El efecto Gibbs-Donnan (también conocido como efecto Donnan , ley de Donnan , equilibrio de Donnan o equilibrio de Gibbs-Donnan ) es un nombre para el comportamiento de las partículas cargadas cerca de una membrana semipermeable que a veces no se distribuyen 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 pasar a través de la membrana y, por lo tanto, crea una carga eléctrica desigual . [2] Por ejemplo, las proteínas aniónicas grandes en el plasma sanguíneo no son permeables a las paredes capilares . Debido a que los cationes pequeños son atraídos, pero no están unidos a las proteínas, los aniones pequeños cruzarán las paredes capilares alejándose de las proteínas aniónicas con mayor facilidad que los cationes pequeños.
De este modo, 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 recibe su nombre del 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, [4] así como en celdas de combustible electroquímicas y diálisis .
El efecto Donnan es una presión táctica atribuible a los cationes (Na + y K + ) unidos a las proteínas plasmáticas disueltas.
La presencia de un ion cargado e impermeabilizante (por ejemplo, una proteína) en un lado de una membrana dará como resultado una distribución asimétrica de iones cargados e impermeabilizantes. La ecuación de Gibbs-Donnan en estados de equilibrio (suponiendo que los iones impermeabilizantes son Na + y Cl− ) : Equivalentemente,
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 que conlleva. Esto se equilibra instaurando un catión funcionalmente impermeable, Na + , extracelularmente para contrarrestar la proteína aniónica. El Na + atraviesa la membrana a través de canales de fuga (la permeabilidad es aproximadamente 1/10 de la del K + , el ion más permeable) pero, según el modelo de bomba-fuga, es extruido por la Na + /K + -ATPasa . [5]
Debido a que hay una diferencia en la concentración de iones a cada lado de la membrana, el pH (definido usando la actividad relativa ) también puede diferir cuando intervienen 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. [6] Cuando los grupos cargados son negativos (básicos), atraerán protones de modo que el pH será menor que el del tampón circundante. Cuando los grupos cargados son positivos (ácidos), repelerán protones de modo que el pH será mayor que el del tampón circundante.
Cuando las células de los tejidos se encuentran 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 Donnan opuestos hacen que los iones de cloruro migren al interior de la célula, lo que aumenta la concentración intracelular de cloruro. 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. [7]
La hinchazón del tejido cerebral , conocida como edema cerebral , es resultado de una lesión cerebral y otros traumatismos craneoencefálicos que pueden aumentar la presión intracraneal (PIC). Las moléculas con carga negativa 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. [8]
La carga negativa en la célula y los iones fuera de ella crean un potencial termodinámico; si se produce un daño en el cerebro y las células pierden la integridad de su membrana, los iones se precipitarán hacia la célula para equilibrar los gradientes químicos y eléctricos que se habían establecido previamente. El voltaje de la membrana se convertirá en cero, pero el gradiente químico seguirá existiendo. Para neutralizar las cargas negativas dentro de la célula, los cationes fluyen hacia adentro, 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 el interior de la célula y se produce la hinchazón del tejido. [9]
![{\displaystyle [{\text{Na}}^{+}]_{\alpha }[{\text{Cl}}^{-}]_{\alpha }=[{\text{Na}}^{+}]_{\beta }[{\text{Cl}}^{-}]_{\beta }}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0e70ac650e12caa76bacd8e9ee8d2bd8fb70a990)
![{\displaystyle {\frac {[{\text{Na}}^{+}]_{\alpha }}{[{\text{Na}}^{+}]_{\beta }}}={\frac {[{\text{Cl}}^{-}]_{\beta }}{[{\text{Cl}}^{-}]_{\alpha }}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9081ea30766ea3689557b72f4a9b5a98d0aa25df)