DIGESTIVE  PHYSIOLOGY  

Physiology  Unit  4  

Func1ons    

•  Mo1lity  –  Inges1on  – Mas1ca1on  –  Deglu11on  –  Peristalsis  

•  Secre1on  –  7  liters/day!  –  Exocrine/endocrine  

•  Diges1on  •  Absorp1on  

Diges1on  of  Carbohydrates  

•  Average  intake  is      250-­‐300  g/day  

•  Amylase  •  Salivary,  pancrea1c  •  Products:  maltose,  short  chains  of  glucose  

•  Brush  border  enzymes  •  Products:  glucose,  galactose,  fructose  

Absorp1on  of  Carbohydrates  •  Luminal  absorp1on  •  Glucose/galactose  cotransport  with  Na+  into  enterocytes    

•  Fructose  facilitated  diffusion  into  enterocytes    

•  Basolateral  absorp1on  •  Monosaccharides  enter  blood  via  facilitated  diffusion  

Diges1on  of  Proteins  •  Require  40-­‐50g  of  protein/day    

–  Supply  essen1al  amino  acids  –  We  consume  70-­‐90  g/day  

•  Stomach  –  Pepsin    

•  Products  are  short  chain  polypep1des  •  Small  intes1nes  from  pancreas  •  Trypsin,  chymotrypsin    

•  Products  are  short  chain  polypep1des  •  CarboxypepAdase      

•  Products  are  free  amino  acids  •  Small  Intes1nes  from  brush  border  enzymes  •  AminopepAdase    

•  Products  are  free  amino  acids  

Absorp1on  of  Proteins  

•  Luminal  absorp1on  – Free  amino  acids  enter  enterocytes  by              counter-­‐transport  with  Na+  

– Short  polypep1des  (2  or  3  amino  acids)  enter  enterocytes  by  counter-­‐transport  of  H+  

•  Basolateral  absorp1on  – Free  amino  acids  enter  blood  by                              facilitated  diffusion  

Diges1on  of  Fat  

•  Daily  intake  70-­‐100  g/day  (mostly  triglycerides)  

•  Emulsifica1on  by  bile  salts  •  Pancrea1c  lipase  – Monoglyceride  +  2  fa[y  acids  

•  Forma1on  of  micelles  by  bile  salts  

Absorp1on  of  Fat  •  Luminal  Absorp1on  – Monoglycerides  and  fa[y  acids  enter  enterocytes  by  diffusion  

•  Basolateral  absorp1on  into  lacteals  –  Exocytosis  of  chylomicrons    

–  Chylomicrons  contain  triglycerides,  phospholipids,  cholesterol,  fat-­‐soluble  vitamins  

Lipid  Transport  

•  From  lympha1cs  to  thoracic  duct  •  Free  fa[y  acids  and  glycerol  into  1ssues  •  Le]overs  to  liver  – Remnant  par1cles  contain  cholesterol  – Combined  with  apoproteins  (lipid  binding  protein)  to  produce  VLDL’s  – Deliver  triglycerides  to  other  organs  

Lipoproteins  •  Lipid  &  protein  complexes  –  Transport  cholesterol  &  triglycerides  in  blood  –  Protein  allows  hydrophobic  lipids  to  remain  in  suspension    

•  Five  classes:  Based  on  density,  molecular  weight,  size,  chemical  composi1on  

•  Chylomicrons  •  VLDL  •  IDL  •  LDL  

–  High  levels  associated  with  increased  risk  CVD  •  HDL  

–  Low  levels  associated  with  increased  risk  of  CVD  –  Best  profile  =  high  HDL,  low  LDL  

Absorp1on  of  Vitamins  

•  Fat-­‐soluble  vitamins  – Vitamins  A,  D,  E,  K  – Exocytosis  in  chylomicrons  

•  Water-­‐soluble  vitamins  – Vitamins  B,  C    – Absorbed  by  diffusion  or  mediated  transport  

•  Vitamin  B12  – Binds  to  intrinsic  factor    – Endocytosis  (in  ileum)  into  enterocytes  

Absorp1on  of  Water  and  Minerals  

•  Water  is  most  abundant  substance  in  chyme  – 8  L  of  ingested  and  secreted  water  enter  the  small  intes1ne  each  day!  

– 1.5    L  make  it  to  the  large  intes1ne  – 80%  absorbed  in  small  intes1ne  

•  Minerals  – Na+  – HCO3

-­‐  

– Cl-­‐  – Small  concentra1ons    K+,  Mg2+,  Ca2+,  Fe3+,  Zn2+,  I-­‐  

Regula1on  of  Gastrointes1nal  Processes  

•  Regula1on  of  the  condi1ons  of  the  lumen  of  the  tract  (the  outside  of  the  body)  

•  Governed  by  the  volume  and  composi1on  of  the  luminal  contents  rather  than  the  nutri1onal  state  of  the  body  (the  inside  of  the  body)    

Basic  Principles  

1.  Disten1on  of  the  lumen  wall  (volume  of  contents)  

2.  Chyme  osmolarity  (solute  concentra1on)  3.  Chyme  acidity  4.  Chyme  concentra1ons  – Monosaccharides  – Fa[y  acids  – Pep1des  – Amino  acids  

