Oddychanie to całokształt procesów polegających na wymianie tlenu i dwutlenku węgla pomiędzy otoczeniem a komórkami. Wyróżnić można etapy oddychania:

  1. wymiana gazowa, czyli oddychanie zewnętrzne polegające na pobieraniu tlenu przez płuca, skrzela a u płazów dodatkowo przez skórę i wydalaniu CO2 do otoczenia.
  2. Transport gazów ( O2 i CO2) przez krew
  3. wymiana gazów pomiędzy tkankami a krwią
  4. komórkowe oddychanie, czyli utlenianie w tkankach

Oddychanie zewnętrzne u ssaków polega na pobieraniu powietrza atmosferycznego do płuc poprzez wdech. Następuje wtedy zwiększenie objętości klatki piersiowej poprzez skurcz przepony oraz międzyżebrowych mięśni, co powoduje zmniejszenie ciśnienia wewnątrz płuc i automatyczne wsysanie odpowiedniej porcji powietrza atmosferycznego. W momencie wydechu mięśnie międzyżebrowe oraz przepona rozluźniają się i wypychają powietrze z pęcherzyków płucnych na zewnątrz do atmosfery. Przy spokojnym wydechu 1500ml powietrza może być wydalone, Powietrze oddechowe to objętość, którą pobieramy i wydalamy przy spokojnym oddychaniu, wynosi ona 500 ml. Powietrze uzupełniające to objętość, którą możemy pobrać po spokojnym wydech przez silny wdech, wynosi on 1500ml. Przy częstości 12 oddechów/ minutę objętość powietrza oddechowego wynosi w czasie jednej minuty ok. 6 litrów. W momencie fizycznego wysiłku ta objętość może wzrosnąć do 100 l na minutę, poprzez zwiększenie objętości oddechowej i ilości wdechów i wydechów na minutę. Wysokie stężenie tlenu w płucach powoduje, że dyfunduje on przez cienkie ściany pęcherzyków i naczyń krwionośnych ( w kapilarach powstałych z tętnic płucnych jest niska zawartość tlenu). Tlen wiąże się z hemoglobiną (oksyhemoglobina). Krew bogata w tlen żyłami płucnymi dochodzi do lewego przedsionka. Z prądem krwi tlen dostaje się do narządów w których stężenie tlenu jest bardzo niskie. W tkankach tlen jest odłączany od hemoglobiny i przenika do tkanek przez ścianę włosowatych naczyń, równocześnie CO2 (HCO3) jako produkt metabolizmu przechodzi z tkanek do krwi, łączy się z hemoglobiną (dezoksyhemoglobina), żyłami dostaje się do prawego przedsionka, stąd do prawej komory i tętnicami płucnymi do płuc. Przenika przez cienkie ściany naczyń oplatających pęcherzyki i ściany pęcherzyków płucnych a następnie drogami oddechowymi CO2 jest wydalany. Oddechowy rytm sterowany jest przez ośrodki nerwowe obecne w mózgu, przede wszystkim w rdzeniu przedłużonym. Nerwy przywspółczulne zwierają światło oskrzeli i znoszą napięcie naczyń krwionośnych, natomiast nerwy współczulne rozszerzają światło oskrzeli i kurczą naczynia krwionośne. W momencie wzrostu stężenia CO2 we krwi następuje pobudzenie odpowiednich neuronów, które uruchamiają wdech, natomiast w przypadku obniżenia tego stężenia automatycznie hamuje wspomniane neurony. Jednocześnie w miejscu, gdzie tętnica szyjna się rozgałęzia na wewnętrzną i zewnętrzną obecne są receptory uwrażliwione na stężenie we krwi tlenu, informacje przekazywane są z tych receptorów do rdzenia przedłużonego, który steruje rytmem oddechowym.

