5.5: דיפוזיה

דיפוזיה (בעברית: פעפוע) היא תנועה פסיבית של חומרים במורד מפל הריכוז שלהם - שאינה דורשת הוצאת אנרגיה סלולרית. חומרים, כמו מולקולות או יונים, מתפזרים מאזור בריכוז גבוה לאזור בריכוז נמוך בציטוזול או על פני ממברנות. בסופו של דבר, הריכוז יתאזן, כאשר החומר נע באקראי אך לא גורם לשינוי נטו בריכוז. מצב כזה נקרא שיווי משקל דינמי, שהוא חיוני לשמירה על הומאוסטזיס כללי באורגניזמים חיים.

תהליכים ביולוגיים תלויי דיפוזיה

הדיפוזיה ממלאת תפקיד אינטגרלי בתהליכים ביולוגיים כמו נשימה, התהליך שבו אורגניזמים מחליפים גזים עם סביבתם. לאחר נשימה באוויר, ריכוז החמצן בנאדיות (alveoli), שקי האוויר של הריאה האנושית, גבוה מריכוז החמצן בדם. כתוצאה מכך, חמצן מתפזר במורד גרדיאנט הריכוז שלו לתוך הדם. על מנת להיכנס לרקמת הגוף, חמצן וחומרי תזונה אחרים הנישאים בדם חייבים להתפזר לרקמות במורד גרדיאנט הריכוז שלהם. פסולת מטבולית כגון פחמן דו חמצני מתפזרת מרקמות לנימים שבהן ריכוז הפחמן הדו חמצני נמוך מזה שבתוך רקמות הגוף. לאחר מכן נשאב דם הנושא פחמן דו חמצני אל הריאות שם פחמן דו חמצני מתפזר בקלות לתוך נאדיות שיש להi ריכוז נמוך יותר של הגז מאשר הדם. לאחר מכן נפלט פחמן דו חמצני אל מחוץ לגוף מהנאדיות.

דיפוזיה אחראית גם על חילופי גזים בצמחים. הפחמן הדו-חמצני הדרוש לפוטוסינתזה מתפזר לעלי הצמחים מהאוויר דרך נקבוביות קטנות על עלים הנקראות פיוניות (Stoma). לעומת זאת, חמצן המיוצר כתוצר לוואי של פוטוסינתזה מתפזר מתוך העלים לאוויר דרך הפיוניות.

קצבי דיפוזיה

גורמים כגון טמפרטורה, מסה מולקולרית, צפיפות הממס, מסיסות וגודל גרדיאנט הריכוז של מולקולה משפיעים על קצבי הדיפוזיה. לדוגמה, בתמיסה, לכל חומר יש גרדיאנט ריכוז משלו שאינו תלוי בגרדיאנט הריכוז של חומרים אחרים. הפרש ריכוזים גדול יותר בין התאים מוביל לקצבי דיפוזיה מהירים יותר. כתוצאה מכך, ככל שמערכת קרובה יותר לשיווי משקל, כך קצב הדיפוזיה איטי יותר.

קצב הדיפוזיה על פני ממברנה תלוי בעיקר בהידרופוביות היחסית של המולקולות. באופן ספציפי, ככל שהמולקולות יותר מסיסות בשומנים ולא קוטביות, כך הן יתפזרו בקלות רבה יותר דרך הממברנה. זה כולל גזים קטנים כמו חמצן ופחמן דו חמצני, כמו גם חומרים גדולים יותר כמו ויטמינים. מולקולות אחרות לא טעונות אך קוטביות, כמו מים וגדולות יותר כמו גלוקוז יעברו דרכן, אם כי בקצב איטי בהרבה. לעומת זאת, יונים טעונים - לא משנה גודלם - וחלבונים שאינם מסיסים שומנים נדחים על ידי שכבת השומנים הדו-שכבתית ודורשים מנגנונים אחרים לעבור.

דיפוזיה פשוטה לעומת דיפוזיה מסתייעת

דיפוזיה פשוטה מתרחשת כאשר חומרים מסוגלים להתפזר ישירות על פני ממברנות לאורך שיפוע הגרדיאנט שלהם ללא סיוע. עם זאת, דיפוזיה מסתייעת מתרחשת כאשר חומרים דורשים שימוש בחלבוני תחבורה משובצים בממברנה כדי לחצות ממברנות מבלי להוציא אנרגיה.