Respiraţie

Metabolism respirator aerob

Respirația este un proces biochimic al metabolismului energetic al organismelor aerobe și anaerobe , prin care oxidarea compușilor organici este completată cu reducerea sau adăugarea de electroni la oxigenul elementar în ceea ce privește procesele de respirație aerobă sau la un alt compus sau element în ceea ce privește procesele de fermentație și respirație anaerobă , de exemplu folosind NO ₃ ^- , SO ₄ ^2- sau CO ₂ ^2- ^[1] ca acceptori finali de electroni.

Metabolismul energiei aerobe consumă oxigen și produce dioxid de carbon (denumit în mod obișnuit dioxid de carbon ). În fiziologie înțelegem, prin respirație, și funcția biologică a schimbului de gaze între organism și mediul extern, cu absorbție de oxigen și emisie de dioxid de carbon. În acest sens, se face distincția între respirația celulară , care se referă la procesul biochimic, și respirația externă , care se referă în schimb la funcția biologică a schimbului de gaze.

Respirație celulară

Același subiect în detaliu: Respirație Anaerobă , Fermentare și Respirație celulară .

Respirația celulară face posibilă obținerea de molecule de energie ( ATP ) și căldură din carbohidrați , lipide sau alți metaboliți . De exemplu, pornind de la un mol de glucoză și șase moli de oxigen, se obțin șase moli de CO ₂ , șase moli de H ₂ O și 686 kcal, din care 40% se transformă în ATP (266 kcal sau 38 moli de ATP) . Acest lucru se întâmplă în două etape:

anaerobă sau faza extramitochondrial ( glicoliza ) (în absența O _2);
faza aerobă sau mitocondrială (în prezența O ₂ ), care la rândul său este împărțită în ciclul Krebs și lanțul citocromatic .

Organele respiratorii din regnul animal

Schimb pulmonar de gaze

Există numeroase modalități prin care oxigenul se difuzează în țesuturi. Schimbul de gaze poate avea loc intern către individ sau în apropierea suprafeței sale externe. În general, cu cât nivelul metabolic și complexitatea animalului sunt mai ridicate, cu atât respirația tinde să fie mai internă. Mărimea joacă, de asemenea, un rol în tipul de respirație, dimensiunea mai mică poate fi asociată cu respirația cu difuzie epidermică sau traheală.

Schimb direct

„Schimbul direct” este un proces care nu este mediat de anumite structuri de respirație, care are loc prin intermediul epidermei. Când animalul are dimensiuni mici, oxigenul se poate difuza liber în țesuturi, ajungând la toate celulele individului într-un timp foarte scurt. Un exemplu tipic de animale cu schimb direct sunt viermii plati (viermi plati) sau poriferele (buretii).

Perfuzie

Mecanismul respirator de perfuzie este mediat de un sistem circulator, deși unul ușor. Apare prin epidermă ca schimb direct, dar oxigenul este transportat mai adânc de sistemul circulator care alimentează toate celulele individului cu O ₂ , schimbându-l cu dioxid de carbon (CO ₂ ).

Schimb prin trahee

Schimbul prin trahee este o particularitate a insectelor . Este un sistem de respirație foarte eficient, dar necesită dimensiuni foarte mici datorită legilor de difuzie a gazelor care limitează ratele de schimb ale gazelor. Insectele au pe suprafața lor o serie de deschideri numite spirale. Spiralele au un mecanism de deschidere-închidere care permite insectei să nu disperseze umiditatea și căldura internă atunci când nu este necesar. Când insecta este în repaus spiraculele sunt închise și individul se află într-o stare de „apnee”. Când insecta este în mișcare, spiraculele sunt deschise și permit aerului să treacă prin trahee până la sacii de aer și traheolele. Traheele pătrund adânc în insectă și răspândesc oxigenul în toate țesuturile. Sacii de aer sunt o schiță rudimentară a protopolmonului, sunt dispuși liniar de-a lungul insectei și au aceeași funcție ca și traheele. Acest tip de respirație alternativă a insectelor se numește „respirație ciclică”.

