Welke factoren oefenen invloed uit op de diffusiesnelheid in het lichaam

Inleiding

Je lichaam kan een wonderlijke machine genoemd worden. Gedurende de hele dag vinden er in je lichaam honderden, zo niet duizenden, processen plaats om te zorgen dat je in leven blijft. Denk bijvoorbeeld aan de spijsvertering en bloedsomloop, maar ook aan dingen als de afgifte van voedingsstoffen aan lichaamscellen. Bij dit laatste proces speelt diffusie een belangrijke rol. In dit artikel zal beschreven worden wat diffusie in het lichaam nou eigenlijk is en er zal beschreven worden hoe de snelheid van diffusie beïnvloed kan worden.

Wat is diffusie?

Je lichaam bestaat uit miljoenen cellen. Iedere cel heeft een eigen taak en draagt er aan bij om je lichaam in leven te houden. Cellen hebben voedingsstoffen nodig om te kunnen werken. Deze voedingsstoffen zijn afkomstig uit je eten. Iedere cel is omgeven door een zogenaamd celmembraan. Verder liggen alle lichaamscellen in je lichaamsvloeistoffen (lees daarover meer in dit artikel). Voedingsstoffen kunnen makkelijk door lichaamsvloeistoffen bewegen en zo dus gemakkelijk naar iedere cel in je lichaam vervoerd worden. Door het proces dat diffusie genoemd bewegen alle deeltjes, die nodig zijn als voedingsstoffen voor de cellen, door je lichaam heen.

Een voorbeeld van diffusie: deeltje A beweegt zich voort en botst tegen het stilstaande deeltje B aan. Deeltje A geeft nu wat energie door aan B. Terwijl B hierdoor wat sneller gaat bewegen, zal A wat langzamer bewegen. Door de botsing echter wordt A ook nog eens een andere kant op geduwd. Tijdens iedere seconde botst deeltje A honderden keren tegen andere deeltjes aan en wordt zo dus constant andere richtingen in geduwd. Op deze manier legt deeltje A een hele willekeurige weg was. Deze continue en willekeurige bewegingen van deeltjes in een vloeistof of gas heet diffusie. Zowel ionen als moleculen doen op deze manier aan diffusie.

Diffusie door het celmembraan

Nadat je hebt gegeten, komen de voedingsstof-deeltjes terecht in de lichaamsvloeistoffen. Vanaf hier moeten ze in de cellen terechtkomen. Aangezien iedere cel omgeven is door een celmembraan, moeten de deeltjes zich door het celmembraan heen bewegen om de cel in te komen. Veel deeltjes doen dit via diffusie. Er zijn twee soorten diffusie door het celmembraan: simpele diffusie en vergemakkelijkte diffusie. Bij simpele diffusie vindt het transport plaats via openingen in het membraan. De deeltjes bewegen zich willekeurig door de openingen in het membraan heen en komen zo in de cel terecht.

Bij vergemakkelijkte diffusie is een dragereiwit betrokken. Dit zijn eiwitten die zich als het ware door het celmembraan heen gepenetreerd hebben en zo een doorgang door het celmembraan bieden. Sommige deeltjes kunnen alleen via een dragereiwit de cel binnenkomen.

Invloeden op de diffusiesnelheid

Er zijn verschillende factoren die invloed uit kunnen oefenen op de diffusiesnelheid. Hieronder worden er meerdere besproken.

Invloed van het concentratieverschil binnen en buiten het membraan

Als er aan de buitenkant een hoge concentratie deeltjes is en aan de binnenkant een kleine concentratie (van datzelfde soort deeltje) gebeurt het volgende: veel deeltjes zullen aan de buitenkant tegen het membraan aanbotsen en zich daardoor ook door het membraan heen bewegen. Aan de binnenkant zijn echter veel minder deeltjes aanwezig. Minder deeltjes zullen aan de binnenkant tegen het celmembraan aanbotsen in een zelfde tijdseenheid en ook minder deeltjes zullen door het celmembraan heen bewegen. Stel dat aan de buitenkant van het celmembraan 1000 deeltjes aanwezig zijn en aan de binnenkant slechts 100. Doordat aan de buitenkant veel meer botsingen met het celmembraan plaatsvinden, zullen er veel meer deeltjes naar binnen diffunderen dan andersom. Met andere woorden: hoe groter de concentratie deeltjes op plek A, hoe groter de diffusiesnelheid richting B.

