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Diffusion

von lateinisch: diffundere - sich ergießen, verbreiten
Englisch: diffusion

1 Definition

Diffusion ist ein physikalischer Prozess, der zum Ausgleich von Konzentrationunterschieden führt. Er wird durch die zufällige Eigenbewegung der Stoffteilchen (Brown'sche Molekularbewegung) verursacht. Mit der Zeit kommt es durch die Diffusion zu einer gleichmäßigen Verteilung und Durchmischung von Stoffen, was eine Erhöhung der Entropie nach sich zieht.

2 Hintergrund

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 Ausgleich von Konzentrationsunterschieden von Stoffen ist, wobei nur die Eigenbewegung der Teilchen eine Rolle spielt.

Eine einfache Diffusion findet auch dann statt, wenn zwei verschieden konzentrierte Lösungen des Stoffes A durch eine Membran voneinander getrennt sind, die für den Stoff A und das Lösungsmittel durchlässig ist. Die in A enthaltenen Moleküle wandern von der konzentrierteren Lösung in die weniger konzentrierte entlang des Konzentrationsgradienten. Die Teilchenanzahl von A ist längs des Diffusionsweges zunächst unterschiedlich, gleicht sich mit der Zeit jedoch aus. 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 gleich.

3 Beeinflussende Faktoren

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.

4 Passiver Transport

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.

5 Aktiver Transport

Zellen sind darauf angewiesen, Konzentrationen von bestimmten Stoffen aufrecht zu erhalten. Diese Konzentrationen sind kleiner oder größer als jene in ihrer Umgebung. Beispielsweise ist die Konzentration der K+-Ionen in der Zelle größer als außerhalb. Deshalb sind Konzentrationsgradienten an Membranen für eine lebende Zelle typisch. Ein vollständiger Konzentrationsausgleich durch passive Diffusion bedeutet den Tod. 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 K+/Na+-Pumpen statt. Solch einen Vorgang bezeichnet mal als aktiven Transport.

6 Besondere Formen

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