ten rozdział jest niejasno istotny dla sekcji E (i) podstawowego programu nauczania 2017 CICM, który oczekuje, że kandydat do egzaminu „wyjaśni mechanizmy transportu substancji przez błony komórkowe, w tym zrozumienie efektu Gibbsa-Donnana”. Efekt Gibbsa-Donnana nie jest oczywiście mechanizmem transportu przez błony komórkowe; raczej, transport przez błony komórkowe jest mechanizmem efektu Gibbsa-Donnana; ale takie zastrzeżenia są bezsensownie akademickie. Pytanie nr 14 z drugiego artykułu z 2017 r. poświęcone było 40% ocen efektowi Gibbsa-Donnana. Najwyraźniej duża liczba kandydatów do egzaminu pomyliła go z gradientami elektrochemicznymi, które wytwarzają i utrzymują potencjał membrany spoczynkowej, co egzaminatorzy postrzegali jako drobną katastrofę. Aby zapobiec przyszłemu zamieszaniu, efekt Gibbsa-Donnana można podsumować w ten sposób:
- efekt Gibbsa-Donnana opisuje nierówny rozkład przenikających jonów naładowanych po obu stronach półprzepuszczalnej membrany, który występuje w obecności nieprzepuszczalnych jonów naładowanych.
- w równowadze Gibbsa-Donnana,
- po każdej stronie membrany, każdy roztwór będzie elektrycznie neutralny
- produkt jonów dyfuzyjnych po jednej stronie membrany będzie równy produktowi jonów dyfuzyjnych po drugiej stronie membrany
- gradienty elektrochemiczne wytwarzane przez nierówny rozkład naładowanych jonów wytwarzają różnicę potencjałów przezbłonowych, którą można obliczyć za pomocą równanie Nernsta
- obecność jonów impermeantowych po jednej stronie membrany tworzy osmotyczną dyfuzję przyciągającą wodę do ten przedział.
- mechanizmy, które utrzymują potencjał błony spoczynkowej i mechanizmy efektu Gibbsa-Donnana są różnymi zjawiskami:
- korektor Donnana jest procesem całkowicie pasywnym: tzn. w utrzymaniu tej równowagi nie biorą udziału żadne aktywne transportery.
- równowaga Donnana jest równowagą, tzn. stężenia jonów po obu stronach bariery są statyczne.
- gdyby równowaga Donnana została w pełni ustalona, wzrost wewnątrzkomórkowych jonów spowodowałby pęcznienie komórek z powodu osmotycznego napływu wody.
- przy równowadze Donnana potencjał błony spoczynkowej wynosiłby tylko około -20 mV. Potencjał ten istniałby nawet wtedy, gdyby przepuszczalność membrany dla wszystkich jonów była taka sama.
- potencjał błony spoczynkowej, w przeciwieństwie do tego, wymaga różnych przenikalności dla potasu i sodu i jest utrzymywany aktywnie przez stałą aktywność Na+/K+ ATPazy.
- ponieważ błony biologiczne (zwłaszcza tkanek wzbudzających) nigdy nie są w równowadze, równanie Goldmana-Hodgkina-Katza jest zwykle lepszym wyborem do wyjaśnienia ich elektrochemicznego zachowania.
