Respiration er den proces, hvor organismer udveksler gasser mellem deres kropsceller og miljøet. Fra prokaryote bakterier og archaeans til eukaryotisk protister, svampe, planter, og dyr, alle levende organismer gennemgår åndedræt. Respiration kan henvise til ethvert af de tre elementer i processen.
Først, respiration kan henvise til ekstern åndedræt eller åndedrætsprocessen (indånding og udånding), også kaldet ventilation. For det andet, respiration kan referere til intern respiration, som er diffusion af gasser mellem kropsvæsker (blod og mellemliggende væske) og væv. Endelig, respiration kan henvise til de metaboliske processer til konvertering af den energi, der er lagret i biologiske molekyler til brugbar energi i form af ATP. Denne proces kan omfatte forbrug af ilt og produktion af kuldioxid, som det ses i aerob cellulær respiration, eller måske ikke involverer forbrug af ilt, som i tilfælde af anaerob respiration.
En metode til at få ilt fra miljøet er gennem ekstern åndedræt eller vejrtrækning. I dyreorganismer udføres processen med ekstern respiration på en række forskellige måder. Dyr, der mangler speciale
organer til respiration er afhængig af diffusion over ydre vævsoverflader for at opnå ilt. Andre har enten organer, der er specialiserede til gasudveksling eller har en komplet åndedrætsorganerne. I organismer som nematoder (rundorm), gasser og næringsstoffer udveksles med det ydre miljø ved diffusion over dyrenes overflade. Insekter og edderkopper har åndedrætsorganer kaldes tracheae, mens fisk har gæller som steder til gasudveksling.Mennesker og andre pattedyr har et åndedrætsorgan med specialiserede åndedrætsorganer (lunger) og væv. I den menneskelige krop føres ilt ind i lungerne ved indånding, og kuldioxid udvises fra lungerne ved udånding. Ekstern åndedræt hos pattedyr omfatter de mekaniske processer relateret til vejrtrækning. Dette inkluderer sammentrækning og afslapning af membranen og tilbehøret muskler, samt vejrtrækningshastighed.
Eksterne respiratoriske processer forklarer, hvordan ilt fås, men hvordan får ilt til kropsceller? Intern åndedræt involverer transport af gasser mellem blod og kropsvæv. Oxygen inden for lunger diffunderer over det tynde epitel af lungealveoler (luftsække) i det omgivende kapillærer indeholdende iltudtømt blod. På samme tid diffunderer kuldioxid i den modsatte retning (fra blodet til lungealveolerne) og udvises. Oxygenrigt blod transporteres af cirkulært system fra lungekapillærer til kropsceller og væv. Mens ilt falder ned ved cellerne, samles kuldioxid op og transporteres fra vævsceller til lungerne.
Oxygen opnået ved intern åndedræt bruges af celler i cellulær respiration. For at få adgang til energien, der er lagret i de fødevarer, vi spiser, biologiske molekyler, der sammensætter fødevarer (kulhydrater, proteinerosv.) skal opdeles i former, som kroppen kan bruge. Dette opnås gennem fordøjelsesproces hvor fødevarer nedbrydes og næringsstoffer optages i blodet. Når blodet cirkuleres gennem kroppen, transporteres næringsstoffer til kroppens celler. Ved cellulær respiration er glukose opnået fra fordøjelsen opdelt i dets bestanddele til produktion af energi. Gennem en række trin omdannes glukose og ilt til kuldioxid (CO2vand, H2O), og højenergimolekylet adenosintrifosfat (ATP). Kuldioxid og vand, der dannes i processen, diffunderer i den mellemliggende væske, der omgiver celler. Derfra CO2 diffunderer i blodplasma og røde blodlegemer. ATP, der genereres i processen, giver den energi, der er nødvendig til at udføre normale cellulære funktioner, såsom makromolekylsyntese, muskelkontraktion, cilia og flagella bevægelse og celledeling.
I alt produceres 38 ATP-molekyler af prokaryoter ved oxidation af et enkelt glukosemolekyle. Dette antal reduceres til 36 ATP-molekyler i eukaryoter, da to ATP indtages i overførslen af NADH til mitokondrier.
Aerob respiration forekommer kun i nærvær af ilt. Når iltforsyningen er lav, kan der kun genereres en lille mængde ATP i cellen cytoplasma ved glykolyse. Selvom pyruvat ikke kan komme ind i Krebs-cyklussen eller elektrontransportkæden uden ilt, kan det stadig bruges til at generere yderligere ATP ved gæring. Fermentation er en anden type cellulær respiration, en kemisk proces til nedbrydning af kulhydrater i mindre forbindelser til produktion af ATP. I sammenligning med aerob respiration produceres kun en lille mængde ATP i gæring. Dette skyldes, at glukose kun delvist nedbrydes. Nogle organismer er fakultative anaerober og kan bruge både gæring (når ilt er lavt eller ikke tilgængeligt) og aerob respiration (når ilt er tilgængeligt). To almindelige typer gæring er mælkesyrefermentering og alkoholisk (ethanol) gæring. Glykolyse er den første fase i hver proces.
Ved mælkesyrefermentering produceres NADH, pyruvat og ATP ved glykolyse. Derefter konverteres NADH til dets lavenergiform NAD+, mens pyruvat omdannes til laktat. NAD+ genanvendes tilbage til glycolyse for at generere mere pyruvat og ATP. Mælkesyrefermentering udføres ofte af muskel celler, når iltniveauerne udtømmes. Laktat omdannes til mælkesyre, som kan akkumuleres i høje niveauer i muskelceller under træning. Mælkesyre øger muskelets syre og forårsager en brændende fornemmelse, der opstår under ekstrem anstrengelse. Når de normale iltniveauer er gendannet, kan pyruvat gå ind i aerob respiration, og der kan genereres meget mere energi for at hjælpe med genopretning. Øget blodgennemstrømning hjælper med at levere ilt til og fjerne mælkesyre fra muskelceller.
Ved alkoholisk fermentering omdannes pyruvat til ethanol og CO2. NAD+ genereres også i omdannelsen og genanvendes til glycolyse for at producere flere ATP-molekyler. Alkoholisk gæring udføres af planter, gær og nogle arter af bakterier. Denne proces anvendes til produktion af alkoholiske drikkevarer, brændstof og bagværk.
Hvordan extremofiler som nogle bakterie og archaeans overleve i miljøer uden ilt? Svaret er ved anaerob respiration. Denne type åndedræt forekommer uden ilt og involverer forbrug af et andet molekyle (nitrat, svovl, jern, kuldioxid osv.) I stedet for ilt. I modsætning til ved fermentering involverer anaerob respiration dannelse af en elektrokemisk gradient ved hjælp af et elektrontransportsystem, som resulterer i produktionen af et antal ATP-molekyler. I modsætning til ved aerob respiration er den endelige elektronmodtager et andet molekyle end ilt. Mange anaerobe organismer er obligatoriske anaerober; de udfører ikke oxidativ fosforylering og dør i nærvær af ilt. Andre er fakultative anaerober og kan også udføre aerob respiration, når der er ilt til rådighed.