Respirazione è il processo in cui gli organismi scambiano gas tra loro cellule del corpo e l'ambiente. A partire dal batteri procariotici e archaeans agli eucarioti protisti, fungo, impianti, e animali, tutti gli organismi viventi sono sottoposti a respirazione. La respirazione può riferirsi a uno dei tre elementi del processo.
Primo, la respirazione può riferirsi alla respirazione esterna o al processo di respirazione (inalazione ed espirazione), chiamato anche ventilazione. in secondo luogo, la respirazione può riferirsi alla respirazione interna, che è il diffusione di gas tra i fluidi corporei (sangue e fluido interstiziale) e tessuti. Infine, la respirazione può riferirsi ai processi metabolici di conversione dell'energia immagazzinata molecole biologiche all'energia utilizzabile sotto forma di ATP. Questo processo può comportare il consumo di ossigeno e la produzione di anidride carbonica, come visto in aerobica respirazione cellulareo potrebbe non comportare il consumo di ossigeno, come nel caso della respirazione anaerobica.
Un metodo per ottenere ossigeno dall'ambiente è attraverso la respirazione esterna o la respirazione. Negli organismi animali, il processo di respirazione esterna viene eseguito in diversi modi. Animali che mancano di specializzazione organi per la respirazione, fare affidamento sulla diffusione attraverso le superfici dei tessuti esterni per ottenere ossigeno. Altri hanno organi specializzati per lo scambio di gas o hanno un completo sistema respiratorio. In organismi come nematodi (nematodi), gas e sostanze nutritive vengono scambiati con l'ambiente esterno mediante diffusione attraverso la superficie del corpo degli animali. Insetti e ragni avere organi respiratori chiamato tracheae, mentre i pesci hanno branchie come siti per lo scambio di gas.
Umani e altri mammiferi ha un sistema respiratorio con organi respiratori specializzati (polmoni) e tessuti. Nel corpo umano, l'ossigeno viene assorbito nei polmoni per inalazione e l'anidride carbonica viene espulsa dai polmoni per espirazione. La respirazione esterna nei mammiferi comprende i processi meccanici relativi alla respirazione. Ciò include la contrazione e il rilassamento del diaframma e dell'accessorio muscoli, così come la frequenza respiratoria.
I processi respiratori esterni spiegano come si ottiene l'ossigeno, ma come arriva l'ossigeno cellule del corpo? La respirazione interna comporta il trasporto di gas tra il sangue e tessuti del corpo. Ossigeno all'interno del polmoni si diffonde attraverso il sottile epitelio di alveoli polmonari (sacche d'aria) nell'ambiente circostante capillari contenente ossigeno impoverito di sangue. Allo stesso tempo, l'anidride carbonica si diffonde nella direzione opposta (dal sangue agli alveoli polmonari) e viene espulsa. Il sangue ricco di ossigeno viene trasportato dal sistema circolatorio dai capillari polmonari alle cellule e ai tessuti del corpo. Mentre l'ossigeno viene scaricato dalle cellule, l'anidride carbonica viene raccolta e trasportata dalle cellule dei tessuti ai polmoni.
L'ossigeno ottenuto dalla respirazione interna viene utilizzato da cellule nel respirazione cellulare. Al fine di accedere all'energia immagazzinata negli alimenti che mangiamo, le molecole biologiche che compongono gli alimenti (carboidrati, proteine, ecc.) devono essere suddivisi in forme utilizzabili dall'organismo. Questo si ottiene attraverso il processo digestivo dove il cibo viene scomposto e i nutrienti vengono assorbiti nel sangue. Mentre il sangue circola in tutto il corpo, i nutrienti vengono trasportati alle cellule del corpo. Nella respirazione cellulare, il glucosio ottenuto dalla digestione viene suddiviso nelle sue parti costitutive per la produzione di energia. Attraverso una serie di passaggi, glucosio e ossigeno vengono convertiti in anidride carbonica (CO2), acqua (H2O) e l'adenosina trifosfato ad alta energia (ATP). L'anidride carbonica e l'acqua formate nel processo si diffondono nelle cellule circostanti del fluido interstiziale. Da lì, CO2 si diffonde nel plasma sanguigno e globuli rossi. L'ATP generato nel processo fornisce l'energia necessaria per svolgere le normali funzioni cellulari, come la sintesi di macromolecole, la contrazione muscolare, ciglia e flagelli movimento e divisione cellulare.
