detta kapitel är vagt relevant för avsnitt E(i) i 2017 Cicm Primary Syllabus, som förväntar sig att examenskandidaten ”förklarar mekanismer för transport av ämnen över cellmembran, inklusive en förståelse för Gibbs-Donnan-effekten”. Gibbs-Donnan-effekten är naturligtvis inte riktigt en transportmekanism över cellmembran; snarare är transport över cellmembran mekanismen för Gibbs-Donnan-effekten; men sådana invändningar är meningslöst akademiska. Fråga 14 från det andra papperet från 2017 ägnade 40% av varumärkena till Gibbs-Donnan-effekten. Tydligen förvirrade ett stort antal examenskandidater det med de elektrokemiska gradienterna som producerar och upprätthåller vilande membranpotential, som undersökarna betraktade som en mindre katastrof. För att förhindra framtida förvirring kan Gibbs-Donnan-effekten sammanfattas sålunda:
- Gibbs-Donnan-effekten beskriver den ojämna fördelningen av permeanta laddade joner på vardera sidan av ett semipermeabelt membran som uppträder i närvaro av impermeanta laddade joner.
- vid Gibbs-Donnan jämvikt,
- på varje sida av membranet kommer varje lösning att vara elektriskt neutral
- produkten av diffusibla joner på ena sidan av membranet kommer att vara lika med produkten av diffusibla joner på den andra sidan av membranet
- de elektrokemiska gradienterna som produceras genom ojämn fördelning av laddade joner ger en transmembranpotentialskillnad som kan beräknas med hjälp av Nernst ekvation
- närvaron av impermeanta joner på ena sidan av membranet skapar en osmotisk diffusionsgradident som lockar vatten till det facket.
- mekanismerna som upprätthåller den vilande membranpotentialen och mekanismerna för Gibbs-Donnan-effekten är olika fenomen:
- Donnan equlibrium är en helt passiv process: dvs inga aktiva transportörer är involverade i att upprätthålla denna jämvikt.
- en Donnan jämvikt är en jämvikt, dvs jonkoncentrationer på vardera sidan av barriären är statiska.
- om Donnan-jämvikten skulle bli fullständigt etablerad skulle ökningen av intracellulära joner få celler att svälla på grund av den osmotiska tillströmningen av vatten.
- vid en Donnan-jämvikt skulle vilande membranpotential endast vara cirka -20 mV. Denna potential skulle existera även om membranpermeabiliteten för alla joner var densamma.
- den vilande membranpotentialen kräver däremot olika permeabiliteter för kalium och natrium och upprätthålls aktivt genom konstant Na+/K+ ATPas-aktivitet.
- eftersom biologiska membran (särskilt av exciterbara vävnader) aldrig är i jämvikt är Goldman-Hodgkin-Katz-ekvationen vanligtvis ett bättre val för att förklara deras elektrokemiska beteende.
den mest grundliga och definitiva resursen för detta ämne måste vara Nicholas Sperelakis’ Cell Physiology Source Book, där Kapitel 15 (s.243 i 3: e upplagan) diskuterar Gibbs-Donnan-jämvikten i minsta detalj. Det är förmodligen också en bra referens för en diskussion om varför Gibbs-Donnan-effekten inte är den huvudsakliga mekanismen som är ansvarig för vilande membranpotential. Guyton & Hall nämner Donnan-effekten i förhållande till kapillärvätskeskift runt sidan 196 i den 13: e upplagan, och behandlingen av detta fenomen där är mest otillfredsställande. Ganongs granskning av medicinsk fysiologi gör ett något bättre jobb (s.6 i 23: e upplagan), tre eller så stycken som förmodligen är tillräckligt bra för statligt arbete. Om man är temperamentellt olämplig för piratkopiering kan man betala för dessa läroböcker och hitta dessa referenser inuti dem. Alternativt har Nguyen & Kurtz (2006) en gratis Artikel online som diskuterar konceptet i detalj, med överdriven algebra och fokus på Gibbs-Donnan jämvikt mellan interstitiell och intravaskulär vätska.
