Cytologie

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Zellaufbau

Diffusion

Was ist Diffusion, wo kommt sie in der Biologie vor und von welchen Faktoren ist sie abhängig? Das alles erfährst du in diesem Beitrag. 

Du möchtest das Thema noch schneller verstehen? Dann schaue dir gerne unser anschauliches Video dazu an. 

Inhaltsübersicht

Diffusion einfach erklärt 

Diffusion stammt aus dem Lateinischen (diffundere), was „verbreiten“ bedeutet. Darunter kannst du eine spontane Bewegung/Verbreitung gelöster Substanzen (oder Gase) entlang ihres Konzentrationsgefälles verstehen. Es handelt sich um einen zufälligen und ungerichteten physikalischen Vorgang, der zu einem Gleichgewichtszustand führt. Hierbei ist keine Energie notwendig, da Diffusion ein passiver Transportvorgang ist, der aufgrund der Eigenbewegung von Teilchen zu Stande kommt. 

Diffusion begegnet uns beispielsweise im Alltag, wenn wir unseren Tee ziehen lassen oder beim Anzünden einer Duftkerze. Nach kurzer Zeit nimmt das Wasser den Geschmack deiner Teesorte an und der ganze Raum riecht nach dem jeweiligen Duft der Kerze. Beide Phänomene kommen durch die gleichmäßige Bewegung der jeweiligen Moleküle zustande. Auch für unseren Körper ist Diffusion ein wichtiger Transportprozess und kommt zum Beispiel beim Gasaustausch in der Lunge vor. 

Definition

Diffusion (lat. diffundere = verbreiten) ist ein passiver, physikalischer Transportprozess, der ohne Energieaufwand zu einem Konzentrationsausgleich von Flüssigkeiten oder Gasen – teilweise auch von Feststoffen – führt. Die Triebkraft der Diffusion ist die Eigenbewegung der Teilchen (=Brownsche Molekularbewegung). 

Was passiert bei der Diffusion?

Aber was passiert bei der Diffusion? Unter Diffusion kannst du verstehen, dass sich gelöste Teilchen in einem Lösungsmittel gleichmäßig und spontan verteilen, bis überall die gleiche Anzahl an Teilchen vorliegt. Die gleichmäßige Bewegung der Teilchen (= Eigenbewegung) kannst du auch als Brownsche Molekularbewegung bezeichnen. 

Bei der Diffusion handelt sich um einen natürlich ablaufenden, passiven Prozess. Er findet solange statt, bis überall die gleichen Konzentrationen an Teilchen vorkommen. Es liegt dann ein Gleichgewichtszustand vor. Achtung! Gleichgewicht bedeutet aber nicht, dass keine Bewegung der Teilchen mehr stattfindet. Es kommt nur insgesamt zu keiner Änderung des Gesamtzustandes; die Teilchen bewegen sich allerdings immer noch. 

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Das Phänomen der Diffusion kannst du beobachten, indem du in ein Wasserglas einen Tropfen Tinte oder eine andere Farbstofflösung hinzu gibst. Nach einiger Zeit nimmt das Wasser eine gleichmäßige blaue Färbung an, denn die Farbstoffmoleküle verteilen sich im Wasser. Du wirst niemals beobachten, dass ein einzelner Tintenfleck bestehen bleibt, sondern es entsteht mit der Zeit immer eine gefärbte Lösung.

Das gleiche passiert übrigens bei unserem Teebeutel in heißem Wasser. Auch Duftmoleküle, die beispielsweise in Duftkerzen oder Parfüm freigesetzt werden, verteilen sich mit der Zeit über den gesamten Raum. Deswegen nehmen wir nach einiger Zeit überall den jeweiligen Geruch wahr. 

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Diffusionsgeschwindigkeit

Die Diffusionsgeschwindigkeit, also wie schnell sich die Teilchen bewegen und dadurch ein Konzentrationsausgleich entsteht, ist von verschiedenen Faktoren abhängig: Dem Durchmesser der Moleküle/Ionen, der Temperatur, dem Konzentrationsunterschied und der Distanz. 

1. Durchmesser von Molekülen/Ionen

Ein wichtiger Faktor ist die Größe, also der Durchmesser der beteiligten Moleküle oder Ionen. Hier gilt, dass sich kleinere Teilchen in der Regel schneller bewegen als größere. 

2. Temperatur der Lösung 

Auch die Temperatur hat einen großen Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit: Je höher die Temperatur, desto schneller erfolgt auch eine Bewegung der Teilchen und desto schneller kommt es zu einem Gleichgewichtszustand. Ein Teebeutel muss in kaltem Wasser sehr lange ziehen, während er im heißen Wasser nach wenigen Minuten genießbar ist.

