Diffusione semplice: spiegazioni e leggi di Fick

La diffusione semplice è un meccanismo di trasporto passivo che comprende quei fenomeni di trasporto in cui la cellula non fornisce energia per permettere lo spostamento delle molecole, che si muovono secondo il loro gradiente di concentrazione.

Meccanismo della diffusione semplice
Fonte: scienceforpassion.com

Nella diffusione semplice le sostanze attraversano direttamente il doppio strato fosfolipidico e le molecole che possono diffondere con questo meccanismo sono:

  • Gas come ossigeno e anidride carbonica.
  • Molecole liposolubili come le vitamine A, D, E, K e ormoni steroidei.
  • Piccole molecole idrosolubili prive di carica, con peso molecolare inferiore a 100-200 Daltons, come acqua ed etanolo.

Le grosse molecole polari e le molecole cariche non possono diffondere direttamente attraverso il doppio strato, ma per andare da un lato all’altro della membrana hanno bisogno di specifici canali o carrier.



Quando si verifica la diffusione semplice?

Si verifica quando tra due regioni esiste una differenza di concentrazione e si ha un flusso di particelle dalla regione a maggiore concentrazione a quella a minore concentrazione. Il flusso continua finché il gradiente di concentrazione non viene azzerato.

Leggi anche i nostri appunti sulla diffusione facilitata.

Il fenomeno della diffusione semplice attraverso una membrana è regolato dalle leggi di Fick.

1° legge di Fick

Il fenomeno fisico della diffusione viene quantificato dalla 1° legge di Fick:

J = -A*D*r*Δ[ ] / d

Il flusso è direttamente proporzionale:

  • All’area (A) della superficie di scambio.
  • Alla diffusibilità delle molecole, espressa dal coefficiente di diffusione D che è una costante di proporzionalità.
  • Alla differenza di concentrazione.

Il flusso è anche indirettamente proporzionale allo spessore della membrana d. r indica il coefficiente di ripartizione della sostanza che deve diffondere nel doppio strato. Il coefficente di ripartizione ci consente di valutare quanto è apolare/polare una molecola.

La prima legge di Fick non è altro che la legge di Teorell: J=L(forza)*X(costante di proporzionalità)
in cui la forza è rappresentata dalla differenza di concentrazione tra due ambienti, mentre la costante di proporzionalità è rappresentata dal coefficiente di diffusione.



Il segno “-“ dell’equazione indica che il flusso procede dalla zona a concentrazione maggiore a quella a concentrazione minore.

2° legge di Fick

L’equazione della prima legge di Fick mostra come il flusso di sostanze sia direttamente proporzionale all’area della superficie di scambio e inversamente proporzionale alla distanza da percorrere.
In sostanza il trasporto di sostanze attravero diffusione passiva è efficiente e molto rapido solo su distanze molto piccole, nell’ordine dei micrometri.

Ad esempio l’epitelio capillare è costituito da cellule appiattite spesse 100nm che consentono il processo diffusivo e lo scambio ossigeno/anidride carbonica tra sangue e tessuti.

Un altro esempio è l’epitelio alveolare che, dovendo garantire gli scambi di ossigeno e anidride carbonica tra aria e sangue, ha una superficie di scambio molto ampia (circa 70 metri2 nell’uomo) ma spessore molto piccolo.

In sintesi, dove avvengono processi diffusivi gli spessori delle membrane sono molto piccoli.

Coefficiente di diffusione

Il valore di questo coefficiente tiene contro dell’energia cinetica posseduta dalle molecole che devono diffondere, quindi è:

  • Direttamente proporzionale alla temperatura,
  • Inversamente proporzionale all’attrito che incontrano nel movimento.

Quindi D dipende dalle caratteristiche del mezzo e dalle dimensioni delle molecole, una piccola molecola diffonde più velocemente di una grande molecola.



Coefficiente di permeabilità

Nell’equazione della prima legge di Fick compaiono alcuni termini che sono molto difficili da misurare, e sono:

  • Il coefficiente di ripartizione della sostanza,
  • Il coefficiente di diffusione,
  • Lo spesso della membrana da attraversare.

Questi parametri vengono inglobati nel coefficiente di permeabilità:

P = D*r/d

Possiamo quindi riscrivere la legge di Fick come il prodotto tra P e la differenza di concentrazione, dove l’unica incognita è il coefficiente di permeabilità:

J = P*[ ]

Misurando i flussi possiamo risalire al valore del coefficente di permeabilità di varie molecole, quindi paragonare la diffusione in più membrane e vedere la variazione della permeabilità in diverse condizioni sperimentali.

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