El efecto 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 distribuyen uniformemente en los dos lados. de la membrana. [1] La causa habitual es la presencia de una sustancia con carga 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 a las paredes capilares . Debido a que los cationes pequeños son atraídos, pero no unidos a las proteínas, los aniones pequeños cruzarán las paredes capilares lejos de las proteínas aniónicas más fácilmente que los cationes pequeños.
Así, 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 tales, 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 llama potencial de Donnan .
El efecto lleva el nombre del estadounidense Josiah Willard Gibbs , que lo propuso en 1878, y del químico británico Frederick G. Donnan , que 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 pilas de combustible electroquímicas y la diálisis .
El efecto Donnan es una presión táctica atribuible a cationes (Na + y K + ) unidos a proteínas plasmáticas disueltas.
La presencia de un ion impermeable cargado (por ejemplo, una proteína) en un lado de una membrana dará como resultado una distribución asimétrica de iones cargados permeables. La ecuación de Gibbs-Donnan en estados de equilibrio (suponiendo que los iones permeantes sean Na + y Cl − ):
Tenga en cuenta que los lados 1 y 2 ya no están en equilibrio osmótico (es decir, el total de osmolitos en cada lado no es el mismo).
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 la acompaña. Esto se equilibra instalando un catión funcionalmente impermeable, Na + , extracelularmente para contrarrestar la proteína aniónica. El Na + cruza la membrana a través de canales de fuga (la permeabilidad es aproximadamente 1/10 de la del K + , el ion más permeante) pero, según el modelo de fuga de bomba, es extruido por la Na + /K + -ATPasa . [4]
Debido a que hay una diferencia en la concentración de iones a cada lado de la membrana, el pH (definido mediante la actividad relativa ) también puede diferir cuando participan protones [ cita necesaria ] . 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), atraerán protones de modo que el pH será más bajo que el tampón circundante. Cuando los grupos cargados son positivos (ácidos), repelerán los protones, de modo que el pH será más alto que el del tampón circundante.
Cuando las células del tejido 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 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]
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 mediante el efecto Donnan. Las bombas de ATP mantienen un potencial de membrana negativo incluso aunque se escapen cargas negativas 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 produce 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 establecieron previamente. El voltaje de la membrana será cero, pero el gradiente químico seguirá existiendo. Para neutralizar las cargas negativas dentro de la célula, entran cationes, lo que aumenta la presión osmótica en el interior de la célula con respecto al exterior. El aumento de la presión osmótica obliga al agua a fluir hacia la célula y se produce inflamación del tejido. [8]
![{\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)