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5.5: Difusión
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Diffusion
 
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TRANSCRIPCIÓN

5.5: Diffusion

5.5: Difusión

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 difusión es el movimiento pasivo de sustancias por sus gradientes de concentración, que no requieren gasto de energía celular. Las sustancias, como moléculas o iones, se difuminan desde un área de alta concentración hasta un área de baja concentración en el citosol o a través de las membranas. Eventualmente, la concentración se igualará, con la sustancia moviéndose al azar, pero sin causar ningún cambio neto en la concentración. Tal estado se llama equilibrio dinámico, que es esencial para mantener la homeostasis general en organismos vivos.

Procesos biológicos dependientes de la difusión

La difusión desempeña un papel integral en los procesos biológicos, como la respiración, el proceso por el cual los organismos intercambian gases con su medio ambiente. Después de respirar aire, la concentración de oxígeno en los alvéolos, sacos de aire del pulmón humano, es mayor que la concentración de oxígeno en la sangre. En consecuencia, el oxígeno difunde su gradiente de concentración en la sangre. Con el fin de entrar en el tejido corporal, el oxígeno y otros nutrientes transportados en la sangre deben difundirse en los tejidos por sus gradientes de concentración. Los desechos metabólicos como el dióxido de carbono se difunden de los tejidos a los capilares donde la concentración de dióxido de carbono es menor que la del interior de los tejidos del cuerpo. La sangre que transporta dióxido de carbono se bombea a los pulmones donde el dióxido de carbono se difunde fácilmente en alvéolos que tienen una menor concentración de gas que la sangre. El dióxido de carbono se exhala del cuerpo de los alvéolos.

La difusión también es responsable del intercambio de gas en las plantas. El dióxido de carbono necesario para la fotosíntesis se difunde en las hojas de las plantas desde el aire a través de pequeños poros en hojas llamadas estomas. Por el contrario, el oxígeno producido como subproducto de la fotosíntesis se difunde fuera de las hojas y en el aire a través de estomas.

Tasas de difusión

Factores como la temperatura, la masa molecular, la densidad de disolventes, la solubilidad y la magnitud del gradiente de concentración de una molécula influyen en las tasas de difusión. Por ejemplo, en solución, cada sustancia tiene su propio gradiente de concentración que es independiente del gradiente de concentración de otras sustancias. Una mayor diferencia de concentración entre los compartimentos conduce a tasas de difusión más rápidas. En consecuencia, cuanto más cerca esté un sistema de equilibrio, más lenta es la tasa de difusión.

La tasa de difusión a través de una membrana depende principalmente de la hidrofobicidad relativa de las moléculas. Específicamente, cuantos más solubles en lípidos y no polares sean las moléculas, más fácilmente se difundirán a través de la membrana. Esto incluye gases pequeños como oxígeno y dióxido de carbono, así como sustancias más grandes como las vitaminas. Otras moléculas no sobrecargadas pero polares, como el agua y las más grandes como la glucosa pasarán a través, aunque a un ritmo mucho más lento. Por el contrario, los iones cargados, sin importar su tamaño, y las proteínas solubles no lipídicas son repelidas por la bicapía lipídica y requieren otros mecanismos para cruzar.

Difusión simple frente a difusión facilitada

La difusión simple se produce cuando las sustancias son capaces de difundir directamente a través de las membranas a lo largo de sus gradientes de concentración sin ayuda. Sin embargo, la difusión facilitada tiene lugar cuando las sustancias requieren el uso de proteínas de transporte incrustadas en membrana para atravesar membranas sin gastar energía.


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