najbardziej dokładnym i ostatecznym źródłem dla tego tematu musiałaby być Książka Nicholas Sperelakis ’ Cell Physiology Source Book, gdzie Rozdział 15 (str. 243 z 3rd edition) omawia równowagę Gibbsa-Donnana w najdrobniejszych szczegółach. Prawdopodobnie jest to również dobre odniesienie do dyskusji, dlaczego efekt Gibbsa-Donnana nie jest głównym mechanizmem odpowiedzialnym za potencjał błony spoczynkowej. Guyton & Hall wspomina o efekcie Donnana w odniesieniu do przesunięć płynu kapilarnego wokół strony 196 trzynastego Wydania, a leczenie tego zjawiska jest tam najbardziej niezadowalające. Ganong ’ s Review of Medical Physiology ma nieco lepszą pracę (str. 6 z 23rd edition), trzy lub więcej akapitów, co jest prawdopodobnie wystarczająco dobre dla pracy rządowej. Jeśli ktoś jest temperamentnie nieprzystosowany do piractwa, można zapłacić za te podręczniki i znaleźć w nich te odniesienia. Alternatywnie, Nguyen & Kurtz (2006) mają bezpłatny artykuł online, który szczegółowo omawia tę koncepcję, z nadmiarową algebrą i naciskiem na równowagę Gibbsa-Donnana między płynem śródmiąższowym i wewnątrznaczyniowym.
Definicja i historia efektu Gibbsa-Donnana (lub po prostu Donnana)
można się spodziewać, że najlepiej zdefiniuje go sam Frederick George Donnan (np. w pośmiertnym przedruku jego pracy z 1911 roku), ale niestety sam Donnan nigdy nie był zaznajomiony z potrzebami głównych kandydatów CICM i dlatego nie starał się skrócić swojej zasady w niezapomniany soundbite. Zamiast tego, papier jest doskonałym, dobrze napisanym długim wyjaśnieniem efektu, prawdopodobnie lepszym niż cokolwiek opublikowanego później w błyszczących kolorowych podręcznikach. Jeśli ktoś potrzebuje krótkiej definicji, można ją zrekonstruować z pierwszego akapitu wpisu z Encyklopedii membran (Drioli & Giorno, 2015):
„efekt Donnana to zjawisko przewidywalnego i nierównego rozkładu przenikających jonów naładowanych po obu stronach półprzepuszczalnej membrany, w obecności nieprzepuszczalnych jonów naładowanych”
czy to efekt Donnana, czy Gibbsa-Donnana? Donnan nigdy nie nazwał swojego efektu „efektem Donnana”, ale od 1911 roku stał się on znany jako taki i na tym etapie nie było żadnego Gibbsa w publicznych wzmiankach o tej koncepcji. J.W Gibbs był głównie fizykiem i matematykiem, który przyczynił się (masowo) do chemii kilka dekad przed pojawieniem się Donnana. Związek między efektem Donnana a opublikowanymi pracami Gibbsa został odkryty w 1923 roku przez G. S Adaira, który znalazł równanie Gibbsa z 1906 roku, które było zasadniczo identyczne z równaniem Donnana. Nie ma wątpliwości, że Donnan był pod znaczącym wpływem Gibbsa, do tego stopnia, że wygłaszał przemówienia na jego cześć i opisywał go jako „człowieka genialnego, łączącego głęboki wgląd z najwyższymi mocami logicznego rozumowania” (Donnan, 1925). Kolejne publikacje Donnana (np. Donnan, 1924)są dobrze wyposażone w odpowiednie atrybucje, tj. równanie Gibbsa jest uznawane na samym początku. Donnan opublikował nawet dwutomową hagiografię prac naukowych Gibbsa. Więc, czyj to efekt? „Gibbs-Donnan” wydaje się być najbardziej poprawnym politycznie podejściem, w którym chronologicznie wcześniejszy autor ma pierwszeństwo, ale wielu pisarzy pomija Gibbsa nawet teraz. Jest to stan rzeczy, z którym Josiah Willard Gibbs prawdopodobnie by się pogodził, biorąc pod uwagę, że posiadał postać raczej pozbawioną ekstrawaganckich ambicji i „nie był reklamodawcą osobistej sławy”.
Wyjaśnienie efektu Gibbsa-Donnana
z powodu pewnej wrodzonej lassitude ze strony autora, co poniżej jest zasadniczo podsumowaniem oryginalnego opisu donnan dał dla własnego efektu w 1911, ale z potasu podstawionego sodu. Ten uproszczony eksperyment dwuczęściowy pozostaje skutecznym sposobem wyjaśnienia tej koncepcji; dodanie realizmu komórkowego do tego opisu poświęciłoby jasność dokładności.
