Difüzyon, moleküllerin yüksek konsantrasyonlu bir bölgeden daha düşük konsantrasyonlu bir bölgeye net hareketini ifade eden fiziksel bir süreçtir. Yayılan malzeme katı, sıvı veya gaz olabilir. Benzer şekilde, difüzyonun meydana geldiği ortam da üç fiziksel durumdan birinde olabilir.
Difüzyonun ana özelliklerinden biri, moleküllerin konsantrasyon gradyanı boyunca hareketidir. Bu, diğer moleküller tarafından kolaylaştırılabilirken, adenozin trifosfat (ATP) veya guanozin trifosfat (GTP) gibi yüksek enerjili molekülleri doğrudan içermez.
Difüzyon hızı, ortam ve malzeme arasındaki etkileşimin doğasına bağlıdır. Örneğin, bir gaz başka bir gaz içinde çok hızlı bir şekilde difüze olur. Bunun bir örneği, amonyak gazının zehirli kokusunun havada yayılma şeklidir. Benzer şekilde, bir kutu sıvı nitrojen biraz sızarsa, kaçan nitrojen gazı hızla atmosfere yayılır. Aynı gaz, su gibi bir sıvıda biraz daha yavaş ve bir katıda en yavaş yayılır.
Benzer şekilde, birbirine karışabilen iki sıvı da üniform bir çözelti oluşturmak için birbirinin içine yayılacaktır. Örneğin, su gliserol ile karıştırıldığında, zamanla iki sıvı radyal olarak birbirine yayılır. Bu, sıvıların her birine farklı renkli boyaların eklenmesiyle görsel olarak bile gözlemlenebilir. Ancak benzin ve su gibi karışmayan sıvılar karıştırıldığında aynı olay görülmez. Difüzyon yavaşça ve sadece iki sıvı arasındaki küçük etkileşim yüzeyi boyunca gerçekleşir.
Difüzyon, birçok biyolojik ve kimyasal sürecin önemli bir parçasıdır. Biyolojik sistemlerde difüzyon her an, her hücrede ve vücutta zarlar boyunca meydana gelir.
Örneğin, oksijen, aktif olarak solunum yapan hücrelerdeki oksijen seviyeleri ile karşılaştırıldığında, arterler ve arteriyollerde daha yüksek bir konsantrasyondadır. Örneğin kan, kas veya karaciğerdeki kılcal damarlara aktığında, bu oksijeni hepatositlerden veya iskelet kası liflerinden ayıran yalnızca tek bir hücre tabakası vardır. Oksijen, başka herhangi bir molekülün aktif katılımı olmadan, pasif bir difüzyon süreciyle kılcal zardan geçer ve hücrelere girer.
Hücreler, bir yan ürün olarak karbondioksit gazı üreten aerobik solunum için mitokondrideki oksijeni kullanır. Bir kez daha, bu gazın hücre içindeki konsantrasyonu arttıkça, dışarı doğru, akan kanın kuvvetinin fazla gazı doku bölgesinden uzaklaştırdığı kılcal damarlara doğru yayılır. Bu şekilde, kılcal damarlar düşük bir karbondioksit konsantrasyonunda kalarak molekülün hücrelerden sürekli olarak uzaklaşmasına izin verir.
Bu örnek aynı zamanda herhangi bir maddenin difüzyonunun diğer maddelerin difüzyonundan bağımsız olduğunu da gösterir. Oksijen kılcal damarlardan dokulara doğru hareket ederken, karbondioksit kan dolaşımına giriyor.
Kimyasal işlemlerde, difüzyon genellikle birçok reaksiyonu yönlendiren merkezi ilkedir. Basit bir örnek olarak, bir bardak su içindeki birkaç kristal şeker zamanla yavaş yavaş eriyecektir. Bunun nedeni, şeker moleküllerinin su ortamına net bir hareketi olmasıdır. Büyük endüstriyel reaksiyonlarda bile, iki sıvı karıştırıldığında, difüzyon reaktanları bir araya getirir ve reaksiyonun sorunsuz ilerlemesini sağlar. Örneğin, polyesterin sentezlenme yollarından biri de sıvı haldeki uygun organik asit ve alkolün karıştırılmasıdır. Reaksiyon, iki tepkenin birbirine doğru difüze olması ve esterler oluşturmak üzere kimyasal bir reaksiyona girmesiyle ilerler.
