Dyfuzja definicja

Dyfuzja jest procesem fizycznym, który odnosi się do ruchu sieciowego cząsteczek z regionu o wysokim stężeniu do obszaru o niższym stężeniu. Materiałem, który dyfunduje, może być ciało stałe, ciecz lub gaz. Podobnie, medium, w którym występuje dyfuzja, może również znajdować się w jednym z trzech stanów fizycznych.

jedną z głównych cech dyfuzji jest ruch cząsteczek wzdłuż gradientu stężenia. Chociaż może to być ułatwione przez inne cząsteczki, nie wiąże się bezpośrednio z cząsteczkami o wysokiej energii, takimi jak adenozynotrójfosforan (ATP) lub guanozynotrójfosforan (GTP).

szybkość dyfuzji zależy od charakteru interakcji między medium a materiałem. Na przykład gaz bardzo szybko dyfunduje w innym gazie. Przykładem tego jest sposób, w jaki szkodliwy zapach amoniaku rozprzestrzenia się w powietrzu. Podobnie, jeśli zbiornik ciekłego azotu trochę wycieka, Gaz azotowy, który ucieka, szybko dyfunduje do atmosfery. Ten sam gaz dyfundowałby nieco wolniej w cieczy, takiej jak woda, a najwolniej w ciele stałym.

podobnie dwie mieszalne ciecze również będą się dyfundować, tworząc jednorodny roztwór. Na przykład, gdy woda jest mieszana z glicerolem, z czasem obie ciecze dyfundują promieniście do siebie. Można to nawet zaobserwować wizualnie przez dodanie różnych barwników do każdego z płynów. Jednak tego samego zjawiska nie obserwuje się, gdy nie mieszające się płyny, takie jak benzyna i woda, są mieszane razem. Dyfuzja zachodzi powoli i tylko na małej powierzchni interakcji między dwoma płynami.

przykłady dyfuzji

Dyfuzja jest ważną częścią wielu procesów biologicznych i chemicznych. W systemach biologicznych dyfuzja zachodzi w każdym momencie, przez błony w każdej komórce,a także przez ciało.

na przykład tlen znajduje się w wyższym stężeniu wewnątrz tętnic i tętnic, w porównaniu z poziomem tlenu w aktywnie oddychających komórkach. Do czasu przepływu krwi do naczyń włosowatych w mięśniu lub wątrobie, na przykład, istnieje tylko jedna warstwa komórek oddzielających ten tlen od hepatocytów lub włókien mięśni szkieletowych. Poprzez proces pasywnej dyfuzji, bez aktywnego udziału jakiejkolwiek innej cząsteczki tlen przechodzi przez błonę kapilarną I wchodzi do komórek.

komórki wykorzystują tlen w mitochondriach do oddychania tlenowego, który wytwarza dwutlenek węgla jako produkt uboczny. Po raz kolejny, gdy stężenie tego gazu wzrasta w komórce, dyfunduje on na zewnątrz w kierunku naczyń włosowatych, gdzie siła przepływającej krwi usuwa nadmiar gazu z obszaru tkanki. W ten sposób naczynia włosowate pozostają w niskim stężeniu dwutlenku węgla, umożliwiając stały ruch cząsteczki z dala od komórek.

Ten przykład pokazuje również, że dyfuzja dowolnego materiału jest niezależna od dyfuzji jakichkolwiek innych substancji. Gdy tlen porusza się w kierunku tkanek z naczyń włosowatych, dwutlenek węgla dostaje się do krwiobiegu.

w procesach chemicznych dyfuzja jest często główną zasadą napędzającą wiele reakcji. Jako prosty przykład, kilka kryształów cukru w szklance wody powoli rozpuści się w czasie. Dzieje się tak, ponieważ występuje ruch sieciowy cząsteczek cukru w środowisku wodnym. Nawet w dużych reakcjach przemysłowych, gdy dwa ciecze są mieszane razem, dyfuzja łączy reagenty i pozwala na płynne przebieganie reakcji. Na przykład jednym ze sposobów syntezy poliestru jest mieszanie odpowiedniego kwasu organicznego i alkoholu w ich płynnej postaci. Reakcja przebiega, gdy dwa reagenty dyfundują względem siebie i przechodzą reakcję chemiczną, tworząc estry.

czynniki wpływające na dyfuzję

Dyfuzja zależy od temperatury, obszaru oddziaływania, stromości gradientu stężenia i wielkości cząstek. Każdy z tych czynników, niezależnie i zbiorowo, może zmieniać szybkość i zakres dyfuzji.

