Dyfuzja

Dyfuzja to bierny ruch substancji w dół ich gradientów stężeń – nie wymagający wydatkowania energii komórkowej. Substancje, takie jak cząsteczki lub jony, dyfundują z obszaru o wysokim stężeniu do obszaru o niskim stężeniu w cytozolu lub przez błony. W końcu stężenie się wyrówna, a substancja porusza się losowo, ale nie powoduje zmiany stężenia netto. Taki stan nazywa się równowagą dynamiczną, która jest niezbędna do utrzymania ogólnej homeostazy w organizmach żywych.

Procesy biologiczne zależne od dyfuzji

Dyfuzja odgrywa integralną rolę w procesach biologicznych, takich jak oddychanie, proces, w którym organizmy wymieniają gazy ze swoim środowiskiem. Po wdychaniu powietrza stężenie tlenu w pęcherzykach płucnych, workach powietrznych ludzkiego płuca, jest wyższe niż stężenie tlenu we krwi. W konsekwencji tlen dyfunduje w dół gradientu swojego stężenia do krwi. Aby dostać się do tkanek ciała, tlen i inne składniki odżywcze przenoszone we krwi muszą dyfundować do tkanek w dół ich gradientów stężeń. Odpady metaboliczne, takie jak dwutlenek węgla, dyfundują z tkanek do naczyń włosowatych, w których stężenie dwutlenku węgla jest mniejsze niż w tkankach ciała. Dwutlenek węgla przenoszący krew jest następnie pompowany do płuc, gdzie dwutlenek węgla łatwo dyfunduje do pęcherzyków płucnych, które mają niższe stężenie gazu niż krew. Dwutlenek węgla jest następnie wydychany z organizmu z pęcherzyków płucnych.

Dyfuzja odpowiada również za wymianę gazową w roślinach. Dwutlenek węgla potrzebny do fotosyntezy dyfunduje do liści roślin z powietrza przez małe pory na liściach zwane aparatami szparkowymi. I odwrotnie, tlen wytwarzany jako produkt uboczny fotosyntezy dyfunduje z liści do powietrza przez aparaty szparkowe.

Szybkość dyfuzji

Czynniki takie jak temperatura, masa cząsteczkowa, gęstość rozpuszczalnika, rozpuszczalność i wielkość gradientu stężeń cząsteczki wpływają na szybkość dyfuzji. Na przykład w roztworze każda substancja ma swój własny gradient stężeń, który jest niezależny od gradientu stężeń innych substancji. Większa różnica stężeń między przedziałami prowadzi do szybszych szybkości dyfuzji. W związku z tym, im bliżej układu do równowagi, tym wolniejsze jest tempo dyfuzji.

Szybkość dyfuzji przez błonę zależy głównie od względnej hydrofobowości cząsteczek. W szczególności, im więcej rozpuszczalnych w lipidach i niepolarnych cząsteczek, tym łatwiej będą dyfundować przez błonę. Obejmuje to małe gazy, takie jak tlen i dwutlenek węgla, a także większe substancje, takie jak witaminy. Inne nienaładowane, ale polarne cząsteczki, takie jak woda i większe, takie jak glukoza, przejdą przez nie, choć w znacznie wolniejszym tempie. W przeciwieństwie do tego, naładowane jony – bez względu na ich wielkość – i białka nierozpuszczalne w lipidach są odpychane przez dwuwarstwę lipidową i wymagają innych mechanizmów do przejścia.

Prosta dyfuzja a ułatwiona dyfuzja

Prosta dyfuzja zachodzi, gdy substancje są w stanie bezpośrednio dyfundować przez błony wzdłuż swoich gradientów stężeń bez pomocy. Jednak ułatwiona dyfuzja ma miejsce, gdy substancje wymagają użycia białek transportowych osadzonych w błonie do przechodzenia przez błony bez wydatkowania energii.