La difusión es el movimiento pasivo de sustancias por sus gradientes de concentración, que no requieren gasto de energía celular. Las sustancias, como moléculas o iones, se difuminan desde un área de alta concentración hasta un área de baja concentración en el citosol o a través de las membranas. Eventualmente, la concentración se igualará, con la sustancia moviéndose al azar, pero sin causar ningún cambio neto en la concentración. Tal estado se llama equilibrio dinámico, que es esencial para mantener la homeostasis general en organismos vivos.
La difusión desempeña un papel integral en los procesos biológicos, como la respiración, el proceso por el cual los organismos intercambian gases con su medio ambiente. Después de respirar aire, la concentración de oxígeno en los alvéolos, sacos de aire del pulmón humano, es mayor que la concentración de oxígeno en la sangre. En consecuencia, el oxígeno difunde su gradiente de concentración en la sangre. Con el fin de entrar en el tejido corporal, el oxígeno y otros nutrientes transportados en la sangre deben difundirse en los tejidos por sus gradientes de concentración. Los desechos metabólicos como el dióxido de carbono se difunden de los tejidos a los capilares donde la concentración de dióxido de carbono es menor que la del interior de los tejidos del cuerpo. La sangre que transporta dióxido de carbono se bombea a los pulmones donde el dióxido de carbono se difunde fácilmente en alvéolos que tienen una menor concentración de gas que la sangre. El dióxido de carbono se exhala del cuerpo de los alvéolos.
La difusión también es responsable del intercambio de gas en las plantas. El dióxido de carbono necesario para la fotosíntesis se difunde en las hojas de las plantas desde el aire a través de pequeños poros en hojas llamadas estomas. Por el contrario, el oxígeno producido como subproducto de la fotosíntesis se difunde fuera de las hojas y en el aire a través de estomas.
Factores como la temperatura, la masa molecular, la densidad de disolventes, la solubilidad y la magnitud del gradiente de concentración de una molécula influyen en las tasas de difusión. Por ejemplo, en solución, cada sustancia tiene su propio gradiente de concentración que es independiente del gradiente de concentración de otras sustancias. Una mayor diferencia de concentración entre los compartimentos conduce a tasas de difusión más rápidas. En consecuencia, cuanto más cerca esté un sistema de equilibrio, más lenta es la tasa de difusión.
La tasa de difusión a través de una membrana depende principalmente de la hidrofobicidad relativa de las moléculas. Específicamente, cuantos más solubles en lípidos y no polares sean las moléculas, más fácilmente se difundirán a través de la membrana. Esto incluye gases pequeños como oxígeno y dióxido de carbono, así como sustancias más grandes como las vitaminas. Otras moléculas no sobrecargadas pero polares, como el agua y las más grandes como la glucosa pasarán a través, aunque a un ritmo mucho más lento. Por el contrario, los iones cargados, sin importar su tamaño, y las proteínas solubles no lipídicas son repelidas por la bicapía lipídica y requieren otros mecanismos para cruzar.
La difusión simple se produce cuando las sustancias son capaces de difundir directamente a través de las membranas a lo largo de sus gradientes de concentración sin ayuda. Sin embargo, la difusión facilitada tiene lugar cuando las sustancias requieren el uso de proteínas de transporte incrustadas en membrana para atravesar membranas sin gastar energía.
