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Difusión

La difusión es un proceso físico que se refiere al movimiento neto de moléculas desde una región de alta concentración a una de menor concentración. El material que se difunde puede ser sólido, líquido o gaseoso. Del mismo modo, el medio en el que se produce la difusión también podría estar en uno de los tres estados físicos.

Una de las principales características de la difusión es el movimiento de moléculas a lo largo del gradiente de concentración. Si bien esto podría ser facilitado por otras moléculas, no involucra directamente moléculas de alta energía como el trifosfato de adenosina (ATP) o el trifosfato de guanosina (GTP).

La tasa de difusión depende de la naturaleza de la interacción entre el medio y el material. Por ejemplo, un gas se difunde muy rápidamente en otro gas. Un ejemplo de esto es la forma en que el olor nocivo del gas amoniaco se esparce en el aire. De manera similar, si un bote de nitrógeno líquido tiene una pequeña fuga, el gas nitrógeno que se escapa se difundirá rápidamente a la atmósfera. El mismo gas se difundiría un poco más lentamente en un líquido como el agua y más lentamente en un sólido.

De manera similar, dos líquidos miscibles también se difundirán entre sí para formar una solución uniforme. Por ejemplo, cuando el agua se mezcla con glicerol, con el tiempo los dos líquidos se difunden radialmente entre sí. Esto incluso se puede observar visualmente mediante la adición de tintes de diferentes colores a cada uno de los líquidos. Sin embargo, no se observa el mismo fenómeno cuando se mezclan líquidos inmiscibles como la gasolina y el agua. La difusión ocurre lentamente y solo a través de la pequeña superficie de interacción entre los dos fluidos.

Ejemplos de difusión

La difusión es una parte importante de muchos procesos biológicos y químicos. En los sistemas biológicos, la difusión se produce en todo momento, a través de las membranas de cada célula, así como a través del cuerpo.

Por ejemplo, el oxígeno se encuentra en una concentración más alta dentro de las arterias y arteriolas, en comparación con los niveles de oxígeno en las células que respiran activamente. En el momento en que la sangre fluye hacia los capilares del músculo o el hígado, por ejemplo, solo hay una capa de células que separa este oxígeno de los hepatocitos o las fibras del músculo esquelético. Mediante un proceso de difusión pasiva, sin la participación activa de ninguna otra molécula, el oxígeno atraviesa la membrana capilar y entra en las células.

Las células utilizan oxígeno en las mitocondrias para la respiración aeróbica, que genera dióxido de carbono como subproducto. Una vez más, a medida que aumenta la concentración de este gas dentro de la célula, se difunde hacia los capilares donde la fuerza del flujo de sangre elimina el exceso de gas de la región del tejido. De esta manera, los capilares permanecen en una concentración baja de dióxido de carbono, lo que permite el movimiento constante de la molécula lejos de las células.

Este ejemplo también muestra que la difusión de cualquier material es independiente de la difusión de cualquier otra sustancia. Cuando el oxígeno se mueve hacia los tejidos desde los capilares, el dióxido de carbono ingresa al torrente sanguíneo.

En los procesos químicos, la difusión es a menudo el principio central que impulsa muchas reacciones. Como ejemplo sencillo, unos pocos cristales de azúcar en un vaso de agua se disolverán lentamente con el tiempo. Esto ocurre porque hay un movimiento neto de moléculas de azúcar en el medio acuático. Incluso en grandes reacciones industriales, cuando se mezclan dos líquidos, la difusión une los reactivos y permite que la reacción se desarrolle sin problemas. Por ejemplo, una de las formas en que se sintetiza el poliéster es mezclando el ácido orgánico y el alcohol apropiados en su forma líquida. La reacción prosigue cuando los dos reactivos se difunden entre sí y experimentan una reacción química para formar ésteres.

Factores que afectan la difusión

La difusión se ve afectada por la temperatura, el área de interacción, la inclinación del gradiente de concentración y el tamaño de las partículas. Cada uno de estos factores, de forma independiente y colectiva, puede alterar la velocidad y el grado de difusión.

Temperatura

En cualquier sistema, las moléculas se mueven con una cierta cantidad de energía cinética. Por lo general, esto no está dirigido de ninguna manera en particular y puede parecer aleatorio. Cuando estas moléculas chocan entre sí, hay un cambio en la dirección del movimiento, así como cambios en el momento y la velocidad. Por ejemplo, si se coloca un bloque de hielo seco (dióxido de carbono en forma sólida) dentro de una caja, las moléculas de dióxido de carbono en el centro del bloque chocan entre sí y quedan retenidas dentro de la masa sólida. 

Sin embargo, en el caso de las moléculas de la periferia, las moléculas que se mueven rápidamente en el aire también influyen en su movimiento, lo que les permite difundirse en el aire. Esto crea un gradiente de concentración, con la concentración de dióxido de carbono disminuyendo gradualmente con la distancia del trozo de hielo seco.

Con el aumento de la temperatura, la energía cinética de todas las partículas del sistema aumenta. Esto aumenta la velocidad a la que se mueven las moléculas de soluto y solvente y aumenta las colisiones. Esto significa que el hielo seco (o incluso el hielo normal) se evaporará más rápido en un día más cálido, simplemente porque cada molécula se mueve con mayor energía y es más probable que escape rápidamente de los confines de un estado sólido.

Área de interacción

Para ampliar el ejemplo anterior, si el bloque de hielo seco se rompe en varios pedazos, el área que interactúa con la atmósfera aumenta inmediatamente. Disminuye la cantidad de moléculas que solo chocan con otras partículas de dióxido de carbono dentro del hielo seco. Por tanto, también aumenta la velocidad de difusión del gas en el aire.

