Diffusion

Qualitätssicherung von Dr. med. Nonnenmacher am 13. November 2016
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Von Diffusion ist dann die Rede, wenn sich Flüssigkeiten oder Gase mittels der Brown'schen Molekularbewegungen mischen. Im Körper findet Diffusion zum Stoffaustausch der Zellen und zum Gasaustausch in den Lungen statt. Diffusionsstörungen in den Lungen bewirken eine Ateminsuffizienz.

Inhaltsverzeichnis

Was ist die Diffusion?

Bei der Diffusion mischen sich durch zufällige Eigenbewegungen verschieden konzentrierte Stoffe, die direkt oder indirekt miteinander in Berührung stehen. Die Eigenbewegungen der Diffusion werden auch als Brown'sche Molekularbewegungen bezeichnet. Es handelt sich dabei um ruckartige und unregelmäßige Wärmebewegungen von winzigen, nur mikroskopisch sichtbaren Teilchen in Gasen und Flüssigkeiten. Die Bewegungen sind nach dem Botaniker Robert Brown benannt, der sie im 19. Jahrhundert erstmals beobachten konnte.

Die Diffusion findet entweder passiv oder aktiv statt. Bei der aktiven Form ist auch von einem aktiven Stofftransport die Rede. Sie unterscheidet sich von der passiven Diffusion durch die Aufwendung von Energie.

Im menschlichen Körper spielt die Diffusion für den Stoffaustausch von Zellen mit der Umgebung eine Rolle. Die passive Diffusion findet in Zellen nur selten statt. Die aktive Form ist die physiologische Diffusionsform von Stoffen durch eine Zellmembran. In Organen wie den Nieren oder an der Blut-Hirn-Schranke findet außerdem eine selektive Form der Diffusion statt.

Funktion & Aufgabe

Wer einzelne Tintentropfen in ein Glas Wasser gibt und nicht umrührt, kann eine Schlierenbildung beobachten. Nach geraumer Zeit färbt sich das Wasser jedoch relativ gleichmäßig blau und die Schlieren verschwinden. Dieser Prozess wird auch als passive Diffusion bezeichnet, die die Konzentrationsunterschiede von zwei Flüssigkeiten ausgleicht. Alleine die Eigenbewegungen der Teilchen heben die Konzentrationsunterschiede auf.

Diffusionen wie diese können auch zwischen abgetrennten Flüssigkeiten stattfinden. Das ist im menschlichen Körper der Fall, wo Membranen die Stoffe voneinander trennen. Membranen mit einer Durchlässigkeit für einen der beiden Stoffe wandern von einer höher konzentrierten Lösung in eine weniger konzentrierte. Ihre Wanderung findet entlang des sogenannten Konzentrationsgradienten statt. Die Teilchenanzahl in der ersten Flüssigkeit weist den Diffusionsweg entlang zu Beginn noch Unterschiede auf. Im Laufe der Diffusion gleicht sich die Zahl auf dem Diffusionsweg aus und ein Gleichgewichtszustand tritt ein. Nach Eintreten eines Gleichgewichts diffundiert durch die Membran in jede Richtung die gleiche Anzahl an Molekülen. Am Ende der Diffusion ist die Konzentration auf beiden Seiten der Membran also gleich.

Im Körper findet Diffusion zum Stoffaustausch der Zellen und zum Gasaustausch in den Lungen statt.

Für die passive Diffusion ist vor allem die Porengröße der Membran entscheidend, wobei kleinere Partikel eher passiv diffundieren als größere. Die Diffusionsgeschwindigkeit wird neben der Porengröße auch von der Lösungsmittelviskosität und der Temperatur bestimmt.

Im Körper ist die Diffusion für den Stoffaustausch der Zellen entscheidend. Die Körperzellen müssen die Konzentration bestimmter Stoffe aufrechterhalten. Der vollständige Konzentrationsausgleich im Rahmen passiver Diffusion würde den Zelltod einleiten. Stoffe diffundieren im Körper daher eher aktiv gegen den Konzentrationsgradienten.

Ein bekanntes Beispiel für die aktive Form lässt sich an den K+/Na+-Pumpen nachvollziehen. Bei der selektiven Diffusion, wie sie im menschlichen Körper in verschiedenen Organen anzutreffen ist, zeigt die Diffusionsmembran nur für ausgewählte Stoffe eine Durchlässigkeit.

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Krankheiten & Beschwerden

In den menschlichen Lungen findet ein permanenter Gasaustausch statt. Zur O2-Aufnahme und CO2-Abgabe kommt es in den Alveolen der Lunge. Neben der Ventilation, der Perfusion und der Distribution spielt auch die Diffusion für den Austausch eine wichtige Rolle. Bei Ateminsuffizienzen liegen Störungen von einem oder mehreren der vier Prozesse vor, die am Gasaustausch beteiligt sind.

Ursachen für eine Ateminsuffizienz können vielfältig sein. Sowohl eine Verlegung der Atemwege und eine zentrale oder periphere Atemdepression als auch eine veränderte Lungenmorphologie kommen zum Beispiel als Auslöser in Frage. Wenn der Teilschritt der Diffusion gestört ist, liegt das oft an einer verlängerten Diffusionsstrecke. Eine solche Verlängerung kann im Rahmen von Pneumonie, Aspiration oder ARDS vorliegen. Auch eine Fibrose, ein Lungenödem oder eine Sarkoidose können die Ursache sein.

Manchmal werden Diffusionsstörungen und eine damit zusammenhängende Ateminsuffizienz auch von einer Verkürzung der Blutkontaktzeit verursacht. Solche Verkürzungen treten zum Beispiel durch Emphyseme, Fibrosen oder Anämien ein. Auch eine Sepsis oder die Zunahme des Herzzeitvolumens kommen jedoch als primäre Ursachen in Frage.

Wenn eine Diffusionsstörung der Lungen weder auf eine Verkürzung der Blutkontaktzeit, noch auf eine verlängerte Diffusionsstrecke zurückzuführen ist, liegt die Ursache der Ateminsuffizienz vermutlich an einer reduzierten Austauschoberfläche. Die Oberfläche für den Gastaustausch kann zum Beispiel durch Fibrose reduziert werden. Auch Resektionen kommen als primäre Ursache in Frage. Dasselbe gilt für Atelektase, den Pleuraerguss und ein Häma- oder Pleumotothorax. Unter Umständen reduziert auch ein Hochstand des Zwerchfells die Oberfläche.

Über einen Diffusionstest kann der Arzt die Diffusion in den Lungen nachvollziehen und eventuelle Störungen erkennen. Sowohl die Steady-State-, als auch die Intra-Breath- und die Single-Breath-Methode kommen als Tests in Frage. Die Diffusionskapazität wird dabei entweder nur über die Konzentration der Gase in der Ausatemluft bestimmt oder mit einer Messung der Atemzugvolumina kombiniert.

Diffusionsstörungen können neben dem Gasaustausch in den Lungen auch den Stoffaustausch der Körperzellen oder die selektive Diffusion in Organen wie den Nieren betreffen. Eine selektive Diffusion findet zum Beispiel an der Blut-Hirn-Schranke statt, die das zentrale Nervensystem vor schädlichen oder unbrauchbare Stoffen schützen soll. Bei verschiedenen neurologischen Erkrankungen gibt die Blut-Hirn-Schranke diese selektive Funktion auf und lässt falsche oder gar alle Stoffe durchtreten.

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