Hingamine on protsess, milles organismid vahetavad gaase oma keharakud ja keskkond. Alates prokarüootsed bakterid ja arheanid eukarüootideni protistid, seened, taimedja loomad, hingavad kõik elusorganismid. Hingamine võib viidata protsessi kolmele elemendile.
Esiteks, võib hingamine viidata välisele hingamisele või hingamisprotsessile (sissehingamine ja väljahingamine), mida nimetatakse ka ventilatsiooniks. Teiseks, võib hingamine viidata sisemisele hingamisele, milleks on difusioon gaaside sisaldus kehavedelike vahel (veri ja interstitsiaalne vedelik) ja koed. Lõpuks, võib hingamine viidata metaboolsetele protsessidele, mille käigus muundatakse bioloogilised molekulid kasutatavale energiale ATP kujul. See protsess võib hõlmata hapniku tarbimist ja süsinikdioksiidi tootmist, nagu nähtub aeroobsest rakuhingaminevõi ei pruugi hõlmata hapniku tarbimist, nagu anaeroobse hingamise korral.
Üks meetod hapniku saamiseks keskkonnast on väline hingamine või hingamine. Loomaorganismides toimub välise hingamise protsess mitmel erineval viisil. Loomad, kellel puudub spetsialiseerumine
organid hingamiseks tuginege hapniku saamiseks difusioonile välistes kudedes. Teistel on kas gaasivahetuseks spetsialiseerunud elundid või on need olemas hingamissüsteem. Organismides nagu nematoodid (ümarussid), gaasid ja toitained vahetuvad väliskeskkonnaga difusiooni teel kogu looma keha pinnale. Putukad ja ämblikud on hingamisteede organid mida nimetatakse hingetoruks, samas kui kaladel on gaasivahetuse kohtadeks lõpused.Inimesed ja muud imetajad teil on spetsialiseeritud hingamisteede organitega hingamissüsteem (kopsud) ja kuded. Inimese kehas viiakse hapnik kopsudesse sissehingamise teel ja süsinikdioksiid väljutatakse kopsudest väljahingamise teel. Imetajate väline hingamine hõlmab hingamisega seotud mehaanilisi protsesse. See hõlmab diafragma ja lisaseadme kokkutõmbumist ja lõdvestamist lihased, samuti hingamissagedus.
Välised hingamisprotsessid selgitavad, kuidas hapnikku saadakse, kuid kuidas hapnik kätte jõuab keharakud? Sisehingamine hõlmab gaaside transportimist keha vahel veri ja keha kuded. Hapnik kopsud hajub üle õhukese epiteel kopsu alveoolide (õhukotid) ümbritsevasse keskkonda kapillaarid mis sisaldab hapnikuvaesed verd. Samal ajal hajub süsinikdioksiid vastupidises suunas (verest kopsu alveoolidesse) ja väljutatakse. Hapnikurikast verd transpordib vereringe kopsukapillaaridest keharakkudesse ja kudedesse. Sel ajal, kui rakkudes toimub hapniku väljalangemine, kogutakse süsinikdioksiidi ja transporditakse kudede rakkudest kopsudesse.
Sisehingamisel saadud hapnikku kasutab rakud sisse rakuhingamine. Toiduainetes sisalduvale energiale juurdepääsu saamiseks toitu moodustavad bioloogilised molekulid (süsivesikud, valgudjne) tuleb jaotada vormidesse, mida keha saab kasutada. See saavutatakse programmi kaudu seedeprotsess kus toit lagundatakse ja toitained imenduvad verre. Kuna veri ringleb kogu kehas, transporditakse toitained keharakkudesse. Rakulises hingamises jagatakse seedimisel saadud glükoos energia tootmiseks selle koostisosadeks. Mitmete sammude kaudu muundatakse glükoos ja hapnik süsinikdioksiidiks (CO2), vesi (H2O) ja kõrge energiamolekuliga adenosiintrifosfaat (ATP). Protsessis moodustunud süsinikdioksiid ja vesi hajuvad rakke ümbritsevasse interstitsiaalsesse vedelikku. Sealt edasi CO2 hajub vereplasmasse ja punased verelibled. Protsessis genereeritud ATP annab energiat, mis on vajalik raku normaalsete funktsioonide täitmiseks, näiteks makromolekulide süntees, lihaste kontraktsioon, cilia ja flagella liikumine ja raku pooldumine.
