5.5: Diffusion
5.5: Diffusie
Diffusion is the passive movement of substances down their concentration gradients—requiring no expenditure of cellular energy. Substances, such as molecules or ions, diffuse from an area of high concentration to an area of low concentration in the cytosol or across membranes. Eventually, the concentration will even out, with the substance moving randomly but causing no net change in concentration. Such a state is called dynamic equilibrium, which is essential for maintaining overall homeostasis in living organisms.
Diffusion-dependent Biological Processes
Diffusion plays an integral role in biological processes such as respiration, the process by which organisms exchange gases with their environment. After breathing in air, the concentration of oxygen in the alveoli, air sacs of the human lung, is higher than the oxygen concentration in the blood. Consequently, oxygen diffuses down its concentration gradient into the blood. In order to get into body tissue, oxygen and other nutrients carried in the blood must diffuse into tissues down their concentration gradients. Metabolic waste such as carbon dioxide diffuses from tissues into capillaries where the carbon dioxide concentration is less than that inside body tissues. Blood carrying carbon dioxide is then pumped to the lungs where carbon dioxide readily diffuses into alveoli that have a lower concentration of the gas than blood. Carbon dioxide is then exhaled out of the body from the alveoli.
Diffusion is also responsible for gas exchange in plants. The carbon dioxide needed for photosynthesis diffuses into plant leaves from the air through small pores on leaves called stomata. Conversely, oxygen produced as a byproduct of photosynthesis diffuses out of leaves and into the air through stomata.
Diffusion Rates
Factors such as temperature, molecular mass, solvent density, solubility, and the magnitude of a molecule’s concentration gradient influence diffusion rates. For instance, in solution, each substance has its own concentration gradient that is independent of the concentration gradient of other substances. A larger concentration difference between compartments leads to faster diffusion rates. Consequently, the closer a system is to equilibrium, the slower the rate of diffusion.
The rate of diffusion across a membrane depends mostly on the molecules’ relative hydrophobicity. Specifically, the more lipid soluble and nonpolar molecules are, the more readily they will diffuse through the membrane. This includes small gases such as oxygen and carbon dioxide, as well as larger substances like vitamins. Other uncharged but polar molecules, such as water and larger ones like glucose will pass through, although at a much slower rate. In contrast, charged ions—no matter their size—and non-lipid soluble proteins are repelled by the lipid bilayer and require other mechanisms to cross.
Simple Diffusion vs. Facilitated Diffusion
Simple diffusion occurs when substances are able to directly diffuse across membranes along their concentration gradients without assistance. However, facilitated diffusion takes place when substances require the use of membrane-embedded transport proteins to traverse membranes without expending energy.
Diffusie is de passieve beweging van stoffen door hun concentratiegradiënten - waarbij geen verbruik van cellulaire energie nodig is. Stoffen, zoals moleculen of ionen, diffunderen van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie in het cytosol of over membranen. Uiteindelijk zal de concentratie gelijkmatig worden, waarbij de stof willekeurig beweegt maar geen netto verandering in concentratie veroorzaakt. Zo'n toestand wordt dynamisch evenwicht genoemd, wat essentieel is voor het handhaven van de algehele homeostase in levende organismen.
Diffusieafhankelijke biologische processen
Diffusie speelt een integrale rol in biologische processen zoals ademhaling, het proces waarbij organismen gassen uitwisselen met hun omgeving. Na het inademen van lucht is de zuurstofconcentratie in de longblaasjes, luchtzakjes van de menselijke long, hoger dan de zuurstofconcentratie in het bloed. Bijgevolg diffundeert zuurstof zijn concentratiegradiënt in het bloed. Om in lichaamsweefsel te komen,zuurstof en andere voedingsstoffen die in het bloed worden vervoerd, moeten door hun concentratiegradiënten in de weefsels diffunderen. Metabool afval zoals kooldioxide diffundeert van weefsels naar haarvaten waar de kooldioxideconcentratie lager is dan die in lichaamsweefsels. Bloed dat koolstofdioxide vervoert, wordt vervolgens naar de longen gepompt, waar koolstofdioxide gemakkelijk diffundeert in longblaasjes die een lagere gasconcentratie hebben dan bloed. Koolstofdioxide wordt vervolgens uit de longblaasjes uit het lichaam uitgeademd.
Diffusie is ook verantwoordelijk voor gasuitwisseling in planten. De koolstofdioxide die nodig is voor fotosynthese diffundeert in plantenbladeren vanuit de lucht door kleine poriën op bladeren die huidmondjes worden genoemd. Omgekeerd, zuurstof geproduceerd als bijproduct van fotosynthese diffundeert uit bladeren en in de lucht via huidmondjes.
Verspreidingssnelheden
Factoren zoals temperatuur, molecuulmassa, oplosmiddeldichtheid, oplosbaarheid en de grootte van de concentratiegradiënt van een molecuul beïnvloeden de diffusietarieven. In oplossing heeft elke stof bijvoorbeeld zijn eigen concentratiegradiënt die onafhankelijk is van de concentratiegradiënt van andere stoffen. Een groter concentratieverschil tussen compartimenten leidt tot snellere diffusiesnelheden. Bijgevolg, hoe dichter een systeem bij evenwicht is, hoe langzamer de diffusiesnelheid.
De diffusiesnelheid over een membraan hangt grotendeels af van de relatieve hydrofobiciteit van de moleculen. Specifiek, hoe beter in lipiden oplosbare en apolaire moleculen zijn, hoe gemakkelijker ze door het membraan zullen diffunderen. Dit omvat kleine gassen zoals zuurstof en kooldioxide, maar ook grotere stoffen zoals vitamines. Andere ongeladen maar polaire moleculen, zoals water en grotere zoals glucose, zullen erdoorheen gaan, hoewel in een veel langzamer tempo. Daarentegen worden geladen ionen - ongeacht hun grootte - en niet-lipide-oplosbare eiwitten afgestoten door de lipidedubbellaag en hebben ze andere mechanismen nodig om te kruisen.
Simpele diffusie versus Facilitated Diffusion
Eenvoudige diffusie vindt plaats wanneer stoffen zonder hulp direct over membranen kunnen diffunderen langs hun concentratiegradiënten. Er vindt echter gefaciliteerde diffusie plaats wanneer stoffen het gebruik van in membraan ingebedde transporteiwitten vereisen om membranen te doorkruisen zonder energie te verbruiken.
CH
DE