Αναπνοή είναι η διαδικασία στην οποία οι οργανισμοί ανταλλάσσουν αέρια μεταξύ τους κύτταρα του σώματος και το περιβάλλον. Από προκαρυωτικά βακτήρια και αρχαίοι σε ευκαρυωτικό αντιπάλους, μύκητες, φυτά, και των ζώων, όλοι οι ζωντανοί οργανισμοί υφίστανται αναπνοή. Η αναπνοή μπορεί να αναφέρεται σε οποιοδήποτε από τα τρία στοιχεία της διαδικασίας.
Πρώτα, η αναπνοή μπορεί να αναφέρεται στην εξωτερική αναπνοή ή στη διαδικασία αναπνοής (εισπνοή και εκπνοή), που ονομάζεται επίσης εξαερισμός. κατα δευτερον, η αναπνοή μπορεί να αναφέρεται στην εσωτερική αναπνοή, η οποία είναι η διάχυση αερίων μεταξύ σωματικών υγρών (αίμα και ενδιάμεσο υγρό) και ιστούς. Τελικά, η αναπνοή μπορεί να αναφέρεται στις μεταβολικές διεργασίες μετατροπής της αποθηκευμένης ενέργειας βιολογικά μόρια σε χρήσιμη ενέργεια με τη μορφή ΑΤΡ. Αυτή η διαδικασία μπορεί να περιλαμβάνει την κατανάλωση οξυγόνου και την παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα, όπως φαίνεται από το αερόβιο κυτταρική αναπνοή, ή μπορεί να μην συνεπάγεται κατανάλωση οξυγόνου, όπως στην περίπτωση της αναερόβιας αναπνοής.
Μία μέθοδος για την απόκτηση οξυγόνου από το περιβάλλον είναι μέσω εξωτερικής αναπνοής ή αναπνοής. Στους ζωικούς οργανισμούς, η διαδικασία της εξωτερικής αναπνοής εκτελείται με διάφορους τρόπους. Ζώα που στερούνται εξειδίκευσης όργανα για την αναπνοή βασίζονται στη διάχυση στις εξωτερικές επιφάνειες του ιστού για τη λήψη οξυγόνου. Άλλοι είτε διαθέτουν όργανα εξειδικευμένα για ανταλλαγή αερίων είτε πλήρη αναπνευστικό σύστημα. Σε οργανισμούς όπως νηματώδη (roundworms), τα αέρια και τα θρεπτικά συστατικά ανταλλάσσονται με το εξωτερικό περιβάλλον διά της διάχυσης κατά μήκος της επιφάνειας του σώματος των ζώων. Έντομα και αράχνες έχω αναπνευστικά όργανα που ονομάζονται τραχεία, ενώ τα ψάρια έχουν βράγχια ως χώρους ανταλλαγής αερίων.
Άνθρωποι και άλλοι θηλαστικά έχουν αναπνευστικό σύστημα με εξειδικευμένα αναπνευστικά όργανα (πνεύμονες) και τους ιστούς. Στο ανθρώπινο σώμα, το οξυγόνο εισάγεται στους πνεύμονες με εισπνοή και το διοξείδιο του άνθρακα εξωθείται από τους πνεύμονες με εκπνοή. Η εξωτερική αναπνοή στα θηλαστικά περιλαμβάνει τις μηχανικές διαδικασίες που σχετίζονται με την αναπνοή. Αυτό περιλαμβάνει συστολή και χαλάρωση του διαφράγματος και του εξαρτήματος μυς, καθώς και ρυθμό αναπνοής.