Kokku toodetakse 38 ATP molekuli prokarüootid ühe glükoosimolekuli oksüdeerimisel. Seda arvu vähendatakse 36 ATP molekuliks eukarüootides, kuna NADH ülekandmisel mitokondritesse kulub kaks ATP-d.
Aeroobne hingamine toimub ainult hapniku juuresolekul. Kui hapnikuvarustus on madal, saab rakus tekitada ainult väikese koguse ATP-d tsütoplasma glükolüüsi teel. Ehkki püruvaat ei pääse Krebsi tsüklisse või elektronide transpordiahelasse ilma hapnikuta, saab seda siiski kasutada täiendava ATP genereerimiseks kääritamise teel. Käärimine on teine rakulise hingamise tüüp, keemiline protsess lagunemiseks süsivesikud väiksemateks ühenditeks ATP saamiseks. Võrreldes aeroobse hingamisega tekib kääritamisel vaid väike kogus ATP-d. Seda seetõttu, et glükoos laguneb ainult osaliselt. Mõned organismid on fakultatiivsed anaeroobid ja võivad kasutada nii kääritamist (kui hapniku sisaldus on madal või puudub) kui ka aeroobset hingamist (kui hapnik on saadaval). Kaks levinumat kääritamistüüpi on piimhappe kääritus ja alkohoolne (etanool) kääritamine. Glükolüüs on iga protsessi esimene etapp.
Piimhappe kääritamisel tekivad NADH, püruvaat ja ATP glükolüüsi teel. Seejärel muundatakse NADH madala energiatarbega vormiks NAD+, samal ajal kui püruvaat muundatakse laktaadiks. NAD+ taaskasutatakse glükolüüsis, et tekitada rohkem püruvaati ja ATP-d. Piimhappe kääritamist viib tavaliselt läbi lihased rakud, kui hapniku tase kaob. Laktaat muundatakse piimhappeks, mis võib treenimise ajal akumuleeruda lihasrakkudes kõrgel tasemel. Piimhape suurendab lihaste happesust ja põhjustab põletustunnet, mis tekib äärmise pingutuse ajal. Kui normaalne hapnikusisaldus on taastatud, võib püruvaat minna aeroobsesse hingamisse ja taastumise hõlbustamiseks võib tekkida palju rohkem energiat. Suurenenud verevool aitab hapnikku lihasrakkudesse viia ja piimhapet eemaldada.
Alkohoolsel kääritamisel muundatakse püruvaat etanooliks ja CO-ks2. NAD+ Samuti genereeritakse muundamisel ja see suunatakse tagasi glükolüüsi, et toota rohkem ATP molekule. Alkohoolset kääritamist teostab taimed, pärm ja mõned bakteriliigid. Seda protsessi kasutatakse alkohoolsete jookide, kütuse ja pagaritoodete tootmisel.
Kuidas ekstremofiilid nagu mõned bakterid ja arheanid ellu jääda keskkonnas, kus pole hapnikku? Vastus on anaeroobse hingamise teel. Seda tüüpi hingamine toimub ilma hapnikuta ja hõlmab hapniku asemel teise molekuli (nitraat, väävel, raud, süsinikdioksiid jne) tarbimist. Erinevalt kääritamisest hõlmab anaeroobne hingamine elektrokeemilise gradiendi moodustumist elektronide transpordisüsteemi abil, mille tulemuseks on paljude ATP molekulide tootmine. Erinevalt aeroobsest hingamisest on elektronide lõplik vastuvõtja molekul, va hapnik. Paljud anaeroobsed organismid on kohustuslikud anaeroobid; nad ei teosta oksüdatiivset fosforüülimist ja surevad hapniku juuresolekul. Teised on fakultatiivsed anaeroobid ja võivad hapniku olemasolul teha ka aeroobset hingamist.