Diffusion ist die passive Bewegung von Substanzen gemäß ihres Konzentrationsgradienten. Dafür muss eine Zelle keine Energie aufbringen. Substanzen, wie z.B. Moleküle oder Ionen, diffundieren von einem Bereich hoher Konzentration zu einem Bereich niedriger Konzentration im Zytosol oder durch Membranen. Letztendlich gleicht sich die Konzentration aus, wobei sich die Substanz zufällig bewegt, jedoch keine Veränderung der Konzentration bewirkt. Ein solcher Zustand wird als dynamisches Gleichgewicht bezeichnet. Dieses ist für die Aufrechterhaltung der Gesamthomöostase in lebenden Organismen von entscheidender Bedeutung.

Diffusionsabhängige biologische Prozesse

Die Diffusion spielt eine wichtige Rolle bei biologischen Prozessen wie der Atmung. Die Atmung ist ein Prozess, bei dem Organismen Gase mit ihrer Umgebung austauschen. Nach dem Einatmen der Luft ist die Konzentration des Sauerstoffs in den Alveolen, den Lungenbläschen der menschlichen Lunge, höher, als die Sauerstoffkonzentration im Blut. Folglich diffundiert der Sauerstoff seinem Konzentrationsgradienten entlang in das Blut. Um in das Körpergewebe zu gelangen, müssen Sauerstoff und andere, im Blut mitgeführte Nährstoffe, mit ihrem Konzentrationsgradienten in das Gewebe diffundieren. Stoffwechselabfälle wie Kohlendioxid diffundieren aus dem Gewebe in Kapillaren, wo die Kohlendioxid-Konzentration geringer ist als im Körpergewebe. Das kohlendioxidhaltige Blut wird dann in die Lungen gepumpt, wo das Kohlendioxid leicht in die Lungenbläschen diffundiert. Dort herrscht eine niedrigere Konzentration des Gases als im Blut. Das Kohlendioxid wird dann von den Lungenbläschen aus dem Körper herausgeatmet.

Die Diffusion ist auch für den Gasaustausch in Pflanzen verantwortlich. Das für die Fotosynthese benötigte Kohlendioxid diffundiert aus der Luft in die Pflanzenblätter durch kleine Poren in den Blättern, die Stomata, bzw. Spaltöffnungen. Umgekehrt diffundiert der bei der Fotosynthese als Nebenprodukt entstehende Sauerstoff durch die Stomata aus den Blättern in die Luft.

Diffusionsraten

Faktoren wie Temperatur, Molekularmasse, Lösungsmitteldichte, Löslichkeit und die Größe eines Moleküls sowie der Konzentrationsgradient beeinflussen die Rate der Diffusion bzw. ihre Geschwindigkeit. So hat in einer Lösung beispielsweise jeder Stoff einen eigenen Konzentrationsgradienten, der unabhängig vom Konzentrationsgradienten anderer Stoffe ist. Ein größerer Konzentrationsunterschied zwischen Kompartimenten führt zu schnelleren Diffusionsraten. Je näher ein System am Gleichgewicht ist, desto langsamer ist die Diffusionsrate.

Die Geschwindigkeit, mit der Moleküle durch eine Membran diffundieren, hängt meistens von der relativen Hydrophobie des Moleküls ab. Je mehr lipidlöslich und unpolar Moleküle sind, desto leichter diffundieren sie durch eine Membran. Dazu gehören Gase wie Sauerstoff und Kohlendioxid, aber auch größere Stoffe wie Vitamine. Andere ungeladene, aber polare Moleküle wie Wasser und größere wie Glucose passieren die Membran mit einer deutlich langsameren Geschwindigkeit. Im Gegensatz dazu werden geladene Ionen, egal wie groß sie sind, und nicht-lipidlösliche Proteine von der Lipid-Doppelschicht abgestoßen und benötigen andere Mechanismen, um sie zu durchqueren.

Einfache Diffusion vs. erleichterte Diffusion

Einfache Diffusion liegt vor, wenn Stoffe ohne Unterstützung direkt durch Membranen entlang ihrer Konzentrationsgradienten diffundieren können. Eine erleichterte Diffusion findet hingegen dann statt, wenn Substanzen den Einsatz von Transportproteinen benötigen, um Membranen ohne Energieaufwand zu durchqueren.