Elpošana ir process, kurā organismi apmainās ar gāzēm ķermeņa šūnas un vide. No plkst prokariotu baktērijas un arhejas uz eikariotu protisti, sēnītes, augi, un dzīvnieki, visiem dzīvajiem organismiem tiek veikta elpošana. Respirācija var attiekties uz jebkuru no trim procesa elementiem.
Pirmkārt, elpošana var attiekties uz ārēju elpošanu vai elpošanas procesu (ieelpošana un izelpošana), ko sauc arī par ventilāciju. Otrkārt, elpošana var attiekties uz iekšēju elpošanu, kas ir difūzija gāzu daudzums starp ķermeņa šķidrumiem (asinis un intersticiālais šķidrums) un audos. Visbeidzot, elpošana var attiekties uz vielmaiņas procesiem, pārveidojot enerģiju, kas uzkrāta bioloģiskās molekulas izmantojamajai enerģijai ATP formā. Šis process var ietvert skābekļa patēriņu un oglekļa dioksīda ražošanu, kā redzams aerobos apstākļos šūnu elpošana, vai arī tas var nebūt saistīts ar skābekļa patēriņu, piemēram, anaerobās elpošanas gadījumā.
Viena no metodēm skābekļa iegūšanai no apkārtējās vides ir ārēja elpošana vai elpošana. Dzīvnieku organismos ārējās elpošanas procesu veic dažādos veidos. Dzīvnieki, kuriem trūkst specializāciju
orgāni elpošanai paļaujieties uz difūziju pa ārējām audu virsmām, lai iegūtu skābekli. Citiem ir vai nu orgāni, kas specializējušies gāzes apmaiņai, vai arī to ir pilnībā elpošanas sistēmas. Tādos organismos kā nematodes (apaļtārpi), gāzes un barības vielas tiek apmainītas ar ārējo vidi, difūzējot pa dzīvnieku ķermeņa virsmām. Kukaiņi un zirnekļi ir elpošanas orgāni ko sauc par trahejām, savukārt zivīm ir žaunas kā gāzes apmaiņas vietas.Cilvēki un citi zīdītāji ir elpošanas sistēma ar specializētiem elpošanas orgāniem (plaušas) un audus. Cilvēka ķermenī skābeklis plaušās tiek ieelpots, un oglekļa dioksīds tiek izvadīts no plaušām izelpojot. Zīdītāju ārējā elpošana ietver mehāniskos procesus, kas saistīti ar elpošanu. Tas ietver diafragmas un piederuma saraušanos un relaksāciju muskuļi, kā arī elpošanas ātrums.
Ārējie elpošanas procesi izskaidro, kā tiek iegūts skābeklis, bet kā nokļūst skābeklis ķermeņa šūnas? Iekšējā elpošana ietver gāzu pārvadāšanu starp asinis un ķermeņa audi. Skābeklis plaušas izkliedējas visā plānā epitēlijs plaušu alveolu (gaisa maisiņu) daudzums apkārtējā vidē kapilāri kas satur asinis ar skābekļa deficītu. Tajā pašā laikā oglekļa dioksīds izkliedējas pretējā virzienā (no asinīm līdz plaušu alveolām) un tiek izvadīts. Asinis, kas bagāts ar skābekli, pārvadā asinsrites sistēma no plaušu kapilāriem līdz ķermeņa šūnām un audiem. Kamēr šūnās tiek izvadīts skābeklis, oglekļa dioksīds tiek uzņemts un no audu šūnām tiek transportēts plaušās.
Iekšējās elpināšanas rezultātā iegūto skābekli izmanto šūnas iekšā šūnu elpošana. Lai piekļūtu enerģijai, ko glabā pārtikas produktos, ko ēdam, bioloģiskās molekulas, kas veido pārtikas produktus (ogļhidrāti, olbaltumvielasutt.) jāsadala formās, kuras ķermenis var izmantot. To var panākt, izmantojot gremošanas process kur pārtika tiek sadalīta un barības vielas uzsūcas asinīs. Tā kā asinis cirkulē visā ķermenī, barības vielas tiek nogādātas ķermeņa šūnās. Šūnu elpošanā glikoze, kas iegūta sagremot, tiek sadalīta tā sastāvdaļās enerģijas ražošanai. Veicot virkni darbību, glikoze un skābeklis tiek pārveidoti par oglekļa dioksīdu (CO2), ūdens (H2O) un augstas enerģijas molekulas adenozīna trifosfāts (ATP). Procesa laikā izveidotais oglekļa dioksīds un ūdens izkliedējas intersticiālajā šķidrumā, kas ieskauj šūnas. No turienes CO2 izkliedējas asins plazmā un sarkanās asins šūnas. Procesa laikā radītais ATP nodrošina enerģiju, kas nepieciešama normālu šūnu funkciju veikšanai, piemēram, makromolekulu sintēzei, muskuļu kontrakcijai, cilia un flagella kustība un šūnu dalīšanās.
