Definicja pojęcia:

oddychanie

Oddychanie, respiracja – proces kataboliczny polegający na rozkładzie substratów organicznych (glukozy, białek lub tłuszczów) do dwutlenku węgla i wody z udziałem tlenu (oddychanie tlenowe) bądź rozkładzie związków organicznych bez udziału tlenu, w którym jako akceptory wodoru wykorzystywane są związki organiczne (fermentacja) lub związki nieorganiczne (oddychanie beztlenowe). Energia wydzielana podczas procesu oddychania magazynowana jest w wysokoenergetycznych wiązaniach ATP (adenozyno-5′-trifosforanu), a pozostała część rozpraszana jest w postaci ciepła.

Oddychanie tlenowe
Oddychanie zewnętrzne
Transport gazów i wewnętrzna wymiana gazowa
Oddychanie komórkowe

Oddychanie tlenowe

Większość organizmów żywych stanowią aeroby (aerobionty, tlenowce) – organizmy uzyskujące energię na drodze utleniania związków organicznych (glukozy, białek lub tłuszczów). Produktami końcowymi procesu oddychania tlenowego jest dwutlenek węgla, woda oraz energia magazynowana w wiązaniach wysokoenergetycznych adenozyno-5′-trifosforanu (ATP).

Wyróżnia się następujące fazy oddychania tlenowego:

oddychanie zewnętrzne – wymiana gazowa pomiędzy organizmem a otaczającym go środowiskiem;
transport tlenu i dwutlenku węgla przez krew;
oddychanie wewnętrzne – wymiana gazowa pomiędzy krwią i tkankami;
oddychanie komórkowe (wewnątrzkomórkowe) – procesy utleniania związków organicznych w tkankach.

Widoczny oddech spowodowany jest skraplaniem się pary wodnej zawartej w wydychanym powietrzu w zetknięciu się z panującą na zewnątrz niską temperaturą. fot. pixabay.com

Oddychanie zewnętrzne

Oddychanie zewnętrzne obejmuje wymianę gazową pomiędzy organizmem a otoczeniem. Proces ten zachodzi na drodze dyfuzji prostej, która zależy od:

różnicy stężeń (ciśnień) gazów oddechowych pomiędzy organizmem a otaczającym go środowiskiem;
łatwości przechodzenia gazów przez warstwę graniczną, na którą wpływa przepuszczalność powłok ciała lub nabłonka narządów oddechowych oraz rozpuszczalność gazów w wodzie;
wielkości powierzchni biorącej udział w wymianie gazowej.

Zwierzęta jednokomórkowe, gąbki, jamochłony, płazińce, obleńce, pierścienice, niektóre mięczaki i stawonogi oraz kilka gatunków kręgowców oddychają całą powierzchnią ciała (oddychanie bezpośrednie); niektóre bezkręgowce (stawonogi, pajęczaki) oraz kręgowce oddychają za pośrednictwem wyspecjalizowanych narządów oddechowych (oddychanie pośrednie). Zwierzęta wodne oddychają za pomocą skrzeli (skorupiaki, ślimaki wodne, małże, głowonogi, bezżuchwowce, ryby i niektóre gatunki płazów). Zwierzęta lądowe oddychają za pomocą tchawek (owady, wije, niektóre roztocza i pająki), płucotchawek (pajęczaki i niektóre owady) oraz płuc (większość płazów, gady, ptaki i ssaki).

Wentylacja narządów oddechowych wspomagana jest ruchy oddechowe, takie jak m.in. pulsujące ruchy odwłoka u stawonogów, ruchy klatki piersiowej u ssaków.

Batrachoseps attenuatus z rodziny bezpłucnikowatych (Plethodontidae), płazów oddychających przez skórę i nabłonek jamy gębowej. Wikimedia.org

Transport gazów i wewnętrzna wymiana gazowa

Wymiana gazowa zachodzi pomiędzy płynami ustrojowymi (hemolimfą bezkręgowców, krwią kręgowców) a komórkami organizmu. Tlen transportowany jest do komórek bezpośrednio bądź za pośrednictwem barwników oddechowych; dwutlenek węgla dyfunduje do płynów ustrojowych i jest następnie wydalany na zewnątrz.

Głównymi barwnikami oddechowymi bezkręgowców są niebieska hemocyjanina (mięczaki, stawonogi – skorupiaki, pajęczaki), różowa hemoerytryna (wieloszczety, sikwiaki, ramienionogi), zielona chlorokruoryna (morskie wieloszczety) oraz czerwona hemoglobina (pijawki, skąposzczety, mięczaki, szkarłupnie). Za transport tlenu u kręgowców odpowiada hemoglobina zlokalizowana w erytrocytach.

Oddychanie komórkowe

Oddychanie komórkowe obejmuje rozkład związków organicznych przy udziale tlenu, w wyniku czego powstaje woda i dwutlenek węgla oraz uwalniana jest energia.

Uproszczony ciąg reakcji dla glukozy można przedstawić równaniem:

Oddychanie komórkowe obejmuje rozkład sacharydów (glukozy), wytwarzanie acetylo-CoA (reakcja pomostowa) i przemiany tego związku w cyklu kwasu cytrynowego, w wyniku czego powstaje uboczny produkt oddychania komórkowego – dwutlenek węgla. Źródłem energii (ATP i ciepła) są reakcje oksydoredukcyjne zachodzące w łańcuchu oddechowym.

Oddychanie komórkowe obejmuje również procesy rozkładu substancji organicznych zachodzących bez udziału tlenu, w których akceptorami wodoru w łańcuchu transportu elektronów są złożone związki organiczne (fermentacja) lub związki nieorganiczne (oddychanie beztlenowe).

Oddychanie komórkowe. Wikimedia.org

Oddychanie beztlenowe jest charakterystyczne dla organizmów żyjących w środowisku pozbawionym tlenu – anaerobów (anaerobiontów, beztlenowców), do których należą bakterie, pierwotniaki, grzyby, bezkręgowce i pasożyty wewnętrzne (np. tasiemce). Tlen w łańcuchu transportu elektronów zastępują proste związki nieorganiczne, takie jak azotany (NO₃⁻), siarczany (SO₄²⁻), związki żelaza lub manganu.

Końcowymi produktami są związki nieorganiczne i energia:

Niektóre bakterie i drożdże żyjące w środowisku stale lub okresowo pozbawionym tlenu wykorzystują trzeci szlak metaboliczny, zwany fermentacją. Końcowymi produktami tego procesu są dwutlenek węgla, energia (ATP) oraz różne związki organiczne:

etanol powstający z węglowodanów pod wpływem działania enzymów wytwarzanych przez drożdże (fermentacja alkoholowa),
kwas mlekowy powstający z węglowodanów w obecności bakterii mlekowych (pałeczek Lactobacillus oraz paciorkowców Lactococcus i Leuconostoc) (fermentacja mlekowa),
kwas masłowy powstający z węglowodanów w obecności bakterii masłowych (laseczek Clostridium) (fermentacja masłowa).

Szlaki beztlenowe są dużo mniej wydajne energetycznie niż szlaki tlenowe. Rozkład jednej cząsteczki glukozy w obecności tlenu generuje zysk energetyczny w postaci 36-38 cząsteczek ATP; w wyniku procesu fermentacji z jednej cząsteczki glukozy powstają tylko 2 cząsteczki ATP.

Dwutlenek węgla powstający jako produkt uboczny fermentacji alkoholowej tworzy pęcherzyki, które w trakcie wypieku zwiększają swą objętość powodując wyrastanie ciasta drożdżowego. Wikimedia.org

Legenda. Pokaż objaśnienia oznaczeń i skrótów