ДОННАНА РАВНОВЕСИЕ

ДОННАНА РАВНОВЕСИЕ (Donnan), или мембранное равновесие, равновесие, к-рое устанавливается между диффундирующими через мембрану ионами при наличии иона, через мембрану не проникающего. Пусть внутри мембраны находится электролит NaR, распадающийся на ионы Na" и R', при чем для последнего мембрана непроницаема. Если вторым электролитом является NaCl, оба иона к-рого проходят через мембрану, то будут иметься по обе стороны мембраны'следующие ионы: (1) (2) Ча- Na" су R' Во внутреннем растворе (1) содержится избыток ионов Na*, получающихся от диссоциации как NaCl, так и NaR. Распределиться равномерно они не могут, т. к. их уход в наружный раствор (2) нарушил бы электронейтральность обоих растворов (оставив в 1-м растворе избыток отрицательно заряженных анионов). Исходя из чисто термодинамических соображений, Доннан показал, что часть Na-ионов про диффундирует все же во 2-й раствор, увлекая с собой равное количество ионов хлора. Т. о. наличие недиф-фундирующего через мембрану аниона R' вызоветнеравномерноераспределение ионов, через мембрану свободно диффундирующих. Этому влиянию подвергается не только второй ион данного электролита (NaR), но даже совершенно посторонний ион (СГ). При этом ионы, одноименные с недиффундирующим ионом (в данном случае анионы), вытесняются из раствора. Более точный анализ позволяет установить и количественные соотношения между диффундирующими ионами. Они выражаются следующим уравнением: [Na-JJCl'LKNa-MCl']!              (1). Обозначим через х концентрацию ионов Na и С1 в наружном растворе, через у—концентрацию анионов С1, через z—анионов R во внутреннем растворе; концентрация катионов Na в последнем равняется сумме анионов соответствующих электролитов (NaCl и NaR) y+z. Д.р.выразится тогда следующей формулой: x² = y(y+z) (2). Это уравнение ясно показывает, что концентрация диффундирующего электролита в наружном растворе оказывается более высокой, чем во внутреннем (х> у). Его как бы вытесняет через мембрану электролит, имеющий недиффундирующий ион. Следующая таблица, вычисленная Доннаном, показывает распределение NaCl между внутренним и наружным растворами при различных молярных концентрациях обоих электролитов. NaCl Общее Концент- Концент- Отно- [NaR] количе- рация рация шение ство внутренн. нарушн. раствора раствора z х + у у 0,497 0,503 0,01 0,1 0,478 1,1 0,333 0,666 0,1 0,0083 0,0917 0,01 0,0001 0,0099 Если концентрация NaCl велика по сравнению с NaR, влияние последнего незначи- тельно; но в тех случаях, когда диффундирующая соль содержится в относительно небо льпшх количествах, она может быть почти полностью вытеснена в наружный раствор. Следует отметить, что почти одновременно с теоретическим выводом Доннана описываемое явление было экспериментально обнаружено Бейлисом (Bayliss). Последний нашел, что натриевая соль краски конго-красная (конгорот), анион к-ройне проходит через пергаментную мембрану, изменяет диффузионное равновесие других находящихся в растворе электролитов. Такими же коллоидальными электролитами, как конго-красная, являются протеинаты натрия и другие солеобразные соединения протеинов. Для их очистки от кристаллоидов со времен Грэма (Graham) пользуются прохождением последних через мембраны, непроницаемые для коллоидальных частиц. При этом казалось очевидным, что свободно диффундирующие кристаллоидные вещества должны в состоянии равновесия находиться в одинаковой концентрации по обе стороны мембраны. По их концентрации в наружной жидкости определяют их содержание в коллоидальном растворе. В действительности однако в силу Д. р., при наличии во внутреннем растворе протеиновых анионов, одноименные ионы (анионы) солей будут находиться в диализате в большей, а разноименные (катионы)—в меньшей концентрации, чем в самом коллоидальном растворе. В диализате кровяной сыворотки напр. О содержится в большей, а Са—в меньшей концентрации, чем в самой сыворотке. Так как сывороточные протеины принадлежат к амфотерным коллоидам, то при кислой реакции они образуют протеиновые катионы, результатом чего оказывается обратное соотношение С1 и Са в сыворотке и в диализате. При некоторой промежуточной реакции в