Definition och historia av Gibbs-Donnan (eller bara Donnan) effekt
man kan förvänta sig att vara bäst definieras av Frederick George Donnan själv (t.ex. 1911) men tyvärr hade Donnan själv aldrig varit bekant med cicm-primärkandidaternas behov och gjorde därför inga ansträngningar för att förkorta sin princip till en minnesvärd soundbite. Istället är papperet en utmärkt, välskriven långformad förklaring av effekten, förmodligen bättre än någonting som senare publicerades i glansiga färgböcker. Om man behöver en kort definition kan man rekonstrueras från första stycket i posten från Encyclopedia of Membranes (Drioli & Giorno, 2015):
”Donnan-effekten är fenomenet förutsägbar och ojämn fördelning av permeanta laddade joner på vardera sidan av ett semipermeabelt membran, i närvaro av impermeanta laddade joner”
är det Donnan-effekten, eller är det Gibbs-Donnan-effekten? Donnan kallade aldrig sin effekt ”Donnan-effekten”, men från 1911 och framåt blev den känd som sådan, och i detta skede fanns det noll Gibbs i de offentliga omnämnandena av detta koncept. J.W Gibbs var övervägande en fysiker och matematiker som bidrog (massivt) till kemi några decennier innan Donnan kom med. Förhållandet mellan Donnan-effekten och de publicerade verken av Gibbs upptäcktes 1923 av G. s Adair, som hittade en Gibbsian ekvation från 1906 som i huvudsak var identisk med Donnans ekvation. Det råder ingen tvekan om att Donnan påverkades avsevärt av Gibbs, i den utsträckning att ge adresser till hans ära och beskriva honom som ”en genial man som kombinerar djup insikt med de högsta krafterna för logiskt resonemang” (Donnan, 1925). Efterföljande publikationer av Donnan (t.ex. Donnan, 1924) är väl inredda med lämpliga attribut, dvs Gibbs ekvation erkänns i början. Donnan fortsatte till och med med att publicera vad som verkar vara en hagiografi i två volymer av Gibbs vetenskapliga verk. Så vems effekt är det? ”Gibbs-Donnan” verkar vara det mest politiskt korrekta tillvägagångssättet där den kronologiskt tidigare författaren ges företräde, men många författare utelämnar Gibbs även nu. Detta är ett tillstånd som Josiah Willard Gibbs förmodligen skulle ha varit helt i fred med, med tanke på att han hade en karaktär som ganska saknade flamboyant ambition och var ”inte en annonsör för personligt rykte”.
förklaring av Gibbs-Donnan-effekten
på grund av någon inneboende lassitude från författarens sida är det följande i huvudsak en rekapitulation av den ursprungliga beskrivningen som Donnan gav för sin egen effekt 1911, men med kalium ersatt för natrium. Detta förenklade experiment med två fack är fortfarande ett effektivt sätt att förklara konceptet; att lägga till cellrealism i denna beskrivning skulle offra tydlighet för noggrannhet.
se, dessa två fack. För att upprätthålla en viss bilaga till högskoleplanen, låt oss märka dem ”intracellulär” och ”extracellulär”. I dessa fack löses vissa joner. Låt oss göra dessa kalium och klorid, eftersom de verkar viktiga. Separering av facken är ett membran som är något permeabelt för kalium-och kloridjoner, men helt ogenomträngligt för proteiner.
koncentrationen av elektrolyter i varje fack är lika, och elektroneutralitet i varje fack upprätthålls. Om man var så benägen, skulle man kunna representera denna jämvikt som en ekvation, där ”int” betyder intracellulär och ”ext” betyder extracellulär.
ext, ext, ext = int, int, 3596>
låt oss nu ersätta KCl i det intracellulära facket med ett kaliumproteinat, dvs en molekyl där kalium kommer med något negativt laddat protein (Pr-) som dess konjugat. Proteinet är inte diffusibelt, och så deltar det inte i ekvationen ovan (dvs ext kan aldrig vara detsamma som int). Nu förblir intracellulära och extracellulära kaliumkoncentrationer desamma (och så är kalium inte benägen att diffundera någonstans), men nu finns det en koncentrationsgradient för kloridjonerna. Låt oss säga att den ursprungliga koncentrationen var 100 mmol/ L; koncentrationsgradienten är nu från 100 mmol / l till 0 mmol / L.
så, eftersom membranet är permeabelt för kloridjoner och nu finns det en koncentrationsgradient, diffunderar några av kloridjonerna i det intracellulära facket. Av nödvändighet åtföljs de av vissa kaliumjoner, så att elektroneutralitet bevaras.
