呼吸类型：外部和内部

外呼吸

从环境中获取氧气的一种方法是通过外部呼吸或呼吸。在动物有机体中，外部呼吸的过程以多种不同的方式进行。缺乏专门呼吸器官的动物依靠在外部组织表面扩散来获得氧气。其他人要么有专门用于气体交换的器官，要么有完整的呼吸系统。在线虫（蛔虫）等生物中，气体和营养物质通过动物身体表面的扩散与外部环境交换。昆虫和蜘蛛有一种叫做气管的呼吸器官，而鱼有鳃作为气体交换的场所。

人类和其他哺乳动物的呼吸系统有专门的呼吸器官（肺）和组织。在人体内，氧气通过吸入进入肺部，二氧化碳通过呼气从肺部排出。哺乳动物的外部呼吸包括与呼吸有关的机械过程。这包括横膈膜和副肌肉的收缩和放松，以及呼吸频率。

内呼吸

外部呼吸过程解释了氧气是如何获得的，但氧气是如何到达人体细胞的呢？内部呼吸包括血液和身体组织之间的气体输送。肺内的氧气通过肺泡（气囊）的薄上皮扩散到周围含有缺氧血液的毛细血管中。同时，二氧化碳向相反方向扩散（从血液到肺泡）并被排出。富氧血液由循环系统从肺毛细血管输送到身体细胞和组织。当氧气从细胞中排出时，二氧化碳被吸收并从组织细胞输送到肺部。

细胞呼吸

从内部呼吸获得的氧气被细胞用于细胞呼吸。为了获取储存在我们所吃食物中的能量，组成食物的生物分子（碳水化合物、蛋白质等）必须被分解成身体可以利用的形式。这是通过消化过程完成的，食物在消化过程中被分解，营养物质被吸收到血液中。当血液在全身循环时，营养物质被输送到身体细胞。在细胞呼吸中，从消化中获得的葡萄糖被分解为其组成部分，用于产生能量。通过一系列步骤，葡萄糖和氧气被转化为二氧化碳（CO2）、水（H2O）和高能分子三磷酸腺苷（ATP）。在此过程中形成的二氧化碳和水扩散到细胞周围的间隙液中。二氧化碳从那里扩散到血浆和红细胞中。在此过程中产生的ATP提供正常细胞功能所需的能量，如大分子合成、肌肉收缩、纤毛和鞭毛运动以及细胞分裂。

有氧呼吸

有氧细胞呼吸包括三个阶段：糖酵解、柠檬酸循环（Krebs循环）和氧化磷酸化的电子传递。

• 糖酵解发生在细胞质中，涉及葡萄糖氧化或分解为丙酮酸。糖酵解过程中还产生两个ATP分子和两个高能NADH分子。在有氧的情况下，丙酮酸进入细胞线粒体的内基质，并在Krebs循环中进一步氧化。
• 克雷布斯循环：在这个循环中产生了两个额外的ATP分子，以及二氧化碳、额外的质子和电子，以及高能分子NADH和FADH2。在Krebs循环中产生的电子穿过将线粒体基质（内室）与膜间空间（外室）分开的内膜（嵴）褶皱。这就产生了一个电梯度，这有助于电子传输链将氢质子泵出基体并进入膜间空间。
• 电子传递链是线粒体内膜内的一系列电子载体蛋白复合物。在Krebs循环中产生的NADH和FADH2在电子传输链中传递能量，将质子和电子传输到膜间空间。蛋白质复合物ATP合成酶利用膜间空间中高浓度的氢质子将质子转运回基质。这为ADP磷酸化为ATP提供了能量。电子传递和氧化磷酸化是34个ATP分子形成的原因。

原核生物在氧化单个葡萄糖分子的过程中总共产生38个ATP分子。在真核生物中，这一数目减少到36个ATP分子，因为NADH转移到线粒体时消耗了两个ATP。

发酵

有氧呼吸只发生在有氧的情况下。当供氧不足时，糖酵解只能在细胞质中产生少量ATP。虽然丙酮酸在没有氧气的情况下不能进入Krebs循环或电子传递链，但它仍然可以通过发酵产生额外的ATP。发酵是另一种细胞呼吸，一种将碳水化合物分解成更小的化合物以产生ATP的化学过程。与有氧呼吸相比，发酵过程中仅产生少量ATP。这是因为葡萄糖只被部分分解。有些生物体是兼性厌氧菌，可以利用发酵（氧气不足或不可用时）和有氧呼吸（氧气可用时）。两种常见的发酵类型是乳酸发酵和酒精（乙醇）发酵。糖酵解是每个过程的第一阶段。

乳酸发酵

在乳酸发酵中，NADH、丙酮酸和ATP通过糖酵解产生。然后NADH转化为低能形式NAD+，而丙酮酸转化为乳酸。NAD+被循环回糖酵解以产生更多丙酮酸和ATP。乳酸发酵通常在氧气耗尽时由肌肉细胞进行。乳酸转化为乳酸，在运动过程中，乳酸会在肌肉细胞中大量积累。乳酸会增加肌肉酸度，并在极度劳累时引起灼热感。一旦恢复正常的氧气水平，丙酮酸可以进入有氧呼吸，产生更多的能量来帮助恢复。增加的血流量有助于向肌肉细胞输送氧气和清除乳酸。

酒精发酵

在酒精发酵中，丙酮酸转化为乙醇和二氧化碳。NAD+也在转化过程中生成，并被循环回糖酵解过程中，以产生更多的ATP分子。酒精发酵是由植物、酵母和某些种类的细菌进行的。该工艺用于酒精饮料、燃料和烘焙食品的生产。

无氧呼吸

像某些细菌和古生菌这样的极端微生物如何在无氧环境中生存？答案是无氧呼吸。这种类型的呼吸在没有氧气的情况下发生，涉及到消耗另一种分子（硝酸盐、硫、铁、二氧化碳等）而不是氧气。与发酵不同，厌氧呼吸通过电子传输系统形成电化学梯度，从而产生大量ATP分子。与有氧呼吸不同，最终的电子受体是氧以外的分子。许多厌氧生物是专性厌氧菌；它们不进行氧化磷酸化，在有氧的情况下死亡。其他的是兼性厌氧菌，在有氧气的情况下也可以进行有氧呼吸。

来源

• “肺是如何工作的”，美国卫生和公共服务部国家心肺和血液研究所，。
• 洛迪什，哈维。“电子传递和氧化磷酸化”，《当前神经学和神经科学报告》，美国国家医学图书馆，1970年1月1日。
• 奥伦，亚哈龙。“无氧呼吸”，《加拿大化学工程杂志》，Wiley Blackwell，2009年9月15日。