Temperatura

w każdym układzie cząsteczki poruszają się z pewną ilością energii kinetycznej. Zwykle nie jest to skierowane w żaden szczególny sposób i może wydawać się losowe. Kiedy cząsteczki te zderzają się ze sobą, następuje zmiana kierunku ruchu, a także zmiany pędu i prędkości. Na przykład, jeśli blok suchego lodu (dwutlenek węgla w postaci stałej) jest umieszczony wewnątrz pudełka, cząsteczki dwutlenku węgla w środku bloku w większości zderzają się ze sobą i zatrzymują się w stałej masie. Jednak w przypadku cząsteczek na peryferiach, szybko poruszające się cząsteczki w powietrzu również wpływają na ich ruch, umożliwiając im dyfuzję w powietrzu. Tworzy to gradient stężenia, a stężenie dwutlenku węgla stopniowo maleje wraz z odległością od bryły suchego lodu.

wraz ze wzrostem temperatury wzrasta energia kinetyczna wszystkich cząstek w układzie. Zwiększa to szybkość poruszania się cząsteczek rozpuszczonych i rozpuszczalników oraz zwiększa zderzenia. Oznacza to, że suchy lód (lub nawet zwykły lód) odparuje szybciej w cieplejszy dzień, po prostu dlatego, że każda cząsteczka porusza się z większą energią i jest bardziej prawdopodobne, że szybko wydostanie się z granic ciała stałego.

obszar interakcji

aby rozszerzyć powyższy przykład, jeśli blok suchego lodu zostanie podzielony na wiele części, obszar, który wchodzi w interakcję z atmosferą, natychmiast wzrasta. Zmniejsza się liczba cząsteczek, które zderzają się tylko z innymi cząsteczkami dwutlenku węgla w suchym lodzie. W związku z tym wzrasta również szybkość dyfuzji gazu w powietrzu.

tę właściwość można zaobserwować jeszcze lepiej, jeśli gaz ma zapach lub kolor. Na przykład, gdy jod jest sublimowany nad gorącym piecem, pojawiają się fioletowe opary i mieszają się z powietrzem. Jeśli sublimacja odbywa się w wąskim tyglu, opary dyfundują powoli w kierunku ujścia pojemnika, a następnie szybko znikają. Chociaż są one ograniczone do mniejszej powierzchni w tyglu, szybkość dyfuzji pozostaje niska.

jest to również widoczne, gdy dwa płynne reagenty są mieszane ze sobą. Mieszanie zwiększa obszar interakcji między dwoma substancjami chemicznymi i pozwala tym cząsteczkom szybciej dyfundować. Reakcja przebiega do zakończenia w szybszym tempie. Podobnie, każda substancja rozpuszczona, która jest rozbita na małe kawałki i zmieszana z rozpuszczalnikiem, rozpuszcza się szybko – kolejny wskaźnik cząsteczek dyfundujących lepiej, gdy zwiększa się obszar interakcji.

stromość gradientu stężenia

ponieważ dyfuzja jest zasilana głównie przez Prawdopodobieństwo oddalenia się cząsteczek od obszaru o wyższym nasyceniu, natychmiast wynika, że gdy medium (lub rozpuszczalnik) ma bardzo niskie stężenie substancji rozpuszczonej, prawdopodobieństwo rozproszenia cząsteczki z obszaru centralnego jest wyższe. Na przykład, w przykładzie dotyczącym dyfuzji gazu jodowego, jeśli tygiel jest umieszczony w innym zamkniętym pojemniku i kryształy jodu są podgrzewane przez dłuższy czas, tempo, z jakim fioletowy Gaz wydaje się „znikać” w wylocie tygla, zmniejszy się. To oczywiste spowolnienie wynika z faktu, że z biegiem czasu większy pojemnik zaczyna mieć wystarczającą ilość gazu jodowego, że część z nich będzie poruszała się „do tyłu” w kierunku tygla. Nawet jeśli jest to losowy ruch niekierowany, z dużą masą, może stworzyć scenariusz, w którym nie ma ruchu netto gazu z pojemnika.

wielkość cząstek

W dowolnej temperaturze dyfuzja mniejszej cząstki będzie szybsza niż dyfuzja większej cząsteczki. Jest to związane zarówno z masą cząsteczki, jak i jej powierzchnią. Cięższa cząsteczka o większej powierzchni będzie dyfundować powoli, podczas gdy mniejsze, lżejsze cząsteczki będą dyfundować szybciej. Na przykład, podczas gdy gaz tlenowy dyfunduje nieco szybciej niż dwutlenek węgla, oba poruszają się szybciej niż gaz jodowy.

funkcje dyfuzji

Dyfuzja w organizmie człowieka jest niezbędna do absorpcji strawionych składników odżywczych, wymiany gazowej, propagacji impulsów nerwowych, przemieszczania hormonów i innych metabolitów w kierunku ich narządu docelowego i prawie każdego wydarzenia w rozwoju embrionalnym.