kloridjonerna avvisas också av det negativt laddade proteinet i det intracellulära facket, och så kvarstår huvuddelen av kloriden på den extracellulära sidan av membranet.
så; elektroneutralitet bevaras. Så är den totala koncentrationsbalansen av diffusibla joner, så att produkten av extracellulära diffusa jonkoncentrationer är densamma som produkten av intracellulära diffusibla jonkoncentrationer:
ext 2BG ext = int 2BG int
utan att falla i ett kaninhål med kvadratiska ekvationer, räcker det med att säga att om vi började med koncentrationer av 100 mmol/L på vardera sidan, när protein tillsätts slutar vi med cirka 33 mmol/L klorid på den intracellulära sidan, liksom 133 mmol/l kalium; de extra jonmolekylerna kom från den extracellulära vätskan och därför blir det facket relativt jonfattigt, med cirka 66,6 mmol/l av varje art.
nu, naturligtvis, eftersom det finns en elektrisk gradient såväl som en kemisk diffusionsgradient som verkar på jonerna, kommer det att finnas en något ojämn fördelning av laddning över membranet, vilket leder till en potentiell skillnad. Detta är ett välbekant koncept som diskuteras i stora längder i kapitlet om Vilande membranpotential. Det räcker med att säga att för varje jon beskrivs balansen mellan koncentrationsgradienten och den elektriska gradienten av Nernst–ekvationen och den totala potentialskillnaden över membranet som härrör från den kombinerade effekten av alla jonrörelser kan beskrivas av Goldman–Hodgkin-Katz-ekvationen, med hänsyn till det faktum att membranpermeabiliteten för varje jon kommer att vara annorlunda. Kort sagt, Gibbs-Donnan-effekten sätter upp en transmembranpotentialskillnad eftersom fördelningen av laddade joner över membranet är ojämn. Denna potentiella skillnad är tydligen ganska liten. Sperelakis (2011) ger ett värde på -20 mV, men det är inte klart var det numret kommer ifrån.
så vi är nu vid Gibbs-Donnan-jämvikten: produkterna med diffusibla jonkoncentrationer måste vara desamma på båda sidor, och på varje sida av membranet bevaras elektrisk neutralitet. Närvaron av icke-diffusibelt protein gör emellertid den totala koncentrationen av intracellulära molekyler mycket högre än koncentrationen av extracellulära molekyler:
intracellulär koncentration = int + int + int
extracellulär koncentration = ext + ext
faktum är att i detta (vildt fysiologiskt felaktiga) tankeexperiment är skillnaden i osmolalitet ganska stark (det finns cirka 134 mOsm/l skillnad). Med denna typ av osmotisk gradient skulle vatten öka över membranet, vilket får cellen att svälla hemskt och explodera.
uppenbarligen händer det inte in vivo. Na + / K + ATPas spelar en viktig roll för att förhindra cellulär osmoexplosion genom att pumpa tre natriumjoner ut ur cellen i utbyte mot två kaliumjoner. Cellmembranets fruktansvärda natriumpermeabilitet innebär att natrium i allmänhet håller sig till det extracellulära facket och upprätthåller osmolaliteten där. Som ett resultat etableras en andra Donnan-effekt (den här gången med de icke-diffusibla jonerna extracellulärt natrium) över membranet, vilket upprätthåller en osmotisk motgradient för vattenrörelse. Således finns det en” dubbel Donnan-effekt ” i aktion vid varje cellmembran. För undersökningsändamål skulle CICM-praktikanten rekommenderas att undvika termer som” osmoexplosion”; det formella uttalandet skulle vara att”ATP-drivna natriumpumpar minskar intracellulär osmolalitet genom att aktivt transportera natrium ur den intracellulära vätskan och därigenom upprätthålla cellvolymhomeostas via en andra Donnan-effekt”.
vikten av Na+ / K + ATPas för att upprätthålla en stabil cellvolym fastställdes väl av en serie tidiga författare som inaktiverade pumpen med olika metoder och sedan observerades när cellerna svällde och bröt. Till exempel använde Russo et al (1977) hypotermi för att stoppa all cellulär metabolisk aktivitet och därmed avskaffa jonpumpning. Råttleverskivorna inkuberades vid 1 msk i 90 minuter och undersöktes sedan under ett elektronmikroskop och jämförde dem med normotermiska kontroller. Med jonpumpar inaktiverade ökade cellerna i storlek markant. Deras vatteninnehåll ökade med cirka 60% och deras natriuminnehåll mer än fyrdubblades.
