깁스-도난 효과

깁스-도난 효과(도난 효과, 도난 법칙, 도난 평형 또는 깁스-도난 평형이라고도 한다)는 반투과성 막 근처에서 충전된 입자의 행동을 나타내는 명칭으로, 막의 양쪽에 고르게 분포하지 못하는 경우도 있다.^[1] 통상적인 원인은 다른 충전 물질의 존재로 막을 통과할 수 없어 불균일한 전하를 발생시키는 것이다.^[2] 예를 들어, 혈장에 있는 큰 음이온 단백질은 모세혈관벽에 침투할 수 없다. 작은 양이온이 유인되지만 단백질에 구속되지 않기 때문에 작은 양이온은 작은 양이온보다 음이온 단백질로부터 모세혈관 벽을 더 쉽게 교차하게 된다.

따라서, 어떤 이온종들은 다른 종들은 그 장벽을 통과할 수 없는 반면, 다른 종들은 통과하지 못한다. 용액은 전해질 용액뿐만 아니라 젤이나 콜로이드일 수도 있으며, 이와 같이 젤 또는 젤과 액체의 위상 경계도 선택적 장벽으로 작용할 수 있다. 그러한 두 해결책 사이에 발생하는 전기 전위를 돈난 전위라고 한다.

이 효과는 1878년 이를 제안한 미국의 물리학자 조시아 윌러드 깁스와 1911년 실험적으로 연구한 영국의 화학자 프레데릭 G. 도난의 이름을 따서 명명되었다.^[3]

돈난 평형은 모우와 라이가 제안한 관절연골의 세 가지 실어증 모델뿐 아니라 전기화학 연료전지와 투석에서도 두드러진다.

돈난 효과는 용해된 혈장 단백질에 부착된 양이온(Na와⁺ K⁺)에 기인하는 전술적 압력이다.

예

막의 한쪽 면에 충전된 불침투 이온(예: 단백질)이 존재하면 투과 충전 이온의 비대칭 분포를 초래하게 된다. 평형 상태에서 깁스-도난 방정식(투과 이온을 Na와⁺ Cl로⁻ 가정):

동등하게,

시작	평형	오스몰리티
${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha }$: 9 Na, 9Cl ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta }$: 9 Na, 9 단백질	${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha }$: 6 Na, 6Cl ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \beta }$: 12 Na, 3 Cl, 9 단백질	${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha }$ $:$ 12 ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle \cHB }$ $:$ 24

더블 돈난

측면 1과 측면 2는 더 이상 삼투성 평형 상태에 있지 않다는 점에 유의하십시오(즉, 양 측면의 총 삼투수는 동일하지 않음).

체내 이온 균형은 깁스-돈난 모델에 의해 예측될 수 있는 비율로 안정화된다. 왜냐하면 셀은 많은 양의 물이 유입되는 것을 용인할 수 없기 때문이다. 이것은 음이온 단백질에 대항하기 위해 기능적으로 불침투성 양이온인 Na를⁺ 세포외적으로 주입함으로써 균형을 이룬다. Na는⁺ 누출 채널을 통해 멤브레인을 교차하지만(투과도는 가장 많은 이온인 K의⁺ 1/10 정도) 펌프 리크 모델에 따르면 Na⁺/K-ATPase에⁺ 의해 돌출된다.^[4]

pH 변경

막의 양쪽에 있는 이온의 농도 차이가 있기 때문에 양자가 관여할^{[citation needed]} 때 pH(상대 활성을 사용하여 정의)도 달라질 수 있다. 많은 경우, 단백질의 초충격화에서 이온교환 크로마토그래피에 이르기까지, 막의 충전된 그룹에 인접한 버퍼의 pH는 버퍼 용액의 나머지 pH와 다르다.^[5] 충전된 그룹이 음수(기본)일 때 pH가 주변 버퍼보다 낮도록 양성자를 유인한다. 충전된 그룹이 양수(산소)일 때 pH가 주변 버퍼보다 높아지도록 양성자를 밀어낸다.

생리학적 응용

적혈구

조직세포가 단백질을 함유한 액체에 들어 있을 때 세포질 단백질의 돈난 효과는 세포질외 단백질의 돈난 효과와 동일하고 반대다. 반대되는 돈난 효과는 염화물이온을 세포 내부로 이동시켜 세포내 염화농도를 증가시킨다. 돈난 효과는 왜 일부 적혈구가 활성 나트륨 펌프를 가지고 있지 않은지를 설명할 수 있다; 그 효과는 혈장 단백질의 삼투압을 완화시킨다. 그래서 나트륨 펌핑은 세포 체적을 유지하는 데 덜 중요하다.^[6]

신경학

뇌 조직 부종은 뇌내압(ICP)을 증가시킬 수 있는 뇌손상과 다른 외상성 머리손상으로 발생한다. 세포 내의 음전하 분자는 고정된 전하 밀도를 생성하며, 이것은 돈난 효과를 통해 두개내 압력을 증가시킨다. ATP 펌프는 음전하가 멤브레인 전체에 누출되더라도 음전위를 유지한다. 이 작용은 화학적, 전기적 경사를 형성한다.^[7]

세포의 음전하와 세포 외부의 이온은 열역학적 전위를 만들어낸다; 뇌에 손상이 발생하고 세포의 막 무결성이 상실되면, 이온은 이전에 확립된 화학적, 전기적 구배 균형을 맞추기 위해 세포 안으로 돌진하게 된다. 막 전압은 0이 되겠지만 화학적 구배는 여전히 존재할 것이다. 세포 내부의 음전하를 중화시키기 위해 양이온이 유입되어 세포의 외부에 비해 내부의 삼투압력이 증가한다. 삼투압의 증가는 세포로 물을 흐르게 하고 조직이 부풀게 된다.^[8]

참고 항목

• 화학 평형
• 네른스트 방정식
• 이중층(생물학)
• 삼투압
• 확산 평형

참조

• IUPAC 화학 용어 2차 개정판(1997)
• Van C. Mow 기초 정형외과 생물역학 및 기계학 생물학, 2차 개정. 리핀콧 윌리엄스 & 윌킨스, 2005년 필라델피아
• 메이플슨 W. W. "평형투석 시 pH에 대한 돈난 평형 효과 계산" 1987년 5월 약리학적 방법 저널.

외부 링크

• 깁스-도난 효과 시뮬레이터
• 관측된 종양 압력 값과 예상되는 종양 압력 값 사이의 차이