Эффект Гиббса – Доннана

Равновесие Доннана через клеточную мембрану (схема)

Эффект Гиббса-Доннана (также известный как эффект Доннана , закон Доннана , равновесие Доннана или равновесие Гиббса-Доннана ) — это название поведения заряженных частиц вблизи полупроницаемой мембраны , которые иногда не могут равномерно распределяться по двум сторонам. мембраны. Обычной причиной является присутствие другого заряженного вещества, которое не может пройти через мембрану и, таким образом, создает неравномерный электрический заряд . Например, крупные анионные белки плазмы крови не проницаемы для стенок капилляров . Поскольку небольшие катионы притягиваются к белкам, но не связываются с ними, небольшие анионы легче проникают через стенки капилляров от анионных белков, чем небольшие катионы.

Таким образом, некоторые виды ионов могут проходить через барьер, а другие — нет. Растворы могут представлять собой гели или коллоиды , а также растворы электролитов , и поэтому фазовая граница между гелями или гелем и жидкостью также может действовать как селективный барьер. Электрический потенциал , возникающий между двумя такими решениями, называется потенциалом Доннана .

Эффект назван в честь американца Джозайи Уилларда Гиббса , предложившего его в 1878 году, и британского химика Фредерика Г. Доннана, экспериментально изучившего его в 1911 году.

Равновесие Доннана играет важную роль в трехфазной модели суставного хряща , предложенной Моу и Лаем. а также в электрохимических топливных элементах и ​​диализе .

Эффект Доннана представляет собой тактическое давление, обусловленное катионами (Na ⁺ и К ⁺ ), прикрепленный к растворенным белкам плазмы.

Пример

Наличие заряженного непроницаемого иона (например, белка) на одной стороне мембраны приведет к асимметричному распределению проникающих заряженных ионов. Уравнение Гиббса-Доннана в состояниях равновесия (при условии, что проникающие ионы представляют собой Na ⁺ и Cl ⁻ ): $$[{\text{Na}}^{+}]_{\alpha }[{\text{Cl}}^{-}]_{\alpha }=[{\text{Na}}^{+}]_{\beta }[{\text{Cl}}^{-}]_{\beta }$$Эквивалентно, $${\frac {[{\text{Na}}^{+}]_{\alpha }}{[{\text{Na}}^{+}]_{\beta }}}={\frac {[{\text{Cl}}^{-}]_{\beta }}{[{\text{Cl}}^{-}]_{\alpha }}}$$

Начинать	Равновесие	Осмолярность
$\alpha$: 9 Na, 9 Cl $\beta$: 9 Na, 9 протеинов.	$\alpha$: 6 Na, 6 Cl $\beta$: 12 Na, 3 Cl, 9 белков.	$\alpha$: 12 $\beta$: 24

Двойной Доннан

Обратите внимание, что стороны 1 и 2 больше не находятся в осмотическом равновесии (т.е. общее количество осмолитов на каждой стороне не одинаковое).

In vivo ионный баланс действительно уравновешивается в пропорциях, которые можно было бы предсказать моделью Гиббса-Доннана, поскольку клетка не может переносить сопутствующий большой приток воды. Это уравновешивается введением функционально непроницаемого катиона Na. ⁺ , внеклеточно, чтобы противостоять анионному белку. На ⁺ проникает через мембрану через каналы утечки (проницаемость составляет примерно 1/10 от K ⁺ , наиболее проницаемый ион), но, согласно модели утечки насоса, он вытесняется Na ⁺ /К ⁺ -АТФаза .

изменение pH

Поскольку существует разница в концентрации ионов по обе стороны мембраны, pH (определяемый с использованием относительной активности ) также может различаться при участии протонов. . Во многих случаях, от ультрафильтрации белков до ионообменной хроматографии, pH буфера, прилегающего к заряженным группам мембраны, отличается от pH остального буферного раствора. Когда заряженные группы отрицательные (основные), они будут притягивать протоны, так что pH будет ниже, чем у окружающего буфера. Когда заряженные группы положительны (кислотны), они будут отталкивать протоны, так что pH будет выше, чем у окружающего буфера.

Физиологические применения

Красные кровяные тельца

Когда тканевые клетки находятся в белковосодержащей жидкости, эффект Доннана цитоплазматических белков равен и противоположен эффекту Доннана внеклеточных белков. Противоположные эффекты Доннана заставляют ионы хлорида мигрировать внутри клетки, увеличивая внутриклеточную концентрацию хлорида. Эффект Доннана может объяснить, почему некоторые эритроциты не имеют активных натриевых насосов; эффект снижает осмотическое давление белков плазмы, поэтому перекачка натрия менее важна для поддержания объема клеток.

Неврология

Отек ткани головного мозга , известный как отек головного мозга , возникает в результате травмы головного мозга и других травм головы, которые могут повысить внутричерепное давление (ВЧД). Отрицательно заряженные молекулы внутри клеток создают фиксированную плотность заряда, которая увеличивает внутричерепное давление за счет эффекта Доннана. АТФ-насосы поддерживают отрицательный мембранный потенциал , даже если отрицательные заряды просачиваются через мембрану; это действие устанавливает химический и электрический градиент.

Отрицательный заряд внутри клетки и ионов вне клетки создает термодинамический потенциал; если произойдет повреждение мозга и клетки потеряют целостность своей мембраны, ионы устремятся в клетку, чтобы сбалансировать ранее установленные химические и электрические градиенты. Мембранное напряжение станет равным нулю, но химический градиент все равно будет существовать. Чтобы нейтрализовать отрицательные заряды внутри клетки, внутрь клетки поступают катионы, что увеличивает осмотическое давление внутри клетки по сравнению с внешней средой. Повышенное осмотическое давление заставляет воду поступать в клетку, и происходит набухание тканей.

См. также

• Химическое равновесие
• Уравнение Нернста
• Двойной слой (биология)
• Осмотическое давление
• Диффузионное равновесие

Ссылки

• Сборник химической терминологии ИЮПАК, 2-е издание (1997 г.)
• Ван К. Моу. Основы ортопедической биомеханики и механобиологии , 2-е изд. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, Филадельфия, 2005 г.
• Мейплсон В.В. «Расчет влияния равновесия Доннана на pH при равновесном диализе». Журнал фармакологических методов, май 1987 г.

Внешние ссылки

• Симулятор эффекта Гиббса – Доннана
• Разница между наблюдаемыми и ожидаемыми значениями онкотического давления