Diffusion

Tritt eine spontane Vermischung von Gasen oder Flüssigkeiten aufgrund der Brown’schen Molekularbewegung auf, spricht man von einer Diffusion. Die Diffusion ist ein physikalischer Prozess, welcher einen natürlichen Ursprung hat. Durch die ungerichtete Zufallsbewegung kommt es zu einer gleichmäßigen Durchmischung der Gase oder Flüssigkeiten. In der Biologie kommen Diffusionen in der Lunge oder den Zellen vor. In der Lunge sorgt die Diffusion für den Gasaustausch und in den Zellen ermöglicht sie den Stoffaustausch.

Was ist eine Diffusion?

Diffusion stammt vom lateinischen Begriff „diffundere“, was so viel, wie ausbreiten oder verstreuen bedeutet. Eine Diffusion ist zunächst einmal ein physikalischer Prozess, bei dem eine spontane Durchmischung von zwei Stoffen stattfindet. Dafür braucht es keinen Auslöser, die Diffusion läuft spontan ab. Ziel der Diffusion ist es, eine gleichmäßige Verteilung der Teilchen zu erreichen. Grund für die Diffusion ist die ungerichtete Zufallsbewegung der Teilchen. Damit die Diffusion vollständig ablaufen kann, wird eine gewisse Zeitspanne dafür benötigt.

Arten der Diffusion
Ursprünglich wurde die Diffusion von Robert Brown, einem Botaniker, im 19. Jahrhundert entdeckt. Deshalb wird auch die Eigenbewegung der Teilchen, die einer Diffusion zugrunde liegt, als Brown’sche Molekularbewegung bezeichnet. Bei der Diffusion finden unregelmäßige und ruckartige Bewegungen von kleinsten Teilchen oder Molekülen statt. Diese Teilchen oder Moleküle befinden sich in einem Gas oder einer Flüssigkeit.
Generell werden zwei Arten von Diffusion unterschieden:

  • aktive Diffusion
  • passive Diffusion

Bei der passiven Diffusion erfolgt der Diffusionsvorgang ungerichtet und spontan. Eine Kraft- oder Energieaufwendung ist hierfür nicht erforderlich. Die aktive Diffusionsform wird auch als aktiver Stofftransport bezeichnet. Beim aktiven Stofftransport findet eine gerichtete Diffusion statt, das heißt der Diffusionsvorgang wird mithilfe von Energie gesteuert. Der aktive Stofftransport erfolgt nicht spontan, sondern ist auf ein bestimmtes Ziel ausgerichtet.

Erleichterte Diffusion – Biomembran

Zwischen zwei Zellkompartimenten fungiert die Biomembran wie eine Trennschicht. Das Besondere an der Biomembran ist ihre Permeabilität. Für die meisten Moleküle und Teilchen sind Biomembranen undurchlässig und daher mit einer gewöhnlichen Zellwand zu vergleichen.
Dies gilt nicht für kleine, lipophile Moleküle. Diese können ungehindert die vorhandene Lipiddoppelschicht durchqueren.
Zu diesen Molekülen zählen:

  • Alkohole
  • Kohlendioxid
  • Harnstoff

Für den Stoffaustausch zwischen zwei Zellen oder zwischen einer Zelle und der Umgebung ist es jedoch auch wichtig, dass bestimmte größere Moleküle die Biomembran mittels Diffusion durchqueren können.
Dazu gehören folgende Moleküle:

  • Zuckermoleküle
  • bestimmte Ionen
  • Wasser

Da diese Teilchen lipophob sind, können sie die Lipiddoppelschicht nicht einfach durchqueren. Aber in der Biomembran befinden sich eingebaute Transportproteine. Diese Transportproteine transportieren nur eine bestimmte Art von Molekülen oder Ionen und sorgen so dafür, dass auch diese größeren, lipophoben Moleküle und Ionen die Biomembran durchqueren können. Da die Transportproteine sehr selektiv sind, wird in diesem Zusammenhang auch oft von selektiver Permeabilität gesprochen. Da Zuckermoleküle, bestimmte Ionen und Wassermoleküle leichter durch die Biomembran diffundieren können, als vergleichbare andere Moleküle, wird dies auch als erleichterte Diffusion bezeichnet.