Branchial

Dintre mulți, găsim pești , crustacei și câțiva amfibieni care respiră cu branhiile. Brăncile pot fi externe i, cum ar fi de ex. la unii amfibieni neotenici sau interni la crustacei. Compuse în osteichthyes și în filamente branhiale foarte vascularizate, branhiile utilizează un mecanism de schimb de gaze numit „schimb de contracurent”. Peștii înoată cu gura deschisă, lăsând apa să curgă prin filamentele branhiale în direcția opusă direcției circulatorii. În acest fel, schimbul de gaze este foarte eficient, permițând gradul maxim de oxigenare a sângelui. În ceea ce privește branhiile crustaceelor, acestea nu au posibilitatea de a efectua schimbul de contracurent. Brăncile interne sunt mai puțin eficiente în schimbul de gaze decât branhiile externe într-un mediu apos, însă permit o respirație minimă chiar și în mediul terestru.

Respirație mixtă (presiune epitelial-pulmonară sau pozitivă)

Acest tip de respirație este tipic pentru amfibieni precum broaștele. Respirația pulmonară nu este încă suficient de eficientă pentru a satisface pe deplin nevoia animalului de oxigen și, prin urmare, este completată de respirația epitelială. Epiteliul amfibienilor este foarte vascularizat, subțire și acoperit cu mucus pentru a promova difuzia oxigenului prin țesuturi. În ceea ce privește respirația pulmonară sau cu presiune pozitivă, aerul este făcut să intre în cavitatea gurii și apoi este împins, prin ridicarea palatului, în plămâni. Odată ce schimbul pulmonar a fost efectuat, amfibianul își redeschide gura, provocând plămânii să „se dezumfle” și să elibereze dioxid de carbon.

Presiune negativa

Același subiect în detaliu: Ventilația (fiziologie) .

Mecanismul respirator

Respirația prin presiune negativă este prezentă în majoritatea organismelor vertebrate , cum ar fi reptilele și mamiferele . Asigură furnizarea de aer bogat în O ₂ către alveolele pulmonare și eliberarea aerului bogat în CO ₂ către exterior prin creșterea volumului cutiei toracice, ceea ce determină o reducere a presiunii în interiorul plămânilor și a intrării aerului prin gradientul de presiune.

Stimuli și mușchi implicați în respirația cu presiune negativă

Același subiect în detaliu: Controlul respirației .

Un stimul nervos mereu prezent începe de la centrele respiratorii situate în trunchiul creierului (bulb și pons) care, prin căile nervoase motorii, induce contracția mușchilor inspiratori (diafragmă, scalen, intercostali externi), care determină creșterea volumului a cuștii toracice și, în consecință, o presiune negativă intratoracică;
Aerul inspirat se deplasează prin căile respiratorii (pasaje nazale, nazofaringe, laringe, trahee, bronhii în ordine succesivă) până la alveolele pulmonare , unde au loc schimburi de gaze;
În alveolele pulmonare, datorită unui fenomen de difuzie, O ₂ trece din aer în sânge și CO ₂ din sânge în aer. Alveolele pulmonare la adulți sunt de aproximativ 300 de milioane și au o suprafață totală de schimb între 70 și 100 m².
Odată ce plămânii au atins expansiunea maximă, centrele nervoase prezente pe suprafața exterioară a acestora induc blocarea stimulului de către trunchiul cerebral, provocând astfel coborârea cutiei toracice și ridicarea diafragmei.

Inhalare dublă

Este un mecanism respirator tipic păsărilor . Inhalarea dublă este un proces de respirație care implică două cicluri de respirație. Păsările au un sistem respirator alcătuit dintr-un laringe, saci de aer posteriori, plămâni, saci de aer anteriori și din nou laringele. Primul ciclu inspirator împinge aerul din laringe în sacii de aer posteriori și ulterior în partea inferioară a plămânilor, unde au loc primele schimburi de gaze. Al doilea ciclu inspirator aduce aerul din partea inferioară a plămânilor, unde se finalizează schimburile de gaze, în partea superioară a plămânilor și în cele din urmă în sacii aerieni anteriori. Din sacii aerieni anteriori aerul este eliminat în cele din urmă spre exterior prin laringe, finalizând al doilea ciclu respirator.