5.5: Diffusie
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.