Difüzyon, sıcaklıktan, etkileşim alanından, konsantrasyon gradyanının dikliğinden ve parçacık boyutundan etkilenir. Bu faktörlerin her biri, bağımsız ve toplu olarak difüzyonun hızını ve kapsamını değiştirebilir.
Hava sıcaklığı
Herhangi bir sistemde moleküller belli bir kinetik enerji ile hareket ederler. Bu genellikle belirli bir şekilde yönlendirilmez ve rastgele görünebilir. Bu moleküller birbirleriyle çarpıştıklarında, hareket yönünde bir değişiklik olduğu kadar momentum ve hızda da değişiklikler olur. Örneğin, bir kutunun içine bir kuru buz bloğu (katı haldeki karbondioksit) konulursa, bloğun merkezindeki karbondioksit molekülleri çoğunlukla birbiriyle çarpışır ve katı kütle içinde tutulur. Bununla birlikte, çevredeki moleküller için, havada hızla hareket eden moleküller de hareketlerini etkileyerek havaya yayılmalarına izin verir. Bu, kuru buz yığınından uzaklaştıkça kademeli olarak azalan karbondioksit konsantrasyonu ile bir konsantrasyon gradyanı oluşturur.
Sıcaklık arttıkça sistemdeki tüm parçacıkların kinetik enerjisi artar. Bu, çözünen ve çözücü moleküllerin hareket etme hızını artırır ve çarpışmaları artırır. Bu, kuru buzun (hatta normal buzun) daha sıcak bir günde daha hızlı buharlaşacağı anlamına gelir, çünkü her molekül daha büyük bir enerjiyle hareket eder ve katı hal sınırlarından hızla kaçma olasılığı daha yüksektir.
Etkileşim alanı
Yukarıda verilen örneği genişletmek için, kuru buz bloğu birden fazla parçaya bölünürse, atmosferle etkileşime giren alan hemen artar. Kuru buzda sadece diğer karbondioksit parçacıklarıyla çarpışan moleküllerin sayısı azalır. Dolayısıyla gazın havaya difüzyon hızı da artar.
Bu özellik, gazın bir kokusu veya rengi varsa daha iyi gözlemlenebilir. Örneğin, iyot sıcak bir ocakta süblimleştirildiğinde mor dumanlar çıkmaya ve havayla karışmaya başlar. Süblimasyon dar bir potada yapılırsa, dumanlar yavaşça kabın ağzına doğru dağılır ve ardından hızla kaybolur. Pota içindeki daha küçük yüzey alanıyla sınırlıyken, difüzyon hızı düşük kalır.
Bu, iki sıvı reaktan birbiriyle karıştırıldığında da görülür. Karıştırma, iki kimyasal arasındaki etkileşim alanını arttırır ve bu moleküllerin birbirine doğru daha hızlı yayılmasını sağlar. Reaksiyon, daha hızlı bir oranda tamamlanmaya doğru ilerler. Benzer bir notta, küçük parçalara bölünen ve çözücüye karıştırılan herhangi bir çözünen hızla çözünür - etkileşim alanı arttığında moleküllerin daha iyi dağıldığının başka bir göstergesi.
