吉布斯-唐南效应

吉布斯-唐南效应（也称为唐南效应、唐南定律、唐南平衡或吉布斯-唐南平衡）是半透膜附近带电粒子行为的名称，有时无法 均匀分布在膜的两侧。 通常的原因是存在无法穿过膜的不同带电物质，从而产生不均匀的电荷。 例如，血浆中的大阴离子蛋白不能渗透毛细血管壁。 因为小阳离子被吸引，但不与蛋白质结合，所以小阴离子比小阳离子更容易穿过毛细管壁远离阴离子蛋白质。

因此，一些离子种类可以穿过屏障，而另一些则不能。 溶液可以是凝胶或胶体以及电解质溶液，因此凝胶或凝胶与液体之间的相界也可以作为选择性屏障。 两个这样的溶液之间产生的电势称为唐南电势。

该效应以 1878 年提出该效应的美国物理学家 Josiah Willard Gibbs 和 1911 年对其进行实验研究的英国化学家 Frederick G. Donnan 命名。

Donnan 平衡在 Mow 和 Lai 提出的关节软骨三相模型以及电化学燃料电池和透析中很突出。

Donnan 效应是由于附着在溶解的血浆蛋白上的阳离子（Na+ 和 K+）造成的策略压力。

膜一侧存在带电的非渗透性离子（例如，蛋白质）将导致渗透性带电离子的不对称分布。 平衡状态下的吉布斯-唐南方程（假设渗透离子为 Na+ 和 Cl−）： [ Na + ] α [ Cl − ] α = [ Na + ] β [ Cl − ] β {\displaystyle [{\text{ Na}}{+}]_{\alpha }[{\text{Cl}}{-}]_{\alpha }=[{\text{Na}}{+}]_{\ beta }[{\text{Cl}}{-}]_{\beta }} 等价地，[ Na + ] α [ Na + ] β = [ Cl − ] β [ Cl − ] α {\displaystyle { \frac {[{\text{Na}}{+}]_{\alpha }}{[{\text{Na}}{+}]_{\beta }}}={\ frac {[{\text{Cl}}{-}]_{\beta }}{[{\text{Cl}}{-}]_{\alpha }}}}

请注意，第 1 侧和第 2 侧不再处于渗透平衡状态（即每侧的总渗透物不相同）

在体内，离子平衡确实以 Gibbs-Donnan 模型预测的比例平衡，因为细胞不能忍受随之而来的大量水流入。 这是通过在细胞外设置功能性不透性阳离子 Na+ 来平衡阴离子蛋白质来平衡的。 Na+ 确实通过泄漏通道穿过膜（渗透性约为 K+ 的 1/10，K+ 是渗透性xxx的离子），但根据泵泄漏模型，它被 Na+/K+-ATPase 挤出。

由于膜两侧的离子浓度不同，因此当涉及质子时，pH（使用相对活性定义）也可能不同。 在许多情况下，从蛋白质的超滤到离子交换层析，与膜带电基团相邻的缓冲液的 pH 值不同于缓冲液其余部分的 pH 值。 当带电基团为负（碱性）时，它们会吸引质子，从而使 pH 值低于周围的缓冲液。 当带电基团为正（酸性）时，它们会排斥质子，因此 pH 值会高于周围的缓冲液。

当组织细胞处于含蛋白质的液体中时，细胞质蛋白质的唐南效应与细胞外蛋白质的唐南效应相等且相反。 相反的唐南效应导致氯离子在细胞内迁移，增加细胞内氯离子浓度。 唐南效应可以解释为什么一些红细胞没有活跃的钠泵； 该作用减轻了血浆蛋白的渗透压，这就是为什么钠泵对于维持细胞体积不太重要。

脑组织肿胀，称为脑水肿，是由脑损伤和其他可增加颅内压 (ICP) 的颅脑外伤引起的。 细胞内带负电荷的分子产生固定的电荷密度，通过唐南效应增加颅内压。 即使负电荷通过膜泄漏，ATP 泵仍保持负膜电位； 这一行动建立了一个化学和电梯度。

细胞内的负电荷和细胞外的离子产生热力学势； 如果大脑发生损伤并且细胞失去了膜的完整性，离子将涌入细胞以平衡先前建立的化学梯度和电梯度。 膜电压将变为零，但化学梯度仍然存在。