Kopumā 38 ATP molekulas ražo prokarioti vienas glikozes molekulas oksidācijā. Šis skaits tiek samazināts līdz 36 ATP molekulām eikariotos, jo divi ATP tiek patērēti NADH pārnešanā uz mitohondrijiem.
Aerobā elpošana notiek tikai skābekļa klātbūtnē. Ja skābekļa daudzums ir zems, šūnā var radīt tikai nelielu daudzumu ATP citoplazma ar glikolīzi. Kaut arī piruvāts nevar iekļūt Krebsa ciklā vai elektronu transporta ķēdē bez skābekļa, to joprojām var izmantot, lai fermentējot iegūtu papildu ATP. Fermentācija ir vēl viens šūnu elpošanas veids, ķīmisks process sabrukšanai ogļhidrāti mazākos savienojumos ATP ražošanai. Salīdzinot ar aerobo elpošanu, fermentācijā rodas tikai neliels daudzums ATP. Tas notiek tāpēc, ka glikoze tiek sadalīta tikai daļēji. Daži organismi ir fakultatīvi anaerobi un var izmantot gan fermentāciju (kad skābekļa līmenis ir zems vai nav pieejams), gan aerobo elpošanu (ja ir pieejams skābeklis). Divi izplatīti fermentācijas veidi ir pienskābes fermentācija un spirta (etanola) fermentācija. Glikolīze ir katra procesa pirmais posms.
Pienskābes fermentācijā NADH, piruvātu un ATP iegūst glikolīzes ceļā. Pēc tam NADH tiek pārveidots par zemas enerģijas veidu NAD+, savukārt piruvāts tiek pārveidots par laktātu. NAD+ tiek pārstrādāts atpakaļ glikolīzē, lai iegūtu vairāk piruvāta un ATP. Pienskābes fermentāciju parasti veic muskulis šūnas, kad skābekļa līmenis samazinās. Laktāts tiek pārveidots par pienskābi, kas fiziskās slodzes laikā lielā daudzumā var uzkrāties muskuļu šūnās. Pienskābe palielina muskuļu skābumu un izraisa dedzinošu sajūtu, kas rodas ārkārtējas slodzes laikā. Kad normālais skābekļa līmenis ir atjaunots, piruvats var sākties aeroba elpošana, un, lai atvieglotu atveseļošanos, var iegūt daudz vairāk enerģijas. Paaugstināta asins plūsma palīdz piegādāt skābekli un izvadīt pienskābi no muskuļu šūnām.
Alkoholiskā fermentācijā piruvāts tiek pārveidots par etanolu un CO2. NAD+ arī tiek pārveidots un tiek atkārtoti pārstrādāts glikolīzē, lai iegūtu vairāk ATP molekulu. Alkoholisko fermentāciju veic augi, raugs un dažas baktēriju sugas. Šo procesu izmanto alkoholisko dzērienu, degvielas un ceptu izstrādājumu ražošanā.
Kā ekstremofili kā daži baktērijas un arhejas izdzīvot vidē, kurā nav skābekļa? Atbilde ir ar anaerobo elpošanu. Šāda veida elpošana notiek bez skābekļa, un skābekļa vietā tiek patērēta cita molekula (nitrāts, sērs, dzelzs, oglekļa dioksīds utt.). Atšķirībā no fermentācijas, anaerobā elpošana ietver elektroķīmiskā gradienta veidošanos ar elektronu transporta sistēmas palīdzību, kā rezultātā tiek ražotas vairākas ATP molekulas. Atšķirībā no aerobo elpošanu, galīgais elektronu uztvērējs ir molekula, kas nav skābeklis. Daudzi anaerobie organismi ir obligāti anaerobi; tie neveic oksidatīvo fosforilēšanu un mirst skābekļa klātbūtnē. Citi ir fakultatīvi anaerobi un var arī veikt aerobo elpošanu, kad ir pieejams skābeklis.