miniatura|400px|Diagrama de l'intercanvi pulmonar de gasos en la respiració. En fisiologia, respiració és un terme que es refereix al transport d'oxigen des de l'aire exterior cap a les cèl·lules dels teixits i el transport de diòxid de carboni en sentit invers. Aquesta definició contrasta amb la definició bioquímica de respiració, que es refereix a la respiració cel·lular: el procés metabòlic per mitjà del qual un organisme obté energia a partir de la reacció de l'oxigen amb la glucosa per formar aigua, diòxid de carboni i ATP (energia). Tot i que la respiració fisiològica és un requeriment indispensable per mantenir la respiració cel·lular (i, per tant, la vida) en els animals, es tracta de processos diferents: la respiració cel·lular es produeix a cadascuna de les cèl·lules de l'animal, mentre que la respiració fisiològica està relacionada amb el flux global i el transport de metabòlits entre l'organisme i el medi extern que l'envolta.
Aquest mecanisme respiratori global està interrelacionat amb una activitat a nivell cel·lular que és imprescindible per obtenir l'energia necessària per viure. Així, la respiració és un procés bioquímic dels éssers vius amb la finalitat d'obtenir energia per poder portar a terme les funcions vitals. Per tant, cal diferenciar aquest mecanisme fonamental de la respiració, que es produeix dins de les cèl·lules (respiració interna), de l'activitat respiratòria general que està al servei d'aquest mecanisme cel·lular (respiració externa).
Segons els diferents hàbitats, els organismes aerobis han desenvolupat diferents sistemes d'intercanvi de gasos: cutani, tràquea, branquial, pulmonar. Consisteix en un intercanvi gasós osmòtic (o per difusió) amb l'entorn en el qual es capta l'oxigen, necessari per a la respiració cel·lular, i s'elimina diòxid de carboni, com a subproducte del metabolisme energètic.
miniatura|Animació dels moviments d'inspiració i expiració; en verd, el diafragma. En fisiologia s'anomena respiració pulmonar, o ventilació pulmonar, el conjunt de processos que fan fluir l'aire entre l'atmosfera i els alvèols pulmonars a través dels actes alternants de la inspiració i l'expiració. La respiració pulmonar és el procés pel qual es renova l'aire que contenen els pulmons. Consta de dues etapes successives: la inspiració i l'expiració provocades pels moviments de la caixa toràcica. Les parts que intervenen en aquesta mecànica són les vies aèries internes, el diafragma, la cavitat toràcica formada per la columna vertebral, l'estèrnum i les costelles, així com la musculatura associada.
Respiració cel·lular
La respiració cel·lular és una reacció química d'oxidació-reducció que fa possible que se subministri l'energia necessària perquè una cèl·lula funcioni. Perquè aquesta reacció sigui possible, calen dos components bàsics: el combustible i el comburent. El combustible pot ser la glucosa, un àcid gras o d'altres molècules orgàniques com aminoàcids o cossos cetònics. En el cas dels éssers humans, i dels animals en general, el carburant s'obté mitjançant la digestió i arriba a les cèl·lules a través del sistema circulatori. En el cas de les plantes, sovint prové de la degradació de la glucosa, sacarosa i midó obtinguts al procés de la fotosíntesi. El comburent habitualment és l'oxigen. En el cas dels éssers humans i en la majoria dels vertebrats, l'oxigen s'extreu de l'aire mitjançant l'acció dels pulmons o de les brànquies i també arriba a les cèl·lules gràcies al transport per la via sanguínia, viatjant fixat en l'hemoglobina que hi ha en els eritròcits (glòbuls vermells). Aquesta reacció produeix dos subproductes: el diòxid de carboni (CO₂), que és evacuat per la circulació sanguínia, per on viatja dissolt en el plasma, i aigua (H₂O).
