o efeito Donnan em relação às mudanças do fluido capilar em torno da página 196 da 13ª edição, e o tratamento deste fenômeno é mais insatisfatório. A revisão de Ganong sobre Fisiologia Médica faz um trabalho um pouco melhor (p. 6 da 23ª edição), três ou mais parágrafos que provavelmente são bons o suficiente para o trabalho do governo. Se alguém é temperamentalmente inadequado para a pirataria, pode-se pagar por esses livros e encontrar essas referências dentro deles. Alternatively, Nguyen & Kurtz (2006) have a free article online which discusses the concept in great detail, with overmuch algebra and a focus on the Gibbs-Donnan equilibrium between interstitial and intravascular fluid.

definição e história do efeito Gibbs-Donnan (ou apenas Donnan)

pode-se esperar que seja melhor definido pelo próprio Frederick George Donnan (eg. póstuma a reimpressão de seu 1911 papel), mas, infelizmente Donnan nunca se tinha sido familiarizado com as necessidades do CICM principais candidatos e, portanto, não fez qualquer esforço para abreviar o seu princípio, em uma memorável frase de efeito. Em vez disso, o papel é uma excelente e bem escrita explicação de longa forma do efeito, provavelmente melhor do que qualquer outra publicação posterior em livros de cores brilhantes. Se se necessita de uma definição curta, pode-se reconstruir a partir do primeiro parágrafo da entrada da Enciclopédia das membranas (Drioli & Giorno, 2015):

“O Efeito Donnan é o fenômeno previsível e a distribuição desigual de permeant íons carregados em ambos os lados de uma membrana semipermeável, na presença de íons carregados impermeant”

É o efeito Donnan, ou é o de Gibbs-Donnan efeito? Donnan nunca chamou seu efeito de “efeito Donnan”, mas a partir de 1911 tornou-se conhecido como tal, e nesta fase havia zero Gibbs nas menções públicas deste conceito. J.W Gibbs foi predominantemente um físico e matemático que contribuiu (massivamente) para a química algumas décadas antes de Donnan aparecer. A relação entre o efeito Donnan e os trabalhos publicados por Gibbs foi desenterrada em 1923 por G. S Adair, que encontrou uma equação Gibbsiana de 1906 que era essencialmente idêntica à equação de Donnan. Não há dúvida de que Donnan foi significativamente influenciado por Gibbs, ao ponto de dar endereços em sua honra e descrevê-lo como “um homem de gênio, combinando profundo discernimento com os mais altos poderes do raciocínio lógico” (Donnan, 1925). Publicações posteriores de Donnan (eg. Donnan, 1924) são bem equipados com atribuições apropriadas, ou seja, a equação de Gibbs é reconhecida no início. Donnan até publicou o que parece ser uma hagiografia de dois volumes dos trabalhos científicos de Gibbs. Então, de quem é o efeito? “Gibbs-Donnan” parece ser a abordagem mais politicamente correta onde o autor cronologicamente anterior é dado primazia, mas muitos escritores omitem Gibbs mesmo agora. Este é um estado de coisas que Josiah Willard Gibbs provavelmente teria sido bastante em paz com, Considerando que ele possuía um personagem bastante desprovida de ambição extravagante, e não era “um anunciante para a fama pessoal”.

Explicação de Gibbs-Donnan efeito

Devido a alguns inerente preguiça por parte do autor, o que se segue é, essencialmente, uma recapitulação da descrição original de Donnan deu por seu próprio efeito em 1911, mas com potássio substituído por sódio. Esta experiência simplificada de dois compartimentos continua a ser um meio eficaz de explicar o conceito; adicionar realismo celular a esta descrição sacrificaria clareza à precisão.Observem estes dois compartimentos. Para o propósito de manter algum apego aos documentos de programas universitários, vamos rotulá-los de” intracelular “e”extracelular”. Nestes compartimentos, alguns íons estão dissolvidos. Vamos fazer esses potássio e cloreto, porque eles parecem importantes. Separar os compartimentos é uma membrana que é um pouco permeável a íons de potássio e cloreto, mas completamente impermeável a proteínas.

