Efectul Gibbs-Donnan

acest capitol este vag relevant pentru secțiunea E(i) din programa primară CICM 2017, care se așteaptă ca candidatul la examen să „explice mecanismele de transport al substanțelor prin membranele celulare, inclusiv o înțelegere a efectului Gibbs-Donnan”. Efectul Gibbs-Donnan nu este, desigur, un mecanism de transport prin membranele celulare; mai degrabă, transportul prin membranele celulare este mecanismul efectului Gibbs-Donnan; dar astfel de obiecții sunt inutile academice. Întrebarea 14 din a doua lucrare din 2017 a dedicat 40% din mărci efectului Gibbs-Donnan. Aparent, un număr mare de candidați la examen l-au confundat cu gradienții electrochimici care produc și mențin potențialul membranei de repaus, pe care examinatorii l-au considerat un dezastru minor. Pentru a preveni confuzia viitoare, efectul Gibbs-Donnan poate fi rezumat astfel:

cea mai amănunțită și definitivă resursă pentru acest subiect ar trebui să fie Nicholas Sperelakis’ fiziologia celulelor Sursa carte, unde Capitolul 15 (p.243 din ediția a 3-a) discută echilibrul Gibbs-Donnan în detalii minuscule. Aceasta este probabil și o referință bună pentru o discuție despre motivul pentru care efectul Gibbs-Donnan nu este principalul mecanism responsabil pentru potențialul membranei de repaus. Guyton & Hall menționează efectul Donnan în legătură cu schimbările de lichid capilar în jurul paginii 196 a ediției a 13-A, iar tratamentul acestui fenomen este cel mai nesatisfăcător. Ganong ‘ s Review of Medical Physiology face o treabă puțin mai bună (p.6 din ediția a 23-a), aproximativ trei paragrafe, ceea ce este probabil suficient de bun pentru munca guvernamentală. Dacă cineva este Temperamental nepotrivit Pirateriei, se poate plăti pentru aceste manuale și se găsesc aceste referințe în interiorul lor. Alternativ, Nguyen & Kurtz (2006) au un articol online GRATUIT care discută conceptul în detaliu, cu o algebră excesivă și un accent pe echilibrul Gibbs-Donnan între fluidul interstițial și intravascular.

definiția și istoria efectului Gibbs-Donnan (sau doar Donnan)

s-ar putea aștepta ca acesta să fie cel mai bine definit de Frederick George Donnan însuși (de ex. într-o reeditare postumă a lucrării sale din 1911), dar, din păcate, Donnan însuși nu fusese niciodată familiarizat cu nevoile candidaților primari CICM și, prin urmare, nu a făcut niciun efort pentru a-și abrevia principiul într-un sunet memorabil. În schimb, lucrarea este o explicație excelentă, bine scrisă, de lungă durată, a efectului, probabil mai bună decât orice altceva publicat ulterior în manuale Color lucioase. Dacă este nevoie de o scurtă definiție, se poate reconstrui din primul paragraf al intrării din Enciclopedia membranelor (Drioli & Giorno, 2015):

„efectul Donnan este fenomenul distribuției previzibile și inegale a ionilor încărcați permeant de ambele părți ale unei membrane semipermeabile, în prezența ionilor încărcați impermeabili”