Funktion & Aufgabe

Die Diffusion ist für den menschlichen Körper lebensnotwendig. Ohne Diffusion würde der wichtige Ionen- und Molekülaustausch zwischen Zellen und ihrer Umgebung nicht stattfinden können. Beispiele für die Diffusion im menschlichen Körper sind:

  • Blut-Hirn-Schranke
  • Natrium-Kalium-Pumpe
  • Konzentrationsausgleich in der Zelle
  • Gasaustausch in der Lunge

Blut-Hirn-Schranke
Die Blut-Hirn-Schranke ist die natürliche Trennung zwischen dem Blutkreislauf und dem Gehirn. Dadurch wird das Gehirn geschützt vor:

  • Krankheitserregern
  • Leukozyten
  • Antikörper im Blut
  • Giften
  • Neurotransmitter im Blut
  • pH-Wert-Schwankungen des Bluts

Die genannten Stoffe können das Gehirn schädigen und irreparable Folgeerkrankungen verursachen. Gleichzeitig erlaubt die Blut-Hirn-Schranke aber auch, dass wichtige Nährstoffe zum Gehirn gelangen können. Am einfachsten können sie mittels passiver Diffusion die Blut-Hirn-Schranke durchqueren. So wird zum Beispiel der Wasserhaushalt im Gehirn geregelt. Durch die passive Diffusion wird sichergestellt, dass das Gehirn nicht vertrocknet und der Wassergehalt im Gehirn gleich hoch ist, wie im übrigen Körper. Es wird also mit der Diffusion ein Gleichgewicht zwischen Wassergehalt im Gehirn und Wassergehalt im Körper hergestellt. Ist der Wassergehalt im Gehirn niedriger, als im restlichen Körper, diffundieren Wassermoleküle ins Gehirn und ist der Wassergehalt im Gehirn höher, diffundieren die Wassermoleküle über die Blut-Hirn-Schranke zurück ins Blut. Größere Moleküle, wie Aminosäuren oder Glucose, die für das Gehirn wichtige Nährstoffe darstellen, überqueren die Blut-Hirn-Schranke mittels Transportmolekülen. Ohne diese wichtige Diffusion hätte das Gehirn zu wenige Nährstoffe und könnte so nicht zuverlässig funktionieren.

Natrium-Kalium-Pumpe
Direkt in die Zellmembran ist die Natrium-Kalium-Pumpe eingebaut. Ihre Aufgabe ist es, dafür zu sorgen, dass das Ruhemembranpotential konstant bleibt. Mithilfe der Natrium-Kalium-Pumpe werden Natrium- und Kalium- Ionen immer so ausgetauscht, dass insgesamt ein negatives Potential in der Zelle vorhanden ist. Bei der passiven Diffusion wird grundsätzlich ein Ausgleich zwischen den beiden Bereichen angestrebt. Bei einem negativen Potential in der Zelle ist aber kein Ausgleich vorhanden. Deshalb wird diese Art von Diffusion nur durch Energiezuführung, also einem aktiven Diffusionstransport ermöglicht. Bei jedem Austauschvorgang können durch die Natrium-Kalium-Pumpe zwei Kalium Ionen und drei Natriumionen aufgenommen und ausgetauscht werden. Für jeden Vorgang wird gleichzeitig Energie in Form von ATP (Adenosintriphosphat) benötigt.

Das negative Ruhepotential ist besonders für Muskel- und Nervenzellen von großer Bedeutung. Denn durch das negative Potential wird erst die in den Nerven stattfinden Erregungsleitung ermöglicht und die Muskelkontraktion wird steuerbar. Würde keine aktive Diffusion stattfinden, wäre das Zellinnere ungeladen und eine Erregungsleitung somit nicht möglich.

Konzentrationsausgleich in der Zelle
Generell besitzt jede Zelle im menschlichen Körper eine Zellmembran, durch die eine Diffusion stattfinden kann. Die Diffusion findet immer in Richtung des Konzentrationsgradienten statt. Herrscht also in der Zelle eine höhere Konzentration, wie in der Umgebung, diffundieren die Moleküle so lange durch die Zellmembran, bis ein gleicher Konzentrationsgehalt auf beiden Seiten der Zellmembran hergestellt ist.

Dieser Vorgang passiert zum Beispiel auch beim Baden. Da die Ionenkonzentration im Wasser größer ist, als in den menschlichen Zellen, diffundieren Wassermoleküle durch die menschliche Haut. So wird die Konzentration in den menschlichen Zellen erhöht. Als Folge davon beginnt die Haut an den Händen und Füßen zu schrumpeln. Verlässt man das Wasser, wird die Konzentration in den Zellen wieder verringert, was zur Folge hat, dass die verschrumpelte Haut sich wieder glättet. Den größten Einfluss auf die Diffusionsgeschwindigkeit haben neben der Porengröße auch die Temperatur und die Lösungsmittelviskosität.