Gibbs-Donnan-effekter utöver cellskalan
förutom att påverka den förvirrande ATP-pumpinfekterade miljön i cellen, påverkar Gibbs-Donnan-effekten också andra makroskopiska miljöer, och genom en detaljerad diskussion om dessa frågor faller utanför detta kapitel, skulle det vara fel att helt ignorera dessa tillämpningar av konceptet. Kort sagt, varhelst ett membran separerar fack och isolerar en icke-diffusibel substans inom en av dem, kan vi hitta någon tillämpning av Gibbs-Donnan-effekten.
i Australien är Kerry Brandis ’ the Physiology Viva vanligtvis den första detaljerade introduktionen till detta koncept som man möter efter att ha lämnat läkarskolan, och exemplet som diskuteras nedan har utarbetats från hans utmärkta anteckningar om ämnet. Om man behöver något mer väsentligt från den publicerade litteraturen och är ovillig att betala för Brandis bok, har Nguyen & Kurtz (2006) producerat en utmärkt recension av ämnet, bristling med en tät tjocklek av matematiska härledningar. För att upprätthålla vissa rester av examensfokus har dessa utelämnats från diskussionen nedan.
kort sagt, återigen presenteras vi med två fack, den här gången interstitiell och intravaskulär. Låt oss fylla dessa med fysiologiskt troliga koncentrationer av elektrolyter.
alla joner stannar kvar. Det finns inga krafter som flyttar dem runt. Nu kan vi lägga till lite anjoniskt protein, som tidigare.
nu finns det en elektrostatisk kraft som avvisar klorid ur det intravaskulära facket. Följaktligen samlas mer klorid i den interstitiella vätskan. Samma kraft lockar natrium tillbaka in i det intravaskulära facket. Detta konkurrerar med koncentrationsgradienten. För att göra konceptet lättare att förstå har författaren använt sig av grafisk design på dagis, som representerar de elektrokemiska lutningarna med färgade sluttningar. Man kan nästan föreställa sig att små joner glider ner dem.
den attraktiva kraften hos anjoniskt protein för natrium konkurrerar med koncentrationsgradienten som suger tillbaka den i det interstitiella facket. Vid en viss koncentration uppnås någon form av jämvikt.
naturligtvis är detta i verkligheten inte en sann jämvikt. Det finns fortfarande ojämn partikelkoncentration på båda sidor av membranet. En jämvikt mellan koncentrationsgradienten och den elektrostatiska gradienten uppnås, men det finns fortfarande vatten att överväga.
vatten lockas osmotiskt in i kärlfacket. Vattnets rörelse skulle sedan späda koncentrationen av jonerna, och det skulle bli en förändring i deras koncentrationsgradienter. Så det finns inget stabilt stabilt tillstånd.
det finns rörelse av vissa joner ur det intravaskulära utrymmet, men vid Gibbs-Donnan-jämvikt finns det fortfarande fler partiklar i kärlkammaren och utövar ett onkotiskt tryck.
den onkotiska kraften som suger vatten i kapillärerna motsätts av det kapillära hydrostatiska trycket, som appliceras genom hjärtens pumpverkan. Om detta tryck blir för stort (t.ex. om hjärtat misslyckas och det kapillära venetrycket stiger) övervinner det kapillära hydrostatiska trycket det onkotiska trycket i plasma och tvingar vattnet ut ur kärlfacket. Ödem följer.
fördelningen av joner i de interstitiella och intravaskulära facken kan uttryckas i termer av en koefficientfaktor som beskriver fördelningen av jonen i interstitialvätskan som en andel av dess koncentration i plasma. Detta kallas vanligtvis Gibbs-Donnan-faktorn. Värdet av denna faktor för monovalenta katjoner är 0,95 (d.v. s. natriumkoncentrationen i interstitialvätskan är 0,95 kg koncentrationen i plasma). För monovalenta anjoner, dess 1.05. Divalenta katjoner som kalcium är delvis proteinbundna, och Gibbs – Donnan-effekten gäller endast de joniserade formerna. För dem är faktorn 0,90 (och omvänt 1,10 för de tvåvärda anjonerna).
