Эффект Доннана. Мембранное равновесие Доннана

Эффект Доннана наблюдается в системах, содержащих полупроницаемую мем­брану, которая разделяет два раствора электролитов. Причем, по одну сторону мем­браны находятся ионы низкомолекулярного электролита, а по другую – высокомоле­кулярный электролит, чьи ионы не могут переходить через мембрану: RCOO^– Na⁺, RNH₃⁺ Cl^–.

Суть этого эффекта состоит в том, что всегда ионы низкомолекулярного электро­лита переходят через мембрану в сторону ионов высокомолекулярного электролита до тех пор, пока не установится мембранное равновесие Доннана – равенство произ­ведения концентраций подвижных низкмолекулярных ионов по обе стороны мембраны:

[Kt⁺]_вн ∙ [An­^–]_вн = [Kt⁺]_нар ∙ [An^–]_нар (5.3)

Примером таких систем в живой природе, где наблюдается эффект Доннана, является клетка. В клетке всегда имеются соли белков PtCOO^–Na⁺ с белковым анионом, не проходящим через клеточную мембрану. Снаружи клетки имеется раствор низкомолекулярного сильного электролита.

а. исходное состояние б. равновесное состояние

Рис.5.7 Мембранное равновесие Доннана

Рассмотрим случай, когда общее число ионов в клетке и снаружи одинаково. Тогда наружный и внутренний растворы должны быть изотоничны.

Р_осм^вн = Р_осм^нар

Но растворы неравновесныс точки зрения диффузии, поэтому низкомолекулярные ионы CI^- будут диффундировать внутрь клетки, т.к. их там нет. А за ними перейдет внутрь клетки столько же катионов K⁺, чтобоы сохранить электронейтральность системы. Этот переход будет происходить до тех пор, пока произведение концентрации подвижных низкомолекулярных ионов по обе стороны мембраны не выровняется.

[K⁺]_вн · [CI^-]_вн = [K⁺]_нар · [CI^-]_нар

Переход части подвижных ионов внутрь клетки приводит к повышению осмотического давления в клетке, раствор в ней становится гипертоническим. Это приводит к осмосу воды в клетку, что и обуславливает тургор клетки (т.е её упругость). Из-за эффекта Доннана общая концентрация ионов в клетке выше, чем снаружи, возникает мембранный потенциал.

Число подвижных ионов, перешедших в клетку, рассчитывается по уравнению 5.4

Сколько ионов переходит в клетку, зависит от исходного соотношения концентрации ионов по обе стороны мембраны:

а) если наружный раствор является гипертоническим, Свн <<Снар, то Х = Сн²/2Сн = Сн/2, то в клетку перейдет половина наружных низкомолекулярных ионов.

б) Если растворы изотоничны, Свн = Снар, то Х = Сн²/Сн + 2Сн = Сн/3 . Даже при равной концентрации ионов электролита 1/3 низкомолекулярных ионов перейдет в клетку.

в) Если Свн >> Снар, то Х – очень малая величина, но всегда Х>0.

Следовательно, при соприкосновении клетки с раствором низкомолекулярного электролита всегда часть его ионов переходит в клетку, поэтому осмотическое давление в клетке будет выше (Р белка + Рэл-та), что способствует поддержанию тургора клеток даже изотонических растворов.