Gasaustausch in der Lunge
Bei der Atmung kommt es in der Lunge zu einem Gasaustausch zwischen Blut und Umgebung. Der Luftsauerstoff gelangt dabei durch einfache Diffusion über die Lungenbläschen in das Blut und somit in den menschlichen Körper. Die Lungenbläschen vereinen dabei Eigenschaften, die eine optimale Diffusion ermöglichen: Sie verfügen über eine kurze Diffusionsstrecke bei gleichzeitig großer Oberfläche. Wichtig ist dabei außerdem, dass Kohlendioxid viel besser für die Diffusion geeignet ist als Sauerstoff, das heißt Kohlendioxid wird viel besser abgegeben als Sauerstoff. Grund dafür ist die höhere Löslichkeit des Kohlendioxids.

Krankheiten & Beschwerden

Funktioniert die Diffusion nicht richtig im Körper, können eine Vielzahl von Krankheiten auftreten:

  • Lungenemphysem und Lungenödem
  • neurologische Erkrankungen
  • Hirnschädigungen durch Bakterien und Viren
  • Autoimmunerkrankungen
  • Parkinsonismus-Dystonie-Syndrom
  • Migräne und Epilepsie

Lungenemphysem und Lungenödem
Das Lungenemphysem entsteht durch eine Diffusionsstörung, bei der die Gasaustauschfläche stark verkleinert wird. Beim Lungenödem wird die Diffusionsstrecke stark verlängert, was ebenfalls negative Auswirkungen auf die natürliche Diffusion in der Lunge hat. Die Folge der beiden Erkrankungen sind starke Atembeschwerden und Atemnot. In jedem Fall sollte bei beiden Erkrankungen sofort ein Arzt aufgesucht werden, da auch ein tödlicher Krankheitsverlauf möglich ist.

Neurologische Erkrankungen
Neurologische Erkrankungen sind sehr vielfältig und meist erst möglich, wenn die Blut-Hirn-Schranke nicht mehr zuverlässig funktioniert. Die Blut-Hirn-Schranke kann durch Krankheiten, wie Hirntumoren, Entzündungen im Bereich des Gehirns und Diabetes mellitus beschädigt werden.
Typische neurologische Erkrankungen sind:

  • Atypischer Gesichtsschmerz
  • Dystonie
  • Huntington-Krankheit
  • Kinderlähmung
  • Kognitive Störung
  • Morbus Parkinson
  • RLS (Restless Legs Syndrom)
  • Tourette Syndrom

Hirnschädigungen durch Bakterien und Viren
Die Blut-Hirn-Schranke kann nicht immer alle Bakterien und Viren davor abhalten, bis zum Gehirn vorzudringen. Folgenden Erregern kann es zum Beispiel gelingen, die Schranke zu überqueren:

  • Escherichia coli
  • HI-Virus

Die Folge sind eine HIV-Erkrankung Meningitis. Die HIV-Erkrankung ist bis heute nicht heilbar und kann mit Tabletten lediglich gestoppt werden. Meningitis kann, verbunden mit zusätzlichen Komplikation sogar tödlich verlaufen.

Autoimmunerkrankungen
Körpereigene Abwehrzellen sind dazu gedacht, den Körper vor Bakterien und Viren zu schützen. Können diese Abwehrzellen über die Blut-Hirn-Schranke in das Gehirn gelangen, greift sich der Körper sozusagen selbst an und es kommt zu schweren Folgeerkrankungen, die auch Autoimmunerkrankungen genannt werden. Beispiele für solche Autoimmunerkrankungen sind zum Beispiel multiple Sklerose und Alzheimer. Beide Erkrankungen sind bis heute nicht heilbar. Davon betroffen können jüngere und ältere Menschen sein, wobei Alzheimer häufig bei älteren Menschen auftritt.

Parkinsonismus-Dystonie-Syndrom
Vom Parkinsonismus-Dystonie-Syndrom spricht man, wenn es zu einem Komplettausfall der Kalium-Natrium-Pumpe kommt. Diese Krankheit ist vererbbar und tritt meist bei Kindern oder Jugendlichen zum ersten Mal auf. Die Dystonie tritt dabei in Schüben auf. Die Folge sind Krämpfe, Zittern und unkontrollierte Bewegungen. Danach kommt es häufig zu einer kompletten Regungslosigkeit des Körpers und Bewegungen der Gliedmaßen sind nicht mehr möglich. Bisher kann die Krankheit noch nicht behandelt werden.