3. Konzentrationsunterschiede

Auch die Konzentrationsunterschiede spielen eine Rolle, denn je größer ein Unterschied zwischen den Konzentrationen besteht, desto schneller läuft die Diffusion ab. Geben wir viel Tinte in ein Glas mit Wasser, bekommen wir im Gegensatz zu einer Zugabe von wenig Tinte schneller eine gleichmäßig gefärbte Lösung. 

4. Distanz 

Wichtig für die Diffusionsgeschwindigkeit ist auch die zu überwindende Distanz. Hier gilt: je größer die Distanz, desto länger dauert auch die Diffusion.  Innerhalb der Körperzelle kann ein Stoff beispielsweise in ein paar Millisekunden per Diffusion transportiert werden. Ein Transport über eine Strecke von Zentimetern hingegen kann bereits einige Stunden dauern. Daran wird auch deutlich, dass Diffusion als alleiniger Transportmechanismus für unserem Körper nicht ausreichend sein kann. 

Was ist eine Diffusion in der Biologie? 

Was versteht man unter der Diffusion in der Biologie? In der Biologie kommt der passive Transportmechanismus Diffusion sehr häufig vor. Alle eukaryotischen und prokaryotischen Zellen besitzen Biomembranen, die entweder bestimmte Zellorganellen oder die Zellen selbst (=Plasmamembran ) begrenzen. Es entstehen also definierte Kompartimente/Bereiche. Über diese Biomembranen können Stoffe nun per Diffusion zwischen den Bereichen transportiert werden. Es wird hierbei keine Energie benötigt, was natürlich vorteilhaft für unseren Körper ist, da er sich die Energie dafür quasi „einsparen“ kann. 

Natürlich ist die Diffusion hier auch abhängig von der Durchlässigkeit der Membran. Die Biomembran ist nämlich nur für manche Stoffe (kleine Moleküle wie Harnstoff oder Gase) durchlässig und für andere (größere Moleküle wie Zucker oder Aminosäuren) nicht. Das kannst du auch als selektive Permeabilität bezeichnen. 

Aber auch der Gasaustausch von  Sauerstoff (O_2) und Kohlenstoffdioxid (CO_2) in der Lunge – genauer gesagt in den Lungenbläschen (Alveolen) – findet über Diffusion statt. 

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Generell kannst du bei der Diffusion über biologische Membranen zwischen der einfachen und der erleichterten Diffusion unterscheiden: 

Einfache Diffusion

Unter der einfachen Diffusion kannst du verstehen, dass bestimmte Moleküle die Membran einfach passieren können. Es handelt sich hierbei entweder um Gase wie Sauerstoff (O_2) oder Kohlenstoffdioxid (CO_2) oder um kleine oder unpolare Moleküle wie Harnstoff oder Wasser. Sie können die Phospholipid-Doppelschicht problemlos durchqueren und zwar so lange, bis auf beiden Seiten der Membran dieselben Konzentrationen vorliegen. Hier gilt, dass je fettlöslicher (=hydrophob/lipophil) ein Molekül ist, desto schneller kann es auch die hydrophobe Lipid-Doppelschicht durchdringen. 

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Erleichterte Diffusion

Die erleichterte Diffusion hingegen ermöglicht auch größeren oder geladenen Molekülen wie Aminosäuren, Ionen oder Zuckermolekülen einen Durchtritt über die Membran. Hierfür sind bestimmte Proteine in der Membran eingelagert, die du als Kanal- oder Carrierproteine bezeichnen kannst. Sie erleichtern diesen Stoffen quasi die Diffusion über die Biomembran. Achtung! Auch hier erfolgt der Transport passiv mit dem Konzentrationsgefälle. Es ist im Gegensatz zu einem aktiven Transport keine Energie notwendig. 

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Diffusion und Osmose

Was ist aber jetzt eigentlich der Unterschied zwischen Osmose  und Diffusion? Osmose ist ein Spezialfall der Diffusion. Es handelt sich auch um einen passiven Transportvorgang, allerdings fließt hier das Lösungsmittel (in der Regel Wasser) selbst und nicht die gelösten Teilchen. Bei der Diffusion kann eine Membran beteiligt sein, muss aber nicht. Das ist bei der Osmose anders: Hier ist immer eine Membran beteiligt, die zwei Kompartimente voneinander abgrenzt.  Sie ist für das Lösungsmittel (Wasser) durchlässig, für den gelösten Stoff jedoch nicht. Im Fall der Biomembran kann Wasser entweder durch einfache oder erleichterte Diffusion über bestimmte Kanalproteine (Aquaporine) die Membran passieren. 

Für die Osmose gilt jetzt also: Wasser diffundiert aus dem Kompartiment, an dem es höher konzentriert vorliegt (geringere Teilchenkonzentration), in das Kompartiment, in dem seine Konzentration geringer ist (höhere Teilchenkonzentration). Hier bewegen sich also im Gegensatz zur Diffusion nicht die Teilchen, sondern das Lösungsmittel, bis die Stoffkonzentrationen auf beiden Seiten ausgeglichen sind. 

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