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Diffusion, Filtration und Konvektion
Diffusion ist die ungerichtete, wärmebedingte Teilchenbewegung entlang eines Konzentrationsgradienten und wird durch das Fick'sche Diffusionsgesetz beschrieben. Filtration ist der druckgetriebene Stofftransport durch eine poröse Membran, Konvektion die Mitnahme gelöster Stoffe mit einem Flüssigkeitsstrom. Alle drei Mechanismen erklären den passiven Stoffaustausch über biologische Membranen.
- ❗ Fick'sches Gesetz: Diffusionsstromstärke ∝ Fläche × Konzentrationsdifferenz / Diffusionsstrecke, moduliert durch den Diffusionskoeffizienten
- Die benötigte Diffusionszeit steigt quadratisch mit der Diffusionsstrecke – daher ist Diffusion nur über kurze Distanzen effizient (z. B. Alveolarmembran)
- Filtration wird durch hydrostatische Druckdifferenzen angetrieben (z. B. glomeruläre Filtration, Kapillarfiltration)
- Konvektion (solvent drag) transportiert gelöste Teilchen passiv mit dem Wasserfluss durch eine Membran
- Treibende Kräfte für passiven Transport sind grundsätzlich Konzentrations-, Druck- und elektrische Gradienten
Quellen
- Schmidt/Lang/Heckmann „Physiologie des Menschen“ (Springer)
- IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
- Cooper: „The Cell – A Molecular Approach“, Kapitel „Transport of Small Molecules“ (NCBI Bookshelf)
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Diffusion, Filtration und Konvektion
Diffusion, Filtration und Konvektion sind die drei grundlegenden passiven Transportprinzipien, die den Stoffaustausch zwischen Kompartimenten ohne Energieverbrauch erklären. Die Diffusion folgt dem 1. Fick'schen Gesetz, wonach die Diffusionsstromstärke proportional zur Austauschfläche und zum Konzentrationsgradienten ist und umgekehrt proportional zur Diffusionsstrecke; die benötigte Zeit steigt dabei quadratisch mit der Distanz, weshalb der Körper für schnellen Stoffaustausch auf große Oberflächen und kurze Diffusionsstrecken angewiesen ist (Alveolen, Kapillaren). Filtration wird durch hydrostatische Druckdifferenzen über eine poröse Membran angetrieben und ist unabhängig von der Teilchengröße innerhalb der Porengrenze, während Konvektion den Transport gelöster Substanzen im Sog des durch Filtration erzeugten Flüssigkeitsstroms beschreibt (solvent drag) und v. a. für größere Moleküle relevant wird, die durch reine Diffusion zu langsam transportiert würden.
- ❗ 1. Fick'sches Gesetz: J = −D · A · (dc/dx); die Diffusionsstromstärke steigt mit Fläche A und Diffusionskoeffizient D, fällt mit der Diffusionsstrecke
- Diffusionszeit ist proportional zum Quadrat der Strecke (Einstein-Smoluchowski-Beziehung) – Verdopplung der Distanz vervierfacht die benötigte Zeit
- Filtration: rein druckgetrieben, klassisches Beispiel glomeruläre Filtration (hydrostatischer Druck > onkotischer Gegendruck)
- Konvektion (solvent drag) ergänzt Diffusion besonders bei größeren, schlecht diffundiblen Molekülen im Kapillarbett
- Diffusionskoeffizient hängt von Temperatur, Molekülgröße und Viskosität des Mediums ab (Stokes-Einstein-Beziehung)
- ❗ Membrandiffusion: Permeabilitätskoeffizient P = D · K / d; der Öl-Wasser-Verteilungskoeffizient K (Lipophilie) entscheidet – lipophile Stoffe durchdringen die Lipiddoppelschicht gut, hydrophile und geladene Teilchen praktisch nicht
- ⚠️ Prüfungsfalle: Diffusion ist ungerichtet und benötigt keinen Druckgradienten, Filtration dagegen ist zwingend druckabhängig – beide werden in Prüfungsfragen gerne vertauscht
Quellen
- Schmidt/Lang/Heckmann „Physiologie des Menschen“ (Springer)
- IMPP Gegenstandskatalog GK1 (Erster Abschnitt der Ärztlichen Prüfung)
- Cooper: „The Cell – A Molecular Approach“, Kapitel „Transport of Small Molecules“ (NCBI Bookshelf)