Diffusionsdefinition

Diffusion ist ein physikalischer Prozess, der sich auf die Nettobewegung von Molekülen aus einem Bereich hoher Konzentration in einen Bereich niedrigerer Konzentration bezieht. Das Material, das diffundiert, kann ein Feststoff, eine Flüssigkeit oder ein Gas sein. In ähnlicher Weise könnte sich das Medium, in dem die Diffusion stattfindet, auch in einem der drei physikalischen Zustände befinden.

Eines der Hauptmerkmale der Diffusion ist die Bewegung von Molekülen entlang des Konzentrationsgradienten. Während dies durch andere Moleküle erleichtert werden könnte, handelt es sich nicht direkt um hochenergetische Moleküle wie Adenosintriphosphat (ATP) oder Guanosintriphosphat (GTP).

Die Diffusionsrate hängt von der Art der Wechselwirkung zwischen Medium und Material ab. Zum Beispiel diffundiert ein Gas sehr schnell in einem anderen Gas. Ein Beispiel dafür ist die Art und Weise, wie sich der schädliche Geruch von Ammoniakgas in der Luft ausbreitet. Ähnlich, wenn ein Kanister mit flüssigem Stickstoff ein wenig leckt, Stickstoffgas, das entweicht, würde schnell in die Atmosphäre diffundieren. Dasselbe Gas würde in einer Flüssigkeit wie Wasser etwas langsamer und in einem Feststoff am langsamsten diffundieren.

In ähnlicher Weise diffundieren auch zwei mischbare Flüssigkeiten ineinander, um eine einheitliche Lösung zu bilden. Wenn beispielsweise Wasser mit Glycerin gemischt wird, diffundieren die beiden Flüssigkeiten im Laufe der Zeit radial ineinander. Dies kann sogar visuell durch die Zugabe von verschiedenen farbigen Farbstoffen zu jeder der Flüssigkeiten beobachtet werden. Das gleiche Phänomen tritt jedoch nicht auf, wenn nicht mischbare Flüssigkeiten wie Benzin und Wasser miteinander vermischt werden. Diffusion geschieht langsam und nur über die kleine Oberfläche der Wechselwirkung zwischen den beiden Flüssigkeiten.

Beispiele für Diffusion

Diffusion ist ein wichtiger Bestandteil vieler biologischer und chemischer Prozesse. In biologischen Systemen erfolgt die Diffusion in jedem Moment, über Membranen in jeder Zelle sowie durch den Körper.

Beispielsweise ist Sauerstoff in Arterien und Arteriolen höher konzentriert als in aktiv atmenden Zellen. Wenn beispielsweise Blut in Kapillaren im Muskel oder in der Leber fließt, gibt es nur eine einzige Zellschicht, die diesen Sauerstoff von Hepatozyten oder Skelettmuskelfasern trennt. Durch einen Prozess der passiven Diffusion gelangt Sauerstoff ohne aktive Beteiligung eines anderen Moleküls durch die Kapillarmembran in die Zellen.

Zellen nutzen Sauerstoff in den Mitochondrien für die aerobe Atmung, die Kohlendioxidgas als Nebenprodukt erzeugt. Wenn die Konzentration dieses Gases in der Zelle zunimmt, diffundiert es wiederum nach außen in Richtung Kapillaren, wo die Kraft des fließenden Blutes das überschüssige Gas aus dem Gewebebereich entfernt. Auf diese Weise bleiben die Kapillaren bei einer niedrigen Kohlendioxidkonzentration, was die ständige Bewegung des Moleküls von den Zellen weg ermöglicht.

Dieses Beispiel zeigt auch, dass die Diffusion eines Materials unabhängig von der Diffusion anderer Substanzen ist. Wenn sich Sauerstoff aus Kapillaren in Richtung Gewebe bewegt, gelangt Kohlendioxid in den Blutkreislauf.

In chemischen Prozessen ist die Diffusion oft das zentrale Prinzip, das viele Reaktionen antreibt. Als einfaches Beispiel lösen sich einige Zuckerkristalle in einem Glas Wasser im Laufe der Zeit langsam auf. Dies geschieht, weil es eine Nettobewegung von Zuckermolekülen in das Wassermedium gibt. Selbst bei großen industriellen Reaktionen, wenn zwei Flüssigkeiten miteinander vermischt werden, bringt die Diffusion die Reaktanten zusammen und ermöglicht einen reibungslosen Ablauf der Reaktion. Zum Beispiel ist eine der Weisen, in denen Polyester synthetisiert wird, indem man die passende organische Säure und den Alkohol in ihrer flüssigen Form mischt. Die Reaktion verläuft, wenn die beiden Reaktanten aufeinander zu diffundieren und eine chemische Reaktion unter Bildung von Estern eingehen.

Faktoren, die die Diffusion beeinflussen

Die Diffusion wird durch Temperatur, Interaktionsfläche, Steilheit des Konzentrationsgradienten und Partikelgröße beeinflusst. Jeder dieser Faktoren kann unabhängig und gemeinsam die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Diffusion verändern.

Temperatur

In jedem System bewegen sich Moleküle mit einer bestimmten Menge kinetischer Energie. Dies ist in der Regel nicht in einer bestimmten Weise gerichtet, und kann zufällig erscheinen. Wenn diese Moleküle miteinander kollidieren, ändert sich die Bewegungsrichtung sowie Impuls und Geschwindigkeit. Wenn beispielsweise ein Trockeneisblock (Kohlendioxid in fester Form) in eine Schachtel gelegt wird, kollidieren Kohlendioxidmoleküle in der Mitte des Blocks meistens miteinander und bleiben in der festen Masse zurück. Für Moleküle in der Peripherie beeinflussen jedoch auch sich schnell bewegende Moleküle in der Luft ihre Bewegung, so dass sie in die Luft diffundieren können. Dies erzeugt einen Konzentrationsgradienten, wobei die Kohlendioxidkonzentration mit der Entfernung vom Trockeneisklumpen allmählich abnimmt.

Mit zunehmender Temperatur nimmt die kinetische Energie aller Partikel im System zu. Dies erhöht die Geschwindigkeit, mit der sich gelöste und Lösungsmittelmoleküle bewegen, und erhöht die Kollisionen. Dies bedeutet, dass das Trockeneis (oder sogar normales Eis) an einem wärmeren Tag schneller verdampft, einfach weil sich jedes Molekül mit größerer Energie bewegt und es wahrscheinlicher ist, dass es schnell aus den Grenzen eines festen Zustands entweicht.

Bereich der Wechselwirkung

Um das oben angegebene Beispiel zu erweitern, wenn der Trockeneisblock in mehrere Teile zerbrochen wird, nimmt der Bereich, der mit der Atmosphäre interagiert, sofort zu. Die Anzahl der Moleküle, die nur mit anderen Kohlendioxidpartikeln im Trockeneis kollidieren, nimmt ab. Daher nimmt auch die Diffusionsrate des Gases in Luft zu.

Diese Eigenschaft kann noch besser beobachtet werden, wenn das Gas einen Geruch oder eine Farbe hat. Wenn zum Beispiel Jod über einem heißen Ofen sublimiert wird, beginnen violette Dämpfe zu erscheinen und sich mit Luft zu vermischen. Wenn die Sublimation in einem engen Tiegel durchgeführt wird, diffundieren die Dämpfe langsam in Richtung der Mündung des Behälters und verschwinden dann schnell. Während sie auf die kleinere Oberfläche innerhalb des Tiegels beschränkt sind, bleibt die Diffusionsrate gering.

Dies zeigt sich auch, wenn zwei flüssige Reaktanten miteinander vermischt werden. Durch Rühren wird die Wechselwirkungsfläche zwischen den beiden Chemikalien vergrößert und diese Moleküle können schneller aufeinander zu diffundieren. Die Reaktion verläuft schneller zur Vollendung. In ähnlicher Weise löst sich jeder gelöste Stoff, der in kleine Stücke zerbrochen und in das Lösungsmittel eingerührt wird, schnell auf – ein weiterer Indikator dafür, dass Moleküle besser diffundieren, wenn der Interaktionsbereich zunimmt.

Steilheit des Konzentrationsgradienten

Da die Diffusion hauptsächlich durch die Wahrscheinlichkeit angetrieben wird, dass sich Moleküle von einem Bereich höherer Sättigung entfernen, folgt unmittelbar, dass, wenn das Medium (oder Lösungsmittel) eine sehr niedrige Konzentration des gelösten Stoffes aufweist, die Wahrscheinlichkeit, dass ein Molekül von dem zentralen Bereich wegdiffundiert, höher ist. Zum Beispiel, in dem Beispiel über die Diffusion von Jodgas, wenn der Tiegel in einen anderen geschlossenen Behälter gestellt wird und Jodkristalle für einen längeren Zeitraum erhitzt werden, Die Geschwindigkeit, mit der das violette Gas an der Mündung des Tiegels zu verschwinden scheint, verringert sich. Diese scheinbare Verlangsamung ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass der größere Behälter im Laufe der Zeit genug Jodgas enthält, dass sich ein Teil davon rückwärts in Richtung Tiegel bewegt. Obwohl dies eine zufällige, nicht gerichtete Bewegung ist, kann bei einer großen Masse ein Szenario entstehen, in dem keine Nettobewegung von Gas aus dem Behälter erfolgt.

Partikelgröße

Bei jeder gegebenen Temperatur ist die Diffusion eines kleineren Partikels schneller als die eines größeren Moleküls. Dies hängt sowohl mit der Masse des Moleküls als auch mit seiner Oberfläche zusammen. Ein schwereres Molekül mit einer größeren Oberfläche diffundiert langsam, während kleinere, leichtere Partikel schneller diffundieren. Während beispielsweise Sauerstoffgas etwas schneller diffundiert als Kohlendioxid, bewegen sich beide schneller als Jodgas.

