Эффект Гиббса – Доннана

редактировать
Равновесие Доннана на клеточной мембране (схема)

Эффект Гиббса – Доннана (также известный как эффект Доннана, Закон Доннана, равновесие Доннана или равновесие Гиббса – Доннана ) - это название поведения заряженных частиц вблизи полупроницаемой мембрана, которая иногда не может равномерно распределяться по двум сторонам мембраны. Обычно причиной является наличие другого заряженного вещества, которое не может пройти через мембрану и, таким образом, создает неравномерный электрический заряд. Например, большие анионные белки в плазме крови не проницаемы для стенок капилляров. Поскольку небольшие катионы притягиваются, но не связаны с белками, небольшие анионы будут проходить через стенки капилляров от анионных белков легче, чем маленькие катионы.

Таким образом, одни 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 действуют как селективный барьер. электрический потенциал, возникающий между двумя такими решениями, называется потенциалом Доннана.

Эффект назван в честь американского физика Джозайя Уилларда Гиббса, который предложил это в 1878 году и британский химик Фредерик Г. Доннан, который экспериментально изучил его в 1911 году.

Равновесие Доннана заметно в трехфазной модели суставов хрящ, предложенный Mow and Lai, а также в электрохимических топливных элементах и диализе.

Эффект Доннана - это тактическое давление, обусловленное катионами (Na и K), прикрепленными к растворенным белкам плазмы.

Содержание

  • 1 Пример
    • 1.1 Двойной Доннан
    • 1.2 Изменение pH
    • 1.3 Физиологические применения
      • 1.3.1 Эритроциты
      • 1.3.2 Неврология
  • 2 См. Также
  • 3 Ссылки
  • 4 Внешние ссылки

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):

[Na +] α [Cl -] α = [Na +] β [Cl -] β {\ displaystyle [{\ text { Na}} ^ {+}] _ {\ alpha} [{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ alpha} = [{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ beta} [{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ beta}}{\ displaystyle [{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ alpha} [{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ alpha} = [{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ beta} [{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ beta }} Эквивалентно [Na +] α [Na +] β = [Cl -] β [Cl -] α {\ displaystyle {\ frac {[{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ alpha}} {[{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ beta}}} = {\ frac { [{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ beta}} {[{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ alpha}}}}{\ displaystyle {\ frac {[{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ alpha}} {[{\ text { Na}} ^ {+}] _ {\ beta}}} = {\ frac {[{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ beta}} {[{\ text {Cl}} ^ { -}] _ {\ alpha}}}
НачатьРавновесиеОсмолярность
α {\ displaystyle \ alpha}\ alpha : 9 Na, 9 Cl. β {\ displaystyle \ beta}\ beta : 9 Na, 9 белковα {\ displaystyle \ alpha}\ alpha : 6 Na, 6 Cl. β {\ displaystyle \ beta}\ beta : 12 Na, 3 Cl, 9 белокα {\ displaystyle \ alpha}\ alpha : 12. β {\ displaystyle \ beta}\ beta : 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)

I n vivo ионный баланс действительно уравновешивается в пропорциях, которые можно было бы предсказать с помощью модели Гиббса-Доннана, потому что клетка не может выдерживать сопутствующий большой приток воды. Это уравновешивается введением функционально непроницаемого катиона Na во внеклеточную среду для противодействия анионному белку. Na действительно проникает через мембрану через каналы утечки (проницаемость составляет примерно 1/10 проницаемости К, наиболее проницаемого иона), но, согласно модели утечки насоса, он вытесняется Na / K-АТФазой.

Изменение pH

Поскольку существует разница в концентрации ионов с обеих сторон мембраны, pH может также отличаться, когда в процесс вовлечены протоны. Во многих случаях, от ультрафильтрации белков до ионообменной хроматографии, pH буфера, прилегающего к заряженным группам мембраны, отличается от pH остальной части буферного раствора. 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 применения

Эритроциты

Когда тканевые клетки находятся в жидкости, содержащей белок, эффект Доннана цитоплазматических белков равен и противоположен эффекту Доннана внеклеточные белки. 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.

Неврология

Ткань мозга опухоль, известная как отек мозга, возникает в результате черепно-мозговой травмы и других черепно-мозговых травм, 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.

Отрицательный заряд в ячейке и ионах вне ячейки создает 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 ткани.

См. Также

Литература

  • Сборник химической терминологии ИЮПАК, 2-е издание (1997)
  • Ван К. Моу Основы ортопедической биомеханики и механобиологии, 2-е изд. Липпинкотт Уильямс и Уилкинс, Филадельфия, 2005
  • Мэйплсон У. В. "Расчет влияния равновесия по Доннану на pH при равновесном диализе". Journal of Pharmacological Methods, май 1987.

Внешние ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-21 08:00:33
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте