Ademhaling is het proces waarbij organismen gassen uitwisselen tussen hun lichaamscellen en het milieu. Van prokaryote bacteriën en archaeans tot eukaryoot protisten, schimmels, planten, en dieren, alle levende organismen ondergaan ademhaling. Ademhaling kan verwijzen naar een van de drie elementen van het proces.
Eerste, ademhaling kan verwijzen naar externe ademhaling of het ademhalingsproces (inademing en uitademing), ook wel ventilatie genoemd. ten tweede, kan ademhaling verwijzen naar interne ademhaling, dat is de verspreiding van gassen tussen lichaamsvloeistoffen (bloed en interstitiële vloeistof) en weefsels. Tenslottekan ademhaling verwijzen naar de metabole processen van het omzetten van de opgeslagen energie biologische moleculen tot bruikbare energie in de vorm van ATP. Dit proces kan het verbruik van zuurstof en de productie van kooldioxide inhouden, zoals gezien bij aëroob cellulaire ademhalingof houdt mogelijk geen zuurstofverbruik in, zoals in het geval van anaërobe ademhaling.
Een methode om zuurstof uit de omgeving te halen is door externe ademhaling of ademhaling. Bij dierlijke organismen wordt het proces van externe ademhaling op een aantal verschillende manieren uitgevoerd. Dieren die niet gespecialiseerd zijn organen voor ademhaling vertrouwt u op diffusie over externe weefseloppervlakken om zuurstof te verkrijgen. Anderen hebben orgels die gespecialiseerd zijn in gasuitwisseling of hebben een compleet luchtwegen. In organismen zoals nematoden (rondwormen), gassen en voedingsstoffen worden uitgewisseld met de externe omgeving door diffusie over het oppervlak van het dierenlichaam. Insecten en spinnen hebben ademhalingsorganen tracheae genoemd, terwijl vissen kieuwen hebben als locaties voor gasuitwisseling.
Mensen en andere zoogdieren een ademhalingssysteem hebben met gespecialiseerde ademhalingsorganen (longen) en weefsels. In het menselijk lichaam wordt zuurstof door inademing in de longen opgenomen en wordt kooldioxide door uitademing uit de longen verdreven. Externe ademhaling bij zoogdieren omvat de mechanische processen die verband houden met ademhaling. Dit omvat samentrekking en ontspanning van het diafragma en accessoire spieren, evenals ademhaling.
Externe ademhalingsprocessen verklaren hoe zuurstof wordt verkregen, maar hoe komt zuurstof daar terecht lichaamscellen? Interne ademhaling omvat het transport van gassen tussen de bloed en lichaamsweefsels. Zuurstof binnen de longen verspreidt zich over het dunne epitheel van longblaasjes (luchtzakjes) in de omgeving haarvaten zuurstofarm bloed bevat. Tegelijkertijd diffundeert kooldioxide in de tegenovergestelde richting (van het bloed naar de longblaasjes) en wordt het verdreven. Zuurstofrijk bloed wordt getransporteerd door de bloedsomloop van longcapillairen tot lichaamscellen en weefsels. Terwijl zuurstof bij cellen wordt afgezet, wordt kooldioxide opgepikt en van weefselcellen naar de longen getransporteerd.
De zuurstof verkregen door inwendige ademhaling wordt gebruikt door cellen in cellulaire ademhaling. Om toegang te krijgen tot de energie die is opgeslagen in het voedsel dat we eten, biologische moleculen die voedsel samenstellen (koolhydraten, eiwitten, enz.) moet worden opgesplitst in vormen die het lichaam kan gebruiken. Dit wordt bereikt door de spijsverteringsproces waar voedsel wordt afgebroken en voedingsstoffen in het bloed worden opgenomen. Terwijl bloed door het lichaam circuleert, worden voedingsstoffen naar lichaamscellen getransporteerd. Bij cellulaire ademhaling wordt glucose verkregen door spijsvertering opgesplitst in de samenstellende delen voor de productie van energie. Door middel van een reeks stappen worden glucose en zuurstof omgezet in koolstofdioxide (CO2), water (H2O), en het hoogenergetische molecuul adenosinetrifosfaat (ATP). Kooldioxide en water dat tijdens het proces wordt gevormd, diffunderen in de interstitiële vloeistof omringende cellen. Vanaf daar, CO2 diffundeert in bloedplasma en rode bloedcellen. ATP gegenereerd in het proces levert de energie die nodig is om normale cellulaire functies uit te voeren, zoals macromolecuul synthese, spiercontractie, trilharen en flagella beweging, en celverdeling.
