La diffusione è il movimento passivo delle sostanze lungo i loro gradienti di concentrazione, che non richiedono alcun dispendio di energia cellulare. Sostanze, come molecole o ioni, si diffondono da un’area ad alta concentrazione a un’area di bassa concentrazione nel citosol o tra le membrane. Alla fine, la concentrazione si uniformerà, con la sostanza che si muove casualmente ma non causando alcun cambiamento netto nella concentrazione. Tale stato è chiamato equilibrio dinamico, che è essenziale per mantenere l’omeostasi generale negli organismi viventi.
La diffusione svolge un ruolo fondamentale nei processi biologici come la respirazione, il processo mediante il quale gli organismi si scambiano gas con il loro ambiente. Dopo aver respirato nell’aria, la concentrazione di ossigeno negli alveoli, sacche d’aria del polmone umano, è superiore alla concentrazione di ossigeno nel sangue. Di conseguenza, l’ossigeno diffonde il suo gradiente di concentrazione nel sangue. Al fine di entrare nel tessuto corporeo, ossigeno e altri nutrienti trasportati nel sangue devono diffondersi nei tessuti lungo i loro gradienti di concentrazione. Rifiuti metabolici come l’anidride carbonica si diffondono dai tessuti in capillari dove la concentrazione di anidride carbonica è inferiore a quella dei tessuti interni del corpo. Il sangue che trasporta anidride carbonica viene quindi pompato ai polmoni dove l’anidride carbonica si diffonde facilmente negli alveoli che hanno una concentrazione inferiore di gas rispetto al sangue. L’anidride carbonica viene poi esalata fuori dal corpo dagli alveoli.
La diffusione è anche responsabile dello scambio di gas negli impianti. L’anidride carbonica necessaria per la fotosintesi si diffonde nelle foglie vegetali dell’aria attraverso piccoli pori sulle foglie chiamate stomi. Al contrario, l’ossigeno prodotto come sottoprodotto della fotosintesi diffonde dalle foglie e nell’aria attraverso gli stomi.
Fattori come la temperatura, la massa molecolare, la densità dei solventi, la solubilità e la grandezza del gradiente di concentrazione di una molecola influenzano i tassi di diffusione. Ad esempio, in soluzione, ogni sostanza ha un proprio gradiente di concentrazione che è indipendente dal gradiente di concentrazione di altre sostanze. Una maggiore differenza di concentrazione tra i compartimenti porta a tassi di diffusione più rapidi. Di conseguenza, più un sistema è vicino all’equilibrio, più lento è il tasso di diffusione.
Il tasso di diffusione su una membrana dipende principalmente dall’idrofobicità relativa delle molecole. In particolare, più molecole lipidi che sono solubili e non polari, più facilmente si diffonderanno attraverso la membrana. Questo include piccoli gas come ossigeno e anidride carbonica, così come sostanze più grandi come vitamine. Altre molecole non caricate ma polari, come l’acqua e quelle più grandi come il glucosio passeranno, anche se ad un ritmo molto più lento. Al contrario, gli ioni carichi, indipendentemente dalle loro dimensioni, e le proteine solubili non lipidi che vengono respinte dal bistrato lipidico e richiedono altri meccanismi da attraversare.
La diffusione semplice si verifica quando le sostanze sono in grado di diffondersi direttamente tra le membrane lungo i loro gradienti di concentrazione senza assistenza. Tuttavia, la diffusione facilitata avviene quando le sostanze richiedono l’uso di proteine di trasporto incorporate nella membrana per attraversare le membrane senza spendere energia.
