Difüzyonun Hızını Etkileyen Faktörler

Fen bilimleri açısından birçok farklı konuya dahil olan difüzyon, bir geçiş ya da yayılım şekilde ifade edilir. Bu işlem daha çok maddeler üzerinden ele alınırken, internet üzerinden de difüzyon nedir sorusu oldukça fazla araştırılır. Özellikle öğrencilerin mutlaka öğrenmesi gereken konular içerisinde yer aldığını söylemek mümkün. Bu bağlamda fizik ve kimya ile beraber biyolojiyi ortak şekilde ele alan bir konu olarak da değerlendirilir.

Difüzyon Nedir?

Geçişme ya da yayılma olarak da ifade edilebilecek olan difüzyon, maddelerin çok yoğun ortamdan az yoğun ortama geçişi olarak ele alınır. Fiziksel kimya üzerinden moleküllerin kinetik enerjilerine göre rastgele hareketleri şeklinde de anlatılabilir. Özellikle başta bitkilerde ve hayvanlarda görülmesi ile beraber, doğanın birçok farklı noktasında öne çıkan önemli bir akıştır.

Biyolojide Difüzyon Hızını Etkileyen Faktörler Nelerdir?

En merak edilen konular içerisinde biyolojide difüzyon hızını neyin etkilediği öne çıkıyor. Bu bağlamda pek çok farklı yapının be unsurun difüzyon hızını biyoloji açısından etkilediğini dile getirmek mümkün.

- Molekül büyüklüğü
- Sıcaklık
- Konsantrasyon farkı
- Yüzey genişliği
- Por sayısı
- Basınç farkı
- Yağda çözülme yeteneği

Bu gibi unsurların etkilenmesi ile beraber biyoloji üzerinden difüzyon hızının değişkenlik gösterdiğini söylemek mümkün. Böylece daha yoğun ortamdan daha az yoğun olan ortama yayılım veya geçiş gerçekleşir. Özellikle yukarıda verilen faktörler difüzyon hızını önemli oranda artırır. Bu da yoğun ortamdan az bir yoğun ortama geçişi daha kolay ve daha hızlı bir hale getirir.

Science Photo Library/Getty Images

Tüm canlılar hücrelerden oluşur. Hücreler işlevlerini doğru şekilde yerine getirmek ve iç dengelerini korumak için dış ortam ile iyon, su ve besin alışverişi yapar. Bu alışveriş, canlılarda, hücreyi dış ortamdan ayıran ve seçici geçirgen bir zar olan hücre zarı aracılığıyla gerçekleşir. Hücre zarını meydana getiren fosfolipit moleküllerinin baş kısmı negatif yüklü oksijene sahip fosfattan, azotlu bir kimyasal grup olan kolinden ve gliserinden oluşur. Bu kısım polar olduğu için yine polar bir molekül olan su ile bir arada durma eğilimindedir. Bu eğilime sahip maddelere hidrofilik (suyu seven) denir. Fosfolipit moleküllerinin hücre zarının iç kısmında kalan bölümü ise elektronların eşit olarak dağıldığı yağ asitlerinden oluşur. Bu kısım apolar olduğu için su ile bir arada durmama eğilimindedir. Bu eğilime sahip maddeler ise hidrofobik (suyu iten) olarak bilinir.

Olha Pohrebniak/iStock

Hücre zarının yapısı

Hücre zarı aracılığıyla hem hücre içine hem de hücre dışına doğru olan madde alışverişi iki yolla yapılır: aktif taşıma ve pasif taşıma. Biz bu yazımızda pasif taşımadan bahsedeceğiz.

Pasif Taşıma Nedir?

Moleküller sahip oldukları kinetik enerjilerinden dolayı sürekli hareket hâlindedir. Bu hareketlerini gelişigüzel yapan moleküller, hareket yeteneklerinin kısıtlı olduğu yani yoğun miktarda bulundukları ortamdan hareket yeteneklerinin daha fazla olduğu yani az miktarda bulundukları ortama kendiliğinden geçer. Moleküller bunu kendiliğinden yaptığı için hareket sırasında enerji harcanmaz. Bu olaya pasif taşıma denir. 

Çizim: Umut Aybek

Pasif taşımada enerji harcanmaz.

Pasif taşımayı “çözücü ya da çözünen moleküllerin yoğun miktarda bulundukları ortamdan daha az miktarda bulundukları ortama, enerji yani ATP kullanılmadan taşınması” olarak da tanımlayabiliriz.