Oddychanie komórkowe, czyli biologiczne utlenianie zachodzi w każdej żywej komórce. Są to procesy polegające na rozkładaniu wszelkich substancji organicznych, które dostarczają niezbędną do życia energię. Zewnętrznie oddychanie komórkowe możemy zaobserwować poprzez pobieranie tlenu i wydalanie dwutlenku węgla, a także wydzielanie energii w postaci ciepła. Oddychanie komórkowe zachodzi u roślin, zwierząt, grzybów, pierwotniaków i drobnoustrojów tlenowych: aerobiontów. U jego podstaw leżą procesy kataboliczne, jak: rozkład sacharydów- czyli fazy glikolizy lub alkoholowej fermentacji lub tłuszczowców w procesie β- oksydacji Knoopa, wymienione procesy przebiegają w cytoplazmie komórki. W mitochondriach odbywają się przemiany w cyklu Krebsa, gdzie przyłączany jest acetylo- koenzym a ubocznym produktem przemian jest dwutlenek węgla. W łańcuchu oddechowym zachodzi szereg reakcji osydo- redukcyjnych, redukcji pobranego tlenu do wody przez wodór. Wędrujące w łańcuchu elektrony wyzwalają energię magazynowaną następnie w ATP. W momencie, kiedy rozkład substancji organicznych zachodzi bez udziału tlenu mamy do czynienia z fermentacją. W Osydo-redukcyjnych reakcjach akceptorami końcowymi wodoru zamiast tlenu są wtedy organiczne kwasy, lub nieorganiczne związki, jak azotany, siarczany i inne. Wspomniane utlenianie jest właściwe dla anaerobiontów, organizmów beztlenowych i jest to oddychanie komórkowe beztlenowe. Największy zysk energetyczny uzyskuje się w tlenowym oddychaniu komórkowym, następnie w oddychaniu z akceptorami wodoru nieorganicznymi, a najmniejszy w czasie fermentacji. Oddychanie komórkowe stanowi wtórny proces dostarczania energii. Energia wcześniej nagromadzona podczas fotosyntezy i chemosyntezy, jak np. glukoza jest wykorzystywana do oddychania komórkowego, który stanowi wtórny proces dostarczania energii.

CYKL KREBSA (cykl kwasów trójkarboksylowych, cykl kwasu cytrynowego) to wieloetapowy kołowy ciąg reakcji enzymatycznych zachodzący w matriks mitochondriów. Jest on podstawą oddychania komórkowego przy udziale tlenu. Wytwarzany w czasie glikolizy z pirogronianu, a także z tłuszczowców i aminokwasów czynny kwas octowy, czyli acetylo- CoA przyłącza się do cyklu Krebsa. Następuje wtedy jego kondensacja z cząsteczką szczawiooctanu, wynikiem czego jest utworzenie kwasu cytrynowego. W wyniku dalszych przemian (szczawiobursztynian-> kw. Α- ketoglutarowy-> bursztynian-> fumaran-> jabłczan-> szczawiooctan) powstaje dwutlenek węgla oraz niewielka ilość ATP w czasie fosforylacji substratowej. Octan ulega przemianie do dwutlenku węgla i atomów wodoru w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazy i dekarboksylazy:

CH3COOH+ 2H2O-> 2CO2+ 4H2

Atomy wodoru są następnie przenoszone na tlen w oddechowym łańcuchu tworząc w etapie końcowym 4 H2O.

W cyklu Krebsa wytwarzana jest niewielka ilość ATP, jednak najistotniejsze są tu reakcje Osydo- redukcyjne, w wyniku których tworzą się pary protonowo- elektronowe przyłączone do NAD i FAD. Są one następnie wykorzystywane do tworzenia ATP w dalszym etapie oddychania. W czasie cyklu Krebsa rozkładane są sacharydy, tłuszczowce, aminokwasy. Cykl ten jest źródłem związków do resyntezy wspomnianych cząsteczek i do biosyntezy innych składników komórki, jak np. pirymidyn, czy porfiryn