Oto te dwa przedziały. Aby zachować pewne przywiązanie do dokumentów z programu studiów, oznaczmy je jako „wewnątrzkomórkowe” i „zewnątrzkomórkowe”. W tych przedziałach niektóre jony są rozpuszczane. Zróbmy te potas i chlorek, bo wydają się ważne. Oddzielenie przedziałów jest membraną, która jest w pewnym stopniu przepuszczalna dla jonów potasu i chlorków, ale całkowicie nieprzepuszczalna dla białek.
stężenie elektrolitów w każdym przedziale jest równe i utrzymuje się elektroneutralność każdego przedziału. Gdyby ktoś był w ten sposób nachylony, mógłby przedstawić tę równowagę jako równanie, gdzie ” int „oznacza wewnątrzkomórkowy, a” ext ” oznacza zewnątrzkomórkowy.
ext × Ext = int × int
teraz zastąpmy KCl w komorze wewnątrzkomórkowej proteinatem potasu, tj. cząsteczką, w której potas pochodzi z ujemnie naładowanym białkiem (Pr-) jako jego koniugatem. Białko nie jest dyfuzyjne, a więc nie bierze udziału w powyższym równaniu (tzn. ext nigdy nie może być taki sam jak int). Wewnątrzkomórkowe i zewnątrzkomórkowe stężenia potasu pozostają takie same (a więc potas nie jest skłonny do dyfuzji w dowolnym miejscu), ale teraz istnieje gradient stężenia jonów chlorkowych. Powiedzmy, że początkowe stężenie wynosiło 100 mmol / L; gradient stężenia wynosi teraz Od 100 mmol / l do 0 mmol/L.
ponieważ membrana jest przepuszczalna dla jonów chlorkowych, a teraz występuje gradient stężenia, niektóre jony chlorkowe rozpraszają się w komorze wewnątrzkomórkowej. Z konieczności towarzyszą im niektóre jony potasu, dzięki czemu zachowana jest elektroneutralność.
jony chlorkowe są również odpychane przez ujemnie naładowane białko w komorze wewnątrzkomórkowej,a więc większość chlorku pozostaje po zewnątrzkomórkowej stronie błony.
tak; electroneutrality jest zachowana. Tak więc całkowity bilans stężeń jonów dyfuzyjnych jest taki, że produkt zewnątrzkomórkowych stężeń jonów dyfuzyjnych jest taki sam jak produkt wewnątrzkomórkowych stężeń jonów dyfuzyjnych:
ext × Ext = int × int
nie wpadając do króliczej nory równań kwadratowych, wystarczy powiedzieć, że jeśli zaczniemy od stężenia 100 mmol/L po obu stronach, po dodaniu białka otrzymamy około 33 mmol/L chlorku po stronie wewnątrzkomórkowej, a także 133 mmol/L potasu; dodatkowe cząsteczki jonów pochodziły z płynu pozakomórkowego, a zatem ten przedział staje się stosunkowo mało jonowy, z około 66,6 mmol/l każdego gatunku.
teraz, oczywiście, ponieważ istnieje gradient elektryczny, jak również gradient dyfuzji chemicznej działający na jony, będzie nieco nierówny rozkład ładunku w błonie, co prowadzi do różnicy potencjałów. Jest to znane pojęcie omówione w dużej mierze w rozdziale poświęconym potencjałowi membrany spoczynkowej. Wystarczy powiedzieć, że dla każdego jonu równowaga między gradientem stężenia a gradientem elektrycznym jest opisana równaniem Nernsta, a całkowitą różnicę potencjałów w błonie, która wynika z połączonego efektu wszystkich ruchów jonów, można opisać równaniem Goldmana-Hodgkina-Katza, biorąc pod uwagę fakt, że dla każdego jonu przepuszczalność błony będzie inna. Krótko mówiąc, efekt Gibbsa-Donnana tworzy różnicę potencjału przezbłonowego, ponieważ rozkład naładowanych jonów w błonie jest nierówny. Ta różnica potencjałów jest najwyraźniej niewielka. Sperelakis (2011) daje wartość -20 mV, choć nie jest jasne, skąd pochodzi ta liczba.
