Arten der Diffusion

Selbstdiffusion

Man sollte es nicht glauben, aber auch das ziellose "Umherdriften" von Teilchen innerhalb einer homogenen Lösung wird als Diffusion bezeichnet. Wenn wir beispielsweise einen Löffel Zucker in einem Glas Wasser gelöst haben und im ganzen Glas die gleiche Zuckerkonzentration herrscht, bewegen sich die einzelnen Zucker-Moleküle in dem Lösungsmittel hin- und her, nach dem Zufallsprinzip. Diese Art von Diffusion ist wahrscheinlich so selbstverständlich, dass sie in den meisten Biologie-Büchern gar nicht erwähnt wird. 

Selbst in Festkörpern kommt diese Art der Diffusion vor. Bei einem Metall-Festkörper können die einzelnen Metall-Atome ihre Plätze wechseln, weil hier auch noch eine - wenn auch geringe - Brownsche Bewegung vorliegt.

Eine Beobachtung dieser Selbstdiffusion ist mit Schulmitteln auch gar nicht möglich, dazu müsste man schon radioaktiv markierte Teilchen einsetzen, also eine sogenannte Tracermethode verwenden. Damit wären wir auch schon bei der zweiten Diffusionsart.

Tracerdiffusion

Fügt man einer Natriumchlorid-Lösung radioaktiv markierte Natrium- oder Chlorid-Ionen hinzu, so kann man mit bestimmten Methoden die Bewegung dieser markierten Teilchen beobachten. Aber auch wenn man andere irgendwie markierte Ionen oder Moleküle zu der Lösung gibt und die Bewegung dieser Teilchen beobachten kann, spricht man von Tracerdiffusion. In eine lebende Zelle könnte man zum Beispiel bestimmte Proteine des Zellplasmas mit fluoreszierenden Antikörpern markieren und die Bewegung dieser Proteine dann unter dem Lichtmikroskop beobachten und filmen. Auf einer Zeitraffer-Aufnahme könnte man dann sehen, wie sich die einzelnen Teilchen ganz zufällig hin- und herbewegen.

Klassische Diffusion oder Interdiffusion

Jetzt sind wir endlich bei der Diffusion, die für das Verständnis von Transportvorgängen in der Zelle eine wichtige Rolle spielt. Diese klassische Diffusion wurde auf den beiden vorhergehenden Seiten ausführlich besprochen. Sie wird durch die beiden Diffusionsgesetze von Adolf Fick beschrieben.

Gegendiffusion

Bei einer Gegendiffusion liegen zwei Konzentrationsgradienten gleichzeitig vor.

Veranschaulichung der Gegendiffusion
Autor: Ulrich Helmich 2021, Lizenz: siehe Seitenende

Auch diese Art der Diffusion ist wichtig für biologische Vorgänge. Ein gutes Beispiel sind Nervenzellen. Im Innern der Zelle liegt eine hohe Konzentration von K⁺-Ionen vor, außerhalb der Zelle ist die K⁺-Konzentration sehr klein. Bei den Na⁺-Ionen ist es genau umgekehrt: Außen eine sehr hohe, innen eine sehr niedrige Na⁺-Konzentration.

Die Folge dieses doppelten Konzentrationsgradienten: Natrium-Ionen können leicht in die Zelle diffundieren, im Gegenzug diffundieren Kalium-Ionen aus der Zelle heraus.

Bei "echten" Zellen ist das allerdings etwas komplizierter als in der Abbildung dargestellt, denn die Ionen können ja nicht einfach so durch die Lipid-Doppelschicht mit ihrem hydrophoben Innenteil diffundieren. Aber dazu kommen wir auf den nächsten Seiten.

Erleichterte Diffusion durch eine Membran

Hier kommen wir zu einer Diffusions-Variante, die beim zellulären Transport eine besonders wichtige Rolle spielt. Spezielle Proteine in der Membran von Zellen sorgen dafür, dass der Transport bestimmter Moleküle schneller erfolgt, als durch reine Diffusion durch die Membran möglich wäre. Vor allem Porenproteine und Carrierproteine sind hier zu nennen. Diese Art der Diffusion wird auf einer eigenen Seite näher behandelt.

Anomale Diffusion

Von einer anomalen Diffusion spricht man, wenn zwar eine Diffusion stattfindet, diese aber nicht den Fickschen Diffusionsgesetzen gehorcht. Eine solche anomale Diffusion kann oft im Zellplasma beobachtet werden, wenn sich zum Beispiel große Makromoleküle in der Zelle bewegen und dabei gegenseitig behindern. Eine gebremste Diffusion wird als Subdiffusion bezeichnet, eine - seltener vorkommende - beschleunigte Diffusion als Superdiffusion.

Bergaufdiffusion

Lebende Zellen schaffen das scheinbar Unmögliche: Sie können Stoffe sogar entgegen eines vorhandenen Konzentrationsgradienten transportieren. Das ist für die Zelle lebenswichtig. Glucose beispielsweise kommt im Außenmedium in nicht allzu hoher Konzentration vor, in der Zelle ist vielleicht schon mehr Glucose angereichert. Dennoch benötigt die Zelle weitere Glucose, denn Glucose ist der essentielle Nährstoff aller Zellen. Also schafft die Zelle es, Glucose gegen das Konzentrationsgefälle in die Zelle zu transportieren. Allerdings muss die Zelle dafür Energie aufwenden. Vergleichen kann man diesen Vorgang mit dem Hochpumpen von Wasser, auch hier muss die Pumpe durch Energie angetrieben werden. Dieser Transport ist so wichtig, dass alle weiteren Einzelheiten auf eine eigene Seite ausgelagert wurden.