Portál:Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)/21. Otázka

			21. Otázka
			Difuze, I. Fickův zákon
			Otázky z biofyziky (1. LF UK, VL)
			Předchozí • Další

Difuze

Difuze je samovolný proces pronikání částic jedné látky do druhé se snahou o rovnoměrné prostoupení do celého objemu.

Základní popis

Difuze nastává z důvodu neuspořádaného tepelného pohybu částic. Pohyb částic je v zásadě náhodný, ale látky mají tendenci přecházet z prostředí o vyšší koncentraci do prostředí s nižší koncentrací. Přirozenou vlastností látek je, že pokud se její částice mohou pohybovat, tak se rozptylují do celého prostoru, a postupně ve všech jeho částech vyrovnají koncentraci. Říkáme, že látky difundují. Během difuze se nespotřebovává energie.

Difuze

Rychlost šíření částic je ovlivněna velikostí částic, teplotou i vlastnostmi prostředí. Matematicky popisují difuzi Fickovy zákony.

Difuze je děj spontánní, nevratný a tepelně aktivovaný. Tuto skutečnost objasňuje Einsteinova-Stokesova rovnice, která popisuje závislost difuzního koeficientu na teplotě T, dynamické viskozitě kapaliny η a velikosti difundujících částic R.

Difuze umožňuje pohyb látek uvnitř buněk a tím látkovou výměnu. V živých organismech hrají významnou roli další faktory, např. elektrický náboj částic nebo transport přes polopropustné membrány.

Rozdělení

1. Prostá difuze
2. Facilitovaná difuze
3. Difuze iontovými kanály
   • Akvaporiny

Specifickým případem difuze je osmóza

Difuze v různých skupenstvích

Plynné prostředí

V plynném prostředí dochází k mnohem rychlejší difuzi, než v jiném prostředí. Částice plynu mají nejvyšší kinetickou energii. Příkladem tohoto procesu je velmi rychlé rozšíření vůně po celé místnosti.

Kapalné prostředí

Částice kapalné látky mají nižší kinetickou energii, než částice plynu. Z toho důvodu v ní dochází k pomalejší difuzi, než je tomu u plynu. Příkladem je uvolňování látek z čajového sáčku po jeho zalití horkou vodou.

Pevná látka

Difuze v pevném skupenství je obtížnější, časově náročná a je jediným možným způsobem přenosu látky. Záleží však také na druhu materiálu. Příkladem je spojení dvou měděných drátků cínem.

Difuze v biologických systémech

Přestup látek skrz polopropustnou membránu

Difuze je jedním z nejzákladnějších jevů odehrávajících se v živých organismech. Pro transport látek přes buněčnou membránu je v lidském těle využitelná difuze plynná a kapalná.

Pro organismy je nezbytně nutné stálé složení tělních tekutin. Jedním z nejdůležitějších faktorů pro udržení homeostázy, je transport přes membránu. Buněčná membrána je selektivně permeabilní (semipermeabilní) bariéra. Jejím úkolem je zachování osmotické a iontové rovnováhy mezi intracelulárním a extracelulárním prostředím. Buněčná membrána funguje jako bariéra, která reguluje průchod částic mezi intra- a extracelulárním prostředí. Nejsnáze pronikají membránou malé nepolární molekuly jako je kyslík a oxid uhličitý, které se velmi dobře rozpouštějí, a proto velmi rychle difundují. Tato rychlá difuze je důležitá pro výměnu plynů v alveolech a tkáních. Lipofilní látky prostupují přes fosfolipidovou dvojvrstvu membrány přímo. Rychlost difuze je přímo úměrná jejich rozpustnosti v tucích.

Elektroneutrální polární molekuly, pokud jsou dostatečné malé (např. voda) poměrně snadno difundují (ne vždy procesem prosté difuze). Hydrofilní látky (např. voda a ionty) jsou v lipidovém prostředí biologické membrány nerozpustné, proto mohou difundovat pouze pomocí transmembránových přenašečů zabudovaných do membrány. To má samozřejmě význam v možnosti regulace vstupu těchto látek.