este efectul Donnan, sau este efectul Gibbs-Donnan? Donnan nu și-a numit niciodată efectul „efectul Donnan”, dar din 1911 a devenit cunoscut ca atare, iar în acest stadiu a existat zero Gibbs în mențiunile publice ale acestui concept. J.W Gibbs a fost predominant un fizician și matematician care a contribuit (masiv) la chimie cu câteva decenii înainte de apariția lui Donnan. Relația dintre efectul Donnan și lucrările publicate de Gibbs a fost descoperită în 1923 de G. S Adair, care a găsit o ecuație Gibbsiană din 1906 care era în esență identică cu ecuația lui Donnan. Nu există nicio îndoială că Donnan a fost influențat semnificativ de Gibbs, în măsura în care a ținut discursuri în onoarea sa și l-a descris ca „un om de geniu, combinând o perspectivă profundă cu cele mai înalte puteri ale raționamentului logic” (Donnan, 1925). Publicații ulterioare ale lui Donnan (ex. Donnan, 1924) sunt bine dotate cu atribuții adecvate, adică ecuația lui Gibbs este recunoscută chiar de la început. Donnan a continuat chiar să publice ceea ce pare a fi o hagiografie în două volume a lucrărilor științifice ale lui Gibbs. Deci, al cui efect este? „Gibbs-Donnan” pare a fi cea mai corectă abordare politică în care autorului cronologic anterior i se acordă primatul, dar mulți scriitori îl omit pe Gibbs chiar și acum. Aceasta este o stare de lucruri cu care Josiah Willard Gibbs ar fi fost probabil destul de împăcat, considerând că poseda un personaj destul de lipsit de ambiție flamboaiantă și „nu era un agent de publicitate pentru renume personal”.

explicarea efectului Gibbs-Donnan

din cauza unei anumite lasitudini inerente din partea autorului, ceea ce urmează este în esență o recapitulare a descrierii originale pe care Donnan a dat-o pentru propriul său efect în 1911, dar cu potasiu înlocuit cu sodiu. Acest experiment simplificat cu două compartimente rămâne un mijloc eficient de explicare a conceptului; a adăuga realism celular la această descriere ar sacrifica claritatea acurateței.

Iată, aceste două compartimente. În scopul menținerii unor atașamente la documentele de programă ale colegiului, să le etichetăm „intracelulare”și ” extracelulare”. În aceste compartimente, unii ioni sunt dizolvați. Să facem acele potasiu și clorură, pentru că acestea par importante. Separarea compartimentelor este o membrană care este oarecum permeabilă la ionii de potasiu și clorură, dar complet impermeabilă la proteine.

concentrația de electroliți din fiecare compartiment este egală și se menține electroneutralitatea fiecărui compartiment. Dacă cineva ar fi înclinat în acest fel, ar putea fi capabil să reprezinte acest echilibru ca o ecuație, unde „int” înseamnă intracelular și „ext” înseamnă extracelular.

ext ext = int int

acum, să înlocuim KCl în compartimentul intracelular cu un proteinat de potasiu, adică o moleculă în care potasiul vine cu o proteină încărcată negativ (Pr-) ca conjugat. Proteina nu este difuzibilă și, prin urmare, nu participă la ecuația de mai sus (adică ext nu poate fi niciodată la fel ca int). Acum, concentrațiile intracelulare și extracelulare de potasiu rămân aceleași (și astfel potasiul nu este înclinat să difuzeze nicăieri), dar acum există un gradient de concentrație pentru ionii de clorură. Să presupunem că concentrația inițială a fost de 100 mmol / L; gradientul de concentrație este acum de la 100 mmol/L la 0 mmol/L.

deci, deoarece membrana este permeabilă la ionii de clorură și acum există un gradient de concentrație, unii dintre ionii de clorură difuzează în compartimentul intracelular. Prin necesitate, ele sunt însoțite de niște ioni de potasiu, astfel încât electroneutralitatea este păstrată.

ionii de clorură sunt, de asemenea, respinși de proteina încărcată negativ în compartimentul intracelular și astfel cea mai mare parte a clorurii rămâne pe partea extracelulară a membranei.

deci; electroneutralitatea este păstrată. La fel și echilibrul total al concentrației ionilor difuzibili, astfel încât produsul concentrațiilor de ioni difuzabili extracelulari este același cu produsul concentrațiilor de ioni difuzibili intracelulari:

ext ext = int int

fără a cădea într-o gaură de iepure de ecuații pătratice, este suficient să spunem că, dacă am început cu concentrații de 100 mmol/L pe ambele părți, odată adăugată proteina, ajungem cu aproximativ 33 mmol/L de clorură pe partea intracelulară, precum și cu 133 mmol/L de potasiu; moleculele de ioni suplimentari provin din fluidul extracelular și, prin urmare, vom obține prin urmare, acest compartiment devine relativ sărac în ioni, cu aproximativ 66,6 mmol/l din fiecare specie.