Οι εξωτερικές αναπνευστικές διεργασίες εξηγούν πώς λαμβάνεται το οξυγόνο, αλλά πώς φτάνει το οξυγόνο κύτταρα του σώματος? Η εσωτερική αναπνοή συνεπάγεται τη μεταφορά αερίων μεταξύ των αερίων αίμα και τους ιστούς του σώματος. Οξυγόνο εντός του πνεύμονες διαχέεται στο λεπτό επιθήλιο των πνευμονικών κυψελίδων (αερόσακοι) στο περιβάλλον τριχοειδή που περιέχουν οξυγόνο χωρίς αίμα. Ταυτόχρονα, το διοξείδιο του άνθρακα διαχέεται προς την αντίθετη κατεύθυνση (από το αίμα προς τις πνευμονικές κυψελίδες) και εκδιώκεται. Πλούσιο σε οξυγόνο αίμα μεταφέρεται από το κυκλοφορικό σύστημα από πνευμονικά τριχοειδή αγγεία έως κύτταρα και ιστούς του σώματος. Ενώ το οξυγόνο πέφτει στα κύτταρα, διοχετεύεται διοξείδιο του άνθρακα και μεταφέρεται από κύτταρα ιστού στους πνεύμονες.
Το οξυγόνο που λαμβάνεται από την εσωτερική αναπνοή χρησιμοποιείται από το κυττάρων σε κυτταρική αναπνοή. Προκειμένου να έχουμε πρόσβαση στην ενέργεια που αποθηκεύεται στα τρόφιμα που τρώμε, βιολογικά μόρια που συνθέτουν τρόφιμα (υδατάνθρακες, πρωτεΐνες, κ.λπ.) πρέπει να αναλύονται σε μορφές που μπορεί να χρησιμοποιήσει ο οργανισμός. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω του πεπτική διαδικασία όπου τα τρόφιμα διασπώνται και τα θρεπτικά συστατικά απορροφώνται στο αίμα. Καθώς το αίμα κυκλοφορεί σε όλο το σώμα, τα θρεπτικά συστατικά μεταφέρονται στα κύτταρα του σώματος. Στην κυτταρική αναπνοή, η γλυκόζη που λαμβάνεται από την πέψη χωρίζεται στα συστατικά μέρη της για την παραγωγή ενέργειας. Μέσω μιας σειράς βημάτων, η γλυκόζη και το οξυγόνο μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα (CO2), νερό (Η2O) και το τριτοφωσφορικό αδενοσίνης υψηλής ενέργειας (ΑΤΡ). Το διοξείδιο του άνθρακα και το νερό που σχηματίζεται στη διαδικασία διαχέονται μέσα στο διάμεσο υγρό που περιβάλλει τα κύτταρα. Από εκεί, ο CO2 διαχέεται στο πλάσμα αίματος και ερυθρά αιμοσφαίρια. Το ΑΤΡ που παράγεται κατά τη διαδικασία παρέχει την ενέργεια που απαιτείται για την εκτέλεση φυσιολογικών κυτταρικών λειτουργιών, όπως σύνθεση μακρομορίων, συστολή μυών, κρόσια και μαστίγια κίνηση, και κυτταρική διαίρεση.
Συνολικά, παράγονται 38 μόρια ΑΤΡ προκαρυωτικά στην οξείδωση ενός μοναδικού μορίου γλυκόζης. Αυτός ο αριθμός μειώνεται σε 36 μόρια ΑΤΡ σε ευκαρυώτες, καθώς δύο ATP καταναλώνονται στη μεταφορά του NADH στα μιτοχόνδρια.
Η αερόβια αναπνοή λαμβάνει χώρα μόνο με την παρουσία οξυγόνου. Όταν η παροχή οξυγόνου είναι χαμηλή, μόνο μια μικρή ποσότητα ΑΤΡ μπορεί να δημιουργηθεί στο κύτταρο κυτόπλασμα με γλυκόλυση. Αν και το πυροσταφυλικό δεν μπορεί να εισέλθει στον κύκλο του Krebs ή στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων χωρίς οξυγόνο, μπορεί ακόμα να χρησιμοποιηθεί για να παράγει επιπλέον ΑΤΡ με ζύμωση. Ζύμωση είναι ένας άλλος τύπος κυτταρικής αναπνοής, μια χημική διαδικασία για την καταστροφή του υδατάνθρακες σε μικρότερες ενώσεις για την παραγωγή ΑΤΡ. Σε σύγκριση με την αερόβια αναπνοή, μόνο μια μικρή ποσότητα ΑΤΡ παράγεται κατά τη ζύμωση. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η γλυκόζη καταστρέφεται μόνο εν μέρει. Μερικοί οργανισμοί είναι αναπληρωματικοί αναερόβιοι και μπορούν να χρησιμοποιήσουν και τη ζύμωση (όταν το οξυγόνο είναι χαμηλό ή μη διαθέσιμο) και αερόβια αναπνοή (όταν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο). Δύο συνήθεις τύποι ζύμωσης είναι η ζύμωση με γαλακτικό οξύ και η ζύμωση με αλκοόλη (αιθανόλη). Η γλυκόλυση είναι το πρώτο στάδιο κάθε διαδικασίας.