Konsantrasyon Gradyanının Dikliği
Difüzyon, öncelikle moleküllerin daha yüksek doygunluktaki bir bölgeden uzaklaşma olasılığı ile güçlendirildiğinden, ortam (veya çözücü) çok düşük bir çözünen konsantrasyonuna sahip olduğunda, bir molekülün merkez alandan uzaklaşma olasılığı hemen bunu takip eder. daha yüksektir. Örneğin, iyot gazının difüzyonu ile ilgili örnekte, pota başka bir kapalı kaba konulursa ve iyot kristalleri uzun bir süre ısıtılırsa, mor gazın ağzında 'kaybolma' gibi göründüğü hız. pota azalacaktır. Bu bariz yavaşlama, zamanla daha büyük kabın bir kısmının potaya doğru 'geri' hareket edecek kadar yeterli iyot gazına sahip olmaya başlaması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Bu, büyük bir topluluğa sahip rastgele yönlendirilmemiş bir hareket olsa da,
Parçacık boyutu
Herhangi bir sıcaklıkta, daha küçük bir parçacığın difüzyonu, daha büyük boyutlu bir molekülünkinden daha hızlı olacaktır. Bu hem molekülün kütlesi hem de yüzey alanı ile ilgilidir. Daha büyük bir yüzey alanına sahip daha ağır bir molekül yavaşça difüze olurken, daha küçük, daha hafif parçacıklar daha hızlı difüze olur. Örneğin oksijen gazı karbondioksitten biraz daha hızlı dağılırken, her ikisi de iyot gazından daha hızlı hareket edecektir.
Difüzyon Fonksiyonları
İnsan vücudunda difüzyon, sindirilmiş besinlerin emilmesi, gaz değişimi, sinir uyarılarının yayılması, hormonların ve diğer metabolitlerin hedef organlarına doğru hareketi ve embriyonik gelişimdeki hemen hemen her olay için gereklidir.
Difüzyon Çeşitleri
Difüzyon ya basit difüzyon olabilir ve başka bir molekül tarafından kolaylaştırılabilir.
Basit difüzyon
Basit difüzyon, başka herhangi bir molekülün doğrudan katılımı olmaksızın, moleküllerin konsantrasyon gradyanları boyunca yalnızca hareketidir. Bir malzemenin bir ortamdan yayılmasını veya bir parçacığın bir zar boyunca taşınmasını içerebilir. Yukarıda verilen tüm örnekler, basit difüzyon örnekleriydi.
Basit difüzyon
Görüntü, bir parçacığın başka bir ortamdaki difüzyonunun basit bir temsilidir.
Basit difüzyon, kimyasal reaksiyonlarda, birçok fiziksel olayda önemlidir ve hatta küresel hava modellerini ve jeolojik olayları etkileyebilir. Biyolojik sistemlerin çoğunda, difüzyon, bir lipit çift tabakasından yapılmış yarı geçirgen bir zar boyunca gerçekleşir. Zar, belirli moleküllerin geçişine izin vermek için gözeneklere ve açıklıklara sahiptir.
Kolaylaştırılmış difüzyon
Öte yandan, kolaylaştırılmış difüzyon, terimin de belirttiği gibi, difüzyonun gerçekleşmesi için başka bir molekülün (kolaylaştırıcı) varlığını gerektirir. Büyük veya polar moleküllerin hidrofobik lipit çift tabakası boyunca hareketi için kolaylaştırılmış difüzyon gereklidir. Çeşitli hücre altı organeller arasında iletişim olduğundan, her hücrenin biyokimyasal işlemleri için kolaylaştırılmış difüzyon gereklidir. Örnek olarak, metan veya su gibi gazlar ve küçük moleküller bir plazma zarı boyunca serbestçe dağılabilirken, karbonhidratlar veya nükleik asitler gibi daha büyük yüklü moleküller, gözenekler veya kanallar oluşturan transmembran proteinlerin yardımına ihtiyaç duyar.
Kolaylaştırılmış difüzyon
Görüntü, çözünmeyen bir molekülün hücre dışı boşluktan sitoplazmaya doğru hareketini göstermektedir.
Plazma zarında nispeten büyük açıklıklar olduklarından, bu bütünleşik zar proteinleri de yüksek özgüllüğe sahiptir. Örneğin, potasyum iyonlarını taşıyan kanal proteini, bu iyon için, neredeyse aynı boyut ve yüke sahip çok benzer bir sodyum iyonundan çok daha yüksek bir afiniteye sahiptir.
İlgili Biyoloji Terimleri
