Gibbs–Donnanov efekt

Donnanova ravnoteža preko ćelijske membrane (shematski prikaz)

Gibbs–Donnanov efekat (poznat i kao Donnanov efekat, Donnanov zakon, Donnanova ravnoteža ili Gibbs–Donnanova ravnoteža) označava ponašanje naelektrisanih čestica u blizini polupropusne membrane, pri čemu se one ponekad ne raspoređuju ravnomjerno s obje strane membrane. Uobičajeni uzrok je prisustvo druge naelektrisane supstance koja ne može proći kroz membranu i na taj način stvara neravnotežu električnog naboja. Na primjer, veliki anionski proteini u krvnoj plazmi ne mogu proći kroz kapilarne zidove. Budući da su mali kationi privučeni, ali se ne vezuju za proteine, mali anioni će lakše prolaziti kroz kapilarne zidove, udaljavajući se od anionskih proteina, nego mali kationi.

Dakle, neke jonske vrste mogu proći kroz barijeru, dok druge ne mogu. Rastvori mogu biti gelovi ili koloidi, kao i rastvori elektrolita, pa stoga granica faza između gelova, ili između gela i tečnosti, također može djelovati kao selektivna barijera. Električni potencijal koji nastaje između dva takva rastvora naziva se Donnanov potencijal.

efekt je dobio ime po američkom naučniku Josiahu Willardu Gibbsu, koji ga je predložio 1878. godine, i britanskom hemičaru Fredericku G. Donnanu, koji ga je eksperimentalno proučavao 1911. godine.

Donnanova ravnoteža je značajna u trofaznom modelu zglobne hrskavice koji su predložili Mow i Lai, kao i u elektrokemijskim gorivnim ćelijama i dijalizi.

Donnanov efekt je osmotski pritisak koji potiče od kationa (Na⁺ i K⁺) vezanih za rastvorene plazma proteine.

Primjer

Prisustvo naelektrisanih, nepropusnih jona (na primjer, proteina) s jedne strane membrane dovest će do asimetrične raspodjele propusnih naelektrisanih jona. Gibbs–Donnanova jednačina u ravnoteži glasi (pod pretpostavkom da su propusni joni Na⁺ i Cl⁻):$$[{\text{Na}}^{+}]_{\alpha }[{\text{Cl}}^{-}]_{\alpha }=[{\text{Na}}^{+}]_{\beta }[{\text{Cl}}^{-}]_{\beta }$$To je ekvivalentno,$${\frac {[{\text{Na}}^{+}]_{\alpha }}{[{\text{Na}}^{+}]_{\beta }}}={\frac {[{\text{Cl}}^{-}]_{\beta }}{[{\text{Cl}}^{-}]_{\alpha }}}$$

Početak	Ravnoteža	Osmolarnost
$\alpha$: 9 Na, 9 Cl $\beta$: 9 Na, 9 Protein	$\alpha$: 6 Na, 6 Cl $\beta$: 12 Na, 3 Cl, 9 Protein	$\alpha$: 12 $\beta$: 24

Dupli Donnan

Napomena: Strane 1 i 2 više nisu u osmotskoj ravnoteži (tj. ukupna količina osmola s obje strane nije ista).

In vivo, jonska ravnoteža se ipak uspostavlja u proporcijama koje bi predvidio Gibbs–Donnan model, jer ćelija ne može podnijeti prateći veliki priliv vode. Ovo se uravnotežuje tako što se funkcionalno nepropusni kation, Na⁺, nalazi izvan ćelije kako bi se neutralizovao anionski protein. Na⁺ prolazi kroz membranu putem "leak" kanala (propusnost je približno 1/10 propusnosti K⁺, najpropusnijeg jona), ali, prema pumpa-leak modelu, on se izlučuje pomoću Na⁺/K⁺-ATPaze.

Promjena pH

Zbog razlike u koncentraciji jona s obje strane membrane, pH (definisan pomoću relativne aktivnosti) također se može razlikovati kad je riječ o protonima. U mnogim slučajevima, od ultrafiltracije proteina do jon-izmenjivačke hromatografije, pH pufera u blizini naelektrisanih grupa membrane razlikuje se od pH ostatka rastvora pufera. Kada su naelektrisane grupe negativne (bazične), one privlače protone, pa je pH niži nego u okolnom puferu. Kada su naelektrisane grupe pozitivne (kiseline), one odbijaju protone, pa je pH viši nego u okolnom puferu.

Fiziološke primjene

Crvena krvna zrnca

Kada su ćelije tkiva u tečnosti koja sadrži proteine, Donnanov efekt citoplazmatskih proteina jednak je i suprotan Donnanovom efektu vanćelijskih proteina. Suprotni Donnanovi efekti uzrokuju migraciju hloridnih jona unutar ćelije, povisujući unutarćelijsku koncentraciju hlorida. Donnanov efekt može objasniti zašto neke crvene krvne ćelije nemaju aktivne natrijeve pumpe; efekt snižava osmotski pritisak plazmatakog proteina, zbog čega je pumpanje natrija manje važno za održavanje volumena ćelije.

Neurologija

Otok moždanog tkiva, poznat kao cerebralni edem, nastaje usljed povrede mozga i drugih traumatskih povreda glave koje mogu povisiti intrakranijalni pritisak (ICP). Negativno naelektrisane molekule unutar ćelija stvaraju fiksnu gustinu naboja, što povisuje intrakranijalni pritisak posredstvom Donnanovog efekta. ATP pumpe održavaju negativni membranski potencijal iako negativni naboji prolaze kroz membranu; ova aktivnost uspostavlja hemijski i električni gradijent.

Negativni naboj unutar ćelije i joni izvan ćelije stvaraju termodinamički potencijal; ako dođe do oštećenja mozga i ćelije izgube integritet membrane, joni će naglo ući u ćeliju kako bi izbalansirali hemijske i električne gradijente koji su prethodno uspostavljeni. Napon membrane postaje nula, ali hemijski gradijent i dalje postoji. Da bi se neutralisali negativni naboji unutar ćelije, kationi ulaze, što povisuje osmotski pritisak unutar ćelije u odnosu na vanjsku sredinu. Povišeni osmotski pritisak prisiljava vodu da uđe u ćeliju, što dovodi do otoka tkiva.

Također pogledajte

• Hemijska ravnoteža
• Osmotski pritisak

Vanjski linkovi

• Simulator Gibbs-Donnanovog efekta
• Razlika između opaženih i očekivanih vrijednosti onkotskog pritiska