Définition de diffusion

La diffusion est un processus physique qui fait référence au mouvement net des molécules d’une région de concentration élevée à une région de concentration plus faible. Le matériau qui diffuse peut être un solide, un liquide ou un gaz. De même, le milieu dans lequel se produit la diffusion pourrait également se trouver dans l’un des trois états physiques.

L’une des principales caractéristiques de la diffusion est le mouvement des molécules le long du gradient de concentration. Bien que cela puisse être facilité par d’autres molécules, cela n’implique pas directement des molécules à haute énergie telles que l’adénosine triphosphate (ATP) ou la guanosine triphosphate (GTP).

La vitesse de diffusion dépend de la nature de l’interaction entre le milieu et le matériau. Par exemple, un gaz se diffuse très rapidement dans un autre gaz. Un exemple de ceci est la façon dont l’odeur nocive de l’ammoniac gazeux se propage dans l’air. De même, si un bidon d’azote liquide fuit un peu, l’azote gazeux qui s’échappe se diffuserait rapidement dans l’atmosphère. Le même gaz diffuserait un peu plus lentement dans un liquide tel que l’eau et le plus lentement dans un solide.

De même, deux liquides miscibles se diffuseront également l’un dans l’autre pour former une solution uniforme. Par exemple, lorsque de l’eau est mélangée à du glycérol, au fil du temps, les deux liquides diffusent radialement l’un dans l’autre. Cela peut même être observé visuellement par l’ajout de colorants colorés différents à chacun des liquides. Cependant, le même phénomène n’est pas observé lorsque des liquides non miscibles tels que l’essence et l’eau sont mélangés. La diffusion se produit lentement et uniquement sur la petite surface d’interaction entre les deux fluides.

Exemples de diffusion

La diffusion est une partie importante de nombreux processus biologiques et chimiques. Dans les systèmes biologiques, la diffusion se produit à chaque instant, à travers les membranes de chaque cellule ainsi que dans le corps.

Par exemple, l’oxygène est à une concentration plus élevée à l’intérieur des artères et des artérioles, par rapport aux niveaux d’oxygène dans les cellules qui respirent activement. Au moment où le sang s’écoule dans les capillaires du muscle ou du foie, par exemple, il n’y a qu’une seule couche de cellules séparant cet oxygène des hépatocytes ou des fibres musculaires squelettiques. Par un processus de diffusion passive, sans l’implication active d’aucune autre molécule, l’oxygène traverse la membrane capillaire et pénètre dans les cellules.

Les cellules utilisent l’oxygène dans les mitochondries pour la respiration aérobie, qui génère du gaz carbonique en tant que sous-produit. Encore une fois, à mesure que la concentration de ce gaz augmente à l’intérieur de la cellule, il diffuse vers l’extérieur vers les capillaires où la force du sang qui coule élimine l’excès de gaz de la région tissulaire. De cette façon, les capillaires restent à une faible concentration de dioxyde de carbone, permettant le mouvement constant de la molécule loin des cellules.

Cet exemple montre également que la diffusion d’un matériau quelconque est indépendante de la diffusion de toute autre substance. Lorsque l’oxygène se déplace vers les tissus à partir des capillaires, le dioxyde de carbone pénètre dans la circulation sanguine.

Dans les procédés chimiques, la diffusion est souvent le principe central à l’origine de nombreuses réactions. Par exemple, quelques cristaux de sucre dans un verre d’eau se dissolvent lentement avec le temps. Cela se produit parce qu’il y a un mouvement net de molécules de sucre dans le milieu aquatique. Même dans les grandes réactions industrielles, lorsque deux liquides sont mélangés ensemble, la diffusion rapproche les réactifs et permet à la réaction de se dérouler en douceur. Par exemple, l’une des façons dont le polyester est synthétisé consiste à mélanger l’acide organique et l’alcool appropriés sous leur forme liquide. La réaction se déroule lorsque les deux réactifs diffusent l’un vers l’autre et subissent une réaction chimique pour former des esters.

Facteurs qui affectent la diffusion

La diffusion est affectée par la température, la zone d’interaction, la raideur du gradient de concentration et la taille des particules. Chacun de ces facteurs, indépendamment et collectivement, peut modifier le taux et l’étendue de la diffusion.

