El efecto de Gibbs-Donnan (también conocido como efecto de Donnan , ley de Donnan , equilibrio de Donnan o equilibrio de Gibbs-Donnan ) es un nombre para el comportamiento de partículas cargadas cerca de una membrana semipermeable que a veces no se distribuye uniformemente a través de los dos lados. de la membrana. [1] La causa habitual es la presencia de una sustancia cargada diferente que no puede atravesar la membrana y, por lo tanto, crea una carga eléctrica desigual . [2] Por ejemplo, las grandes proteínas aniónicas del plasma sanguíneo no son permeables aparedes capilares . Debido a que los cationes pequeños son atraídos, pero no se unen a las proteínas, los aniones pequeños atravesarán las paredes capilares alejándose de las proteínas aniónicas más fácilmente que los cationes pequeños.
Por lo tanto, algunas especies iónicas pueden atravesar la barrera, mientras que otras no. Las soluciones pueden ser geles o coloides , así como soluciones de electrolitos y, como tal, el límite de fase entre geles, o un gel y un líquido, también puede actuar como una barrera selectiva. El potencial eléctrico que surge entre dos de estas soluciones se denomina potencial de Donnan .
El efecto lleva el nombre del físico estadounidense Josiah Willard Gibbs, quien lo propuso en 1878 y del químico británico Frederick G. Donnan, quien lo estudió experimentalmente en 1911. [3]
El equilibrio de Donnan es prominente en el modelo trifásico para el cartílago articular propuesto por Mow y Lai, así como en las celdas de combustible electroquímicas y la diálisis .
El efecto Donnan es una presión táctica atribuible a los cationes (Na + y K + ) unidos a las proteínas plasmáticas disueltas.
Ejemplo
La presencia de un ión impermeable cargado (por ejemplo, una proteína) en un lado de una membrana dará como resultado una distribución asimétrica de iones cargados penetrantes. La ecuación de Gibbs-Donnan en estados de equilibrio (asumiendo que los iones permeantes son Na + y Cl - ):
Comienzo | Equilibrio | Osmolaridad |
---|---|---|
: 9 Na, 9 Cl : 9 Na, 9 Proteínas | : 6 Na, 6 Cl : 12 Na, 3 Cl, 9 Proteínas | : 12 : 24 |
Doble donnan
Tenga en cuenta que los lados 1 y 2 ya no están en equilibrio osmótico (es decir, los osmolitos totales en cada lado no son los mismos)
In vivo , el equilibrio iónico se equilibra en las proporciones que predeciría el modelo de Gibbs-Donnan, porque la célula no puede tolerar la gran afluencia de agua concomitante. Esto se equilibra instalando un catión funcionalmente impermeabilizado, Na + , extracelularmente para contrarrestar la proteína aniónica. El Na + cruza la membrana a través de los canales de fuga (la permeabilidad es aproximadamente 1/10 de la del K + , el ion más permeable) pero, según el modelo de fuga de la bomba, es extruido por la Na + / K + -ATPasa . [4]
cambio de pH
Debido a que existe una diferencia en la concentración de iones en cada lado de la membrana, el pH también puede diferir cuando están involucrados protones [ cita requerida ] . En muchos casos, desde la ultrafiltración de proteínas hasta la cromatografía de intercambio iónico, el pH del tampón adyacente a los grupos cargados de la membrana es diferente del pH del resto de la solución tampón. [5] Cuando los grupos cargados son negativos (básicos), entonces atraerán protones de modo que el pH será más bajo que el búfer circundante. Cuando los grupos cargados son positivos (ácidos), repelerán los protones de modo que el pH será más alto que el tampón circundante.