Funktionen der Diffusion

Diffusion im menschlichen Körper ist notwendig für die Aufnahme verdauter Nährstoffe, den Gasaustausch, die Ausbreitung von Nervenimpulsen, die Bewegung von Hormonen und anderen Metaboliten zu ihrem Zielorgan und für fast jedes Ereignis in der Embryonalentwicklung.

Arten der Diffusion

Diffusion kann entweder einfache Diffusion sein oder durch ein anderes Molekül erleichtert werden

Einfache Diffusion

Einfache Diffusion ist lediglich die Bewegung von Molekülen entlang ihres Konzentrationsgradienten ohne direkte Beteiligung anderer Moleküle. Dabei kann es sich entweder um die Ausbreitung eines Materials durch ein Medium oder um den Transport eines Partikels über eine Membran handeln. Alle oben genannten Beispiele waren Fälle einfacher Diffusion.

Das Bild ist eine einfache Darstellung der Diffusion eines Partikels in einem anderen Medium.

Einfache Diffusion ist in chemischen Reaktionen, in vielen physikalischen Phänomenen relevant und kann sogar globale Wettermuster und geologische Ereignisse beeinflussen. In den meisten biologischen Systemen erfolgt die Diffusion über eine semipermeable Membran aus einer Lipiddoppelschicht. Die Membran hat Poren und Öffnungen, um den Durchgang bestimmter Moleküle zu ermöglichen.

Erleichterte Diffusion

Andererseits erfordert erleichterte Diffusion, wie der Begriff andeutet, die Anwesenheit eines anderen Moleküls (des Vermittlers), damit Diffusion stattfinden kann. Erleichterte Diffusion ist notwendig für die Bewegung großer oder polar Moleküle über die hydrophobe Lipiddoppelschicht. Die erleichterte Diffusion ist für die biochemischen Prozesse jeder Zelle notwendig, da zwischen verschiedenen subzellulären Organellen eine Kommunikation besteht. Während beispielsweise Gase und kleine Moleküle wie Methan oder Wasser frei über eine Plasmamembran diffundieren können, benötigen größere geladene Moleküle wie Kohlenhydrate oder Nukleinsäuren die Hilfe von Transmembranproteinen, die Poren oder Kanäle bilden.

Das Bild zeigt die Bewegung eines unlöslichen Moleküls aus dem extrazellulären Raum in Richtung Zytoplasma.

Da es sich um relativ große Öffnungen in der Plasmamembran handelt, weisen diese integralen Membranproteine auch eine hohe Spezifität auf. Zum Beispiel hat das Kanalprotein, das Kaliumionen transportiert, eine viel höhere Affinität für dieses Ion als ein sehr ähnliches Natriumion, mit fast der gleichen Größe und Ladung.

• Konzentrationsgradient – Allmähliche Abnahme der Konzentration einer Substanz, oft eines gelösten Stoffes in einer Lösung. In lebenden Systemen ist dieser Gradient normalerweise auf zwei Seiten einer semipermeablen Lipidmembran zu sehen.
• Hepatozyten – Zellen im inneren Parenchymbereich der Leber, die einen großen Teil der Lebermasse ausmachen. Beteiligt an der Verdauung und dem Stoffwechsel von Proteinen, Lipiden und Kohlenhydraten. Sie spielen auch eine entscheidende Rolle bei der Entgiftung des Körpers.
• Integrales Membranprotein – Proteine, die sich über die Breite einer Membran erstrecken und wichtige strukturelle und funktionelle Bestandteile biologischer Membranen sind.Sublimation – Die Umwandlung eines Materials in seiner festen Phase direkt in den gasförmigen Zustand, ohne einen dazwischenliegenden Übergang in den flüssigen Zustand.

Quiz

1. Welche dieser Aussagen über die Diffusion von Molekülen ist wahr?
A. Die erleichterte Diffusion wird vollständig durch GTP-Hydrolyse angetrieben
B. Benötigt niemals die Anwesenheit eines anderen Moleküls
C. Die Diffusion jedes Moleküls ist abhängig von seinem Konzentrationsgradienten und unabhängig von der Konzentration anderer Molekülspezies im Medium
D. Alle oben genannten

2. Wenn es ein Kühlmittel in der Nähe der Mündung einer Tiegelheizung gäbe, wie würde das seine Diffusionsrate beeinflussen?
A. Würde unverändert bleiben
B. Erhöhen
C. Verringern
D. Es würde von der Art und Temperatur des Kühlmittels abhängen

3. Welche dieser Aussagen ist NICHT wahr?
A. Große polare Moleküle können nicht über eine biologische Membran diffundieren
B. Kohlendioxid würde schneller diffundieren als Bromgas
C. Integrale Membranproteine, die die Diffusion erleichtern, sind sehr spezifisch für ihre Ladung
D. Alle oben genannten

• Mehrer, H. und Stolwijk, N. A. (2005). „Helden und Höhepunkte in der Geschichte der Diffusion“. Grundlagen der Diffusion 2, 1.1–1.10.
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• Spaeth, E. E. und Friedlander, S.K. (1967). “ Die Diffusion von Sauerstoff, Kohlendioxid und Inertgas in fließendem Blut“. Biophys J. 7(6): 827-851.