Эффект Гиббса-Доннан (также известный как эффект Доннана , закон доннановского , доннановское равновесие , или Гиббс-доннановское равновесие ) представляет собой имя для поведения заряженных частиц вблизи полупроницаемой мембраны , которые иногда не равномерно распределить по двух сторон мембраны. [1] Обычно причиной является наличие другого заряженного вещества, которое не может пройти через мембрану и, таким образом, создает неравномерный электрический заряд . [2] Например, большие анионные белки плазмы крови не проницаемы длястенки капилляров . Поскольку небольшие катионы притягиваются, но не связаны с белками, небольшие анионы будут проходить через стенки капилляров от анионных белков с большей готовностью, чем небольшие катионы.
Таким образом, некоторые ионные частицы могут проходить через барьер, а другие - нет. Растворы могут быть гелями или коллоидами, а также растворами электролитов , и, как таковая, 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 американского физика Джозайя Уилларда Гиббса , предложившего его в 1878 году, и британского химика Фредерика Г. Доннана , экспериментально изучившего его в 1911 году [3].
Равновесие Доннана заметно в трехфазной модели суставного хряща, предложенной Mow и Lai, а также в электрохимических топливных элементах и диализе .
Эффект Доннана - это тактическое давление, связанное с катионами (Na + и K + ), прикрепленными к растворенным белкам плазмы.
Пример
Присутствие 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 проникающими ионами являются Na + и Cl - ):
Начинать | Равновесие | Осмолярность |
---|---|---|
: 9 Na, 9 Cl : 9 Na, 9 белков | : 6 Na, 6 Cl : 12 Na, 3 Cl, 9 белков. | : 12 : 24 |
Двойной Доннан
Обратите внимание, что стороны 1 и 2 больше не находятся в осмотическом равновесии (т. Е. Общие осмолиты на каждой стороне не одинаковы)
In vivo ионный баланс уравновешивается в пропорциях, которые можно было бы предсказать с помощью модели Гиббса-Доннана, потому что клетка не может терпеть сопутствующий большой приток воды. Это уравновешивается введением функционально непроницаемого катиона Na + внеклеточно для противодействия анионному белку. Na + действительно проникает через мембрану через каналы утечки (проницаемость составляет примерно 1/10 проницаемости K + , наиболее проницаемого иона), но, согласно модели утечки насоса, он вытесняется Na + / K + -АТФазой . [4]
изменение pH
Поскольку существует разница в концентрации ионов по обе стороны от мембраны, pH может также отличаться, когда задействованы протоны [ необходима цитата ] . Во многих случаях, от ультрафильтрации белков до ионообменной хроматографии, pH буфера, прилегающего к заряженным группам мембраны, отличается от pH остальной части буферного раствора. [5] Когда заряженные группы отрицательны (основные), они будут притягивать протоны, так что pH будет ниже, чем у окружающего буфера. Когда заряженные группы положительны (кислые), они отталкивают протоны, так что pH будет выше, чем у окружающего буфера.
Физиологические приложения
красные кровяные клетки
Когда тканевые клетки находятся в жидкости, содержащей белок, эффект Доннана цитоплазматических белков равен и противоположен эффекту Доннана внеклеточных белков. Противоположные эффекты Доннана заставляют ионы хлора мигрировать внутри клетки, увеличивая внутриклеточную концентрацию хлорида. Эффект Доннана может объяснить, почему некоторые красные кровяные тельца не имеют активных натриевых насосов; эффект снижает осмотическое давление белков плазмы, поэтому перекачка натрия менее важна для поддержания объема клеток. [6]
Неврология
Набухание ткани головного мозга , известное как отек мозга , возникает в результате травмы головного мозга и других травм головы, которые могут повышать внутричерепное давление (ВЧД). Отрицательно заряженные молекулы внутри клеток создают фиксированную плотность заряда, которая увеличивает внутричерепное давление за счет эффекта Доннана. Насосы АТФ поддерживают отрицательный мембранный потенциал, даже если через мембрану протекает отрицательный заряд; это действие устанавливает химический и электрический градиент. [7]
Отрицательный заряд в ячейке и ионы вне ячейки создают термодинамический потенциал; если происходит повреждение мозга и клетки теряют целостность мембран, ионы устремляются в клетку, чтобы уравновесить химические и электрические градиенты, которые были установлены ранее. Напряжение на мембране станет равным нулю, но химический градиент по-прежнему будет существовать. Чтобы нейтрализовать отрицательные заряды внутри клетки, катионы втекают внутрь, что увеличивает осмотическое давление внутри клетки по сравнению с внешней стороной клетки. Повышенное осмотическое давление заставляет воду течь в клетку, и происходит набухание тканей. [8]
Смотрите также
Рекомендации
- ^ "Эффект Гиббса-Доннана" . Архивировано из оригинала на 2007-06-18 . Проверено 28 августа 2006 .
- ^ Гиббса-Доннан Равновесие ... , DC Mikulecky, получен 28 августа 2006
- ^ Доннан, Ф.Г. (1911). "Theorie der Membrangleichgewichte und Membranpotentiale bei Vorhandensein von nicht dialysierenden Elektrolyten. Ein Beitrag zur Physikalisch-Chemischen Physiologie" [Теория мембранного равновесия и мембранного потенциала в присутствии недиализируемого электролита. Вклад в физико-химическую физиологию. Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie . 17 (10): 572–581. DOI : 10.1002 / bbpc.19110171405 (неактивный 2021-01-14).CS1 maint: DOI неактивен с января 2021 г. ( ссылка )
- ^ Лист, Александр (1959). «Поддержание градиентов концентрации и регулирование объема клеток». Летопись Нью-Йоркской академии наук . 72 (12): 396–404. Bibcode : 1959NYASA..72..396L . DOI : 10.1111 / j.1749-6632.1959.tb44168.x . PMID 13627925 . S2CID 44583830 .
- ^ Bolton, Glen R .; Boesch, Austin W .; Баша, Йонида; LaCasse, Daniel P .; Келли, Брайан Д .; Ачарья, Хари (01.01.2011). «Влияние свойств белка и раствора на эффект Доннана при ультрафильтрации белков». Прогресс биотехнологии . 27 (1): 140–152. DOI : 10.1002 / btpr.523 . ISSN 1520-6033 . PMID 21312362 . S2CID 5931842 .
- ^ Kurbel, S. (2011). Эффект Доннана на распределение ионов хлора как определяющий фактор состава жидкости тела, который позволяет потенциалам действия распространяться через быстрые натриевые каналы. Теоретическая биология и медицинское моделирование, 8, 16. http://doi.org/10.1186/1742-4682-8-16
- ^ Elkin, Benjamin S .; Shaik, Mohammed A .; Моррисон, Барклай (13 февраля 2010 г.). «Фиксированный отрицательный заряд и эффект Доннана: описание движущих сил, связанных с набуханием и отеком ткани мозга» . Философские труды. Серия A, математические, физические и технические науки . 368 (1912): 585–603. Bibcode : 2010RSPTA.368..585E . DOI : 10,1098 / rsta.2009.0223 . PMC 2944388 . PMID 20047940 .
- Перейти ↑ Elkin, BS, Shaik, MA, & Morrison, B. (2010). Фиксированный отрицательный заряд и эффект Доннана: описание движущих сил, связанных с набуханием и отеком мозговой ткани. Философские труды. Серия A, Математические, физические и технические науки, 368 (1912), 585–603. http://doi.org/10.1098/rsta.2009.0223
- 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.
- Mapleson WW "Расчет влияния равновесия Доннана на pH при равновесном диализе". Журнал фармакологических методов, май 1987 г.
Внешние ссылки
- Имитатор эффекта Гиббса – Доннана
- Разница между наблюдаемыми и ожидаемыми значениями онкотического давления