Pernafasan adalah proses di mana organisme bertukar gas di antara mereka sel-sel tubuh dan lingkungan. Dari bakteri prokariotik dan arkeans untuk eukariotik protista, jamur, tanaman, dan binatang, semua organisme hidup menjalani respirasi. Respirasi dapat merujuk pada salah satu dari tiga elemen proses.
Pertama, respirasi dapat merujuk pada respirasi eksternal atau proses pernapasan (inhalasi dan pernafasan), juga disebut ventilasi. Kedua, respirasi dapat merujuk pada respirasi internal, yaitu difusi gas antara cairan tubuh (darah dan cairan interstitial) dan tisu. Akhirnya, respirasi dapat merujuk pada proses metabolisme mengubah energi yang tersimpan di molekul biologis untuk energi yang dapat digunakan dalam bentuk ATP. Proses ini mungkin melibatkan konsumsi oksigen dan produksi karbon dioksida, seperti yang terlihat pada aerob respirasi sel, atau mungkin tidak melibatkan konsumsi oksigen, seperti dalam kasus respirasi anaerob.
Salah satu metode untuk mendapatkan oksigen dari lingkungan adalah melalui pernapasan eksternal atau pernapasan. Pada organisme hewan, proses respirasi eksternal dilakukan dengan sejumlah cara berbeda. Hewan yang kurang terspesialisasi
organ untuk respirasi bergantung pada difusi di permukaan jaringan eksternal untuk mendapatkan oksigen. Lainnya memiliki organ khusus untuk pertukaran gas atau memiliki lengkap sistem pernapasan. Pada organisme seperti nematoda (cacing gelang), gas dan nutrisi dipertukarkan dengan lingkungan eksternal dengan difusi di seluruh permukaan tubuh hewan. Serangga dan laba-laba memiliki organ pernapasan disebut trakea, sementara ikan memiliki insang sebagai tempat pertukaran gas.Manusia dan lainnya mamalia memiliki sistem pernapasan dengan organ pernapasan khusus (paru-paru) dan jaringan. Di dalam tubuh manusia, oksigen dibawa ke paru-paru melalui inhalasi dan karbon dioksida dikeluarkan dari paru-paru melalui pernafasan. Respirasi eksternal pada mamalia meliputi proses mekanis yang berkaitan dengan pernapasan. Ini termasuk kontraksi dan relaksasi diafragma dan aksesori otot, serta laju pernapasan.
Proses pernapasan eksternal menjelaskan bagaimana oksigen diperoleh, tetapi bagaimana oksigen mencapai sel-sel tubuh? Pernafasan internal melibatkan pengangkutan gas antara darah dan jaringan tubuh. Oksigen di dalam paru-paru berdifusi melintasi tipis epitel alveoli paru-paru (kantung udara) ke sekitarnya kapiler mengandung oksigen darah yang terkuras. Pada saat yang sama, karbon dioksida berdifusi ke arah yang berlawanan (dari darah ke alveoli paru-paru) dan dikeluarkan. Darah kaya oksigen diangkut oleh sistem sirkulasi dari kapiler paru ke sel dan jaringan tubuh. Sementara oksigen dijatuhkan di sel, karbon dioksida diambil dan diangkut dari sel-sel jaringan ke paru-paru.
Oksigen yang diperoleh dari respirasi internal digunakan oleh sel di respirasi sel. Untuk mengakses energi yang tersimpan dalam makanan yang kita makan, molekul biologis menyusun makanan (karbohidrat, protein, dll.) harus dipecah menjadi bentuk yang dapat digunakan tubuh. Ini dicapai melalui proses pencernaan di mana makanan dipecah dan nutrisi diserap ke dalam darah. Saat darah diedarkan ke seluruh tubuh, nutrisi diangkut ke sel-sel tubuh. Dalam respirasi sel, glukosa yang diperoleh dari pencernaan dibagi menjadi bagian-bagian penyusunnya untuk produksi energi. Melalui serangkaian langkah, glukosa dan oksigen dikonversi menjadi karbon dioksida (CO2), air (H2O), dan molekul energi tinggi adenosin trifosfat (ATP). Karbon dioksida dan air yang terbentuk dalam proses berdifusi ke dalam cairan interstitial yang mengelilingi sel. Dari sana, CO2 berdifusi menjadi plasma darah dan sel darah merah. ATP yang dihasilkan dalam proses menyediakan energi yang dibutuhkan untuk melakukan fungsi seluler normal, seperti sintesis makromolekul, kontraksi otot, silia dan flagela gerakan, dan pembelahan sel.
