Biophysik I: Dispersion, Diffusion und Osmose erklärt

Biophysik ist ein Zweig, der in biologischen, zellulären Studien die physikalischen Phänomene untersucht, die beispielsweise Plasma im Inneren des Organismus beeinflussen.

1) Systeme oder verteilte Dispersionen

Eine Dispersion ist die Mischung zweier Stoffe, bei der einer den anderen umgibt, ohne dass dabei eine neue chemische Verbindung entsteht. Eine Dispersion besteht aus zwei Phasen: der dispergierten Phase (auch gelöste Phase) und der Dispergierphase (Lösungsmittel).

Klassifizierung der Dispersionen

Dispersionen werden meist in drei Hauptgruppen eingeteilt:

• Emulsion – Gemisch zweier nicht ineinander löslicher Flüssigkeiten (z. B. Öl/Wasser).
• Suspension (Aussetzung) – Feststoffpartikel in einer Flüssigkeit.
• Lösung (molekulare Dispersion) – Molekulare Verteilung eines Stoffes in einem Lösungsmittel.

Lösung oder molekulare Dispersion

Eine Lösung oder molekulare Dispersion ist eine Mischung, bei der beide Phasen so eng miteinander verbunden sind, dass sie eine homogene, transparente Phase bilden.

Die Konzentration von Lösungen

Die Konzentration beschreibt, wie viel gelöster Stoff in einem Lösungsmittel enthalten ist. Typische Kategorien sind:

• Gesättigt: Die Lösung enthält die maximale Menge des löslichen Stoffes unter gegebenen Bedingungen.
• Übersättigt: Die Lösung enthält mehr gelösten Stoff als unter normalen Bedingungen löslich wäre (instabil).
• Konzentriert: Viele gelöste Teilchen, nahe der Sättigung.
• Verdünnt: Sehr geringe Menge an gelöstem Stoff.

Diffusion (Verbreitung)

Diffusion ist die zufällige Bewegung von Teilchen, die zum Ausgleich von Konzentrationsunterschieden führt. Bei Flüssigkeiten führt die Diffusion zur Bildung einer homogenen Mischung.

Bedeutung der Diffusion

Dieses Phänomen findet kontinuierlich in sekretorischen Zellen sowie in vielen anderen Geweben statt. Diffusion sorgt für den Stoffaustausch zwischen Kompartimenten und trägt zur Aufrechterhaltung einer konstanten Zusammensetzung im Organismus bei.

Membrantypen

Membranen werden nach ihrer Durchlässigkeit klassifiziert:

• Durchlässig: Erlauben den freien Übergang von Stoffen.
• Undurchlässig (wasserdicht): Lassen keinen Stoffübergang zu.
• Semipermeabel: Erlauben selektiv den Durchgang bestimmter Moleküle (z. B. Lösungsmittel), nicht jedoch anderer.

Osmose

Osmose ist ein physikalisches Phänomen, das der Diffusion ähnlich ist: Dabei erfolgt der gerichtete Übergang eines Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran von der Seite mit niedrigerer zur Seite mit höherer gelöster Stoffkonzentration.

Osmotischer Druck

Der osmotische Druck ist die Kraft, die durch die Anwesenheit gelöster Teilchen in einer Lösung erzeugt wird und den Wasserfluss durch eine semipermeable Membran antreibt.

Klassifikation nach osmotischem Druck

Man unterscheidet Lösungen nach ihrem osmotischen Verhalten:

• Isotonisch (iso = gleich, tonos = Spannung/Druck): Beide Lösungen haben die gleiche Konzentration und damit denselben osmotischen Druck.
• Hypertonisch: Die Lösung hat eine höhere Konzentration gelöster Stoffe und damit einen höheren osmotischen Druck.
• Hypotonisch: Die Lösung hat eine geringere Konzentration gelöster Stoffe und einen niedrigeren osmotischen Druck.

Bedeutung der Osmose in der Biologie

Osmose ist für viele biologische Prozesse essentiell. Sie erhält den Turgor der Pflanzenzellen durch Endosmose (Einwärtsfluss) und kann durch Exosmose (Auswärtsfluss) Wasser aus den Zellen entfernen. Insgesamt reguliert Osmose die Wasserverteilung in Zellen und Geweben und unterstützt lebenswichtige Funktionen.