Tipus + Tipus de respiració per potencial de reducció Tipus de respiració Organismen Reacció "fonamental" Eo' [V] Rendiment energètic Respiració aeròbica Aerobis obligats i facultatius (ex. eucariotes) O₂ → H₂O + 0,82 30 ATPBerg, Stryer, Tymoczko: Biochemie. Spektrum Akademischer Verlag, 2007, Respiració fèrria Aerobis facultatius, anaerobis obligats (ex. desulfuromonadals) Fe3+ → Fe2+ + 0,75 Desnitrificació Aerobis facultatius (ex. Paracoccus denitrificans, Escherichia coli) NO₃- → NO₂- + 0,40 Respiració fumàrica Aerobis facultatius (ex. Escherichia coli) Àcid fumàric → Àcid succínic + 0,03 Desulfuricació Anaerobis obligats (ex. Desulfobacter latus) SO₄2– → HS- - 0,22 Metanogènesi (respiració carbònica) Metanògens i anaerobis obligats (ex. Methanothrix thermophila) CO₂ → CH₄ - 0,25 Respiració sulfúrica Aerobis facultatius i anaerobis obligats (ex. desulfuromonadals) S0 → HS- - 0,27 Acetogènesi (respiració carbònica) Homoacetògens i anaerobis obligats (ex. Acetobacterium woodii) CO₂ → CH₄ - 0,30
Respiració aeròbica
miniatura|Esquema de la respiració aeròbica La respiració aeròbica és un procés metabòlic en el qual els éssers vius extreuen energia de molècules orgàniques, com la glucosa, per un procés complex en el qual el carboni queda oxidat i l'oxigen procedent de l'aire és la substància oxidant. L'oxigen, com molts gasos, travessa sense obstacles les membranes biològiques; primer la membrana plasmàtica i després les membranes mitocondrials.
La respiració aeròbica és el procés actiu en la majoria dels éssers vius, i per aquest motiu se'ls anomena aerobis. En general, és pròpia dels organismes eucariotes i d'alguns tipus de bacteris. Ofereix fins a divuit vegades més energia que processos com la fermentació.
La glucosa és oxidada al citosol de la cèl·lula a àcid pirúvic durant la glicòlisi; l'àcid pirúvic penetra a la matriu mitocondrial on és descarboxilat a acetil coenzim A; aquest ingressa al cicle de Krebs on serà totalment oxidat a CO₂. Els electrons arrencats als substrats durant aquests processos són captats pels coenzims NAD+ i FAD que els conduiran a les crestes mitocondrials, on seran cedits a la cadena transportadora d'electrons, que en últim terme combinarán dos electrons, dos protons i 1/2 O₂ per formar una molècula d'aigua; simultàniament, l'enzim ATP sintasa generarà ATP amb l'energia alliberada en el procés, fenomen conegut com a fosforilació oxidativa.
És aquesta sèrie de reaccions el que es coneix amb el nom de respiració aeròbica. La reacció química global és la següent: C₆ H₁₂ O₆ + 6O₂ 6 CO₂ + 6 H₂O + energia (ATP)
Respiració anaeròbica
En alguns casos, poc habituals, l'oxidant no és l'oxigen i llavors la respiració s'anomena anaeròbica.
La respiració anaeròbica és un procés biològic d'oxidació-reducció d'hidrat de carboni i altres compostos en el qual el receptor terminal d'electrons és una molècula, generalment inorgànica, diferent de l'oxigen. Aquest tipus de respiració el fan exclusivament alguns grups de bacteris.
En la respiració anaeròbica, per tant, no s'usa oxigen i per a la mateixa funció cal una altra substància oxidant, com un sulfat o un nitrat.
En els bacteris amb respiració anaeròbica intervé també una cadena transportadora d'electrons en la qual es tornen a oxidar els coenzims reduïts durant l'oxidació dels substrats nutrients. És un procés anàleg al de la respiració aeròbica, ja que es compon dels mateixos elements (citocroms, quinones, proteïnes ferro-sulfúriques, etc.). L'única diferència és que l'acceptor últim d'electrons no és l'oxigen.
En la respiració anaeròbica tots els possibles acceptors tenen un potencial de reducció menor que el de l'O₂, per la qual cosa, partint dels mateixos substrats (glucosa, aminoàcids, triacilglicerols), es genera menys energia que en la respiració aeròbia convencional.
No s'ha de confondre la respiració anaeròbica amb la fermentació, en la qual no hi ha en absolut cadena de transport d'electrons, i l'acceptor final d'electrons és una molècula orgànica; aquests dos tipus de metabolisme tenen sol en comú el no ser dependents de l'oxigen.
