Definizione di diffusione

La diffusione è un processo fisico che si riferisce al movimento netto di molecole da una regione di alta concentrazione a una di bassa concentrazione. Il materiale che si diffonde potrebbe essere un solido, liquido o gas. Allo stesso modo, il mezzo in cui avviene la diffusione potrebbe anche essere in uno dei tre stati fisici.

Una delle principali caratteristiche della diffusione è il movimento delle molecole lungo il gradiente di concentrazione. Mentre questo potrebbe essere facilitato da altre molecole, non coinvolge direttamente molecole ad alta energia come adenosina trifosfato (ATP) o guanosina trifosfato (GTP).

La velocità di diffusione dipende dalla natura dell’interazione tra il mezzo e il materiale. Ad esempio, un gas si diffonde molto rapidamente in un altro gas. Un esempio di questo è il modo in cui l’odore nocivo del gas di ammoniaca si diffonde nell’aria. Allo stesso modo, se un contenitore di azoto liquido perde un po’, il gas di azoto che fuoriesce si diffonderebbe rapidamente nell’atmosfera. Lo stesso gas si diffonderebbe leggermente più lentamente in un liquido come l’acqua e più lento in un solido.

Allo stesso modo, due liquidi miscibili si diffonderanno l’uno nell’altro per formare una soluzione uniforme. Ad esempio, quando l’acqua viene miscelata con glicerolo, nel tempo i due liquidi si diffondono radialmente l’uno nell’altro. Questo può anche essere osservato visivamente con l’aggiunta di diversi coloranti colorati a ciascuno dei liquidi. Tuttavia, lo stesso fenomeno non si vede quando liquidi immiscibili come benzina e acqua vengono mescolati insieme. La diffusione avviene lentamente e solo attraverso la piccola superficie di interazione tra i due fluidi.

Esempi di diffusione

La diffusione è una parte importante di molti processi biologici e chimici. Nei sistemi biologici, la diffusione avviene in ogni momento, attraverso le membrane in ogni cellula e attraverso il corpo.

Ad esempio, l’ossigeno è ad una concentrazione più elevata all’interno delle arterie e delle arteriole, se confrontato con i livelli di ossigeno nelle cellule che respirano attivamente. Nel momento in cui il sangue scorre nei capillari nel muscolo o nel fegato, ad esempio, c’è solo un singolo strato di cellule che separa questo ossigeno dagli epatociti o dalle fibre muscolari scheletriche. Attraverso un processo di diffusione passiva, senza il coinvolgimento attivo di qualsiasi altra molecola l’ossigeno passa attraverso la membrana capillare ed entra nelle cellule.

Le cellule utilizzano l’ossigeno nei mitocondri per la respirazione aerobica, che genera gas di anidride carbonica come sottoprodotto. Ancora una volta, quando la concentrazione di questo gas aumenta all’interno della cellula, si diffonde verso l’esterno verso i capillari dove la forza del sangue che scorre rimuove il gas in eccesso dalla regione del tessuto. In questo modo, i capillari rimangono a bassa concentrazione di anidride carbonica, consentendo il costante movimento della molecola lontano dalle cellule.

Questo esempio mostra anche che la diffusione di qualsiasi materiale è indipendente dalla diffusione di qualsiasi altra sostanza. Quando l’ossigeno si muove verso i tessuti dai capillari, l’anidride carbonica entra nel flusso sanguigno.

Nei processi chimici, la diffusione è spesso il principio centrale che guida molte reazioni. Come semplice esempio, alcuni cristalli di zucchero in un bicchiere d’acqua si dissolveranno lentamente nel tempo. Ciò si verifica perché c’è un movimento netto di molecole di zucchero nel mezzo idrico. Anche nelle grandi reazioni industriali, quando due liquidi vengono mescolati insieme, la diffusione riunisce i reagenti e consente alla reazione di procedere senza intoppi. Per esempio, uno dei modi in cui il poliestere è sintetizzato è mescolando l’acido organico appropriato e l’alcool nella loro forma liquida. La reazione procede mentre i due reagenti si diffondono l’uno verso l’altro e subiscono una reazione chimica per formare esteri.

Fattori che influenzano la diffusione

La diffusione è influenzata dalla temperatura, dall’area di interazione, dalla pendenza del gradiente di concentrazione e dalla dimensione delle particelle. Ciascuno di questi fattori, indipendentemente e collettivamente può alterare il tasso e l’entità della diffusione.

