background image

1

 

 

Digestion & Absorption

 

 

BIOMEDICAL IMPORTANCE 

Besides  water,  the  diet  must  provide  metabolic  fuels  (mainly 
carbohydrates  and  lipids),  protein  (for  growth  and  turnover  of  tissue 
proteins), fiber (for roughage), minerals (elements with specific metabolic 
functions),  and  vitamins  and  essential  fatty  acids  (organic  compounds 
needed  in  small  amounts  for  essential  metabolic  and  physiologic 
functions).  
The polysaccharides, triacylglycerols, and proteins that make up the bulk 
of the diet must be hydrolyzed to their constituent monosaccharides, fatty 
acids,  and  amino  acids,  respectively,  before  absorption  and  utilization. 
Minerals and vitamins must be released from the complex matrix of food 
before they can be absorbed and utilized. 
 

Digestion of Carbohydrates

The  principal  sites  of  dietary  carbohydrate  digestion  are  the  mouth  and 
intestinal lumen. 

 

In  the  mouth: 

During  mastication,  salivary  α-amylase  acts  briefly  on 

dietary  starch  and  glycogen  in  a  random  manner,  hydrolyzing  some 
α(1→4) bonds. Because branched amylopectin and glycogen also contain 
α(1→6)  bonds,  which  α-amylase  cannot  hydrolyze,  the  digest  resulting 
from its action contains a mixture of short, branched oligosaccharides or 
dextrins. 

 


background image

2

 

 

 

Degradation of dietary glycogen by salivary or pancreatic α-amylase

 

 

In  the  stomach:

 

Carbohydrate  digestion  halts  temporarily  in  the 

stomach, because the high acidity inactivates the salivary α-amylase.

 

 

in  the  small  intestine

:

  When  the  acidic  stomach  contents  reach  the 

small  intestine,  they  are  neutralized  by  bicarbonate  secreted  by  the 
pancreas,  and  pancreatic  α-amylase  continues  the  process  of  starch 
digestion. The final digestive processes occur at the mucosal lining of the 
upper  jejunum,  declining  as  they  proceed  down  the  small  intestine,  and 
include the action of several disaccharidases and oligosaccharidases. 

For example, - isomaltase cleaves the α(1→6) bond in isomaltose . 

-  maltase cleaves maltose, both producing glucose.  
-  sucrase cleaves sucrose producing glucose and fructose. 
-   lactase  (β-galactosidase)  cleaves  lactose  producing  galactose  and 

glucose.  These  enzymes  are  secreted  through,  and  remain 
associated with, the luminal side of the brush border membranes of 
the intestinal mucosal cells. 


background image

3

 

 

 

 

Absorption of monosaccharides 

 

The duodenum and upper jejunum absorb the bulk of the dietary sugars. 
Insulin  is  not  required  for  the  uptake  of  glucose  by  intestinal  cells. 
However, different sugars have different mechanisms of absorption.

 

galactose and glucose are transported into the mucosal cells by an 
active,  energy-requiring  process  that  requires  a  concurrent  uptake 
of  sodium  ions;  the  transport  protein  is  the  sodium-dependent 
glucose cotransporter 1 (SGLT-1).

 

Fructose  uptake  requires  a  sodium-independent  monosaccharide 
transporter (GLUT-5) for its absorption.

 

 

 

 


background image

4

 

 

Abnormal degradation of disaccharides

 

1.  Digestive enzyme deficiencies:  

Causes: 
a.  Hereditary deficiencies of disaccharidases. 
b.  Malnutrition. 
c.  drugs that injure the mucosa of the small intestine.  
d.  normal  individuals  with  severe  diarrhea  lead  to  brush  border 

enzymes are rapidly lost, causing a temporary, acquired enzyme 
deficiency.  Thus,  patients  suffering  or  recovering  from  such  a 
disorder  cannot  drink  or  eat  significant  amounts  of  dairy 
products or sucrose without exacerbating the diarrhea. 
 

2. 

Lactose intolerance

More than three quarters of the world's adults are lactose intolerant. 
This is particularly manifested in certain races. For example, up to 
ninety  percent  of  adults  of  African  or  Asian  descent  are  lactase-
deficient  and,  therefore,  are  less  able  to  metabolize  lactose  than 
individuals of Northern European origin. 
The mechanism:  by which this age-dependent loss of the enzyme 
occurs is not clear, but it is determined genetically and represents a 
reduction in  the  amount  of  enzyme  protein  rather  than  a  modified 
inactive enzyme.  

Treatment:

 

 for  this  disorder  is  to  reduce  consumption  of  milk  while  eating 
yogurts and cheeses, as well as green vegetables such as broccoli, 
to ensure adequate calcium intake; to use  lactase-treated products; 
or to take lactase in pill form prior to eating.

 

 


background image

5

 

 

 

Abnormal lactose metabolism 

 
 

3. 