Aplicaciones fisiológicas
las células rojas de la sangre
Cuando las células de tejido están en un líquido que contiene proteínas, el efecto Donnan de las proteínas citoplasmáticas es igual y opuesto al efecto Donnan de las proteínas extracelulares. Los efectos opuestos de Donnan hacen que los iones de cloruro migren dentro de la célula, aumentando la concentración de cloruro intracelular. El efecto Donnan puede explicar por qué algunos glóbulos rojos no tienen bombas de sodio activas; el efecto alivia la presión osmótica de las proteínas plasmáticas, por lo que el bombeo de sodio es menos importante para mantener el volumen celular. [6]
Neurología
La inflamación del tejido cerebral , conocida como edema cerebral , es el resultado de una lesión cerebral y otras lesiones traumáticas en la cabeza que pueden aumentar la presión intracraneal (PIC). Las moléculas cargadas negativamente dentro de las células crean una densidad de carga fija, que aumenta la presión intracraneal a través del efecto Donnan. Las bombas de ATP mantienen un potencial de membrana negativo aunque las cargas negativas se filtren a través de la membrana; esta acción establece un gradiente químico y eléctrico. [7]
La carga negativa en la celda y los iones fuera de la celda crean un potencial termodinámico; Si se daña el cerebro y las células pierden la integridad de su membrana, los iones entrarán rápidamente en la célula para equilibrar los gradientes químicos y eléctricos que se establecieron previamente. El voltaje de la membrana será cero, pero el gradiente químico seguirá existiendo. Para neutralizar las cargas negativas dentro de la célula, fluyen cationes, lo que aumenta la presión osmótica en el interior en relación con el exterior de la célula. El aumento de la presión osmótica obliga al agua a fluir hacia la célula y se produce la hinchazón del tejido. [8]
Ver también
Referencias
- ^ "Efecto Gibbs-Donnan" . Archivado desde el original el 18 de junio de 2007 . Consultado el 28 de agosto de 2006 .
- ^ The Gibbs – Donnan Equilibrium ... , DC Mikulecky, consultado el 28 de agosto de 2006
- ^ Donnan, FG (1911). "Theorie der Membrangleichgewichte und Membranpotentiale bei Vorhandensein von nicht dialysierenden Elektrolyten. Ein Beitrag zur physikalisch-chemischen Physiologie" [La teoría del equilibrio de la membrana y el potencial de membrana en presencia de un electrolito no dializable. Una contribución a la fisiología físico-química. Zeitschrift für Elektrochemie und Angewandte Physikalische Chemie . 17 (10): 572–581. doi : 10.1002 / bbpc.19110171405 (inactivo el 31 de mayo de 2021).Mantenimiento de CS1: DOI inactivo a partir de mayo de 2021 ( enlace )
- ^ Hoja, Alexander (1959). "Mantenimiento de gradientes de concentración y regulación del volumen celular". Anales de la Academia de Ciencias de Nueva York . 72 (12): 396–404. Código bibliográfico : 1959NYASA..72..396L . doi : 10.1111 / j.1749-6632.1959.tb44168.x . PMID 13627925 . S2CID 44583830 .
- ^ Bolton, Glen R .; Boesch, Austin W .; Basha, Jonida; LaCasse, Daniel P .; Kelley, Brian D .; Acharya, Hari (1 de enero de 2011). "Efecto de las propiedades de la proteína y la solución sobre el efecto donnan durante la ultrafiltración de proteínas". Progreso de la biotecnología . 27 (1): 140-152. doi : 10.1002 / btpr.523 . ISSN 1520-6033 . PMID 21312362 . S2CID 5931842 .
- ^ Kurbel, S. (2011). Donnan efecto sobre la distribución de iones de cloruro como un determinante de la composición de los fluidos corporales que permite que los potenciales de acción se propaguen a través de los canales rápidos de sodio. Biología teórica y modelado médico, 8, 16. http://doi.org/10.1186/1742-4682-8-16
- ^ Elkin, Benjamin S .; Shaik, Mohammed A .; Morrison, Barclay (13 de febrero de 2010). "Carga negativa fija y el efecto Donnan: una descripción de las fuerzas impulsoras asociadas con la hinchazón y el edema del tejido cerebral" . Transacciones filosóficas. Serie A, Ciencias Matemáticas, Físicas e Ingeniería . 368 (1912): 585–603. Código bibliográfico : 2010RSPTA.368..585E . doi : 10.1098 / rsta.2009.0223 . PMC 2944388 . PMID 20047940 .
- ^ Elkin, BS, Shaik, MA y Morrison, B. (2010). Carga negativa fija y efecto Donnan: una descripción de las fuerzas impulsoras asociadas con la hinchazón y el edema del tejido cerebral. Transacciones filosóficas. Serie A, Ciencias matemáticas, físicas y de la ingeniería, 368 (1912), 585–603. http://doi.org/10.1098/rsta.2009.0223
- Compendio de terminología química de la IUPAC, segunda edición (1997)
- Van C. Mow Biomecánica ortopédica básica y mecanobiología , 2ª Ed. Lippincott Williams y Wilkins, Filadelfia, 2005
- Mapleson WW "Cálculo del efecto del equilibrio de Donnan sobre el pH en diálisis de equilibrio". Revista de métodos farmacológicos, mayo de 1987.
enlaces externos
- Simulador de efectos Gibbs – Donnan
- Diferencia entre los valores de presión oncótica observados y esperados