изоэлектрической точке протеины образуют так же мало анионов, как и катионов , и не оказывают влияния на распределение диффундирующих электролитов. Описываемое влияние реакции показано в следующей таблице по данным Рона и Петова (Rona, Petow). рн Содержание Cl (Ate на 100 см') Кров, сыворотка Диализат 7,16 6,10 4,70 3,50 134,0 149,2 159,6 150,0 152,4 157,0 147,5 126,9 Содержание Са (мг на 100 сл1^а) рН Кров, сыворотка Диализат 7,3 6,4 5,0 3,2 8,2 8,0 7,2 7,0 6,5 7,5 8,2 8,9 Такое же распределение ионов, как в толь-ко-что приведенных опытах, имеет место и в живом организме. Многие биологические жидкости представляют диализат крови, лишенный большей части ее коллоидов. Отличия их ионного состава находятся в полном соответствии с принципом Д. р. В качестве примера могут служить данные, полученные Леманом и Месманом (Lehmann, Meesmann) для спинномозговой жидкости и для жидкости глазной камеры. Белки . . С1 .... Na . . . . рН ... Кровь | Liquor Жидкость камеры 7—9% 0,36% 0,344% 7,3—7,5 0,01—0,03% 0,44% 0,29% 7,8 0,01—0,03% 0,43% 0 ,288% 7,7—7,8 Содержание аниона (С1) оказывается в этом случае более высоким, содержание катионов (Na и Н)—более низким, чем в крови. В рассмотренных примерах непроходящим через мембрану ионом был коллоидальный ион. Как показал уже Доннан, такое же равновесие наступает, если мембрана непроницаема для одной группы кристаллоидных ионов. Такими свойствами обладает в частности клеточная оболочка, к-рая во многих случаях значительно более проницаема для ионов К, чем напр. для Na и Са. Т. к. кристаллоидные ионы содержатся в живой клетке и в окружающей их среде в несравненно более высокой ионной концентрации, чем коллоидные, то Д. р., обусловленное неодинаковой проницаемостью для них клеточной оболочки, должно оказывать очень значительное влияние на распределение электролитов и на осмотические свойства клетки. Принцип мембранного равновесия приобретает т. о. первостепенное значение и для разрешения очень еще темного вопроса о распределении электролитов между клеткой и омывающей ее жидкостью (Буткевич). Особенно большое развитие получило в последние годы применение принципа Доннана в учении о коллоидах. Первое обобщение в этой области принадлежит ПроктеруиУил-сону (Procter, Wilson), к-рые показали, что принцип Д. приложим не только к разделенным мембраной растворам, но и к состоящим из коллоидальных электролитов гелям. Такой гель, напр. желатиновый студень, в щелочную или кислую сторону от изоэлектрической точки представляет соле-образное соединение коллоидального иона с кристаллоидным катионом в первом случае, с анионом—во втором. Между этим, связанным с коллоидом ионом и ионами всякого другого соприкасающегося с гелем электролита должно устанавливаться Д. р. Неравномерное распределение ионов между гелем и раствором (см. уравнение 2) и связанное с этим осмотическое распределение воды позволяют объяснить (во многих случаях даже количественно) явления, описываемые как набухание геля. То же объяснение непосредственно приложимо к осмотическому давлению коллоидальных растворов, на которое электролиты оказывают, как известно, очень сильное влияние. В целом ряде исследований Леб (J. Loeb) развил стройную теорию коллоидальных явлений, сводящую почти все учение о коллоидах к принципу Доннана. Другие авторы такое монопольное господство этого принципа в химии коллоидов оспаривают. Лит.: Рубинштейн Д., Введение в физико-химическую биологию, стр. 252—266, М.—Л., 1926:. Butkewitsch Wl. u. W., Zur Frage nach der Rolle des «Donnanschen Membrangleichgewichts» bei osmotiselien Vorgangen in lebenden Zellen, Biochem. Zeitschr., B. CbXI, 1925; D о n n a n F., Theorie von Membrangleichgewichte und Membranpotentiale bei Vorhandensein von nicht dialysicrenden Elektrolyten, Zcitschr. f. Elektrocbem., B. XVII, 1911; L e h m a n n G. u. Meesmann A., Ober das Bestehen eines Donnangleichgewichtes zwischen Blut und Kammer-wasser bzw. Liquor cerebrospinalis, Pfliigers Arch., B. CCV, 1924; L о е b J., Proteins and the theory of colloidal behavior, N. Y., 1922; KonaP.u. Petow H., Beitrag zur Frage der Ionenverteihmg im Blutserum, Biochem. Ztschr., B. CXXXVII, 1923. Д. Рубинштейн.