Lernkarten Biologie - Kapitel 4: Stoffaustausch – Diffusion & Osmose

Definition Diffusion

Diffusion ist die Durchmischung verschiedener Stoffe (Gase, Flüssigkeiten) aufgrund der zufälligen Eigenbewegung der Moleküle (Brown'sche Molekularbewegung). Dieser Prozess führt zu einem Konzentrationsausgleich, d.h. die Teilchen verteilen sich gleichmäßig im verfügbaren Raum.

Diffusion ist ein passiver Prozess und benötigt keine zusätzliche Energie von außen.

Beispiele im Alltag: Teekräuter im Wasser, Zuckerwürfel löst sich auf, Duft breitet sich im Raum aus.

Faktoren, die die Diffusionsgeschwindigkeit beeinflussen

• Konzentrationsunterschied (Konzentrationsgradient): Je größer der Unterschied in der Konzentration eines Stoffes zwischen zwei Bereichen, desto schneller die Diffusion.
• Distanz: Je kürzer die Strecke, die die Teilchen zurücklegen müssen, desto schneller die Diffusion.
• Temperatur: Höhere Temperaturen bedeuten eine höhere Eigenbewegung der Teilchen und somit eine schnellere Diffusion.
• Größe und Art der Teilchen: Kleinere Teilchen diffundieren i.d.R. schneller als größere.
• Medium: Die Beschaffenheit des Mediums, in dem die Diffusion stattfindet, spielt eine Rolle.

Diffusion im Körper

Diffusion spielt eine wichtige Rolle bei vielen biologischen Prozessen:

• Transport von Stoffen innerhalb der Zelle: Z.B. Verteilung von ATP oder anderen Molekülen im Zytoplasma.
• Transport sehr kleiner Stoffe durch die Zellmembran entlang des Konzentrationsgefälles:
  • Sauerstoff (O₂): Diffusion von den Lungenbläschen ins Blut und vom Blut in die Körperzellen.
  • Kohlenstoffdioxid (CO₂): Diffusion von den Körperzellen ins Blut und vom Blut in die Lungenbläschen.

Definition Osmose

Osmose ist ein Spezialfall der Diffusion. Es ist die einseitig gerichtete Diffusion von Wasser (oder einem anderen Lösungsmittel) durch eine semipermeable (selektiv permeable) Membran.

Eine semipermeable Membran ist für das Lösungsmittel (z.B. Wasser) durchlässig, für die darin gelösten Teilchen (z.B. Zucker, Salze – osmotisch aktive Substanzen) jedoch nicht oder nur sehr begrenzt.

Das Wasser bewegt sich von der Seite mit der geringeren Konzentration gelöster Teilchen (höhere Wasserkonzentration) zur Seite mit der höheren Konzentration gelöster Teilchen (niedrigere Wasserkonzentration), bis ein Konzentrationsausgleich erreicht ist oder der osmotische Druck den Wasserfluss stoppt.

Grundlagen und Einflussfaktoren der Osmose

Osmose basiert auf:

• Eigenbewegung der Wassermoleküle.
• Konzentrationsunterschied der gelösten, osmotisch aktiven Substanz.
• Vorhandensein einer semipermeablen Membran.

Geschwindigkeit der Osmose hängt ab von:

• Temperatur: Höhere Temperatur → schnellere Osmose.
• Konzentrationsgefälle: Größerer Unterschied → schnellere Osmose.
• Wegstrecke/Membranbeschaffenheit: Kürzere Strecke/durchlässigere Membran → schnellere Osmose.

Osmotischer Druck: Der Druck, der durch den einseitigen Wasserfluss entsteht oder der aufgewendet werden muss, um diesen Fluss zu verhindern.

Zellverhalten in unterschiedlichen osmotischen Umgebungen

• Hypertonische Lösung: Die Konzentration gelöster Teilchen außerhalb der Zelle ist höher als im Zellinneren.
  • Wasser strömt aus der Zelle hinaus.
  • Pflanzenzelle: Der Protoplast löst sich von der Zellwand (Plasmolyse). Der Turgordruck sinkt, die Zelle welkt. Dies ist umkehrbar (Deplasmolyse), wenn die Zelle wieder in eine hypotonische Lösung gelangt.
  • Tierzelle (z.B. rote Blutzellen): Die Zelle schrumpft (Stechapfelform).
• Isotonische Lösung: Die Konzentration gelöster Teilchen außerhalb und innerhalb der Zelle ist gleich.
  • Es findet kein Netto-Wasserfluss statt (dynamisches Gleichgewicht).
  • Zellen behalten ihre normale Form.
• Hypotonische Lösung: Die Konzentration gelöster Teilchen außerhalb der Zelle ist niedriger als im Zellinneren.
  • Wasser strömt in die Zelle hinein.
  • Pflanzenzelle: Der Turgordruck (Innendruck des Zellsaftes auf die Zellwand) steigt. Die Zelle wird prall. Die starre Zellwand verhindert das Platzen.
  • Tierzelle: Die Zelle schwillt an und kann platzen (Hämolyse), da sie keine starre Zellwand besitzt.

Osmotische Anpassung bei Einzellern: Z.B. das Pantoffeltierchen besitzt eine kontraktile Vakuole, die überschüssiges Wasser aktiv aus der Zelle pumpt, um ein Platzen in hypotonischer Umgebung (Süßwasser) zu verhindern.

Transportwege

1. Durch die Lipidschicht (einfache Diffusion):
   • Für kleine, lipophile (fettlösliche) Moleküle (z.B. Steroide).
   • Auch für sehr kleine, ungeladene, hydrophile Moleküle (z.B. H₂O, O₂, CO₂) in begrenztem Maße.
   • Erfolgt passiv entlang des Konzentrationsgradienten.
2. Durch Tunnelproteine (Kanalproteine):
   • Bilden hydrophile Kanäle durch die Membran.
   • Für spezifische Ionen oder kleine hydrophile Moleküle (z.B. Aquaporine für H₂O).
   • Meist passiver Transport (erleichterte Diffusion) entlang des Konzentrationsgradienten.
   • Können oft geöffnet oder geschlossen werden (regulierbar).
3. Durch Carrier-Proteine (Transportproteine):
   • Binden spezifisch an das zu transportierende Molekül und ändern ihre Konformation, um es durch die Membran zu schleusen.
   • Sehr selektiv und oft regulierbar.
   • Können sowohl passiven als auch aktiven Transport vermitteln.

Passiver vs. Aktiver Transport mittels Carrier

• Passiver Transport (erleichterte Diffusion):
  • Molekül wird entlang seines Konzentrationsgradienten transportiert (von hoher zu niedriger Konzentration).
  • Benötigt keine zusätzliche Stoffwechselenergie (ATP).
  • Beispiel: Glucosetransporter in vielen Zellen.
• Aktiver Transport:
  • Molekül wird gegen seinen Konzentrationsgradienten transportiert (von niedriger zu hoher Konzentration).
  • Erfordert Stoffwechselenergie in Form von ATP.
  • Wichtig für den Aufbau und die Aufrechterhaltung von Konzentrationsgradienten.
  • Beispiel: Natrium-Kalium-Pumpe, Aufnahme von Nährstoffen in Wurzelzellen.