acum, desigur, deoarece există un gradient electric, precum și un gradient de difuzie chimică care acționează asupra ionilor, va exista o distribuție ușor inegală a sarcinii pe membrană, ducând la o diferență de potențial. Acesta este un concept familiar discutat pe larg în capitolul privind potențialul membranei de repaus. Este suficient să spunem că pentru fiecare ion echilibrul dintre gradientul de concentrație și gradientul electric este descris de ecuația Nernst, iar diferența totală de potențial pe membrană care rezultă din efectul combinat al tuturor mișcărilor ionice poate fi descrisă de ecuația Goldman–Hodgkin–Katz, ținând cont de faptul că pentru fiecare ion permeabilitatea membranei va fi diferită. Pe scurt, efectul Gibbs-Donnan stabilește o diferență de potențial transmembranar, deoarece distribuția ionilor încărcați pe membrană este inegală. Această diferență de potențial este aparent destul de mică. Sperelakis (2011) oferă o valoare de -20 mV, deși nu este clar de unde provine acest număr.

deci, suntem acum la echilibrul Gibbs-Donnan: produsele concentrațiilor de ioni difuzibili trebuie să fie aceleași pe ambele părți, iar pe fiecare parte a membranei se păstrează neutralitatea electrică. Cu toate acestea, prezența proteinei nedifuzibile face ca concentrația totală a moleculelor intracelulare să fie mult mai mare decât concentrația moleculelor extracelulare:

concentrație intracelulară = int + int + int

concentrație extracelulară = ext + ext

de fapt, în acest experiment de gândire (extrem de inexact fiziologic), diferența de osmolalitate este destul de puternică (există aproximativ 134 mOsm/l diferență). Cu acest tip de gradient osmotic, apa ar crește peste membrană, determinând celula să se umfle hidos și să explodeze.

evident, acest lucru nu se întâmplă in vivo. Na+ / K + ATPaza joacă un rol major în prevenirea osmoexploziei celulare prin pomparea a trei ioni de sodiu din celulă în schimbul a două potasii. Permeabilitatea teribilă de sodiu a membranei celulare înseamnă că sodiul se menține în general în compartimentul extracelular, menținând osmolalitatea acolo. Ca rezultat, un al doilea efect Donnan (de data aceasta cu ionii nedifuzibili fiind sodiu extracelular) este stabilit peste membrană, care menține un contra-gradient osmotic pentru mișcarea apei. Astfel, există un” efect dublu Donnan ” în acțiune la fiecare membrană celulară. În scopuri de examen, stagiarul CICM ar fi sfătuit să evite termeni precum „osmoexplozie”; declarația formală ar fi că „pompele de sodiu alimentate cu ATP scad osmolalitatea intracelulară prin transportul activ al sodiului din fluidul intracelular, menținând astfel homeostazia volumului celular printr-un al doilea efect Donnan”.

importanța Na+/K+ ATPază în menținerea unui volum celular stabil a fost bine stabilită de o serie de autori timpurii care au dezactivat pompa folosind diferite metode și apoi au observat pe măsură ce celulele s-au umflat și s-au rupt. De exemplu, Russo și colab (1977) au folosit hipotermia pentru a opri toată activitatea metabolică celulară și, prin urmare, a aboli pomparea ionilor. Feliile de ficat de șobolan au fost incubate la 1 CENTICC timp de 90 de minute și apoi examinate la microscopul electronic, comparându-le cu controalele normotermice. Cu pompele ionice dezactivate, celulele au crescut semnificativ în dimensiune. Conținutul lor de apă a crescut cu aproximativ 60%, iar conținutul lor de sodiu mai mult de patru ori.

efecte Gibbs-Donnan dincolo de scara celulară

în afară de influențarea mediului confuz infestat cu pompă ATP al celulei, efectul Gibbs-Donnan influențează și alte medii macroscopice și, printr-o discuție detaliată a acestor chestiuni, nu intră în sfera de competență a acestui capitol, ar fi bine să ignorăm complet aceste aplicații ale conceptului. Pe scurt, oriunde o membrană separă compartimentele și izolează o substanță nedifuzibilă în una dintre ele, putem găsi o aplicație a efectului Gibbs-Donnan.

