Andning är den process där organismer utbyter gaser mellan dem kroppens celler och miljön. Från prokaryota bakterier och archaeans till eukaryota protister, svampar, växter, och djur, alla levande organismer genomgår andning. Andning kan hänvisa till något av de tre delarna i processen.
Först, andning kan hänvisa till extern andning eller andningsprocessen (inandning och utandning), även kallad ventilation. För det andra, andning kan hänvisa till intern andning, som är diffusion av gaser mellan kroppsvätskor (blod och mellanliggande vätska) och vävnader. Till sist, andning kan hänvisa till de metaboliska processerna för att konvertera energin lagrad i biologiska molekyler till användbar energi i form av ATP. Denna process kan involvera konsumtion av syre och produktion av koldioxid, sett i aerob cellandningen, eller kanske inte innebär konsumtion av syre, som i fallet med anaerob andning.
En metod för att erhålla syre från miljön är genom yttre andning eller andning. I djurorganismer utförs processen för yttre andning på ett antal olika sätt. Djur som saknar specialitet
organ för andning lita på diffusion över yttre vävnadsytor för att få syre. Andra har antingen organ specialiserade för gasutbyte eller har en komplett Andningssystem. I organismer som nematoder (rundmaskar), gaser och näringsämnen byts ut med den yttre miljön genom diffusion över djurkroppens yta. Insekter och spindlar ha andningsorgan kallas tracheae, medan fiskar har gälar som platser för gasutbyte.Människor och andra däggdjur har ett andningsorgan med specialiserade andningsorgan (lungor) och vävnader. I människokroppen tas syre in i lungorna genom inandning och koldioxid utvisas från lungorna genom utandning. Extern andning hos däggdjur omfattar mekaniska processer relaterade till andning. Detta inkluderar sammandragning och avkoppling av membranet och tillbehöret muskler, samt andningsfrekvens.
Externa andningsförfaranden förklarar hur syre erhålls, men hur kommer syre till kroppens celler? Intern andning innebär transport av gaser mellan blod och kroppsvävnader. Syre inom lungor diffunderar över det tunna epitel av lungalveoler (luftsäckar) i omgivningen kapillärer som innehåller syreutarmat blod. Samtidigt diffunderar koldioxid i motsatt riktning (från blodet till lungalveoler) och förvisas. Syrerikt blod transporteras av cirkulationssystem från lungkapillärer till kroppsceller och vävnader. Medan syre tappas av vid celler, plockas upp koldioxid och transporteras från vävnadsceller till lungorna.
Syre som erhålls från intern andning används av celler i cellandningen. För att få tillgång till energin lagrad i livsmedel vi äter, biologiska molekyler som består livsmedel (kolhydrater, proteiner, etc,) måste delas upp i former som kroppen kan använda. Detta uppnås genom matsmältningsprocess där maten bryts ned och näringsämnen tas upp i blodet. När blodet cirkuleras över kroppen transporteras näringsämnen till kroppens celler. Vid cellulär andning delas glukos som erhållits från matsmältningen upp i dess beståndsdelar för produktion av energi. Genom en serie steg omvandlas glukos och syre till koldioxid (CO)2), vatten (H2O), och adenotintrifosfat (ATP) med hög energi. Koldioxid och vatten som bildas i processen diffunderar i den mellanliggande vätskan som omger cellerna. Därifrån CO2 diffunderar i blodplasma och röda blodceller. ATP som genereras i processen tillhandahåller den energi som behövs för att utföra normala cellfunktioner, såsom makromolekylsyntes, muskelkontraktion, cilia och flagella rörelse och celldelning.
Totalt produceras 38 ATP-molekyler av prokaryoter vid oxidation av en enda glukosmolekyl. Detta antal reduceras till 36 ATP-molekyler i eukaryoter, eftersom två ATP konsumeras vid överföringen av NADH till mitokondrier.
Aerob andning förekommer endast i närvaro av syre. När syretillförseln är låg kan endast en liten mängd ATP genereras i cellen cytoplasman genom glykolys. Även om pyruvat inte kan komma in i Krebs-cykeln eller elektrontransportkedjan utan syre, kan det fortfarande användas för att generera ytterligare ATP genom jäsning. Jäsning är en annan typ av cellulär andning, en kemisk process för nedbrytning av kolhydrater i mindre föreningar för produktion av ATP. I jämförelse med aerob andning produceras endast en liten mängd ATP vid jäsning. Detta beror på att glukos endast delvis bryts ned. Vissa organismer är fakultativa anaerober och kan använda både jäsning (när syre är lågt eller inte tillgängligt) och aerob andning (när syre är tillgängligt). Två vanliga typer av jäsning är mjölksyrafermentering och alkoholhaltig (etanol) fermentering. Glykolys är det första steget i varje process.
Vid mjölksyrafermentering produceras NADH, pyruvat och ATP genom glykolys. Därefter konverteras NADH till sin lågenergiform NAD+, medan pyruvat konverteras till laktat. NAD+ återvinns till glykolys för att generera mer pyruvat och ATP. Mjölksyrafermentering utförs vanligtvis av muskel celler när syrehalterna tappas. Laktat omvandlas till mjölksyra som kan ackumuleras i höga nivåer i muskelceller under träning. Mjölksyra ökar muskelns surhet och orsakar en brännande känsla som uppstår under extrem ansträngning. När normala syrehalter återställs kan pyruvat gå in i aerob andning och mycket mer energi kan genereras för att hjälpa till att återhämta sig. Ökat blodflöde hjälper till att leverera syre till och ta bort mjölksyra från muskelceller.
Vid alkoholhaltig jäsning omvandlas pyruvat till etanol och CO2. NAD+ genereras också i omvandlingen och återvinns till glykolys för att producera fler ATP-molekyler. Alkoholisk jäsning utförs av växter, jäst och vissa arter av bakterier. Denna process används för produktion av alkoholhaltiga drycker, bränsle och bakverk.
Hur gör extremofiler som några bakterie och archaeans överleva i miljöer utan syre? Svaret är genom anaerob andning. Denna typ av andning förekommer utan syre och involverar konsumtion av en annan molekyl (nitrat, svavel, järn, koldioxid etc.) istället för syre. Till skillnad från vid jäsning involverar anaerob andning bildandet av en elektrokemisk gradient av ett elektrontransportsystem som resulterar i produktion av ett antal ATP-molekyler. Till skillnad från vid aerob andning är den slutliga elektronmottagaren en annan molekyl än syre. Många anaeroba organismer är obligatoriska anaerober; de utför inte oxidativ fosforylering och dör i närvaro av syre. Andra är fakultativa anaerober och kan också utföra aerob andning när syre är tillgängligt.