Pasif taşımada moleküllerin hareketi iki ortam arasındaki derişim farkı eşitleninceye kadar devam eder. Derişim farkı, madde yoğunluğunun bir ortamda diğerinden daha fazla olmasıyla ortaya çıkan bir durumdur. Bu yazımızda pasif taşıma türlerinden basit difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyonu ele alacağız.

Basit Difüzyon Nedir?

Basit difüzyon, hem çözünen hem de çözücü maddelerin yoğun miktarda bulundukları ortamdan az miktarda bulundukları ortama geçişidir. Sıvı, gaz ve katı ortamlarda gerçekleşebilir. Her yöne doğru olan bu geçiş için yarı geçirgen bir zara ihtiyaç duyulmaz. Günlük yaşamda da difüzyonu pek çok yerde deneyimleriz.

Basit Difüzyon Örnekleri Neler?

Parfüm kokusunu almamız, sıcak suya konulan çay poşetinin içindeki çayın tüm bardağa yayılması, bir bardak suya attığımız bir damla boyanın tüm suyu renklendirmesi, soda şişesini açtığımızda karbondioksidin şişeden çıkması (o anda duyulan ses ve dışarı çıkan kabarcıklar), nefes alışverişi sırasında alveollerdeki oksijen ve karbondioksidin kana geçmesi, kromit gibi alaşımların ve kristallerin oluşması, toz parçalarının veya dumanın atmosfere yayılarak çevre kirliliğine sebep olması difüzyona birer örnektir.

Çizim: Umut Aybek

Birkaç damla boyanın zamanla tüm suyu renklendirmesi bir difüzyon örneğidir.

Basit Difüzyonda Enerji (ATP) Harcanır mı?

Basit difüzyon bir çeşit pasif taşımadır. Yani hareket kendiliğinden gerçekleşir. Bu yüzden enerji (ATP) harcanmaz.  

Kolaylaştırılmış Difüzyon Nedir?

Karbondioksit ve oksijen gibi bazı küçük ve apolar moleküller hücre zarının hidrofobik yapısından dolayı kolaylıkla hücre zarından geçebilir. Fakat glikoz ve amino asit gibi polar moleküller, sodyum (Na) ve klor (Cl) gibi büyük iyonlar ve retinol gibi büyük apolar moleküller hücre zarından kolayca geçemez. Bu moleküller kolaylaştırılmış difüzyon aracılığıyla hücre zarından geçer. Kolaylaştırılmış difüzyon da bir çeşit pasif taşımadır. Fakat kolaylaştırılmış difüzyonda moleküller, hücre zarında bulunan membran proteinleri aracılığıyla geçiş yapar. Membran proteinleri “protein kanalları” ve “taşıyıcı proteinler” olarak bilinir.

Çizim: Umut Aybek

Protein kanalları ve taşıyıcı proteinlerin hücre zarı üzerinde gösterimi

Kolaylaştırılmış Difüzyonda Enerji (ATP) Harcanır mı?

Kolaylaştırılmış difüzyon da bir çeşit pasif taşımadır. Yani kolaylaştırılmış difüzyonda moleküller yoğun oldukları ortamdan daha az bulundukları ortama kendiliğinden geçiş yapar. Bu yüzden enerji (ATP) harcanmaz.

Protein Kanalları Aracılığıyla Difüzyon

Protein kanalları, lipoproteinden oluşur. Lipoproteinler, protein ve lipitlerden meydana gelen biyokimyasal yapılardır. Protein kanalları iyonların geçişini sağlar ve iyon seçici yapıdadırlar. İki türü bulunur: açık kanal proteinleri ve kapalı kanal proteinleri. Açık kanal proteinleri, hücre zarında bir gözenek oluşturur ve elektron yüklü iyonların geçmesine izin verir.

Trinset/iStock

Kanal proteini (kırmızı)

Kapalı kanal proteinleri normalde kapalı hâldedir. Fakat kimyasal, elektriksel ya da mekanik uyarıcılara bağlı olarak açılıp kapanabilirler. Bu şekilde maddelerin giriş ve çıkışını düzenlerler. Kanal proteinleri, taşıyıcı proteinlerden daha hızlı difüzyon yapar. Potasyumun potasyum kanalları aracılığıyla hücre zarından geçmesi, protein kanalları aracılığıyla yapılan difüzyona bir örnektir.

Taşıyıcı Proteinler Aracılığıyla Difüzyon

Taşıyıcı proteinler, glikoproteinlerden oluşur. Glikoproteinler, şeker ve amino asitlerden meydana gelen organik moleküllerdir. Taşıyıcı proteinler, sadece belirli moleküllerin taşınmasını sağlar. Bu moleküllere bağlandıklarında enzim-substrat ilişkisine benzer şekilde şekil değişikliğine uğrayarak molekülün geçişini sağlarlar. Örneğin karbonhidrat, bir çeşit taşıyıcı protein olan karbonhidrat taşıyıcı proteini ile taşınır.