Isomaltase-sucrase  deficiency:

 

This enzyme deficiency results in 

an intolerance of ingested sucrose.  

Treatment  :

  includes  the  withholding  of  dietary  sucrose,  and 

enzyme replacement therapy. 

 

Diagnosis:

  

1.  Identification  of  a  specific  enzyme  deficiency  can  be  obtained 

by  performing  oral  tolerance  tests  with  the  individual 
disaccharides.  

2.  Measurement of hydrogen gas in the breath is a reliable test for 

determining  the  amount  of  ingested  carbohydrate  not  absorbed 
by the body, but which is metabolized instead by the intestinal 
flora

 

 
 
 
 


background image

6

 

 

DIGESTION & ABSORPTION OF LIPIDS: 

      The major lipids in the diet are triacylglycerols and, 

the remainder of 

the  dietary  lipids  consists  primarily  of  cholesterol,  cholesteryl  esters, 
phospholipids, and unesterified (“free”) fatty acids.

 

In the stomach:

 

The digestion of lipids begins in the stomach, catalyzed 

by  an  acid-stable  lipase  that  originates  from  glands  at  the  back  of  the 
tongue  (lingual  lipase).  TAG  molecules,  particularly  those  containing 
fatty  acids  of  short- or  medium-chain length  (less than  12  carbons, such 
as  are  found  in  milk  fat),  are  the  primary  target  of  this  enzyme.  These 
same TAGs are also degraded by a separate gastric lipase, secreted by the 
gastric  mucosa.  Both  enzymes  are  relatively  acid-stable,  with  pH 
optimums  of  pH  4  to  pH  6.  These  “acid  lipases”  play  a  particularly 
important  role  in  lipid  digestion  in  neonates,  for  whom  milk  fat  is  the 
primary source of calories.

 

 

 

In  the  small  intestine:

  emulsification  of  dietary  lipids  occurs  in  the 

duodenum. Emulsification  increases  the surface  area of  the  hydrophobic 
lipid droplets so that the digestive enzymes, which work at the interface 
of the droplet and the surrounding aqueous solution, can act effectively. 

 

1. 

TAG degradation 

pancreatic enzymes:  

-  pancreatic lipase :act on TAG molecules because they are too large 

to be taken up efficiently by the mucosal cells of the intestinal villi. 
which preferentially removes the fatty acids at carbons 1 and 3. 

-  Colipase:  also secreted by the pancreas, binds the  lipase at a ratio 

of 1:1, and anchors it at the lipid-aqueous interface. 

N.B:  Orlistat,  an  antiobesity  drug,  inhibits  gastric  and  pancreatic 
lipases, thereby decreasing fat absorption, resulting in loss of weight. 

 

 


background image

7

 

 

2.  Cholesteryl ester degradation:

  

Most dietary cholesterol is present in the free (nonesterified) form, 
with  10–15% present  in  the  esterified  form. Cholesteryl  esters  are 
hydrolyzed  by  pancreatic  cholesteryl  ester  hydrolase  (cholesterol 
esterase),  which  produces  cholesterol  plus  free  fatty  acids. 
Cholesteryl  ester  hydrolase  activity  is  greatly  increased  in  the 
presence of bile salts. 
 

3.  Phospholipid degradation:

  

Pancreatic juice is rich in the proenzyme of phospholipase A

2

 that, 

like  procolipase,  is  activated  by  trypsin  and,  like  cholesteryl  ester 
hydrolase,  requires  bile  salts  for  optimum  activity.  Phospholipase 
A

2

 removes one fatty acid from carbon 2 of a phospholipid, leaving 

a  lysophospholipid.  The  remaining  fatty  acid  at  carbon  1  can  be 
removed by lysophospholipase, leaving a glycerylphosphoryl base. 

 

Control of lipid digestion:

 

1.  Cholecystokinin (CCK, formerly called pancreozymin):

 a small 

peptide  hormone  is  produced  by  the  Cells  in  the  mucosa  of  the 
jejunum and lower duodenum in response to the presence of lipids 
and  partially  digested  proteins  entering  these  regions  of  the  upper 
small intestine. CCK acts on the gallbladder (causing it to contract 
and  release  bile—a  mixture  of  bile  salts,  phospholipids,  and  free 
cholesterol),  and  on  the  exocrine  cells  of  the  pancreas  (causing 
them  to  release  digestive  enzymes).  It  also  decreases  gastric 
motility,  resulting  in  a  slower  release  of  gastric  contents  into  the 
small intestine

2.  Secretin,

  in  response  to  the  low  pH  of  the  chyme  entering  the 

intestine.  Secretin  causes  the  pancreas  and  the  liver  to  release  a 
watery solution rich in bicarbonate that helps neutralize the pH of 
the  intestinal  contents,  bringing  them  to  the  appropriate  pH  for 
digestive activity by pancreatic enzymes. 
 


background image

8

 

 

 

 

Hormonal control of lipid digestion in the small intestine. 