Organismes unicel·lulars Els organismes unicel·lulars en tenen prou amb la simple difusió per dur a terme l'intercanvi de gasos. Aquestes cèl·lules es troben envoltades constantment pel medi extern i els gasos només han de recórrer una curta distància per travessar-les. En canvi, els animals multicel·lulars complexos com els humans presenten una distància molt més gran entre els medis i les cèl·lules més internes, de manera que necessiten un sistema respiratori perquè l'intercanvi de gasos sigui eficaç. El sistema respiratori funciona juntament amb el sistema circulatori, que porta els gasos de i cap als teixits.
Respiració animal Invertebrats Les esponges de mar i les meduses no tenen òrgans especialitzats per a l'intercanvi de gasos i poden prendre directament els gasos de l'aigua que els envolta. Els platihelmints no tenen aparell circulatori ni respiratori; l'oxigen que necessiten per al seu metabolisme es difon a través dels teguments de l'animal que són molt prims.
L'aparell respiratori dels insectes està format per tràquees, una sèrie de tubs buits molt ramificats que en el seu conjunt formen en sistema traqueal; els gasos respiratoris circulen a través d'ell.
Els mol·luscs, en general, tenen brànquies que permeten l'intercanvi d'oxigen d'un entorn aquós incorporant oxigen el sistema circulatori. Tenen un sistema respiratori, en alguns aspectes, similar al dels peixos.
Vertebrats La majoria dels vertebrats tenen pulmons, amb la gran excepció dels peixos que fonamentalment tenen brànquies. En la majoria dels peixos la respiració té lloc a través de les brànquies tot i que els peixos pulmonats tenen un o dos pulmons. La pell és un dels òrgans respiratoris dels amfibis; està molt vascularitzada i constantment humida, amb la humitat mantinguda a través de la secreció de moc per part de cèl·lules especialitzades.
L'estructura anatòmica dels pulmons és menys complexa en els rèptils que en els mamífers. També el sistema respiratori de les aus difereix significativament de la que es troba en els mamífers, amb característiques anatòmiques úniques, com per exemple bosses d'aire; a causa de l'alta taxa metabòlica requerida per al vol, les aus tenen una alta demanda d'oxigen.
Tots els mamífers, inclosos els aquàtics, tenen respiració pulmonar. Es caracteritzen per tenir dos pulmons ben desenvolupats i dividits en lòbuls; els pulmons s'allotgen a la cavitat pleural, i queda delimitada pel diafragma, que és un múscul que amb la seva distensió i contracció, fa possible l'entrada i sortida de gasos. Les vies respiratòries són la tràquea que es bifurca en dos bronquis cada un cap a un pulmó. Aquests es continuen bifurcant en bronquíols i acaba en els alvèols, en la resta d'animals es diuen faveolos. L'intercanvi de gasos (hematosis) es fa en els alvèols. Els alvèols són sacs cecs que estan envoltats de capil·lars sanguinis. L'emissió de sons és possible per la presència de cordes vocals a la laringe. Entre un mamífer i un amfibi de la mateixa mida el primer té 10 vegades més superfície pulmonar.
Òrgan Consum d'oxigen (ml O₂/min per 100 g)Cardiovascular Physiology Concepts > Myocardial Oxygen Demand Richard E. Klabunde, PhD. Cor (en repòs) 8 Cor (exercici intens) 70 Cervell 3 Ronyó 5 Pell 0,2 Múscul esquelètic en repòs 1 Múscul esquelètic en contracció 50 Els vertebrats que respiren aire tenen un cicle respiratori que es compon de quatre etapes:
Ventilació: el moviment de l'aire del medi de i cap als alvèols dels pulmons. Intercanvi de gasos als pulmons: l'intercanvi de gasos entre els alvèols i els capil·lars pulmonars. Transport de gasos: el moviment de gasos als capil·lars pulmonars (mitjançant la circulació) cap als capil·lars perifèrics situats als òrgans, amb el posterior moviment de gasos que tornen als pulmons per la mateixa ruta.
Intercanvi de gasos perifèric: l'intercanvi de gasos entre els capil·lars dels teixits i els teixits o òrgans, que impacta les cèl·lules que els componen i els mitocondris que es troben al seu interior.