Secara total, 38 molekul ATP diproduksi oleh prokariota dalam oksidasi molekul glukosa tunggal. Jumlah ini dikurangi menjadi 36 molekul ATP dalam eukariota, karena dua ATP dikonsumsi dalam transfer NADH ke mitokondria.
Respirasi aerobik hanya terjadi di hadapan oksigen. Ketika pasokan oksigen rendah, hanya sejumlah kecil ATP yang dapat dihasilkan dalam sel sitoplasma oleh glikolisis. Meskipun piruvat tidak dapat memasuki siklus Krebs atau rantai transpor elektron tanpa oksigen, piruvat masih dapat digunakan untuk menghasilkan ATP tambahan melalui fermentasi. Fermentasi adalah jenis lain dari respirasi sel, suatu proses kimiawi untuk gangguan karbohidrat menjadi senyawa yang lebih kecil untuk produksi ATP. Dibandingkan dengan respirasi aerobik, hanya sejumlah kecil ATP yang diproduksi dalam fermentasi. Ini karena glukosa hanya dipecah sebagian. Beberapa organisme adalah anaerob fakultatif dan dapat memanfaatkan fermentasi (ketika oksigen rendah atau tidak tersedia) dan respirasi aerobik (ketika oksigen tersedia). Dua jenis fermentasi yang umum adalah fermentasi asam laktat dan fermentasi alkohol (etanol). Glikolisis adalah tahap pertama dalam setiap proses.
Dalam fermentasi asam laktat, NADH, piruvat, dan ATP diproduksi oleh glikolisis. NADH kemudian dikonversi menjadi bentuk energi rendah NAD+, sedangkan piruvat dikonversi menjadi laktat. NAD+ didaur ulang kembali menjadi glikolisis untuk menghasilkan lebih banyak piruvat dan ATP. Fermentasi asam laktat biasanya dilakukan oleh otot Sel-sel ketika kadar oksigen habis. Laktat dikonversi menjadi asam laktat yang dapat terakumulasi pada tingkat tinggi dalam sel otot selama latihan. Asam laktat meningkatkan keasaman otot dan menyebabkan sensasi terbakar yang terjadi selama aktivitas ekstrem. Setelah kadar oksigen normal dipulihkan, piruvat dapat memasuki respirasi aerobik dan lebih banyak energi dapat dihasilkan untuk membantu pemulihan. Peningkatan aliran darah membantu mengantarkan oksigen ke dan mengeluarkan asam laktat dari sel-sel otot.
Dalam fermentasi alkohol, piruvat dikonversi menjadi etanol dan CO2. NAD+ juga dihasilkan dalam konversi dan didaur ulang kembali menjadi glikolisis untuk menghasilkan lebih banyak molekul ATP. Fermentasi alkohol dilakukan oleh tanaman, ragi, dan beberapa spesies bakteri. Proses ini digunakan dalam produksi minuman beralkohol, bahan bakar, dan makanan yang dipanggang.
Bagaimana ekstrofil seperti beberapa bakteri dan arkeans bertahan hidup di lingkungan tanpa oksigen? Jawabannya adalah dengan respirasi anaerob. Jenis respirasi ini terjadi tanpa oksigen dan melibatkan konsumsi molekul lain (nitrat, belerang, besi, karbon dioksida, dll.) Alih-alih oksigen. Tidak seperti dalam fermentasi, respirasi anaerobik melibatkan pembentukan gradien elektrokimia oleh sistem transpor elektron yang menghasilkan produksi sejumlah molekul ATP. Tidak seperti pada respirasi aerobik, penerima elektron akhir adalah molekul selain oksigen. Banyak organisme anaerob adalah anaerob obligat; mereka tidak melakukan fosforilasi oksidatif dan mati di hadapan oksigen. Lainnya adalah anaerob fakultatif dan juga dapat melakukan respirasi aerobik ketika oksigen tersedia.