In totaal worden 38 ATP-moleculen geproduceerd door prokaryoten bij de oxidatie van een enkel glucosemolecuul. Dit aantal is teruggebracht tot 36 ATP-moleculen in eukaryoten, aangezien twee ATP worden verbruikt bij de overdracht van NADH naar mitochondriën.
Aërobe ademhaling vindt alleen plaats in aanwezigheid van zuurstof. Als de zuurstoftoevoer laag is, kan er slechts een kleine hoeveelheid ATP in de cel worden gegenereerd cytoplasma door glycolyse. Hoewel pyruvaat niet zonder zuurstof in de Krebs-cyclus of elektronentransportketen kan komen, kan het toch worden gebruikt om door fermentatie extra ATP te genereren. Fermentatie is een ander type cellulaire ademhaling, een chemisch proces voor de afbraak van koolhydraten in kleinere verbindingen voor de productie van ATP. In vergelijking met aerobe ademhaling wordt bij fermentatie slechts een kleine hoeveelheid ATP geproduceerd. Dit komt omdat glucose slechts gedeeltelijk wordt afgebroken. Sommige organismen zijn facultatieve anaëroben en kunnen zowel fermentatie (wanneer zuurstof laag of niet beschikbaar is) als aerobe ademhaling (wanneer zuurstof beschikbaar is) gebruiken. Twee veel voorkomende soorten fermentatie zijn melkzuurfermentatie en alcoholische (ethanol) fermentatie. Glycolyse is de eerste fase van elk proces.
Bij de fermentatie van melkzuur worden NADH, pyruvaat en ATP geproduceerd door glycolyse. NADH wordt vervolgens omgezet in zijn vorm met lage energie NAD+, terwijl pyruvaat wordt omgezet in lactaat. NAD+ wordt gerecycled tot glycolyse om meer pyruvaat en ATP te genereren. Melkzuurfermentatie wordt gewoonlijk uitgevoerd door spier cellen wanneer het zuurstofniveau uitgeput raakt. Lactaat wordt omgezet in melkzuur dat zich tijdens het sporten op een hoog niveau in spiercellen kan ophopen. Melkzuur verhoogt de zuurgraad van de spieren en veroorzaakt een branderig gevoel dat optreedt tijdens extreme inspanning. Zodra de normale zuurstofniveaus zijn hersteld, kan pyruvaat in aërobe ademhaling terechtkomen en kan er veel meer energie worden opgewekt om te helpen bij herstel. Een verhoogde doorbloeding helpt om zuurstof aan spiercellen af te geven en melkzuur te verwijderen.
Bij alcoholische fermentatie wordt pyruvaat omgezet in ethanol en CO2. NAD+ wordt ook gegenereerd in de conversie en wordt teruggevoerd naar glycolyse om meer ATP-moleculen te produceren. Alcoholische gisting wordt uitgevoerd door planten, gist en sommige soorten bacteriën. Dit proces wordt gebruikt bij de productie van alcoholische dranken, brandstof en gebak.
Hoe doen extremofielen zoals sommige bacteriën en archaeans overleven in omgevingen zonder zuurstof? Het antwoord is door anaërobe ademhaling. Dit type ademhaling vindt plaats zonder zuurstof en omvat de consumptie van een ander molecuul (nitraat, zwavel, ijzer, kooldioxide, enz.) In plaats van zuurstof. In tegenstelling tot fermentatie, omvat anaërobe ademhaling de vorming van een elektrochemische gradiënt door een elektronentransportsysteem dat resulteert in de productie van een aantal ATP-moleculen. Anders dan bij aërobe ademhaling is de uiteindelijke elektronenontvanger een ander molecuul dan zuurstof. Veel anaërobe organismen zijn verplichte anaëroben; ze voeren geen oxidatieve fosforylering uit en sterven in aanwezigheid van zuurstof. Anderen zijn facultatieve anaëroben en kunnen ook aërobe ademhaling uitvoeren als er zuurstof beschikbaar is.