Invloed van elektrisch potentiaal van een membraan op diffusie

Stel dat er een membraan is met aan de linkerkant en rechterkant een gelijke concentratie negatief geladen deeltjes (bijvoorbeeld negatieve ionen). Vervolgens wordt er elektriciteit aan de regio toegevoegd wat de linkerkant een negatieve lading geeft en de rechterkant een positieve kant. De negatieve ionen zullen dan naar de positieve kant diffunderen, ook al is er geen concentratieverschil. Negatieve deeltjes worden namelijk afgestoten door een negatieve lading en aangetrokken door een positieve lading.

Uiteindelijk is er rechts een veel grotere concentratie ionen dan links, aangezien veel ioenen naar rechts zijn gediffundeerd. Als we nu even terugdenken aan het vorige kopje, bedenken we ons dat er nu weer meer ionen van rechts naar links zullen diffunderen aangezien er rechts veel meer deeltjes aanwezig zijn. Soms is het zo het geval dat door de elektrische lading evenveel deeltjes naar rechts diffunderen als dat er door het concentratieverschil naar links diffunderen. De diffusie naar beide kanten houdt elkaar zo in balans en er vindt netto geen uitwisseling van stoffen plaats. Met de onderstaande formule kun je berekenen hoeveel ladingsverschil er tussen beide zeiden van een membraan moet zijn bij bepaalde concentraties, om het beschreven balans te bereiken:

                                                                                  EMK = 61 log(C₁/C₂)

Dit is de Nernstvergelijking. EMK, in millivolt, staat voor het verschil tussen de beide zijden van het membraan dat nodig is voor het evenwicht. C₁ is de concentratie aan de ene kant, C₂ de concentratie aan de andere kant. We weten nu het volgende: stel dat je aan de linkerkant van het membraan negatieve deeltjes hebt. Vervolgens zet je een negatieve lading over het gedeelte waardoor diffusie naar rechts zal plaatsvinden. Hoe groter de negatieve lading is, hoe meer diffusie plaats zal vinden en dus hoe groter de diffusiesnelheid is.

Andere invloeden

Verder zijn er nog een aantal eenvoudigere factoren van invloed op de diffusiesnelheid door de celmembranen in je lichaam. Denk bijvoorbeeld eens aan de grootte van de openingen in het celmembraan. Stel dat een opening 10 micrometer groot is. Een deeltje van 1 micrometer kan hier gemakkelijker doorheen dan een deeltje van 9 micrometer. Bovendien kunnen er meer deeltjes van 1 micrometer doorheen. De diffusiesnelheid is dus ook afhankelijk van de grootte van het deeltje in verhouding tot de grootte van de openingen in het celmembraan of de dragereiwitten. Tenslotte is bij de diffusiesnelheid ook van belang hoe snel een bepaald deeltje zich beweegt. Als een deeltje zich sneller beweegt, zal deze bijvoorbeeld sneller door het celmembraan heen zijn. Ook zal het deeltje vaker botsen in een bepaalde tijdseenheid en zo dus meer deeltjes in beweging brengen. Dit alles komt de diffusiesnelheid ook ten goede.

Conclusie

In je lichaam vindt de transport van deeltjes onder andere plaats via diffusie. Diffusie is het proces waarbij deeltjes geheel willekeurig tegen elkaar aan botsen en hierdoor een bepaalde weg afleggen door een vloeistof of gas. Verschillende factoren zijn van belang bij de snelheid van diffusie. Denk aan het verschil in deeltjesconcentratie aan beide zijden van het membraan, de elektrische lading van het celmembraan, de grootte van het deeltje en de openingen in het celmembraan en aan de snelheid die het deeltje zelf heeft. Diffusie is van essentieel belang bij het in leven houden van je lichaamscellen en dus ook bij het in leven houden van je lichaam zelf. 

Bronnen afbeelding: Wikimedia Commons, JrPol