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5.5: Diffusion
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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.

Diffusion ist die passive Bewegung von Substanzen gemäß ihrem Konzentrationsgradienten. Für sie muss eine Zelle keine Energie aufbringen. Substanzen, wie z.B. Moleküle oder Ionen, diffundieren von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration im Zytosol oder über Membranen. Letztendlich gleicht sich die Konzentration aus, wobei sich die Substanz zufällig bewegt, jedoch keine Veränderung der Konzentration bewirkt. Ein solcher Zustand wird als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet. Dieses ist für die Aufrechterhaltung der Gesamthomöostase in lebenden Organismen von entscheidender Bedeutung.

Diffusionsabhängige biologische Prozesse

Die Diffusion spielt eine wichtige Rolle bei biologischen Prozessen wie der Atmung. Die Atmung ist ein Prozess, bei dem Organismen Gase mit ihrer Umgebung austauschen. Nach dem Einatmen der Luft ist die Konzentration des Sauerstoffs in den Lungenbläschen, den Luftsäcken der menschlichen Lunge, höher, als die Sauerstoffkonzentration im Blut. Folglich diffundiert der Sauerstoff in seinem Konzentrationsgradienten nach unten in das Blut. Um in das Körpergewebe zu gelangen, müssen Sauerstoff und andere, im Blut mitgeführte Nährstoffe, mit ihrem Konzentrationsgradienten in das Gewebe diffundieren. Stoffwechselabfälle wie Kohlendioxid diffundieren aus dem Gewebe in Kapillaren, wo die Kohlendioxid-Konzentration geringer ist als im Körpergewebe. Das kohlendioxidhaltige Blut wird dann in die Lungen gepumpt, wo das Kohlendioxid leicht in die Lungenbläschen diffundiert. Dort herrscht eine niedrigere Konzentration des Gases als im Blut. Das Kohlendioxid wird dann aus den Lungenbläschen aus dem Körper herausgeatmet.

Die Diffusion ist auch für den Gasaustausch in Pflanzen verantwortlich. Das für die Fotosynthese benötigte Kohlendioxid diffundiert aus der Luft durch kleine Poren an den Blättern in die Pflanzenblätter. Diese Öffnungen bezeichnet man als Spaltöffnungen. Umgekehrt diffundiert der bei der Fotosynthese als Nebenprodukt entstehende Sauerstoff aus den Blättern und durch die Spaltöffnungen in die Luft raus.

< h4>Diffusionsraten

Faktoren wie Temperatur, Molekularmasse, Lösungsmitteldichte, Löslichkeit und die Größe eines Moleküls sowie der Konzentrationsgradient beeinflussen die Rate der Diffusion bzw. ihre Geschwindigkeit. So hat in einer Lösung beispielsweise jeder Stoff einen eigenen Konzentrationsgradienten, der unabhängig vom Konzentrationsgradienten anderer Stoffe ist. Ein größerer Konzentrationsunterschied zwischen den Kompartimenten führt zu schnelleren Diffusionsraten. Je näher ein System am Gleichgewicht ist, desto langsamer ist die Diffusionsrate.

Die Geschwindigkeit, mit der Moleküle durch eine Membran diffundieren, hängt in der Praxis von der relativen Hydrophobie dieser Moleküle ab. Je mehr lipidlösliche und unpolare Moleküle vorhanden sind, desto leichter diffundieren sie durch eine Membran. Dazu gehören Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid, aber auch größere Stoffe wie Vitamine. Andere ungeladene, aber polare Moleküle wie Wasser und größere wie Glucose passieren die Membran mit einer deutlich langsameren Geschwindigkeit. Im Gegensatz dazu werden geladene Ionen und nicht-lipidlösliche Proteine von der Lipid-Doppelschicht abgestoßen und benötigen andere Mechanismen, um sie zu durchqueren. Ihre Größe ist in diesem Fall von keiner Bedeutung.

Einfache Diffusion vs. erleichterte Diffusion

Einfache Diffusion liegt vor, wenn Stoffe ohne Unterstützung direkt über Membranen entlang ihrer Konzentrationsgradienten diffundieren können. Eine erleichterte Diffusion findet hingegen dann statt, wenn Substanzen den Einsatz von Transportproteinen benötigen, um Membranen ohne eigenen Energieaufwand zu durchqueren.


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