Στη ζύμωση με γαλακτικό οξύ, το NADH, το πυροσταφυλικό και το ΑΤΡ παράγονται με γλυκόλυση. Το NADH στη συνέχεια μετατρέπεται σε χαμηλής ενεργειακής του μορφής NAD+, ενώ το πυροσταφυλικό μετατρέπεται σε γαλακτικό. NAD+ ανακυκλώνεται πάλι στη γλυκόλυση για να δημιουργήσει περισσότερο πυροσταφυλικό και ΑΤΡ. Η ζύμωση με γαλακτικό οξύ διεξάγεται συνήθως με μυς όταν τα επίπεδα οξυγόνου εξαντλούνται. Το γαλακτικό μετατρέπεται σε γαλακτικό οξύ, το οποίο μπορεί να συσσωρευτεί σε υψηλά επίπεδα στα μυϊκά κύτταρα κατά τη διάρκεια της άσκησης. Το γαλακτικό οξύ αυξάνει τη μυϊκή οξύτητα και προκαλεί μια αίσθηση καψίματος που εμφανίζεται κατά τη διάρκεια της ακραίας άσκησης. Μόλις αποκατασταθούν τα κανονικά επίπεδα οξυγόνου, το πυροσταφυλικό μπορεί να εισέλθει σε αερόβια αναπνοή και μπορεί να παραχθεί πολύ περισσότερη ενέργεια για να βοηθήσει στην ανάκτηση. Η αυξημένη ροή αίματος συμβάλλει στην παροχή οξυγόνου και την απομάκρυνση του γαλακτικού οξέος από τα μυϊκά κύτταρα.
Στην αλκοολική ζύμωση, το πυρουβικό οξύ μετατρέπεται σε αιθανόλη και CO2. NAD+ παράγεται επίσης στη μετατροπή και ανακυκλώνεται πίσω στη γλυκόλυση για να παράγει περισσότερα μόρια ΑΤΡ. Η αλκοολική ζύμωση εκτελείται από τον φυτά, ζύμη, και ορισμένα είδη βακτηρίων. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται στην παραγωγή αλκοολούχων ποτών, καυσίμων και ψημένων προϊόντων.
Πώς extremophiles όπως μερικοί βακτήρια και αρχαίοι επιβιώνουν σε περιβάλλον χωρίς οξυγόνο; Η απάντηση είναι η αναερόβια αναπνοή. Αυτός ο τύπος αναπνοής λαμβάνει χώρα χωρίς οξυγόνο και περιλαμβάνει την κατανάλωση άλλου μορίου (νιτρικού άλατος, θείου, σιδήρου, διοξειδίου του άνθρακα κλπ.) Αντί για οξυγόνο. Σε αντίθεση με τη ζύμωση, η αναερόβια αναπνοή περιλαμβάνει το σχηματισμό μιας ηλεκτροχημικής διαβάθμισης από ένα σύστημα μεταφοράς ηλεκτρονίων που οδηγεί στην παραγωγή ενός αριθμού μορίων ΑΤΡ. Σε αντίθεση με την αερόβια αναπνοή, ο τελικός λήπτης ηλεκτρονίων είναι ένα μόριο διαφορετικό από το οξυγόνο. Πολλοί αναερόβιοι οργανισμοί υποχρεώνουν τα αναερόβια. δεν εκτελούν οξειδωτική φωσφορυλίωση και πεθαίνουν παρουσία οξυγόνου. Άλλοι είναι αναπληρωματικοί αναερόβιοι και μπορούν επίσης να εκτελέσουν αερόβια αναπνοή όταν υπάρχει διαθέσιμο οξυγόνο.