Trinset/iStock

Karbonhidrat, bir çeşit taşıyıcı protein olan karbonhidrat taşıyıcı proteini ile taşınır.

Difüzyon Hızını Etkileyen Faktörler Neler?

• Derişim farkı: Her iki ortamdaki derişim farkı yüksekse difüzyon hızı artar. Fakat derişim farkı azaldıkça difüzyon hızı yavaşlar.
• Maddelerin kütlesi: Düşük kütleli maddelerin difüzyonu, yüksek kütleli maddelerden daha hızlı gerçekleşir.
• Sıcaklık: Sıcaklık arttıkça difüzyon hızı artar. Sıcaklık azaldıkça difüzyon hızı azalır.
• Çözücü yoğunluğu: Çözücü yoğunluğu arttıkça maddelerin hareketi zorlaşır. Bu yüzden çözücü yoğunluğu arttıkça maddelerin difüzyon hızı yavaşlar. Çözücü yoğunluğu azaldıkça maddelerin hareketi kolaylaştığı için difüzyon hızı artar.
• Çözünürlük: Polar olmayan (apolar) ya da yağda çözünebilen maddelerin difüzyonu hücre zarının yapısından dolayı daha hızlı gerçekleşir. Polar ve yağda çözünmeyen moleküllerin difüzyon hızı daha yavaştır.
• Hareket mesafesi: Maddenin hareket edeceği mesafe arttıkça difüzyon hızı azalır. Maddenin hareket edeceği mesafe azaldıkça difüzyon hızı artar. Bu yüzden küçük hücrelerde difüzyon daha hızı gerçekleşir.
• Hücre zarının yüzey alanı: Her iki ortamı ayıran hücre zarının yüzey alanının büyük olması difüzyonu hızlandırır.
• Hücre zarının kalınlığı: Hücre zarının kalınlığı arttıkça difüzyon hızı azalır.

Kaynaklar:

Her molekülün kendine ait bir kinetik (hareket) enerjisi vardır. Bundan dolayı moleküller sürekli hareket halindedir. Bir molekülün çok yoğun olduğu ortamdan az yoğun olduğu ortama kendine ait kinetik enerjisini kullanarak geçmesine pasif taşıma denir.

Pasif taşımada ATP kullanılmadığından, canlı ve cansız tüm hücrelerde gerçekleşebilir. Pasif taşıma sonucunda bulunduğu ortamla madde yoğunluğu eşitlenen bir hücrede madde alış verişi durmaz. Maddenin hücre içine giriş ve çıkış hızı eşitlenir. Pasif taşıma difüzyon ve osmoz olmak üzere iki farklı biçimde gerçekleşir.

1. Difüzyon

• Molekül ya da iyonların çok yoğun ortamdan, az yoğun ortama kendiliğinden geçmesine denir.
• Difüzyona olanak sağlayan kuvvet yoğunluk farkı olduğundan, geçiş yoğunluklar eşitleninceye kadar devam eder. Parfüm kokusunun oda içinde dağılması ve suya damlatılan boyaların suda yayılması difüzyona örnek olarak verilebilir.

• Birçok maddenin hücrelerimize giriş çıkışı difüzyon ile gerçekleşir. Örneğin kanda çözünmüş olarak bulunan oksijen moleküllerinin doku hücrelerimize geçmesi, doku hücrelerimizde solunum sonucu oluşan karbondioksit moleküllerinin ise kana geçmesi difüzyon ile olur. Tüm hücrelerdeki gaz alış verişi difüzyonla olur. Gaz alış verişinde aktif taşıma olmaz.

Difüzyon Hızını Etkileyen Faktörle

Moleküllerin difüzyon hızını etkileyen bazı faktörler vardır.

• Bu faktörler şöyle sıralanabilir:
• • Molekülün büyüklüğü arttıkça difüzyon hızı azalır.
• • Yoğunluk farkı arttıkça difüzyon hızı artar.
• • Ortam sıcaklığı arttıkça moleküllerin kinetik enerjisi arttığından difüzyon hızı artar.
• • Difüzyon yüzeyinin artması, difüzyon hızını artırır.
• Hücrelerimizde difüzyon basit difüzyon ve kolaylaştırılmış difüzyon olmak üzere iki şekilde gerçekleşir.