în Australia, Kerry Brandis’ fiziologia Viva este de obicei prima introducere detaliată a acestui concept pe care îl întâlnești după ce ai părăsit școala de medicină, iar exemplul discutat mai jos a fost elaborat din notele sale excelente pe această temă. Dacă cineva cere ceva mai substanțial din literatura publicată și nu dorește să plătească pentru cartea lui Brandis, Nguyen & Kurtz (2006) a produs o revizuire excelentă a subiectului, plină de o grosime densă de derivări matematice. Pentru a menține unele vestigii de focalizare examen, acestea au fost omise din discuția de mai jos.

pe scurt, din nou ni se prezintă două compartimente, de data aceasta interstițiale și intravasculare. Să le umplem cu concentrații fiziologice plauzibile de electroliți.

toți ionii rămân pe loc. Nu există forțe care să le schimbe. Acum, vă permite să adăugați unele proteine anionice, ca și mai înainte.

acum, există o forță electrostatică care respinge clorura din compartimentul intravascular. În consecință, mai multă clorură se colectează în lichidul interstițial. Aceeași forță atrage sodiul înapoi în compartimentul intravascular. Aceasta concurează cu gradientul de concentrație. Pentru a face conceptul mai ușor de înțeles, autorul a recurs la designul grafic la nivel de grădiniță, reprezentând gradienții electrochimici cu pante colorate. Se poate imagina aproape ioni mici alunecând pe ele.

forța de atracție a proteinei anionice pentru sodiu concurează cu gradientul de concentrație care o aspiră înapoi în compartimentul interstițial. La o anumită concentrație, se atinge un fel de echilibru.

desigur, în realitate acest lucru nu este un echilibru adevărat. Există încă o concentrație inegală de particule pe ambele părți ale membranei. Se atinge un echilibru între gradientul de concentrație și gradientul electrostatic, dar mai există apă de luat în considerare.

apa este atrasă osmotic în compartimentul vascular. Mișcarea apei ar dilua apoi concentrația ionilor și ar exista o schimbare a gradienților lor de concentrație. Deci nu există o stare stabilă stabilă.

există o mișcare a unor ioni din spațiul intravascular, dar la echilibrul Gibbs-Donnan există încă mai multe particule în compartimentul vascular, exercitând o presiune oncotică.

forța oncotică care aspiră apa în capilare este opusă de presiunea hidrostatică capilară, care este aplicată prin acțiunea de pompare a inimii. Dacă această presiune devine prea mare (de ex. dacă inima eșuează și presiunea venoasă capilară crește) presiunea hidrostatică capilară depășește presiunea oncotică plasmatică și forțează apa din compartimentul vascular. Apare edemul.

distribuția ionilor în compartimentele interstițiale și intravasculare poate fi exprimată în termenii unui factor de coeficient care descrie distribuția ionului în fluidul interstițial ca proporție a concentrației sale în plasmă. Acest lucru este denumit în general factorul Gibbs-Donnan. Valoarea acestui factor pentru cationii monovalenți este de 0,95 (adică concentrația de sodiu din lichidul interstițial este de 0,95% din concentrația plasmatică). Pentru anionii monovalenți, este 1.05. Cationii bivalenți precum calciul sunt parțial legați de proteine, iar efectul Gibbs – Donnan se aplică numai formelor ionizate. Pentru ei, factorul este de 0,90 (și invers 1,10 pentru anionii bivalenți).