 

 

 


background image

9

 

 

Absorption of lipids by intestinal mucosal cells (enterocytes) 

Free fatty acids, free cholesterol, and 2-monoacylglycerol are the primary 
products of lipid digestion in the jejunum. These, plus bile salts and fat-
soluble  vitamins,  form  mixed  micelles—disk-shaped  clusters  of 
amphipathic  lipids  that  coalesce  with  their  hydrophobic  groups  on  the 
inside  and  their  hydrophilic  groups  on  the  outside.  Mixed  micelles  are, 
therefore, soluble in the aqueous environment of the intestinal lumen.  
These  particles  approach  the  primary  site  of  lipid  absorption,  the  brush 
border  membrane  of  the  enterocytes  (mucosal  cell).  This  membrane  is 
separated from the liquid contents of the intestinal lumen by an unstirred 
water layer that mixes poorly with the bulk fluid. The hydrophilic surface 
of the micelles facilitates the transport of the hydrophobic lipids through 
the  unstirred  water  layer  to  the  brush  border  membrane  where  they  are 
absorbed. 

 

 

Absorption of lipids contained in a mixed micelle by an intestinal 

mucosal cell. 

 
 


background image

10

 

 

Resynthesis of TAG and cholesteryl esters 

The  mixture  of  lipids  absorbed  by  the  enterocytes  migrates  to  the 
endoplasmic reticulum where biosynthesis of complex lipids takes place. 
 

Lipid malabsorption 

Lipid malabsorption, resulting in increased lipid (including the fat-soluble 
vitamins  A,  D,  E,  and  K,  and  essential  fatty  acids)  in  the  feces  (that  is, 
steatorrhea),  can  be  caused  by  disturbances  in  lipid  digestion  and/or 
absorption  .  Such  disturbances  can  result  from  several  conditions, 
including  CF  (causing  poor  digestion)  and  shortened  bowel  (causing 
decreased absorption). 
 

 

 

Possible causes of steatorrhea 

 

 

 


background image

11

 

 

Digestion of Dietary Proteins 

Most  of  the  nitrogen  in  the  diet  is  consumed  in  the  form  of  protein, 
Proteins  are  generally  too  large  to  be  absorbed  by  the  intestine.  They 
must,  therefore,  be  hydrolyzed  to  yield  their  constituent  amino  acids, 
which  can  be  absorbed.  Proteolytic  enzymes  responsible  for  degrading 
proteins  are  produced  by  three  different  organs:  the  stomach,  the 
pancreas, and the small intestine . 
 
 

 

 

Digestion of dietary proteins by the proteolytic enzymes of the 

gastrointestinal tract. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

12

 

 

Digestion of proteins by gastric secretion 

The  digestion  of  proteins  begins  in  the  stomach,  which  secretes  gastric 
juice—a  unique  solution  containing  hydrochloric  acid  and  the 
proenzyme, pepsinogen. 

1.  Hydrochloric  acid:

  Stomach  acid  is  too  dilute  (pH  2–3)  to 

hydrolyze proteins. The acid functions instead to kill some bacteria 
and  to  denature  proteins,  thus  making  them  more  susceptible  to 
subsequent hydrolysis by proteases. 

2.  Pepsin:

  This  acid-stable  endopeptidase  is  secreted  by  the  serous 

cells  of  the  stomach  as  an  inactive  zymogen  (or  proenzyme), 
pepsinogen.  Pepsinogen  is  activated  to  pepsin,  either  by  HCl,  or 
autocatalytically by other pepsin molecules that have already been 
activated. Pepsin releases peptides and a few free amino acids from 
dietary proteins. 

Digestion of proteins by pancreatic enzymes 

On entering the small intestine, large polypeptides produced in the 
stomach by the action of pepsin are further cleaved to oligopeptides and 
amino acids by a group of pancreatic proteases. 

 

Release of zymogens:

 The release and activation of the pancreatic 

zymogens  is  mediated  by  the  secretion  of  cholecystokinin  and 
secretin, two polypeptide hormones of the digestive tract. 

 

Enteropeptidase

  (formerly  called  enterokinase)—  an  enzyme 

synthesized  by  and  present  on  the  luminal  surface  of  intestinal 
mucosal  cells  of  the  brush  border  membrane—converts  the 
pancreatic  zymogen  trypsinogen  to  trypsin.  Trypsin  subsequently 
converts  other  trypsinogen  molecules  to  trypsin  by  cleaving  a 
limited  number  of  specific  peptide  bonds  in  the  zymogen. 
Enteropeptidase  thus  unleashes  a  cascade  of  proteolytic  activity, 
because  trypsin  is  the  common  activator  of  all  the  pancreatic 
zymogens. 

