Kvėpavimas yra procesas, kurio metu organizmai keičiasi dujomis kūno ląstelės ir aplinka. Iš prokariotinės bakterijos ir archeanai į eukariotinę protistai, grybeliai, augalaiir gyvūnai, visi gyvi organizmai kvėpuoja. Kvėpavimas gali reikšti bet kurį iš trijų proceso elementų.
Pirmas, kvėpavimas gali reikšti išorinį kvėpavimą arba kvėpavimo procesą (įkvėpus ir iškvėpus), dar vadinamą ventiliacija. Antra, kvėpavimas gali reikšti vidinį kvėpavimą, kuris yra difuzija dujų tarp kūno skysčių (kraujas ir intersticinis skystis) ir audinius. Pagaliau, kvėpavimas gali reikšti metabolinius procesus, susijusius su energijos, sukauptos biologinės molekulės naudojamai energijai ATP pavidalu. Šis procesas gali apimti deguonies sunaudojimą ir anglies dioksido susidarymą, matomą aerobiniu būdu ląstelinis kvėpavimas, arba gali būti nenaudojamas deguonis, kaip anaerobinio kvėpavimo atveju.
Vienas iš deguonies iš aplinkos gavimo būdų yra išorinis kvėpavimas arba kvėpavimas. Gyvūnų organizmuose išorinio kvėpavimo procesas atliekamas įvairiais būdais. Gyvūnai, kuriems trūksta specializuotų
organai Norėdami gauti deguonį, kvėpuodami pasikliaukite difuzija per išorinius audinių paviršius. Kiti arba turi organus, specializuotus dujų mainams, arba juos turi Kvėpavimo sistema. Tokiuose organizmuose kaip nematodai (apvalieji kirminai), dujos ir maistinės medžiagos keičiasi išorine aplinka difuzijos būdu per gyvūnų kūno paviršių. Vabzdžiai ir vorai turėti kvėpavimo organai vadinamos trachėjais, o žuvys yra žarnos kaip dujų mainų vietos.Žmonės ir kita žinduoliai turėti kvėpavimo sistemą su specializuotais kvėpavimo organais (plaučiai) ir audiniai. Žmogaus kūnas deguonies patenka į plaučius įkvėpus, o iškvėpdamas iš plaučių pašalinamas anglies dioksidas. Žinduolių išorinis kvėpavimas apima mechaninius procesus, susijusius su kvėpavimu. Tai apima diafragmos ir aksesuaro susitraukimą ir atpalaidavimą raumenys, taip pat kvėpavimo dažnis.
Išoriniai kvėpavimo procesai paaiškina, kaip gaunamas deguonis, bet kaip jis patenka kūno ląstelės? Vidinis kvėpavimas apima dujų transportavimą iš kraujas ir kūno audiniai. Deguonis plaučiai išsisklaido per ploną epitelis plaučių alveolių (oro maišelių) į aplinką kapiliarai turinčios deguonies išsiliejusį kraują. Tuo pačiu metu anglies dioksidas pasklinda priešinga kryptimi (iš kraujo į plaučių alveoles) ir yra išskiriamas. Kraujas, kuriame yra daug deguonies, yra gabenamas kraujotakos sistema nuo plaučių kapiliarų iki kūno ląstelių ir audinių. Nors ląstelėse pašalinamas deguonis, anglies dioksidas imamas ir pernešamas iš audinių ląstelių į plaučius.
Deguonį, gautą vidinio kvėpavimo metu, naudoja ląstelės į ląstelinis kvėpavimas. Norėdami patekti į energiją, saugomą mūsų valgytuose maisto produktuose, biologinės molekulės, sudarančios maisto produktus (angliavandeniai, baltymaiir tt), turi būti suskaidytas į formas, kurias kūnas gali panaudoti. Tai pasiekiama per virškinimo procesas kur maistas skaidomas ir maistinės medžiagos absorbuojamos kraujyje. Kai kraujas cirkuliuoja visame kūne, maistinės medžiagos pernešamos į kūno ląsteles. Kvėpuojant ląstelėmis, virškinimo metu gauta gliukozė padalijama į sudedamąsias dalis energijos gamybai. Atliekant keletą žingsnių, gliukozė ir deguonis virsta anglies dioksidu (CO2), vanduo (H2O), ir didelės energijos molekulės adenozino trifosfatas (ATP). Procese susidaręs anglies dioksidas ir vanduo pasklinda į intersticinį skystį supančias ląsteles. Iš ten CO2 difuzuojasi į kraujo plazmą ir raudonieji kraujo kūneliai. Proceso metu susidaręs ATP suteikia energijos, reikalingos normalioms ląstelių funkcijoms atlikti, tokioms kaip makromolekulių sintezė, raumenų susitraukimas, cilia ir flagella judėjimas ir ląstelių dalijimasis.