Température

Dans n’importe quel système, les molécules se déplacent avec une certaine quantité d’énergie cinétique. Ceci n’est généralement pas dirigé d’une manière particulière et peut sembler aléatoire. Lorsque ces molécules entrent en collision les unes avec les autres, il y a un changement dans la direction du mouvement ainsi que des changements d’élan et de vitesse. Par exemple, si un bloc de glace carbonique (dioxyde de carbone sous forme solide) est placé à l’intérieur d’une boîte, les molécules de dioxyde de carbone au centre du bloc entrent en collision les unes avec les autres et sont retenues dans la masse solide. Cependant, pour les molécules en périphérie, les molécules en mouvement rapide dans l’air influencent également leur mouvement, leur permettant de diffuser dans l’air. Cela crée un gradient de concentration, la concentration de dioxyde de carbone diminuant progressivement avec la distance du morceau de glace carbonique.

Avec l’augmentation de la température, l’énergie cinétique de toutes les particules du système augmente. Cela augmente la vitesse à laquelle les molécules de soluté et de solvant se déplacent et augmente les collisions. Cela signifie que la glace carbonique (ou même la glace régulière) s’évaporera plus rapidement par une journée plus chaude, simplement parce que chaque molécule se déplace avec une plus grande énergie et est plus susceptible de s’échapper rapidement des limites d’un état solide.

Zone d’interaction

Pour prolonger l’exemple donné ci-dessus, si le bloc de glace carbonique est brisé en plusieurs morceaux, la zone qui interagit avec l’atmosphère augmente immédiatement. Le nombre de molécules qui entrent en collision uniquement avec d’autres particules de dioxyde de carbone dans la glace carbonique diminue. Par conséquent, la vitesse de diffusion du gaz dans l’air augmente également.

Cette propriété peut être observée encore mieux si le gaz a une odeur ou une couleur. Par exemple, lorsque l’iode est sublimé sur un poêle chaud, des vapeurs violettes commencent à apparaître et à se mélanger à l’air. Si la sublimation est réalisée dans un creuset étroit, les fumées diffusent lentement vers l’embouchure du récipient puis disparaissent rapidement. Bien qu’ils soient confinés à la plus petite surface à l’intérieur du creuset, la vitesse de diffusion reste faible.

Cela se voit également lorsque deux réactifs liquides sont mélangés l’un à l’autre. L’agitation augmente la zone d’interaction entre les deux produits chimiques et permet à ces molécules de se diffuser plus rapidement l’une vers l’autre. La réaction se poursuit vers l’achèvement à un rythme plus rapide. Sur une note similaire, tout soluté qui est brisé en petits morceaux et agité dans le solvant se dissout rapidement – un autre indicateur de la meilleure diffusion des molécules lorsque la zone d’interaction augmente.

Raideur du gradient de concentration

Comme la diffusion est alimentée principalement par la probabilité que des molécules s’éloignent d’une région de saturation plus élevée, il s’ensuit immédiatement que lorsque le milieu (ou solvant) a une très faible concentration du soluté, la probabilité qu’une molécule diffuse loin de la zone centrale est plus élevée. Par exemple, dans l’exemple sur la diffusion du gaz iodé, si le creuset est placé dans un autre récipient fermé et que les cristaux d’iode sont chauffés pendant une période prolongée, la vitesse à laquelle le gaz violet semble « disparaître » à l’embouchure du creuset diminuera. Ce ralentissement apparent est dû au fait qu’avec le temps, le plus grand récipient commence à avoir suffisamment de gaz iodé pour qu’une partie de celui-ci se déplace « en arrière » vers le creuset. Même s’il s’agit d’un mouvement aléatoire non dirigé, avec un volume important, cela peut créer un scénario où il n’y a pas de mouvement net de gaz du conteneur.

Taille des particules

À une température donnée, la diffusion d’une particule plus petite sera plus rapide que celle d’une molécule de plus grande taille. Ceci est lié à la fois à la masse de la molécule et à sa surface. Une molécule plus lourde avec une plus grande surface diffusera lentement, tandis que des particules plus petites et plus légères diffuseront plus rapidement. Par exemple, alors que l’oxygène gazeux diffusera légèrement plus rapidement que le dioxyde de carbone, les deux se déplaceront plus rapidement que le gaz iodé.

Fonctions de diffusion

La diffusion dans le corps humain est nécessaire à l’absorption des nutriments digérés, aux échanges gazeux, à la propagation de l’influx nerveux, au mouvement des hormones et autres métabolites vers leur organe cible et à presque tous les événements du développement embryonnaire.