Temperatura

In qualsiasi sistema, le molecole si muovono con una certa quantità di energia cinetica. Questo di solito non è diretto in alcun modo particolare e può apparire casuale. Quando queste molecole si scontrano tra loro, c’è un cambiamento nella direzione del movimento e cambiamenti nella quantità di moto e velocità. Ad esempio, se un blocco di ghiaccio secco (anidride carbonica in forma solida) viene posizionato all’interno di una scatola, le molecole di anidride carbonica al centro del blocco si scontrano per lo più tra loro e vengono trattenute all’interno della massa solida. Tuttavia, per le molecole nella periferia, anche le molecole in rapido movimento nell’aria influenzano il loro movimento, consentendo loro di diffondersi nell’aria. Questo crea un gradiente di concentrazione, con la concentrazione di anidride carbonica che diminuisce gradualmente con la distanza dal grumo di ghiaccio secco.

Con l’aumento della temperatura, l’energia cinetica di tutte le particelle nel sistema aumenta. Ciò aumenta la velocità con cui le molecole di soluto e solvente si muovono e aumenta le collisioni. Ciò significa che il ghiaccio secco (o anche il ghiaccio regolare) evapora più velocemente in una giornata più calda, semplicemente perché ogni molecola si muove con maggiore energia ed è più probabile che sfugga rapidamente ai confini di uno stato solido.

Area di interazione

Per estendere l’esempio sopra riportato, se il blocco di ghiaccio secco viene spezzato in più pezzi, l’area che interagisce con l’atmosfera aumenta immediatamente. Il numero di molecole che si scontrano solo con altre particelle di anidride carbonica all’interno del ghiaccio secco diminuisce. Pertanto, aumenta anche la velocità di diffusione del gas nell’aria.

Questa proprietà può essere osservata ancora meglio se il gas ha un odore o un colore. Ad esempio, quando lo iodio viene sublimato su una stufa calda, i fumi viola iniziano ad apparire e si mescolano con l’aria. Se la sublimazione viene effettuata in un crogiolo stretto, i fumi si diffondono lentamente verso la bocca del contenitore e poi scompaiono rapidamente. Mentre sono confinati alla superficie più piccola all’interno del crogiolo, il tasso di diffusione rimane basso.

Questo si vede anche quando due reagenti liquidi sono mescolati tra loro. L’agitazione aumenta l’area di interazione tra le due sostanze chimiche e consente a queste molecole di diffondersi l’una verso l’altra più rapidamente. La reazione procede verso il completamento ad un ritmo più veloce. Su una nota simile, qualsiasi soluto che viene rotto in piccoli pezzi e mescolato nel solvente si dissolve rapidamente – un altro indicatore di molecole che si diffondono meglio quando l’area di interazione aumenta.

Pendenza del gradiente di concentrazione

Poiché la diffusione è alimentata principalmente dalla probabilità che le molecole si allontanino da una regione di maggiore saturazione, ne consegue immediatamente che quando il mezzo (o solvente) ha una concentrazione molto bassa del soluto, la probabilità che una molecola si diffonda lontano dall’area centrale è più alta. Ad esempio, nell’esempio sulla diffusione del gas di iodio, se il crogiolo viene posto in un altro contenitore chiuso e i cristalli di iodio vengono riscaldati per un lungo periodo di tempo, la velocità con cui il gas viola sembra “scomparire” alla bocca del crogiolo si ridurrà. Questo apparente rallentamento è dovuto al fatto che, nel tempo, il contenitore più grande inizia ad avere abbastanza gas di iodio che alcuni di essi si muoveranno “all’indietro” verso il crogiolo. Anche se questo è un movimento casuale non diretto, con una grande massa, può creare uno scenario in cui non vi è alcun movimento netto di gas dal contenitore.

Granulometria

A qualsiasi temperatura, la diffusione di una particella più piccola sarà più rapida di quella di una molecola di dimensioni maggiori. Questo è correlato sia alla massa della molecola che alla sua superficie. Una molecola più pesante con una superficie maggiore si diffonderà lentamente, mentre le particelle più piccole e più leggere si diffonderanno più rapidamente. Ad esempio, mentre il gas ossigeno si diffonderà leggermente più rapidamente dell’anidride carbonica, entrambi si muoveranno più rapidamente del gas iodio.

Funzioni di diffusione

La diffusione nel corpo umano è necessaria per l’assorbimento dei nutrienti digeriti, lo scambio gassoso, la propagazione degli impulsi nervosi, il movimento degli ormoni e di altri metaboliti verso il loro organo bersaglio e per quasi tutti gli eventi nello sviluppo embrionale.

