기브스-도난 효과

기브스-도난 효과(Gibbs–Donnan effect, 도난 효과, 도난 법칙, 도난 평형, 기브스-도난 평형)는 반투과성 막 근처에 있는 전하를 띤 입자들이 때때로 막의 양쪽에 고르게 분포하지 못하는 현상이다. 일반적으로 막을 통과할 수 없는 다른 전하를 띤 물질의 존재로 인해 불균일한 전하가 생성되는 것이 원인이다.The Gibbs–Donnan Equilibrium..., D.C. Mikulecky, retrieved 28 August 2006 예를 들어, 혈장의 큰 음이온성 단백질은 모세혈관 벽을 투과할 수 없다. 작은 양이온은 단백질에 이끌리지만 결합되지 않기 때문에, 작은 음이온은 작은 양이온보다 음이온성 단백질에서 멀리 떨어진 모세혈관 벽을 더 쉽게 통과한다.

따라서 일부 이온 종은 장벽을 통과할 수 있지만 다른 이온 종은 통과할 수 없다. 용액은 젤이나 교질일 수 있으며 전해질 용액일 수도 있으므로 젤 사이 또는 젤과 액체 사이의 상 경계도 선택적 장벽 역할을 할 수 있다. 이러한 두 용액 사이에 발생하는 전위를 도난 전위라고 한다.

이 효과는 1878년에 이를 제안한 미국인 조사이어 윌러드 기브스와 1911년에 실험적으로 연구한 영국인 화학자 프레더릭 G. 도난의 이름을 따서 명명되었다.

도난 평형은 모와 라이가 제안한 관절 연골의 삼상 모델뿐만 아니라 전기화학 연료 전지 및 투석에서도 두드러진다.

도난 효과는 용해된 혈장 단백질에 부착된 양이온(Na+ 및 K+)에 기인하는 전술 압력이다.

예시

막의 한쪽에 전하를 띤 비투과성 이온(예: 단백질)이 존재하면 투과성 전하 이온의 비대칭 분포가 발생한다. 평형 상태에서의 기브스-도난 방정식은 다음과 같다 (투과성 이온이 Na+와 Cl−이라고 가정):동등하게,
  시작    평형삼투압: 9 Na, 9 Cl: 9 Na, 9 Protein : 6 Na, 6 Cl: 12 Na, 3 Cl, 9 Protein: 12: 24

 이중 도난 
측면 1과 2는 더 이상 삼투 평형 상태가 아니다 (즉, 각 측면의 총 삼투 용질이 동일하지 않다)

생체 내에서 이온 균형은 기브스-도난 모델이 예측하는 비율로 평형을 이루는데, 이는 세포가 수반되는 대량의 물 유입을 견딜 수 없기 때문이다. 이는 음이온성 단백질에 대항하기 위해 세포 외부에 기능적으로 불투과성인 양이온 Na+를 설치함으로써 균형을 이룬다. Na+는 누출 채널을 통해 막을 통과하지만(투과성은 가장 투과성이 높은 이온인 K+의 약 1/10이다), 펌프-누출 모델에 따라 Na+/K+-ATPase에 의해 배출된다.

 pH 변화 
막의 양쪽에 이온 농도 차이가 있기 때문에, 양성자가 관여할 때 pH(상대적 활동도를 사용하여 정의됨)도 다를 수 있다. 단백질의 한외여과에서 이온 교환 크로마토그래피에 이르기까지 많은 경우에, 막의 전하를 띤 그룹에 인접한 완충액의 pH는 나머지 완충 용액의 pH와 다르다. 전하를 띤 그룹이 음성(염기성)이면 양성자를 끌어당겨 pH가 주변 완충액보다 낮아진다. 전하를 띤 그룹이 양성(산성)이면 양성자를 밀어내어 pH가 주변 완충액보다 높아진다.

 생리학적 적용 

 적혈구 
조직 세포가 단백질을 함유하는 유체에 있을 때, 세포질 단백질의 도난 효과는 세포외 단백질의 도난 효과와 같고 반대이다. 상반되는 도난 효과는 염화물 이온이 세포 내부로 이동하게 하여 세포내 염화물 농도를 증가시킨다. 도난 효과는 일부 적혈구가 활성 나트륨 펌프를 가지고 있지 않은 이유를 설명할 수 있다; 이 효과는 혈장 단백질의 삼투압을 완화시키므로 나트륨 펌핑이 세포 부피 유지에 덜 중요해진다.Kurbel, S. (2011). Donnan effect on chloride ion distribution as a determinant of body fluid composition that allows action potentials to spread via fast sodium channels. Theoretical Biology & Medical Modelling, 8, 16. http://doi.org/10.1186/1742-4682-8-16

 신경학 
뇌 조직의 팽창, 즉 뇌부종은 뇌 손상 및 기타 외상성 머리 부상으로 인해 발생하며 두개내압을 증가시킬 수 있다. 세포 내 음전하 분자는 고정 전하 밀도를 생성하며, 이는 도난 효과를 통해 두개내압을 증가시킨다. ATP 펌프는 음전하가 막을 가로질러 누출되더라도 음의 막 전위를 유지한다; 이 작용은 화학적 및 전기적 기울기를 설정한다.

세포 내 음전하와 세포 외부 이온은 열역학적 전위를 생성한다; 뇌에 손상이 발생하여 세포가 막 무결성을 잃으면, 이전에 확립된 화학적 및 전기적 기울기를 균형 맞추기 위해 이온이 세포 안으로 몰려든다. 막 전압은 0이 되지만, 화학적 기울기는 여전히 존재한다. 세포 내 음전하를 중화하기 위해 양이온이 유입되어 세포 외부보다 내부의 삼투압이 증가한다. 증가된 삼투압은 물이 세포 안으로 유입되도록 강제하여 조직 팽창이 발생한다.Elkin, B. S., Shaik, M. A., & Morrison, B. (2010). Fixed negative charge and the Donnan effect: a description of the driving forces associated with brain tissue swelling and oedema. Philosophical Transactions. Series A, Mathematical, Physical, and Engineering Sciences, 368(1912), 585–603. http://doi.org/10.1098/rsta.2009.0223

 같이 보기 

 화학 평형
 네른스트 식
 이중층 (생물학)
 삼투압
 확산 평형

 각주 

IUPAC Compendium of Chemical Terminology 2nd Edition (1997)
Van C. Mow Basic orthopaedic biomechanics and mechano-biology, 2nd Ed. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia, 2005
Mapleson W. W. "Computation of the effect of Donnan equilibrium on pH in equilibrium dialysis". Journal of Pharmacological Methods, May 1987.

 외부 링크 
 Gibbs–Donnan effect simulator
 Difference between observed and expected oncotic pressure values

분류:계면화학
분류:물리화학