Příklady difuze v organismu

Difuze patří k jednomu z nejdůležitějších fyzikálních dějů, které umožňují pohyb látek uvnitř organismu.

Jedním z velmi důležitých dějů je vznik akčního potenciálu. Ten je způsobený přestupem iontů přes buněčnou membránu.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Klidový membránový potenciál.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Akční potenciál (fyziologie).

Dalším příkladem si můžeme uvést nutnost podávání pacientovi izotonického roztoku (roztok s totožnou koncentrací jako krevní plazma). V případě podání čisté vody by došlo k difuzi vody do lidských buněk, které by se zvětšovaly a přílišným prodlužováním expozice by mohly prasknout. Naopak při dodání pacientovi příliš koncentrovaného roztoku by došlo k vysávání vody z buněk - to by vedlo ke scvrkávání buněk. Pokud by byla doba expozice dlouhá, buňky by byly natolik koncentrovány, že by došlo také ke smrti buněk.

 Podrobnější informace naleznete na stránce Osmóza.

1. Fickův zákon

Mikroskopické a makroskopické zobrazení difuze. Molekuly proudí z místa vyšší koncetrace, do místa s nižší.

Fickové zákony popisujú jev difuze a umožnují nám ho vyjádřit rovnicemi.

1. Fickův zákon ukazuje úměrnosť rychlostí difuzního toku a koncentračního rozdílu mezi dvoma místami.

Difuzní tok

1. Fickův zákon určuje hustotu a směr difuzního toku j – proto si nejdříve definujeme, co to je: Jedná se o vektorovou veličinu, jejíž velikost nám vyjadřuje, kolik molů dané látky projde jednotkovou plochou S za jednotku času t:

$j={\frac {n}{S\cdot t}}$

Jak je vidět, jednotkou hustoty difusního toku v soustavě SI je mol.m^-2.s^-1.

Směr difusního toku nám pak vyjadřuje střední směr proudění částic. Je tedy jasné, že musí být veličinou vektorovou. Tou se formálně stane, pokud hodnotu z předchozí rovnice vynásobíme jednotkovým vektorem ve směru toku.

Hustotu toku přes nějakou plochu lze vyjádřit i ze střední rychlosti částic proudících přes tuto plochu a koncentrace částic:

$\mathbf {j} =c\cdot \mathbf {v}$

1. Fickův zákon

1. Fickův zákon říká, že hustota difuzního toku j je úměrná záporně vzatému gradientu koncentrace:

$\mathbf {j} =-D\cdot \mathrm {grad} \,c$

Gradient lze intuitivně chápat jako matematickou operaci, která dostane jako argument skalární funkci v prostoru, tedy skalární pole, a vrátí vektorovou funkci v prostoru, tedy vektorové pole. Gradient v daném bodě je vlastně vektor ve směru největšího spádu. Difuzní koeficient D je konstantou charakterizující, jak snadno daná látka difunduje daným prostředím.

Za zmínku stojí zejména fakt, že tok j je vektorovou veličinou. To ale není překvapující ani při letmém zamyšlení, protože při difuzi není důležité jen to, kolik látky se přesune, ale i kam se přesune.

Pro jednorozměný případ a pro aproximaci gradientu malými ale konečnými změnami lze použít mnohem jednodušší tvar:

$j=-D\cdot {\frac {\Delta c}{\Delta x}}$

, kde Δc je rozdíl molárních koncentrací dvou blízkých míst vzdálených od sebe Δx. jednotkou koncentračního gradientu je tedy mol.m^-4.

Difuzní koeficient

Konstantou úměrnosti v 1. Fickově zákoně je tzv. difuzní koeficient D vyjadřující počet molů látky, které za čas 1 s projdou průřezem 1 m² při koncentračním gradientu 1 mol/m.