Tipi di Diffusione

Diffusione può essere semplice diffusione e di essere facilitato da un’altra molecola

Diffusione Semplice

diffusione Semplice è semplicemente il movimento delle molecole lungo il loro gradiente di concentrazione, senza il coinvolgimento diretto di altre molecole. Può comportare la diffusione di un materiale attraverso un mezzo o il trasporto di una particella attraverso una membrana. Tutti gli esempi sopra riportati erano casi di semplice diffusione.

L’immagine è una semplice rappresentazione della diffusione di una particella in un altro mezzo.

La diffusione semplice è rilevante nelle reazioni chimiche, in molti fenomeni fisici e può persino influenzare i modelli meteorologici globali e gli eventi geologici. Nella maggior parte dei sistemi biologici, la diffusione avviene attraverso una membrana semipermeabile costituita da un doppio strato lipidico. La membrana ha pori e aperture per consentire il passaggio di molecole specifiche.

Diffusione facilitata

D’altra parte, la diffusione facilitata, come indica il termine, richiede la presenza di un’altra molecola (il facilitatore) affinché la diffusione avvenga. La diffusione facilitata è necessaria per il movimento delle molecole grandi o polari attraverso il doppio strato idrofobo del lipido. La diffusione facilitata è necessaria per i processi biochimici di ogni cellula poiché vi è comunicazione tra vari organelli subcellulari. Ad esempio, mentre gas e piccole molecole come il metano o l’acqua possono diffondersi liberamente attraverso una membrana plasmatica, molecole cariche più grandi come carboidrati o acidi nucleici hanno bisogno dell’aiuto di proteine transmembrana che formano pori o canali.

L’immagine mostra il movimento di una molecola insolubile dallo spazio extracellulare verso il citoplasma.

Poiché sono aperture relativamente grandi nella membrana plasmatica, queste proteine di membrana integrali hanno anche un’elevata specificità. Per esempio, la proteina del canale che trasporta gli ioni del potassio ha un’affinità molto più alta per quello ion che uno ion molto simile del sodio, con quasi la stessa dimensione e tassa.

• Gradiente di concentrazione-Diminuzione graduale della concentrazione di una sostanza, spesso un soluto in una soluzione. All’interno dei sistemi viventi, questo gradiente è solitamente visto su due lati di una membrana lipidica semi-permeabile.
• Epatociti-Cellule nella regione parenchimale interna del fegato, che costituiscono una grande percentuale della massa epatica. Coinvolto nella digestione e nel metabolismo di proteine, lipidi e carboidrati. Svolgono anche un ruolo cruciale nella disintossicazione del corpo.
• Proteina di membrana integrale-Proteine che coprono la larghezza di una membrana e sono importanti parti strutturali e funzionali delle membrane biologiche.
• Sublimazione-La conversione di un materiale nella sua fase solida direttamente allo stato gassoso, senza una transizione intermedia allo stato liquido.

Quiz

1. Quale di queste affermazioni sulla diffusione delle molecole è vera?
A. La diffusione facilitata è alimentato interamente da idrolisi di GTP
B. Non necessita la presenza di qualsiasi altra molecola
C. Diffusione di ogni molecola dipende dal suo gradiente di concentrazione, ed è indipendente dalla concentrazione di altre specie molecolari nel medio
D. Tutte le precedenti

2. Se ci fosse un refrigerante vicino alla bocca di un crogiolo di iodio riscaldamento come sarebbe che influenzano il suo tasso di diffusione?
A. Rimarrebbe invariato
B. Increase
C. Decrease
D. Dipenderebbe dalla natura e dalla temperatura del refrigerante

3. Quale di queste affermazioni NON è vera?
A. Le grandi molecole polari non possono diffondersi attraverso una membrana biologica
B. L’anidride carbonica si diffonderebbe più velocemente del gas bromo
C. Le proteine integrali della membrana che facilitano la diffusione sono altamente specifiche sul loro carico
D. Tutto quanto sopra

• Mehrer, H. e Stolwijk, N. A. (2005). “Heroes and Highlights in the History of Diffusion”. Fondamenti di diffusione 2, 1.1–1.10.
• Philibert, J. (2009). “One and a Half Century of Diffusion: Fick, Einstein, before and beyond”. Fondamenti di diffusione 11 (1):1-32.
• Spaeth, E. E., e Friedlander, S. K. (1967). “La diffusione di ossigeno, anidride carbonica e gas inerte nel sangue che scorre”. Biophys J. 7 (6): 827-851.