Diffusie

Diffusie is de passieve beweging van stoffen door hun concentratiegradiënten – waarbij geen verbruik van cellulaire energie nodig is. Stoffen, zoals moleculen of ionen, stromen van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lage concentratie in het cytosol of door membranen. De concentratie zal uiteindelijk gelijkmatig worden verdeeld. Er is geen netto verandering in de concentratie, ook al beweegt de stof nog steeds willenkeurig. Zo'n toestand wordt een dynamisch evenwicht genoemd, wat essentieel is voor het handhaven van de algehele homeostase in levende organismen.

Biologische processen die afhankelijk zijn van diffusie

Diffusie speelt een belangrijke rol in biologische processen zoals ademhaling, het proces waarbij organismen gassen uitwisselen met hun omgeving. Na het inademen is de zuurstofconcentratie in de longblaasjes, de luchtzakjes van de menselijke long, hoger dan de zuurstofconcentratie in het bloed. Door de concentratiegradiënt verspreidt de zuurstof zich in het bloed. Zuurstof en andere voedingsstoffen die in het bloed worden vervoerd, komen door hun concentratiegradiënten in de weefsels terecht. Afvalstoffen zoals koolstofdioxide verspreiden zich van weefsels naar haarvaten waar de koolstofdioxideconcentratie lager. Bloed dat koolstofdioxide vervoert, wordt vervolgens naar de longen gepompt, zodat koolstofdioxide naar de longblaasjes worden gevoerd omdat die een lagere gasconcentratie hebben dan bloed. Koolstofdioxide in de longblaasjes wordt vervolgens uit het lichaam uitgeademd.

Diffusie is ook verantwoordelijk voor de uitwisseling van gassen in planten. De koolstofdioxide die nodig is voor fotosynthese diffundeert vanuit de lucht door kleine poriën op bladeren die huidmondjes worden genoemd. De zuurstof die als bijproduct van fotosynthese wordt geproduceerd diffundeert eveneens uit bladeren in de lucht via huidmondjes.

Snelheid van diffusie

Factoren zoals temperatuur, molecuulmassa, dichtheid van het oplosmiddel, oplosbaarheid en de grootte van de concentratiegradiënt van een molecuul beïnvloeden de snelheid van de diffusie. Elke stof in oplossing heeft zijn eigen concentratiegradiënt die onafhankelijk is van de concentratiegradiënt van andere stoffen. Een groter concentratieverschil tussen compartimenten leidt tot een snellere diffusie. De diffusiesnelheid is langzamer als een systeem bijna in evenwicht is.

Hoe snel de diffusie over een membraan verloopt, hangt grotendeels af van de relatieve hydrofobiciteit van de moleculen. Een betere oplosbaarheid van lipiden oplosbare en apolaire moleculen zorgt ervoor dat de diffusie door het membraan makkelijker verloopt. Dit geldt ook voor kleine gassen zoals zuurstof en koolstofdioxide, maar ook voor grotere stoffen zoals vitamines. Andere ongeladen maar polaire moleculen, zoals water en grotere zoals glucose, zullen veel langzamer door het membraan heen gaan. Geladen ionen – ongeacht hun grootte – en niet-lipide-oplosbare eiwitten worde afgestoten door de lipide dubbellaag en hebben daarom een andere mechanisme nodig door het membraan vervoerd te worden.

Eenvoudige diffusie versus gefaciliteerde diffusie

Eenvoudige diffusie vindt plaats wanneer stoffen zonder hulp direct over membranen kunnen diffunderen langs hun concentratiegradiënten. Gefaciliteerde diffusie vind echter plaats wanneer stoffen gebruik maken van transporteiwitten, die in het membraan ingebed zijn, om membranen te doorkruisen zonder energie te verbruiken.