Diffusion

Lässt man beispielsweise in ein mit Wasser gefülltes Glas ohne umzurühren etwas Tinte tropfen, so bilden sich zunächst einmal Schlieren. Nach einer Weile kann man beobachten, dass eine gleichmäßige Blaufärbung des Wassers eintritt und die Schlieren vollständig verschwunden sind. Dieser Farbausgleich ist ein ideales Beispiel für die einfache (passive) Diffusion, deren Merkmal der Konzentrationsausgleich von Stoffen ist, wobei nur die Eigenbewegung der Teilchen eine Rolle spielt.

Eine einfache Diffusion findet auch dann statt, wenn zwei Lösungen mit unterschiedlicher Konzentration des Stoffes A durch eine Membran voneinander getrennt sind, die für den Stoff A durchlässig ist. Die Stoffmoleküle wandern von der höher konzentrierten Lösung zur weniger konzentrierten entlang des Konzentrationsgradienten. Ist der Gleichgewichtszustand erreicht, diffundieren in jede Richtung gleich viele Moleküle durch die Membran hindurch – die Konzentration von A ist links und rechts der Membran ausgeglichen.

Die Diffusionsgeschwindigkeit und -fähigkeit eines Moleküls hängt unter anderen ab von:

• Größe
• Viskosität des Lösungsmittels
• Temperatur

Ob überhaupt eine passive Diffusion durch eine Membran hindurch möglich ist, hängt außerdem von ihrer Porengröße ab. Es ist bekannt, dass kleinere Moleküle oder Ionen in der Regel leichter diffundieren als große.

Zellmembranen sind für viele Stoffe primär undurchlässig. Nur kleinmolekulare lipophile Substanzen können durch einfache Diffusion durch die Zellmembran gelangen. Deshalb verfügen Zellen über spezielle Transmembranproteine, die bestimmte Stoffe passieren lassen. Der Transport durch diese Proteinporen oder -carrier erfolgt in Richtung des Konzentrationsgefälles ohne ATP-Verbrauch. Diese Form des passiven Transports wird auch als erleichterte Diffusion bezeichnet.

Zellen sind darauf angewiesen, die Konzentration von bestimmten Stoffen gegen ein Konzentrationsgefälle zur Umgebung aufrechtzuerhalten. Beispielsweise ist die Konzentration der K⁺-Ionen in der Zelle größer als außerhalb. Diese Konzentrationsgradienten bilden das Membranpotential und sind für die Funktionalität lebender Zellen entscheidend. Ein vollständiger Konzentrationsausgleich durch passive Diffusion führt zum Zelltod.

Jedoch werden viele Stoffe gegen einen Konzentrationsgradienten, das heißt unter Aufwendung von Energie (ATP-Verbrauch), in eine Zelle eingeschleust oder aus ihr herausgebracht. Dies findet zum Beispiel durch die Natrium-Kalium-Pumpen statt. Solch einen Vorgang bezeichnet mal als aktiven Transport.

• Laterale Diffusion
• Transversale Diffusion