Efeito Gibbs-Donnan - Gibbs–Donnan effect

Equilíbrio de Donnan através de uma membrana celular (esquema)

O efeito de Gibbs-Donnan (também conhecido como o efeito de Donnan , lei de Donnan , equilíbrio de Donnan ou equilíbrio de Gibbs-Donnan ) é um nome para o comportamento de partículas carregadas perto de uma membrana semipermeável que às vezes não consegue se distribuir uniformemente pelos dois lados da membrana. A causa comum é a presença de uma substância carregada diferente que não consegue passar pela membrana e, portanto, cria uma carga elétrica desigual . Por exemplo, as grandes proteínas aniônicas no plasma sanguíneo não são permeáveis às paredes capilares . Como os pequenos cátions são atraídos, mas não estão ligados às proteínas, os pequenos ânions cruzarão as paredes capilares para longe das proteínas aniônicas mais prontamente do que os pequenos cátions.

Assim, algumas espécies iônicas podem passar pela barreira, enquanto outras não. As soluções podem ser géis ou colóides , bem como soluções de eletrólitos e, como tal, o limite de fase entre os géis, ou um gel e um líquido, também pode atuar como uma barreira seletiva. O potencial elétrico que surge entre duas dessas soluções é denominado potencial de Donnan .

O efeito recebeu o nome do físico americano Josiah Willard Gibbs, que o propôs em 1878, e do químico britânico Frederick G. Donnan, que o estudou experimentalmente em 1911.

O equilíbrio de Donnan é proeminente no modelo trifásico para cartilagem articular proposto por Mow e Lai, bem como em células a combustível eletroquímicas e diálise .

O efeito Donnan é a pressão tática atribuível aos cátions (Na ⁺ e K ⁺ ) ligados às proteínas plasmáticas dissolvidas.

Exemplo

A presença de um íon impermeável carregado (por exemplo, uma proteína) em um lado de uma membrana resultará em uma distribuição assimétrica de íons carregados permeantes. A equação de Gibbs-Donnan nos estados de equilíbrio (assumindo que os íons permeantes são Na ⁺ e Cl ^- ):

{\ displaystyle [{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ alpha} [{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ alpha} = [{\ text {Na}} ^ { +}] _ {\ beta} [{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ beta}}

Equivalentemente,

{\ displaystyle {\ frac {[{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ alpha}} {[{\ text {Na}} ^ {+}] _ {\ beta}}} = {\ frac {[{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ beta}} {[{\ text {Cl}} ^ {-}] _ {\ alpha}}}}

Começar	Equilíbrio	Osmolaridade
${\ displaystyle \ alpha}$ : 9 Na, 9 Cl : 9 Na, 9 Proteína ${\ displaystyle \ beta}$	${\ displaystyle \ alpha}$ : 6 Na, 6 Cl : 12 Na, 3 Cl, 9 Proteína ${\ displaystyle \ beta}$	${\ displaystyle \ alpha}$ : 12 : 24 ${\ displaystyle \ beta}$

Double Donnan

Observe que os Lados 1 e 2 não estão mais em equilíbrio osmótico (ou seja, os osmólitos totais em cada lado não são os mesmos)

In vivo , o equilíbrio iônico se equilibra nas proporções que seriam previstas pelo modelo de Gibbs-Donnan, porque a célula não pode tolerar o grande influxo de água. Isso é balanceado pela instalação de um cátion funcionalmente impermeável, Na ⁺ , extracelularmente para combater a proteína aniônica. O Na ⁺ atravessa a membrana por meio de canais de vazamento (a permeabilidade é aproximadamente 1/10 do K ⁺ , o íon mais permeante), mas, de acordo com o modelo de vazamento por bomba, é extrudado pela Na ⁺ / K ⁺ -ATPase .

mudança de pH

Como há uma diferença na concentração de íons em ambos os lados da membrana, o pH (definido usando a atividade relativa ) também pode diferir quando prótons estão envolvidos. Em muitos casos, desde a ultrafiltração de proteínas até a cromatografia de troca iônica, o pH do tampão adjacente aos grupos carregados da membrana é diferente do pH do resto da solução tampão. Quando os grupos carregados são negativos (básicos), eles atrairão prótons para que o pH seja menor do que o buffer circundante. Quando os grupos carregados são positivos (ácidos), eles repelem os prótons, de modo que o pH será mais alto do que o tampão circundante.

Aplicações fisiológicas

glóbulos vermelhos

Quando as células do tecido estão em um fluido contendo proteínas, o efeito Donnan das proteínas citoplasmáticas é igual e oposto ao efeito Donnan das proteínas extracelulares. Os efeitos opostos de Donnan fazem com que os íons cloreto migrem dentro da célula, aumentando a concentração intracelular de cloreto. O efeito Donnan pode explicar por que alguns glóbulos vermelhos não têm bombas de sódio ativas; o efeito alivia a pressão osmótica das proteínas plasmáticas, razão pela qual o bombeamento de sódio é menos importante para manter o volume celular.

Neurologia

O edema cerebral , conhecido como edema cerebral , resulta de lesão cerebral e outras lesões traumáticas na cabeça que podem aumentar a pressão intracraniana (PIC). Moléculas carregadas negativamente dentro das células criam uma densidade de carga fixa, que aumenta a pressão intracraniana por meio do efeito Donnan. As bombas de ATP mantêm um potencial de membrana negativo , embora cargas negativas vazem através da membrana; esta ação estabelece um gradiente químico e elétrico.

A carga negativa na célula e os íons fora da célula criam um potencial termodinâmico; se ocorrer dano ao cérebro e as células perderem sua integridade de membrana, os íons entrarão na célula para equilibrar gradientes químicos e elétricos que foram previamente estabelecidos. A voltagem da membrana se tornará zero, mas o gradiente químico ainda existirá. Para neutralizar as cargas negativas dentro da célula, os cátions fluem, o que aumenta a pressão osmótica interna em relação à parte externa da célula. O aumento da pressão osmótica força a água a fluir para a célula e ocorre o inchaço do tecido.

Veja também

Referências

Compêndio de Terminologia Química da IUPAC 2ª Edição (1997)
Van C. Mow Biomecânica ortopédica básica e mecanobiologia , 2ª ed. Lippincott Williams & Wilkins, Filadélfia, 2005
Mapleson WW "Computação do efeito do equilíbrio de Donnan no pH na diálise de equilíbrio". Journal of Pharmacological Methods, maio de 1987.

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