Iš viso gamina 38 ATP molekules prokariotai oksiduojant pavienę gliukozės molekulę. Šis skaičius sumažėja iki 36 ATP molekulių eukariotuose, nes du ATP sunaudojami perduodant NADH į mitochondrijas.
Aerobinis kvėpavimas vyksta tik esant deguoniui. Kai deguonies atsargos mažai, ląstelėje gali susidaryti tik nedidelis kiekis ATP citoplazma glikolizės būdu. Nors piruvatas negali patekti į Krebso ciklą ar elektronų pernešimo grandinę be deguonies, jis vis tiek gali būti naudojamas generuoti papildomą ATP fermentuojant. Fermentacija yra dar vienas ląstelių kvėpavimo tipas, cheminis procesas, skirtas suskaidyti angliavandeniai į mažesnius junginius ATP gamybai. Palyginus su aerobiniu kvėpavimu, fermentuojant susidaro tik nedidelis kiekis ATP. Taip yra todėl, kad gliukozė yra suskaidoma tik iš dalies. Kai kurie organizmai yra fakultatyvūs anaerobai ir gali naudoti tiek fermentaciją (kai mažai deguonies arba jo nėra), tiek aerobinį kvėpavimą (kai yra deguonies). Du paplitę fermentacijos tipai yra pieno rūgšties fermentacija ir alkoholinė (etanolio) fermentacija. Glikolizė yra pirmasis kiekvieno proceso etapas.
Fermentuojant pieno rūgštį, NADH, piruvatas ir ATP susidaro glikolizės būdu. Tada NADH paverčiamas savo mažai energijos naudojančia NAD forma+, o piruvatas virsta laktatu. NAD+ perdirbamas atgal į glikolizę, kad būtų daugiau piruvato ir ATP. Pieno rūgšties fermentacija paprastai atliekama Raumuo ląstelės, kai deguonies lygis išeikvojamas. Laktatas virsta pieno rūgštimi, kuri fizinio krūvio metu gali kauptis didelėse raumenų ląstelėse. Pieno rūgštis padidina raumenų rūgštingumą ir sukelia deginimo pojūtį, atsirandantį per didelį krūvį. Kai normalus deguonies lygis atsistato, piruvatas gali kvėpuoti aerobiniu būdu ir gali būti sukaupta daug daugiau energijos, padedančio atsigauti. Padidėjusi kraujo tėkmė padeda pieno raumenims tiekti deguonį ir iš jo pašalinti pieno rūgštį.
Alkoholio rūgimo metu piruvatas virsta etanoliu ir CO2. NAD+ taip pat susidaro konversijos metu ir vėl perdirbamas į glikolizę, kad būtų daugiau ATP molekulių. Alkoholinę fermentaciją vykdo augalai, mielės ir kai kurios bakterijų rūšys. Šis procesas naudojamas gaminant alkoholinius gėrimus, degalus ir kepinius.
Kaip padaryti ekstremofilai kaip kai kurie bakterijos ir archeanai išgyventi aplinkoje, kurioje nėra deguonies? Atsakymas pateiktas anaerobiniu kvėpavimu. Šis kvėpavimo būdas vyksta be deguonies, o vietoj deguonies sunaudojama kita molekulė (nitratas, siera, geležis, anglies dioksidas ir kt.). Skirtingai nuo fermentacijos, anaerobinis kvėpavimas apima elektrocheminio gradiento susidarymą elektronų pernešimo sistemos pagalba, dėl kurio susidaro daugybė ATP molekulių. Skirtingai nuo aerobinio kvėpavimo, galutinis elektronų gavėjas yra molekulė, išskyrus deguonį. Daugelis anaerobinių organizmų yra privalomi anaerobai; jie neatlieka oksidacinio fosforilinimo ir žūva esant deguoniui. Kiti yra fakultatyvūs anaerobai ir taip pat gali atlikti aerobinį kvėpavimą, kai yra deguonies.