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5.5: Diffusion
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Diffusion
 
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TRANSCRIPTION

5.5: Diffusion

5.5: Diffusion

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.

La diffusion est le mouvement passif des substances vers le bas de leurs gradients de concentration, ne nécessitant aucune dépense d’énergie cellulaire. Les substances, telles que les molécules ou les ions, se diffusent d’une zone de forte concentration à une zone de faible concentration dans le cytosol ou à travers les membranes. Finalement, la concentration sera égale, avec la substance se déplaçant au hasard, mais ne causant aucun changement net dans la concentration. Un tel état est appelé équilibre dynamique, qui est essentiel pour maintenir l’homéostasie globale dans les organismes vivants.

Processus biologiques dépendants de la diffusion

La diffusion joue un rôle essentiel dans les processus biologiques tels que la respiration, le processus par lequel les organismes échangent les gaz avec leur environnement. Après avoir respiré dans l’air, la concentration d’oxygène dans les alvéoles, sacs d’air du poumon humain, est plus élevée que la concentration d’oxygène dans le sang. Par conséquent, l’oxygène diffuse son gradient de concentration dans le sang. Afin d’entrer dans les tissus du corps, l’oxygène et d’autres nutriments transportés dans le sang doit se diffuser dans les tissus vers le bas de leurs gradients de concentration. Les déchets métaboliques tels que le dioxyde de carbone se diffusent des tissus vers les capillaires où la concentration de dioxyde de carbone est inférieure à celle des tissus du corps intérieurs. Le sang transportant du dioxyde de carbone est ensuite pompé vers les poumons où le dioxyde de carbone se diffuse facilement dans les alvéoles qui ont une plus faible concentration de gaz que le sang. Le dioxyde de carbone est ensuite expiré hors du corps à partir des alvéoles.

La diffusion est également responsable de l’échange de gaz dans les usines. Le dioxyde de carbone nécessaire à la photosynthèse se diffuse dans les feuilles végétales de l’air à travers de petits pores sur des feuilles appelées stomates. Inversement, l’oxygène produit comme sous-produit de la photosynthèse se diffuse hors des feuilles et dans l’air par les stomates.

Tarifs de diffusion

Des facteurs tels que la température, la masse moléculaire, la densité des solvants, la solubilité et l’ampleur du gradient de concentration d’une molécule influencent les taux de diffusion. Par exemple, en solution, chaque substance a son propre gradient de concentration qui est indépendant du gradient de concentration d’autres substances. Une plus grande différence de concentration entre les compartiments conduit à des taux de diffusion plus rapides. Par conséquent, plus un système est proche de l’équilibre, plus le taux de diffusion est lent.

Le taux de diffusion à travers une membrane dépend principalement de l’hydrophobicité relative des molécules. Plus précisément, plus les molécules liposolubles et nonpolaires sont, plus elles diffuseront facilement à travers la membrane. Cela comprend de petits gaz tels que l’oxygène et le dioxyde de carbone, ainsi que des substances plus importantes comme les vitamines. D’autres molécules non chargées mais polaires, comme l’eau et les plus grandes comme le glucose passeront, bien qu’à un rythme beaucoup plus lent. En revanche, les ions chargés, quelle que soit leur taille, et les protéines solubles non lipidiques sont repoussés par la bicouche lipidique et nécessitent d’autres mécanismes à traverser.

Diffusion simple vs diffusion facilitée

La diffusion simple se produit lorsque les substances sont capables de diffuser directement à travers les membranes le long de leurs gradients de concentration sans aide. Cependant, la diffusion facilitée a lieu lorsque les substances nécessitent l’utilisation de protéines de transport embarquées à la membrane pour traverser les membranes sans dépenser d’énergie.


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