A concentração de eletrólitos em cada compartimento é igual, e electroneutrality de cada compartimento é mantida. Se alguém fosse assim inclinado, poderia ser capaz de representar este equilíbrio como uma equação, onde “int” significa intracelular e “ext” significa extracelular.

ext × ext = int × int

Now, let’s replace the KCl in the intracelular compartment with a potassium proteinate, i.e. a molecule where the potassium comes with some negatively charged protein (Pr-) as its conjugate. A proteína não é difusível, e por isso não participa na equação acima (isto é, ext nunca pode ser o mesmo que int). Agora, as concentrações intracelulares e extracelulares de potássio permanecem as mesmas (e assim o potássio não está inclinado a se difundir em qualquer lugar), mas agora há um gradiente de concentração para os íons cloreto. Vamos dizer que a concentração inicial foi de 100 mmol/L; o gradiente de concentração é a partir de agora 100 mmol/L para 0 mmol/L.

Assim, porque a membrana é permeável aos íons de cloreto e, agora, há um gradiente de concentração, alguns dos íons de cloreto difundir para o compartimento intracelular. Por necessidade, eles são acompanhados por alguns íons de potássio, de modo que a eletroneutralidade é preservada. Equilíbrio Gibbs-Donnan 3

os iões cloreto também são repelidos pela proteína negativamente carregada no compartimento intracelular, e assim a maior parte do cloreto permanece no lado extracelular da membrana. Equilíbrio Gibbs-Donnan 4

assim, a eletroneutralidade é preservada. Assim é o balanço da concentração total de iões difusíveis, de tal modo que o produto das concentrações iónicas difusíveis extracelulares é o mesmo que o produto das concentrações iónicas difusíveis intracelulares:

ext × exp = int x int

Sem cair em um buraco de coelho de equações de segundo grau, será suficiente dizer que, se começamos com concentrações de 100 mmol/L em ambos os lados, uma vez que a proteína é adicionado vamos acabar com cerca de 33 mmol/L de cloreto de no intracelular, bem como a 133 mmol/L de potássio; o extra de iões de moléculas veio do fluido extracelular, e, portanto, de que o compartimento se torna relativamente íon-pobre, com cerca de 66,6 mmol/L de cada espécie.

agora, é claro, porque há um gradiente elétrico, bem como um gradiente de difusão química atuando sobre os íons, haverá uma distribuição ligeiramente desigual de carga através da membrana, levando a uma diferença potencial. Este é um conceito familiar discutido em grandes comprimentos no capítulo sobre o potencial da membrana em repouso. Será suficiente dizer que, para cada íon, o equilíbrio entre o gradiente de concentração e o gradiente elétrico é descrito pela equação de Nernst, e o total da diferença de potencial através da membrana, o que resulta do efeito combinado de todos os iões de movimentos pode ser descrito pelo Goldman–Hodgkin–Katz equação, levando-se em conta o fato de que, para cada íon a permeabilidade da membrana vai ser diferente. Em suma, o efeito Gibbs-Donnan estabelece uma diferença de potencial transmembranar porque a distribuição de íons carregados através da membrana é desigual. Esta diferença potencial é aparentemente bastante pequena. Sperelakis (2011) dá um valor de -20 mV, embora não seja claro de onde esse número vem. Equilíbrio Gibbs-Donnan 5

então, estamos agora no equilíbrio Gibbs-Donnan: os produtos de concentrações de íons difusíveis devem ser os mesmos de ambos os lados, e de cada lado da neutralidade elétrica da membrana é preservada. No entanto, a presença de proteínas não difusíveis faz com que a concentração total de moléculas intracelulares seja muito superior à concentração de moléculas extracelulares.:

concentração Intracelular = int + int + int

concentração Extracelular = ext + ext

Na verdade, neste (descontroladamente fisiologicamente impreciso) experimento de pensamento, a diferença de osmolaridade é bastante acentuadas (há cerca de 134 mOsm/L de diferença). Com este tipo de gradiente osmótico, a água surgiria através da membrana, fazendo com que a célula inchar hideously e explodir.Obviamente, isso não acontece in vivo. A ATPase Na+/K+ desempenha um papel importante na prevenção da osmoexplosão celular, bombeando três íons de sódio para fora da célula em troca de dois potassiums. A terrível permeabilidade de sódio da membrana celular significa que o sódio geralmente se mantém no compartimento extracelular, mantendo a osmolalidade lá. Como resultado, um segundo efeito Donnan (desta vez com os íons não difusíveis sendo sódio extracelular) é estabelecido através da membrana, que mantém um contra-gradiente osmótico para o movimento da água. Assim, há um “efeito Donnan duplo” em ação em cada membrana celular. Para fins de exame, o estagiário da CICM seria aconselhado a evitar termos como “osmoexplosion”; a declaração formal seria que “Bombas de sódio movidas a ATP diminuem a osmolalidade intracelular, transportando ativamente sódio para fora do fluido intracelular, mantendo assim a homeostase do volume celular através de um segundo efeito Donnan”.