GLIKOLIZA jest procesem przemian glukozy do pirogronianu. W środowisku beztlenowym dochodzi do fermentacji, czyli przemian glukozy do kwasu mlekowego, lub do etanolu. Glikoliza dostarcza organizmom zwierzęcym i roślinny cennej energii zmagazynowanej w ATP, a także dostarcza ona niezbędne substraty dalszych przemian. Schemat reakcji, które zachodzą podczas procesu glikolizy po raz pierwszy podali O. Meyerhof, G. Embden i J. Parnas. Pierwsze etapy glikolizy stanowią fosforylacja glukozy lub innych związków sześciowęglowych oraz przekształcenie do glukozo- 6- fosforanu. Reakcja ta jest katalizowana przez heksokinazę, ATP bierze w tej reakcji udział jako substrat. Glukozo- 6- fosforan jest przekształcany do fruktozo- 6- fosforanu w odwracalnej reakcji katalizowanej przez izomerazę heksofosforanową. Fruktozo- 6- fosforan jest następnie fosforyzowany do fruktozo- 1,6- bifosforanu. Głównym enzymem odpowiedzialnym za tę fosforylację jest ATP- fosfofruktokinaza. W następnych reakcjach szlaku glikolitycznego fruktozo- 1,6- bifosforan zostaje rozszczepiony przez aldolazę do aldehydu- 3- fosfoglicerynowego i fosfodihydroksyacetonu. Drugi etap glikolizy dostarcza energii w postaci NADH i ATP. Aldehyd- 3- fosfoglicerynowy w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę do 1,3- bifosfoglicerynianu, a następnie w katalizowanej przez kinazę reakcji do 3- fosfoglicerynianu. Ostatni etap glikolizy rozpoczyna się dwiema, następującymi po sobie reakcjami, w których kolejno grupa fosforanowa zostaje przeniesiona z C3 na C2 fosfoglicerynianu a powstały 2- fosfoglicerynian ulega przekształceniu w fosfoenolopirogronian, a następnie jest on przekształcany do pirogronianu. W pierwszej fazie glikolizy z 1 cząsteczki glukozy powstają dwie cząsteczki aldehydu 3- fosfoglicerynowego. Podczas ich utleniania do pirogronianu zachodzi fosforylacja 4 cząsteczek ADP do ATP. Jeśli uwzględnić użycie dwóch cząsteczek ATP potrzebnych do wstępnej fosforylacji glukozy, okazuje się, że utlenienie jednej cząsteczki heksozy w procesie glikolizy dostarcza netto 2 cząsteczek ATP.

Powstały w glikolizie pirogronianu ulega wielu różnym przemianom, w warunkach beztlenowych (często obserwowane podczas pracy mięśni, gdy następuje spadek stężenia tlenu) ulega on redukcji do mleczanu przy udziale dehydrogenazy mleczajowej i NADH+, który utlenia się do NAD+. Pirogronianu pod wpływem enzymów zawartych w drożdżach, w beztlenowych warunkach ulega przemianie w etylen i dwutlenek węgla, jest to fermentacja alkoholowa. Natomiast w warunkach tlenowych kwas pirogronowy bierze udział w początkowej fazie cyklu Krebsa.

FERMENTACJA ALKOHOLOWA, jest procesem enzymatycznym rozkładu beztlenowego heksoz na etylen i dwutlenek węgla. Dostarcza ona także energii zmagazynowanej w ATP (adenozynotrójfosforanie) roślinom i drobnoustrojom.

C6H12O6+ 2ADP+ 2Pn-> 2C2H5OH+ 2CO2+ 2ATP (Pn-> nieorganiczny fosforan)

W pierwszym etapie alkoholowej fermentacji Skrobia, czy inne heksozy przekształcane są w fruktozo- 1,6- bifosforan przy udziale 1 lub 2 cząst. ATP. W drugiej fazie powstaje pirogronianu, a w trzeciej tworzenie aldehydu octowego poprzez odłączenie od pirogronianu cząsteczki CO2. Aldehyd ten ulega redukcji przy udziale NADH2 do etylenu. U zwierząt pirogronian redukuje się do mleczanu (glikoliza) a w obecności tlenu trzeci etap ulega zahamowaniu i następuje zwolnienie całego procesu- Efekt Pasteura. Fermentacja alkoholowa przeprowadzana jest w celach produkcyjnych przez drożdże (napoje alkoholowe, wypieki, ciasta)

Fermentacja jako procesy enzymatyczne stopniowego rozkładu organicznych związków przebiega bez udziału tlenu. Zachodzi ona w wielu organizmach: fermentacja przez drobnoustroje związków: sacharydów, aminokwasów, związków heterocyklicznych. Produkty końcowe fermentacji sacharydów są bardzo różna, w momencie, gdy etapy pośrednie mogą być jednakowe. Produkty fermentacji sacharydów: mleczan, octan, kwas masłowy, alkohole (etylowy, butylowy), glicerol. Proces fermentacji wykorzystywany jest w celach produkcji artykułów spożywczych, konserwowania pasz, oczyszczania biologicznego ścieków. Jest przypuszczalnym, że źródłem energii u organizmów pierwotnych była właśnie fermentacja, jest to związanie z ówczesnym brakiem tlenu w atmosferze.

FERMENTACJA MLEKOWA jest procesem beztlenowym polegającym na enzymatycznym rozkładzie sacharydów na mleczan (fermentacja właściwa), czasem także z domieszką ubocznych produktów, jak octan, bursztynian, etanol, woda, dwutlenek węgla (fermentacja mlekowa rzekoma). Proces fermentacji mlekowej stosowany jest w zakiszaniu pasz, w produkcji spożywczej.