Migräne und Epilepsie
Bei Migränepatienten ist häufig eine genetische Veränderung am Chromosom 1 vorhanden. Dieses Chromosom hat Einfluss auf die Natrium-Kalium-Pumpe. Bei einer Veränderung an diesem Chromosom ist die Natrium-Kalium-Pumpe nur noch geschränkt einsatzfähig. Die Symptome von Migräne sind sehr vielfältig und unterscheiden sich von Patient zu Patient. Meist treten jedoch halbseitige und anfallartig auftretende Kopfschmerzen, kombiniert mit Erbrechen, Übelkeit und Lichtempfindlichkeit auf. Auch optische Wahrnehmungsstörungen können vorkommen.

In Tierversuchen trat häufig ein Gendefekt am ATP1a3-Gen in Kombination mit Epilepsie auf. Dieses Gen ist für die Funktionalität der Natrium-Kalium-Pumpe verantwortlich. Deshalb wird eine Schädigung der Natrium-Kalium-Pumpe auch als Ursache für eine Epilepsie vermutet. Je nach Patient ist eine andere Gehirnregion von der Epilepsie betroffen. Deshalb unterscheiden sich auch die auftretenden Symptome während eines epileptischen Anfalls.

Fragen & Antworten zur Diffusion

Lässt sich ein Defekt an der Natrium-Kalium-Pumpe behandeln?
Die Schädigung der Natrium-Kalium-Pumpe geht in der Regel auf einen Gendefekt zurück. Zum jetzigen Stand der Technik ist es nicht möglich, Gendefekte zu beheben. Bei einer defekten Natrium-Kalium-Pumpe ist es also nur möglich, die auftretenden Symptome zu mildern und damit zu versuchen, dem Patienten ein beschwerdefreies Leben zu ermöglichen. Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass in der Zukunft Verfahren entwickelt werden, um entsprechende negative Gendefekts dauerhaft beheben zu können.

Wie kann herausgefunden werden, dass eine Diffusionsstörung in der Lunge vorliegt?
Ein Arzt kann einen speziellen Diffusionstest durchführen, bei dem die stattfindende Diffusion in der Lunge überprüft werden kann. Es gibt dabei drei verschiedene Varianten: Die Single-Breath Methode, die Intra-Breath-Methode und die Steady-State-Methode. Die Diffusionskapazität kann dabei über zwei verschiedene Verfahren bestimmt werden. Bei der Gaskonzentrationsmessung wird der einzelne Gasgehalt in der ausgeatmeten Luft des Patienten bestimmt und mit Normalwerten abgeglichen. Dieses Messverfahren kann noch mit der Atemzugvolumina Messung kombiniert werden. Das Atemzugvolumen ist das Volumen, das pro Atemzug ein- und ausgeatmet wird.

Welche weiteren Organe können neben Gehirn und Lungen von Diffusionsstörungen betroffen sein?
Diffusionsstörungen können auch bei anderen Organen auftreten, zum Beispiel in der Niere. In der Niere finden Filtrationsvorgänge statt, bei denen bestimmte Stoffe zwischen Blut und Urin ausgetauscht werden. Diese Filtrationsvorgänge beruhen größtenteils auf Diffusionsvorgängen. Insgesamt finden in jeder Körperzelle Diffusionsvorgänge statt, sodass der gesamte menschliche Körper auf eine funktionierende Diffusion angewiesen ist.

Unser Fazit zur Diffusion

Die Diffusion ist ein wichtiger Vorgang im menschlichen Körper. Ohne Diffusion könnte der menschliche Körper nicht richtig funktionieren und auch eine Bewegung der Gliedmaßen wäre nicht möglich. Sie ermöglicht den Stoffaustausch und Flüssigkeitsaustausch zwischen den Zellen und sorgt zum Beispiel dafür, dass das Gehirn mit wichtigen Nährstoffen versorgt wird. Funktioniert die aktive oder passive Diffusion im Körper nicht mehr richtig, können schwere Erkrankungen auftreten. Die meisten Erkrankungen sind nicht heilbar und schränken die Lebensqualität des Patienten massiv ein.

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