a importância da Na+/K+ ATPase na manutenção de um volume celular estável foi bem estabelecida por uma série de autores iniciais que desativaram a bomba usando vários métodos e, em seguida, observados como as células incharam e romperam. Por exemplo, Russo et al (1977) usou hipotermia para parar toda a atividade metabólica celular e, assim, abolir o bombeamento de íons. As fatias de fígado de rato foram incubadas a 1ºC durante 90 minutos e, em seguida, examinadas em um microscópio eletrônico, comparando-as com controles normotérmicos. Com bombas iônicas desativadas, as células aumentaram de tamanho marcadamente. O seu teor de água aumentou cerca de 60% e o seu teor de sódio mais do que quadruplicou.

Gibbs-Donnan efeitos além do celular escala

Além do que influenciam o confuso ATP-bomba infestada de meio ambiente da célula, Gibbs-Donnan efeito também influencia outros macroscópica ambientes, e através de uma discussão detalhada sobre essas questões esteja fora do âmbito deste capítulo, seria errado ignorar completamente estas aplicações do conceito. Em suma, onde quer que uma membrana separe compartimentos e isole uma substância não difusível dentro de um deles, podemos encontrar alguma aplicação do efeito Gibbs-Donnan.

na Austrália, Kerry Brandis ‘ a fisiologia Viva é geralmente a primeira introdução detalhada a este conceito que se encontra depois de sair da escola de Medicina, e o exemplo discutido abaixo foi elaborado a partir de suas excelentes notas sobre o assunto. Se alguém requer algo mais substancial da literatura publicada e não está disposto a pagar pelo livro de Brandis, Nguyen & Kurtz (2006) produziu uma excelente revisão do assunto, com uma densa espessura de derivações matemáticas. Para manter alguns vestígios de foco no exame, estes foram omitidos da discussão abaixo.Em resumo, somos novamente confrontados com dois compartimentos, desta vez intersticial e intravascular. Vamos enchê-los com concentrações fisiologicamente plausíveis de eletrólitos.

todos os íons permanecem em posição. Não há forças a mudá-los. Agora vamos adicionar alguma proteína aniônica, como antes.

agora, há uma força electrostática repelindo cloreto para fora do compartimento intravascular. Consequentemente, mais cloreto se acumula no fluido intersticial. A mesma força está a atrair sódio para o compartimento intravascular. Isto compete com o gradiente de concentração. A fim de tornar o conceito mais fácil de entender, o autor recorreu ao design gráfico de nível de Jardim de infância, representando os gradientes eletroquímicos com encostas coloridas. Quase se pode imaginar pequenos iões deslizando por eles.

a força atrativa da proteína aniónica para o sódio compete com o gradiente de concentração que a empurra de volta para o compartimento intersticial. A uma certa concentração, algum tipo de equilíbrio é alcançado.É claro que, na realidade, este não é um equilíbrio verdadeiro. Ainda há uma concentração de partículas desigual em ambos os lados da membrana. Um equilíbrio entre o gradiente de concentração e o gradiente eletrostático é alcançado, mas ainda há água para considerar.

a água é ossoticamente atraída para o compartimento vascular. O movimento da água diluiria então a concentração dos íons, e haveria uma mudança em seus gradientes de concentração. Portanto, não há um estado estável estável.

há movimento de alguns íons para fora do espaço intravascular, mas no equilíbrio Gibbs-Donnan ainda há mais partículas no compartimento vascular, exercendo uma pressão oncótica.

a força oncótica sugando água para os capilares é oposta pela pressão hidrostática capilar, que é aplicada pela ação de bombeamento do coração. Se esta pressão se tornar muito grande (por exemplo. se o coração falhar e a pressão venosa capilar aumentar) a pressão hidrostática capilar supera a pressão oncótica do plasma e força a água para fora do compartimento vascular. Segue-se edema.

a distribuição de iões nos compartimentos intersticial e intravascular pode ser expressa em termos de um factor de coeficiente que descreve a distribuição do ião no fluido intersticial como proporção da sua concentração no plasma. Isto é geralmente referido como o Fator Gibbs-Donnan. O valor deste factor para catiões monovalentes é de 0, 95 (ou seja, a concentração de sódio no fluido intersticial é de 0, 95 × a concentração plasmática). Para aniões monovalentes, 1,05. Catiões divalentes como o cálcio são parcialmente ligados às proteínas, e o efeito Gibbs – Donnan só se aplica às formas ionizadas. Para eles, o fator é 0,90 (e inversamente 1,10 para os aniões divalentes).