tak więc jesteśmy teraz na równowadze Gibbsa-Donnana: produkty dyfuzyjnych stężeń jonów muszą być takie same po obu stronach, a po każdej stronie membrany neutralność elektryczna jest zachowana. Jednak obecność niedyfuzyjnego białka sprawia, że całkowite stężenie cząsteczek wewnątrzkomórkowych jest znacznie wyższe niż stężenie cząsteczek zewnątrzkomórkowych:
stężenie wewnątrzkomórkowe = int + int + int
stężenie zewnątrzkomórkowe = ext + ext
w rzeczywistości w tym (szalenie niedokładnym fizjologicznie) eksperymencie myślowym różnica osmolalności jest dość poważna (różnica wynosi około 134 mOsm/L). Przy takim gradiencie osmotycznym woda przepłynęłaby przez błonę, powodując, że komórka gwałtownie pęcznieje i eksploduje.
oczywiście nie dzieje się to in vivo. Atpaza Na+ / K + odgrywa ważną rolę w zapobieganiu osmozie komórkowej poprzez wypompowanie trzech jonów sodu z komórki w zamian za dwa potasje. Okropna przepuszczalność sodu w błonie komórkowej oznacza, że sód zazwyczaj utrzymuje się w komorze zewnątrzkomórkowej, zachowując tam osmolalność. W rezultacie powstaje drugi efekt Donnana (tym razem z jonami niezdyfuzyjnymi będącymi pozakomórkowym sodem) w błonie, który utrzymuje osmotyczny przeciw-gradient ruchu wody. W ten sposób na każdej błonie komórkowej działa „podwójny efekt Donnana”. Do celów egzaminacyjnych zaleca się, aby praktykujący CICM unikał terminów takich jak „osmoexplosion”; formalne stwierdzenie brzmiałoby, że „pompy sodowe zasilane ATP zmniejszają osmolalność wewnątrzkomórkową, aktywnie transportując sód z płynu wewnątrzkomórkowego, utrzymując w ten sposób homeostazę objętości komórki poprzez Drugi efekt Donnana”.
znaczenie ATPazy Na+ / K+ w utrzymaniu stabilnej objętości komórek zostało dobrze ustalone przez szereg wczesnych autorów, którzy wyłączyli pompę za pomocą różnych metod, a następnie zaobserwowali, jak komórki pęcznieją i pękają. Na przykład Russo i wsp. (1977) zastosowali hipotermię, aby zatrzymać całą komórkową aktywność metaboliczną, a tym samym znieść pompowanie jonów. Plasterki wątroby szczura inkubowano w temperaturze 1ºC przez 90 minut, a następnie zbadano pod mikroskopem elektronowym, porównując je z kontrolami normotermicznymi. Przy wyłączonych pompach jonowych komórki znacznie wzrosły. Ich zawartość wody wzrosła o około 60%, a zawartość sodu wzrosła ponad czterokrotnie.
efekty Gibbsa-Donnana poza skalą komórkową
oprócz wpływu na mylące środowisko zainfekowane ATP-pompą komórki, efekt Gibbsa-Donnana wpływa również na inne środowiska makroskopowe, a dzięki szczegółowemu omówieniu tych kwestii nie wchodzi w zakres niniejszego rozdziału, byłoby nie w porządku całkowicie zignorować te zastosowania koncepcji. Krótko mówiąc, wszędzie tam, gdzie membrana oddziela przedziały i izoluje nierozdyfuzyjną substancję w jednym z nich, możemy znaleźć zastosowanie efektu Gibbsa-Donnana.