Esta propiedad se puede observar aún mejor si el gas tiene olor o color. Por ejemplo, cuando se sublima el yodo sobre una estufa caliente, comienzan a aparecer vapores morados que se mezclan con el aire. Si la sublimación se realiza en un crisol estrecho, los humos se difunden lentamente hacia la boca del recipiente y luego desaparecen rápidamente. Si bien están confinados al área superficial más pequeña dentro del crisol, la velocidad de difusión permanece baja.

Esto también se ve cuando dos reactivos líquidos se mezclan entre sí. La agitación aumenta el área de interacción entre los dos productos químicos y permite que estas moléculas se difundan entre sí más rápidamente. La reacción avanza hacia su finalización a una velocidad más rápida. En una nota similar, cualquier soluto que se rompe en pedazos pequeños y se mezcla con el solvente se disuelve rápidamente, otro indicador de que las moléculas se difunden mejor cuando aumenta el área de interacción.

Inclinación del gradiente de concentración

Dado que la difusión está impulsada principalmente por la probabilidad de que las moléculas se alejen de una región de mayor saturación, se deduce inmediatamente que cuando el medio (o disolvente) tiene una concentración muy baja del soluto, la probabilidad de que una molécula se difunda fuera del área central es más alto. 

Por ejemplo, en el ejemplo sobre la difusión de gas de yodo, si el crisol se coloca en otro recipiente cerrado y los cristales de yodo se calientan durante un período prolongado de tiempo, la velocidad a la que el gas púrpura parece ‘desaparecer’ en la boca de el crisol se reducirá. Esta aparente desaceleración se debe al hecho de que, con el tiempo, el recipiente más grande comienza a tener suficiente gas de yodo que parte de él se moverá ‘hacia atrás’ hacia el crisol. Aunque se trata de un movimiento aleatorio no dirigido, con un gran volumen.

Tamaño de partícula

A cualquier temperatura dada, la difusión de una partícula más pequeña será más rápida que la de una molécula de mayor tamaño. Esto está relacionado tanto con la masa de la molécula como con su área de superficie. Una molécula más pesada con una superficie más grande se difundirá lentamente, mientras que las partículas más pequeñas y ligeras se difundirán más rápidamente. Por ejemplo, mientras que el oxígeno gaseoso se difundirá un poco más rápido que el dióxido de carbono, ambos se moverán más rápidamente que el yodo gaseoso.

Funciones de difusión

La difusión en el cuerpo humano es necesaria para la absorción de los nutrientes digeridos, el intercambio de gases, la propagación de los impulsos nerviosos, el movimiento de hormonas y otros metabolitos hacia su órgano objetivo y para casi todos los eventos del desarrollo embrionario.

Tipos de difusión

La difusión puede ser simple difusión y ser facilitada por otra molécula

Difusión simple

La difusión simple es simplemente el movimiento de moléculas a lo largo de su gradiente de concentración sin la participación directa de otras moléculas. Puede implicar la propagación de un material a través de un medio o el transporte de una partícula a través de una membrana. Todos los ejemplos dados anteriormente fueron casos de simple difusión.

La imagen es una simple representación de la difusión de una partícula en otro medio

La difusión simple es relevante en las reacciones químicas, en muchos fenómenos físicos, e incluso puede influir en los patrones climáticos globales y los eventos geológicos. En la mayoría de los sistemas biológicos, la difusión se produce a través de una membrana semipermeable hecha de una bicapa lipídica. La membrana tiene poros y aberturas para permitir el paso de moléculas específicas.

Difusión facilitada

Por otro lado, la difusión facilitada, como indica el término, requiere la presencia de otra molécula (el facilitador) para que se produzca la difusión. La difusión facilitada es necesaria para el movimiento de moléculas grandes o polares a través de la bicapa lipídica hidrofóbica. La difusión facilitada es necesaria para los procesos bioquímicos de cada célula, ya que existe comunicación entre varios orgánulos subcelulares. Por ejemplo, mientras que los gases y las moléculas pequeñas como el metano o el agua pueden difundirse libremente a través de una membrana plasmática , las moléculas cargadas más grandes como los carbohidratos o los ácidos nucleicos necesitan la ayuda de proteínas transmembrana que forman poros o canales.

La imagen muestra el movimiento de una molécula insoluble desde el espacio extracelular hacia el citoplasma.

Dado que son aberturas relativamente grandes en la membrana plasmática, estas proteínas integrales de la membrana también tienen una alta especificidad. Por ejemplo, la proteína del canal que transporta los iones de potasio tiene una afinidad mucho mayor por ese ión que un ión de sodio muy similar, con casi el mismo tamaño y carga.

  • Gradiente de concentración: disminución gradual de la concentración de una sustancia, a menudo un soluto en una solución. Dentro de los sistemas vivos, este gradiente generalmente se ve en dos lados de una membrana lipídica semipermeable.
  • Hepatocitos: células de la región parenquimatosa interna del hígado, que constituyen una gran proporción de la masa hepática. Involucrado en la digestión y metabolismo de proteínas, lípidos y carbohidratos. También juegan un papel crucial en la desintoxicación del cuerpo.
  • Proteína de membrana integral: proteínas que abarcan el ancho de una membrana y son partes estructurales y funcionales importantes de las membranas biológicas.
  • Sublimación: la conversión de un material en su fase sólida directamente al estado gaseoso, sin una transición intermedia al estado líquido.

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