rodzaje dyfuzji

Dyfuzja może być prostą dyfuzją i być ułatwiona przez inną cząsteczkę

Dyfuzja prosta

Dyfuzja prosta jest jedynie ruchem cząsteczek wzdłuż ich gradientu stężenia bez bezpośredniego udziału jakichkolwiek innych cząsteczek. Może to obejmować albo rozprzestrzenianie się materiału przez medium lub transport cząstki przez membranę. Wszystkie powyższe przykłady były przykładami prostej dyfuzji.

obraz jest prostą reprezentacją dyfuzji jednej cząstki w innym medium.

prosta dyfuzja ma znaczenie w reakcjach chemicznych, w wielu zjawiskach fizycznych, a nawet może wpływać na globalne wzorce pogodowe i zdarzenia geologiczne. W większości systemów biologicznych dyfuzja zachodzi przez półprzepuszczalną membranę zbudowaną z dwuwarstwy lipidowej. Membrana ma pory i otwory umożliwiające przejście określonych cząsteczek.

ułatwiona Dyfuzja

z drugiej strony ułatwiona dyfuzja, jak wskazuje termin, wymaga obecności innej cząsteczki (czynnika ułatwiającego), aby dyfuzja mogła wystąpić. Ułatwiona dyfuzja jest niezbędna do przemieszczania dużych lub polarnych cząsteczek przez hydrofobową dwuwarstwę lipidową. Ułatwiona dyfuzja jest niezbędna w procesach biochemicznych każdej komórki, ponieważ istnieje komunikacja między różnymi subkomórkowymi organellami. Jako przykład, podczas gdy gazy i małe cząsteczki, takie jak metan lub woda, mogą swobodnie dyfundować przez błonę plazmatyczną, większe naładowane cząsteczki, takie jak węglowodany lub kwasy nukleinowe, potrzebują pomocy białek przezbłonowych tworzących pory lub kanały.

obraz przedstawia ruch nierozpuszczalnej cząsteczki z przestrzeni zewnątrzkomórkowej w kierunku cytoplazmy.

ponieważ są one stosunkowo dużymi otworami w błonie plazmatycznej, te integralne białka błonowe mają również wysoką swoistość. Na przykład, białko kanałowe, które transportuje jony potasu, ma znacznie większe powinowactwo do tego jonu niż bardzo podobny jon sodu, o prawie tej samej wielkości i ładunku.

• Gradient stężenia – stopniowy spadek stężenia substancji, często substancji rozpuszczonej w roztworze. W systemach żywych gradient ten jest zwykle widoczny po dwóch stronach półprzepuszczalnej błony lipidowej.
• hepatocyty-komórki w wewnętrznej części miąższu wątroby, tworzące dużą część masy wątroby. Uczestniczy w trawieniu i metabolizmie białek, lipidów i węglowodanów. Odgrywają również kluczową rolę w detoksykacji organizmu.
• integralne białko błonowe-białka, które rozciągają się na szerokość błony i są ważnymi strukturalnymi i funkcjonalnymi częściami błon biologicznych.
• Sublimacja – przekształcenie materiału w jego fazie stałej bezpośrednio w stan gazowy, bez pośredniego przejścia w stan ciekły.

Quiz

1. Które z tych stwierdzeń dotyczących dyfuzji cząsteczek jest prawdziwe?
A. Dyfuzja wspomagana jest w całości przez hydrolizę GTP
B. nigdy nie wymaga obecności żadnej innej cząsteczki
C. Dyfuzja każdej cząsteczki zależy od jej gradientu stężenia i jest niezależna od stężenia innych gatunków molekularnych w ośrodku
D. Wszystkie powyższe

2. Gdyby w pobliżu ujścia tygla znajdował się czynnik chłodzący ogrzewający jod, jak wpłynęłoby to na jego szybkość dyfuzji?
A. pozostałby bez zmian
B. wzrost
C. spadek
D. zależałoby to od rodzaju i temperatury płynu chłodzącego

3. Które z tych stwierdzeń nie jest prawdziwe?
A. duże cząsteczki polarne nie mogą dyfundować przez błonę biologiczną
B. Dwutlenek węgla rozproszyłby się szybciej niż gaz bromu
C. integralne białka błonowe ułatwiające dyfuzję są bardzo specyficzne dla ich ładunku
D. Wszystkie powyższe

• Mehrer, H. and Stolwijk, N. A. (2005). „Heroes and Highlights in the History of Diffusion”. Podstawy Dyfuzji 2, 1.1–1.10.
• Filibert, J. (2009). „One and a Half Century of Diffusion: Fick, Einstein, before and beyond”. Podstawy Dyfuzji 11 (1): 1-32.
• Spaeth, E. E., and Friedlander, S. K. (1967). „Dyfuzja tlenu, dwutlenku węgla i gazu obojętnego w przepływającej krwi”. Biophys J. 7 (6): 827-851.