In totale, vengono prodotte 38 molecole di ATP procarioti nell'ossidazione di una singola molecola di glucosio. Questo numero è ridotto a 36 molecole di ATP negli eucarioti, poiché due ATP vengono consumati nel trasferimento di NADH ai mitocondri.
La respirazione aerobica si verifica solo in presenza di ossigeno. Quando l'apporto di ossigeno è basso, nella cellula può essere generata solo una piccola quantità di ATP citoplasma per glicolisi. Sebbene il piruvato non possa entrare nel ciclo di Krebs o nella catena di trasporto degli elettroni senza ossigeno, può comunque essere utilizzato per generare ulteriore ATP mediante fermentazione. Fermentazione è un altro tipo di respirazione cellulare, un processo chimico per la rottura di carboidrati in composti più piccoli per la produzione di ATP. Rispetto alla respirazione aerobica, solo una piccola quantità di ATP viene prodotta durante la fermentazione. Questo perché il glucosio viene scomposto solo parzialmente. Alcuni organismi sono anaerobi facoltativi e possono utilizzare sia la fermentazione (quando l'ossigeno è basso o non disponibile) sia la respirazione aerobica (quando l'ossigeno è disponibile). Due tipi comuni di fermentazione sono la fermentazione dell'acido lattico e la fermentazione alcolica (etanolo). La glicolisi è il primo stadio di ogni processo.
Nella fermentazione dell'acido lattico, NADH, piruvato e ATP sono prodotti dalla glicolisi. Il NADH viene quindi convertito nella sua forma a bassa energia NAD+, mentre il piruvato viene convertito in lattato. NAD+ viene riciclato nuovamente in glicolisi per generare più piruvato e ATP. La fermentazione dell'acido lattico viene comunemente eseguita da muscolo cellule quando i livelli di ossigeno si esauriscono. Il lattato viene convertito in acido lattico che può accumularsi ad alti livelli nelle cellule muscolari durante l'esercizio. L'acido lattico aumenta l'acidità muscolare e provoca una sensazione di bruciore che si verifica durante uno sforzo estremo. Una volta ripristinati i normali livelli di ossigeno, il piruvato può entrare nella respirazione aerobica e può essere generata molta più energia per favorire il recupero. L'aumento del flusso sanguigno aiuta a fornire ossigeno e rimuovere l'acido lattico dalle cellule muscolari.
Nella fermentazione alcolica, il piruvato viene convertito in etanolo e CO2. NAD+ viene anche generato nella conversione e viene riciclato nuovamente in glicolisi per produrre più molecole di ATP. La fermentazione alcolica viene eseguita da impianti, lievito e alcune specie di batteri. Questo processo viene utilizzato nella produzione di bevande alcoliche, carburante e prodotti da forno.
Come faccio estremofili come alcuni batteri e archaeans sopravvivere in ambienti senza ossigeno? La risposta è attraverso la respirazione anaerobica. Questo tipo di respirazione si verifica senza ossigeno e comporta il consumo di un'altra molecola (nitrato, zolfo, ferro, anidride carbonica, ecc.) Anziché ossigeno. A differenza della fermentazione, la respirazione anaerobica comporta la formazione di un gradiente elettrochimico da parte di un sistema di trasporto di elettroni che provoca la produzione di un numero di molecole di ATP. A differenza della respirazione aerobica, il destinatario finale dell'elettrone è una molecola diversa dall'ossigeno. Molti organismi anaerobici sono anaerobi obbligati; non eseguono la fosforilazione ossidativa e muoiono in presenza di ossigeno. Altri sono anaerobi facoltativi e possono anche eseguire la respirazione aerobica quando è disponibile ossigeno.