Types de diffusion

La diffusion peut être simple diffusion et être facilitée par une autre molécule

Diffusion simple

La diffusion simple est simplement le mouvement des molécules le long de leur gradient de concentration sans l’implication directe d’aucune autre molécule. Elle peut impliquer soit l’étalement d’un matériau à travers un milieu, soit le transport d’une particule à travers une membrane. Tous les exemples donnés ci-dessus étaient des exemples de diffusion simple.

L’image est une représentation simple de la diffusion d’une particule dans un autre milieu.

La diffusion simple est pertinente dans les réactions chimiques, dans de nombreux phénomènes physiques, et peut même influencer les modèles météorologiques mondiaux et les événements géologiques. Dans la plupart des systèmes biologiques, la diffusion se produit à travers une membrane semi-perméable constituée d’une bicouche lipidique. La membrane présente des pores et des ouvertures pour permettre le passage de molécules spécifiques.

Diffusion facilitée

D’autre part, la diffusion facilitée, comme le terme l’indique, nécessite la présence d’une autre molécule (le facilitateur) pour que la diffusion se produise. Une diffusion facilitée est nécessaire pour le mouvement de molécules grandes ou polaires à travers la bicouche lipidique hydrophobe. La diffusion facilitée est nécessaire aux processus biochimiques de chaque cellule car il existe une communication entre divers organites subcellulaires. Par exemple, alors que les gaz et les petites molécules comme le méthane ou l’eau peuvent diffuser librement à travers une membrane plasmique, les molécules chargées plus grosses comme les glucides ou les acides nucléiques ont besoin de l’aide de protéines transmembranaires formant des pores ou des canaux.

L’image montre le mouvement d’une molécule insoluble de l’espace extracellulaire vers le cytoplasme.

Comme il s’agit d’ouvertures relativement grandes dans la membrane plasmique, ces protéines membranaires intégrales ont également une spécificité élevée. Par exemple, la protéine de canal qui transporte les ions potassium a une affinité beaucoup plus élevée pour cet ion qu’un ion sodium très similaire, avec presque la même taille et la même charge.

• Gradient de concentration – Diminution progressive de la concentration d’une substance, souvent un soluté dans une solution. Dans les systèmes vivants, ce gradient est généralement observé sur les deux côtés d’une membrane lipidique semi-perméable.
• Hépatocytes – Cellules dans la région parenchymateuse interne du foie, constituant une grande proportion de la masse hépatique. Impliqué dans la digestion et le métabolisme des protéines, des lipides et des glucides. Ils jouent également un rôle crucial dans la désintoxication du corps.
• Protéine membranaire intégrale – Protéines qui couvrent la largeur d’une membrane et sont des parties structurelles et fonctionnelles importantes des membranes biologiques.
• Sublimation – La conversion d’un matériau dans sa phase solide directement à l’état gazeux, sans transition intermédiaire à l’état liquide.

Quiz

1. Laquelle de ces affirmations sur la diffusion des molécules est vraie?
A. La diffusion facilitée est entièrement alimentée par l’hydrolyse du GTP
B. N’a jamais besoin de la présence d’une autre molécule
C. La diffusion de chaque molécule dépend de son gradient de concentration et est indépendante de la concentration d’autres espèces moléculaires dans le milieu
D. Toute la réponse ci-dessus

2. S’il y avait un liquide de refroidissement près de l’embouchure d’un creuset chauffant l’iode, comment cela affecterait-il son taux de diffusion?
A. Resterait inchangé
B. Augmentation
C. Diminution
D. Cela dépendrait de la nature et de la température du liquide de refroidissement

3. Laquelle de ces affirmations n’est PAS vraie?
A. Les grosses molécules polaires ne peuvent pas diffuser à travers une membrane biologique
B. Le dioxyde de carbone diffuserait plus rapidement que le gaz de brome
C. Les protéines membranaires intégrales qui facilitent la diffusion sont très spécifiques de leur cargaison
D. Toutes les réponses ci-dessus

• Mehrer, H. et Stolwijk, N. A. (2005).  » Héros et temps forts de l’Histoire de la Diffusion ”. Principes fondamentaux de diffusion 2, 1.1-1.10.
• Philibert, J. (2009). « Un siècle et demi de diffusion : Fick, Einstein, avant et au-delà »” Principes fondamentaux de diffusion 11(1): 1-32.
• Spaeth, E.E., et Friedlander, S.K. (1967). « La Diffusion de l’Oxygène, du Dioxyde de Carbone et du Gaz Inerte dans le Sang qui coule”. Biophys J. 7(6): 827-851.