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Diffusion durch eine semipermeable Membran

Betrachten wir nun eine neue Situation, wie sie bei natürlichen Membranen in der Regel vorkommt: Auf der linken Seite der Membran befinden sich kleine und große Teilchen. Man könnte hier zum Beispiel an eine Lösung von Traubenzucker (Glucose) und Rohrzucker (Saccharose) denken. Die Membran ist nur für die kleinen Teilchen (Glucose) permeabel (durchlässig), nicht aber für die großen Teilchen (Saccharose).

Diffusion von zwei Stoffen, wobei die Membran aber nur permeabel für einen Stoff ist

Diffusion von zwei Stoffen, wobei die Membran aber nur permeabel für einen Stoff ist

Vorausgesetzt, die beiden Teilchensorten beeinflussen sich nicht gegenseitig, dann diffundieren beide Stoffe unabhängig voneinander.

Eine Beeinflussung würde zum Beispiel dann vorliegen, wenn es sich um eine Salzlösung wie Natriumchlorid handelt. Die eine Teilchensorte ist positiv geladen (Natrium-Ionen), die andere Teilchensorte negativ (Chlorid-Ionen). Wenn jetzt nur die kleinen positiven Teilchen auf die rechte Seite diffundieren können, baut sich auf der linken Seite ganz schnell ein negativer Ladungsüberschuss auf, der dann die positiven Teilchen wieder anzieht.

Die Membran in der Abbildung ist also nicht mehr vollpermeabel für beide Stoffe, sondern nur noch für den einen Stoff. Der Fachbegriff hierfür heißt "semipermeabel", also "halbdurchlässig".

Der Begriff "semipermeabel" ist etwas mit Vorsicht zu genießen. "Halbdurchlässig" könnte auch so interpretiert werden, dass die Teilchen des Stoffes zwar durch die Membran durchkommen, aber nur mit halber Geschwindigkeit wie bei einer vollpermeablen Membran. So ist der Begriff "semipermeabel" aber nicht zu verstehen. "Semipermeabel" heißt, dass die Membran bestimmte Stoffe passieren lässt, andere aber nicht.

Semipermeable Membranen stellen in der Zelle den Normalfall dar. Alle Membranen der Zelle sind in irgendeiner Form für bestimmte Stoffe durchlässig, für andere aber nicht.

Permeabilität

Unter Permeabilität versteht man ein Maß für die Durchlässigkeit einer Membran für bestimmte Stoffe. Entscheidend dafür sind die Transportproteine der Membran, welche die Teilchen durchlassen. Ein gut untersuchtes Beispiel ist die Permeabilität der Membran von Nervenzellen für Natrium-, Kalium- und Chlorid-Ionen. Im Ruhezustand ist die Membran einer Nervenzelle für Kalium-Ionen sehr gut durchlässig, für Chlorid-Ionen schon weniger, und für Natrium-Ionen so gut wie gar nicht.

Diese unterschiedliche Permeabilität kann aber nicht einfach mit dem Sieb-Effekt erklärt werden. Denn unter Umständen, wenn die Nervenzelle erregt ist, ändern sich die Permeabilitäten für die Ionen plötzlich. Bei Erregung wird eine Nervenzelle schlagartig für Natrium-Ionen durchlässig, und nach Abklingen der Erregung sinkt die Natrium-Permeabilität wieder auf einen sehr geringen Wert ab. Die Ursache hierfür sind spannungsgesteuerte Natrium-Kanäle. Der Öffnungszustand eines solchen Kanals hängt von der aktuellen Membranspannung ab. Bei bestimmten Spannungen ist der Kanal geschlossen, bei anderen Spannungen dagegen voll geöffnet (Zwischenzustände gibt es bei solchen Ionenkanälen nicht). Allerdings kann sich die Anzahl der geöffneten bzw. geschlossenen Kanäle in Abhängigkeit von der Membranspannung kontinuierlich verändern.

Weitere Einzelheiten zur Permeabilität der Nervenzelle erfahren Sie auf meinen Seiten zur Neurobiologie; für Schüler der EF sind diese Seiten noch relativ uninteressant. Wenn Sie nähere Details zur Permeabilität von Membranen lesen möchten, gehen Sie am besten auf die Seite der Chemgapedia, die allerdings nicht ganz einfach zu verstehen ist.

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