La diffusion est le mouvement passif des substances dans le sens de leurs gradients de concentration — ne nécessitant aucune dépense d’énergie cellulaire. Les substances, telles que les molécules ou les ions, se diffusent d’une zone de forte concentration à une zone de faible concentration dans le cytosol ou de l’autre côté des membranes. À terme, la concentration va s'égaliser, avec la substance se déplaçant au hasard mais sans entraîner de changement net dans la concentration. Un tel état s’appelle un équilibre dynamique, qui est essentiel pour maintenir l’homéostasie globale dans les organismes vivants.

Processus biologiques dépendants de la diffusion

La diffusion joue un rôle essentiel dans les processus biologiques tels que la respiration, le processus par lequel les organismes échangent les gaz avec leur environnement. Après avoir inspiré de l’air, la concentration en oxygène dans les alvéoles, les sacs d’air du poumon humain, est plus élevée que la concentration en oxygène dans le sang. Par conséquent, l’oxygène se diffuse vers le bas de son gradient de concentration dans le sang. Afin d’entrer dans les tissus corporels, l’oxygène et d’autres nutriments transportés dans le sang doivent se diffuser dans les tissus en suivant leurs gradients de concentration. Les déchets métaboliques tels que le dioxyde de carbone se diffusent à partir des tissus et entrent dans les capillaires où la concentration en dioxyde de carbone est inférieure à celle de l’intérieur des tissus corporels. Le sang transportant du dioxyde de carbone est ensuite pompé vers les poumons où le dioxyde de carbone se diffuse facilement dans les alvéoles dont la concentration en gaz est inférieure à celle du sang. Le dioxyde de carbone est ensuite expiré hors du corps à partir des alvéoles.

La diffusion est également responsable de l’échange de gaz chez les plantes. Le dioxyde de carbone nécessaire à la photosynthèse se diffuse dans les feuilles des plantes à partir de l’air par de petits pores sur les feuilles s'appelant des stomates. Inversement, l’oxygène produit comme sous-produit de la photosynthèse se diffuse hors des feuilles et dans l’air par les stomates.

Les vitesses de diffusion

Des facteurs tels que la température, la masse moléculaire, la densité des solvants, la solubilité ainsi que l’ampleur du gradient de concentration d’une molécule influencent les vitesses de diffusion. Par exemple, en solution, chaque substance a son propre gradient de concentration qui est indépendant du gradient de concentration des autres substances. Une plus grande différence de concentration entre les compartiments conduit à des rythmes de diffusion plus rapides. Par conséquent, plus un système est proche de l’équilibre, plus le rythme de diffusion est lent.

La vitesse de diffusion à travers une membrane dépend principalement de l’hydrophobicité relative des molécules. Plus précisément, plus les molécules sont liposolubles et apolaires, plus elles se diffuseront facilement à travers la membrane. Cela inclut les petits gaz tels que l’oxygène et le dioxyde de carbone, ainsi que des substances plus importantes comme les vitamines. D’autres molécules non chargées mais polaires telles que l’eau et les plus grandes molécules comme le glucose passeront à travers, bien qu’à un rythme beaucoup plus lent. En revanche, les ions chargés, quelle que soit leur taille, et les protéines solubles non lipidiques sont repoussés par la bicouche lipidique et nécessitent d’autres mécanismes pour la traverser.

Diffusion simple contre diffusion facilitée

La diffusion simple se produit lorsque les substances sont capables, sans aide, de se diffuser directement à travers les membranes le long de leurs gradients de concentration. Cependant, la diffusion facilitée a lieu lorsque les substances ont besoin d’utiliser des protéines de transport incrustées dans la membrane pour traverser les membranes sans dépenser d’énergie.