w Australii fizjologia Kerry Brandis Viva jest zwykle pierwszym szczegółowym wprowadzeniem do tej koncepcji, z którą spotyka się po ukończeniu szkoły medycznej, a przykład omówiony poniżej został opracowany z jego doskonałych notatek na ten temat. Jeśli ktoś wymaga czegoś bardziej istotnego od opublikowanej literatury i nie chce płacić za książkę Brandisa, Nguyen & Kurtz (2006) wydał doskonałą recenzję tematu, najeżoną gęstym gąszczem matematycznych derywacji. Aby zachować pewne ślady skupienia na egzaminie, zostały one pominięte w dyskusji poniżej.
krótko mówiąc, ponownie mamy do czynienia z dwoma przedziałami, tym razem śródmiąższowymi i wewnątrznaczyniowymi. Wypełnimy je fizjologicznie wiarygodnymi stężeniami elektrolitów.
wszystkie jony zostają. Nie ma sił, które by je przemieszczały. Teraz dodajmy trochę anionowego białka, jak wcześniej.
teraz istnieje siła elektrostatyczna odpychająca chlorek z komory wewnątrznaczyniowej. W konsekwencji w płynie śródmiąższowym gromadzi się więcej chlorków. Ta sama siła przyciąga sód z powrotem do komory wewnątrznaczyniowej. To konkuruje z gradientem stężenia. Aby ułatwić zrozumienie koncepcji, autor zastosował projekt graficzny na poziomie przedszkola, przedstawiający gradienty elektrochemiczne z kolorowymi zboczami. Można sobie wyobrazić, że małe jony ślizgają się po nich.
Siła przyciągania anionowego białka sodu konkuruje z gradientem stężenia zasysającym je z powrotem do przedziału śródmiąższowego. W pewnym stężeniu dochodzi do pewnego rodzaju równowagi.
oczywiście w rzeczywistości nie jest to prawdziwa równowaga. Po obu stronach membrany nadal występuje nierówne stężenie cząstek. Osiągnięta zostaje równowaga między gradientem stężenia a gradientem elektrostatycznym, ale wciąż należy wziąć pod uwagę wodę.
woda jest osmotycznie przyciągana do komory naczyniowej. Ruch wody rozcieńczyłby stężenie jonów i nastąpiłaby zmiana gradientów ich stężenia. Nie ma więc stabilnego stanu ustalonego.
istnieje ruch niektórych jonów z przestrzeni wewnątrznaczyniowej, ale w równowadze Gibbsa-Donnana jest jeszcze więcej cząstek w komorze naczyniowej, wywierając ciśnienie onkotyczne.
Siła onkotyczna zasysająca wodę do naczyń włosowatych jest przeciwna przez kapilarne ciśnienie hydrostatyczne, które jest stosowane przez działanie pompujące serca. Jeśli ciśnienie to staje się zbyt duże (np. jeśli serce zawiedzie, a kapilarne ciśnienie żylne wzrośnie) kapilarne ciśnienie hydrostatyczne pokonuje ciśnienie onkotyczne osocza i wypycha wodę z komory naczyniowej. Dochodzi do obrzęku.
rozkład jonów w przedziałach śródmiąższowych i wewnątrznaczyniowych można wyrazić za pomocą współczynnika, który opisuje rozkład jonów w płynie śródmiąższowym jako proporcję jego stężenia w osoczu. Jest to ogólnie określane jako czynnik Gibbsa-Donnana. Wartość tego czynnika dla kationów jednowartościowych wynosi 0,95 (tj. stężenie sodu w płynie śródmiąższowym wynosi 0,95 × stężenie w osoczu). Dla anionów monowalentnych, jego 1,05. Kationy dwuwartościowe, takie jak wapń, są częściowo związane z białkami, a efekt Gibbsa – Donnana dotyczy tylko zjonizowanych form. Dla nich współczynnik wynosi 0,90 (i odwrotnie 1,10 dla anionów dwuwartościowych).