 

-  Celiac  disease

  (celiac  sprue)  is  a  disease  of  malabsorption 

resulting  from  immune-mediated  damage  to  the  small  intestine  in 
response to ingestion of gluten, a protein found in wheat and other 
grains. 

 
 
 


background image

13

 

 

Digestion of oligopeptides by enzymes of the small intestine 

The  luminal  surface  of  the  intestine  contains  aminopeptidase—an 
exopeptidase  that  repeatedly  cleaves  the  N-terminal  residue  from 
oligopeptides to produce free amino acids and smaller peptides. 
 

Absorption of amino acids and dipeptides 

Free  amino  acids  are  taken  into  the  enterocytes  up  by  a  Na

+

-linked 

secondary transport system. Di- and tripeptides, however, are taken up by 
a  H

+

-linked  transport  system.  There,  the  peptides  are  hydrolyzed  in  the 

cytosol to amino acids before being released into the portal system. Thus, 
only free amino acids are found in the portal vein after a meal containing 
protein. These amino acids are either metabolized by the liver or released 
into the general circulation. 

 

 

DIGESTION & ABSORPTION OF VITAMINS & MINERALS 

Vitamins  and  minerals  are  released  from  food  during  digestion—though 
this  is  not  complete—and  the  availability  of  vitamins  and  minerals 
depends on the type of food and, especially for minerals, the presence of 
chelating compounds.  
The  fat-soluble  vitamins  are  absorbed  in  the  lipid  micelles  that  result 
from  fat  digestion;  water-soluble  vitamins  and  most  mineral  salts  are 
absorbed from the small intestine either by active transport or by carrier-
mediated  diffusion  followed  by  binding  to  intracellular  binding  proteins 
to achieve concentration upon uptake.  
Vitamin  B12  absorption  requires  a  specific  transport  protein,  intrinsic 
factor;  
calcium  absorption  is  dependent  on  vitamin  D;  zinc  absorption 
probably  requires  a  zinc-binding  ligand  secreted  by  the  exocrine 
pancreas; and the absorption of iron is limited. 

 
 

Calcium Absorption Is Dependent on Vitamin D 

In  addition  to  its  role  in  regulating  calcium  homeostasis,  vitamin  D  is 
required  for  the  intestinal  absorption  of  calcium.  Synthesis  of  the 
intracellular  calciumbinding  protein,  calbindin,  required  for  calcium 
absorption, is induced by vitamin D, which also affects the permeability 
of the mucosal cells to calcium, an effect that is rapid and independent of 
protein  synthesis.  Phytic  acid  (inositol  hexaphosphate)  in  cereals  binds 
calcium in the intestinal lumen, preventing its absorption. 


background image

14

 

 

Other  minerals,  including  zinc,  are  also  chelated  by  phytate.  This  is 
mainly  a  problem  among  people  who  consume  large  amounts  of 
unleavened whole wheat products; yeast contains an enzyme, phytase, 
which dephosphorylates phytate, so rendering it inactive. 
High concentrations of fatty acids in the intestinal lumen—as a result of 
impaired fat absorption—can also reduce calcium absorption by forming 
insoluble calcium salts; a high intake of oxalate can sometimes cause 
deficiency, since calcium oxalate is insoluble. 

 

Iron Absorption  

Although  iron  deficiency  is  a  common  problem,  about10%  of  the 
population are genetically at risk of iron overload (hemochromatosis). 
 
Absorption of iron is strictly regulated. Inorganic iron is accumulated 
in  intestinal  mucosal  cells  bound  to  an  intracellular  protein,  ferritin. 
Once the ferritin in the cell is saturated with iron, no more can enter. Iron 
can only leave the mucosal cell if there is  transferrin  in plasma to bind 
to.  Once  transferrin  is  saturated  with  iron,  any  that  has  accumulated  in 
the mucosal cells will be lost when the cells are shed. As a result of this 
mucosal barrier, 
only about 10% of dietary iron is normally absorbed and only 1–5% from 
many plant foods. 
Inorganic  iron  is  absorbed  only  in  the  Fe

2+

  (reduced)  state,  and  for  that 

reason the presence of reducing agents will enhance absorption. The most 
effective  compound  is  vitamin  C,  and  while  intakes  of  40–60  mg  of 
vitamin C per day are more than adequate to meet requirements, an intake 
of 25–50 mg per meal will enhance iron absorption, especially when iron 
salts  are  used  to  treat  iron  deficiency  anemia.  Ethanol  and  fructose  also 
enhance iron absorption. Heme iron from meat is absorbed separately and 
is  considerably  more  available  than  inorganic  iron.  However,  the 
absorption  of  both  inorganic  and  heme  iron  is  impaired  by  calcium—a 
glass of milk with a meal significantly reduces availability. 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 230 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل