Эффект Гиббса – Доннана - Gibbs–Donnan effect

Равновесие Доннана через клеточная мембрана (схема)

В Эффект Гиббса – Доннана (также известный как Эффект Доннана, Закон Доннана, Доннановское равновесие, или же Равновесие Гиббса-Доннана) - это название поведения заряженные частицы рядом с полупроницаемая мембрана которые иногда не могут равномерно распределяться по двум сторонам мембраны.^[1] Обычно причиной является наличие другого заряженного вещества, которое не может пройти через мембрану и, таким образом, создает неравномерное электрический заряд.^[2] Например, большой анионный белки в плазма крови не проницаемы для капилляр стены. Потому что маленький катионы притягиваются, но не связываются с белками, небольшие анионы будут проходить через стенки капилляров от анионных белков легче, чем небольшие катионы.

Таким образом, некоторые ионные частицы могут проходить через барьер, а другие - нет. Решения могут быть гели или же коллоиды а также решения электролиты, и как таковая фазовая граница между гелями или гелем и жидкостью также может действовать как селективный барьер. В электрический потенциал возникает между двумя такими решениями, называется Доннан потенциал.

Эффект назван в честь американского физик Джозайя Уиллард Гиббс кто предложил это в 1878 году, и британцы химик Фредерик Г. Доннан которые исследовали его экспериментально в 1911 г.^[3]

Равновесие Доннана заметно в трехфазной модели суставного хрящ предложенные Mow и Lai, а также в электрохимических топливные элементы и диализ.

Эффект Доннана - это тактическое давление, обусловленное катионами (Na⁺ и K⁺) прикреплены 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⁻):

$${displaystyle [{ext {Na}} ^ {+}] _ {alpha} [{ext {Cl}} ^ {-}] _ {alpha} = [{ext {Na}} ^ {+}] _ {eta } [{ext {Cl}} ^ {-}] _ {eta}}$$

$${displaystyle {frac {[{ext {Na}} ^ {+}] _ {alpha}} {[{ext {Na}} ^ {+}] _ {eta}}}} = {frac {[{ext {Cl }} ^ {-}] _ {eta}} {[{ext {Cl}} ^ {-}] _ {alpha}}}}$$

Начинать	Равновесие	Осмолярность
${displaystyle alpha}$: 9 Na, 9 Cl ${displaystyle eta}$: 9 Na, 9 белков	${displaystyle alpha}$: 6 Na, 6 Cl ${displaystyle eta}$: 12 Na, 3 Cl, 9 белков.	${displaystyle alpha}$: 12 ${displaystyle eta}$: 24

Двойной Доннан

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

В естественных условиях, ионный баланс действительно уравновешивается в пропорциях, которые были бы предсказаны моделью Гиббса-Доннана, потому что клетка не может терпеть сопутствующий большой приток воды. Это уравновешивается введением функционально непроницаемого катиона Na⁺, внеклеточно, чтобы противостоять анионному белку. Na⁺ проникает через мембрану через каналы утечки (проницаемость примерно 1/10 проницаемости K⁺, наиболее проницаемый ион), но, согласно модели утечки насоса, он вытесняется Na⁺/ К⁺-ATPase.^[4]

изменение pH

Поскольку существует разница в концентрации ионов по обе стороны от мембраны, pH может также отличаться, когда участвуют протоны.^{[нужна 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 являются положительными (кислотными), они отталкивают протоны, так что pH будет выше, чем у окружающего буфера.

Физиологические приложения

красные кровяные тельца

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

Ткани мозга отек, известный как отек мозга, возникает в результате черепно-мозговой травмы и других черепно-мозговых травм, которые могут увеличить внутричерепное давление (ПМС). 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 все равно 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

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

Рекомендации

• 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.
• Мэйплсон В. В. "Расчет влияния равновесия Доннана на pH при равновесном диализе". Журнал фармакологических методов, май 1987 г.

внешняя ссылка

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