Neural  Regula1on  

•  Enteric  Nervous  System  (ENS)  

•  Myenteric  plexus  –  Influences  smooth  muscle  ac1vity  

•  Submucosal  plexus  –  Influences  secretory  ac1vity  

Neural  Regula1on  

•  Neural  ac1vity  in  one  plexus  influences  the  ac1vity  of  the  other  

•  S1mula1on  at  one  point  in  the  plexus  can  lead  to  impulses  that  are  conducted  both  up  and  down  the  tract  

•  Neural  reflexes  independent  of  CNS  •  CNS  can  influence  mo1lity  and  secre1on  of  the  tract    

Hormonal  Regula1on  

•  Hormones  that  control  the  GI  system  are  secreted  by  cells  sca[ered  throughout  the    epithelium  of  the  stomach  and  small  intes1ne  

•  One  surface  of  each  endocrine  cell  is  exposed  to  the  lumen  of  the  tract  

•  Chemicals  in  chyme  s1mulate  the  cell  to  secrete  its  hormones  from  the  opposite  side  of  the  cell  into  the  blood  

Hormonal  Regula1ons  

•  Each  hormone  par1cipates  in  a  feedback  control  system  that  regulates  some  aspect  of  the  the  luminal  environment  

•  Most  GI  hormones  affect  more  than  one  type  of  target  cell  

•  Best  understood  pep1de  GI  Hormones  – Gastrin  – Cholecystokinin  (CCK)  – Secre1n  – Glucose-­‐dependent  insulinotropic  pep1de  (GIP)  

Gastrin  

•  Endocrine  cell  loca1on:    – G  cells  of  the  antrum  of  stomach  

•  S1mulus  for  release  – Protein  in  stomach    – Parasympathe1c  nervous  system  

•  Ac1ons    – S1mulates  

•  Stomach:  (+)  acid  secre1on  and  mo1lity  •  Pancreas:  (+)    enzyme  secre1ons  •  Intes1nes:  (+)  mo1lity  in  ileum  and  colon  

 

Cholecystokinin  (CCK)  

•  Endocrine  cell  loca1on:  small  intes1ne  •  S1mulus  for  release  –  amino  acids,  fa[y  acids  in  small  intes1ne  

•  Ac1ons  –  S1mulates  

•  Pancreas:  (+)  enzyme  secre1on  •   Gall  bladder:  (+)  contrac1on  

–  Poten1ates  •  Pancreas:  (+)  bicarbonate  secre1on  •  Liver:  (+)  bicarbonate  secre1on  

–  Inhibits  •  Stomach:  (-­‐)  acid  secre1on,  gastric  mo1lity    

Secre1n  

•  Endocrine  cell  loca1on:  small  intes1ne  •  S1mulus  for  release  – Acid  in  small  intes1ne  

•  Ac1ons  •  S1mulates  

•  Pancreas:  (+)  bicarbonate  secre1on  •  Liver:  (+)  bicarbonate  secre1on  

•  Inhibits  •  Stomach:  acid  secre1on,  gastric  mo1lity  

Glucose-­‐Dependent  Insulinotropic  Pep1de  

•  Endocrine  cell  loca1on:  small  intes1ne  •  S1mulus  for  release  – glucose,  fat  in  the  small  intes1ne  

•  Ac1ons  – S1mulates  

•  Pancreas:  (+)  insulin  secre1on  

Stomach  

•  Func1on  –  Ini1ates  protein  diges1on  

–  Kills  bacteria  –  Intrinsic  factor  

•  Secreted  by  parietal  cells  •  Needed  for  Vitamin  B12  absorp1on  in  ileum  

–  Absorp1on  •  Water  •  Alcohol  •  Aspirin  

•  3  func1ons  of  pH  in  stomach  –  Denature  ingested  protein  

–  Convert  pepsinogen  to  pepsin  •  Digests  proteins  

–  Destroy  bacteria  

Gastric  Glands  •  Goblet  cells  

–  mucus  •  Parietal  cells  

–  HCl  –  Intrinsic  factor  

•  Chief  cells  –  Pepsinogen  

•  Argentaffin  cells  –  Serotonin  –  Regulate  intes1nal  movements  

•  G  cells  –  Gastrin        

Pancreas  •  Pancrea1c  acini  –  Pancrea1c  juice  

•  water  •  bicarbonate  •  diges1ve  enzymes  

–  Ac1va1on  by  enterokinase  

Pancrea1c  Enzymes  

Energy  Regula1on  by    Islets  of  Langerhans  

•  Three  cell  types  produce  pep1de  hormones    –  Beta  cells:  insulin  

•  S1mulates  cellular  uptake  of  glucose  •  In  liver,  ac1vates  glycogenesis  •  S1mulates  lipid  synthesis  •  S1mulates  cellular  uptake  of  amino  acids  

–  Alpha  cells:  glucagon  •  Encourages  libera1on  of  reserves  •  Prevents  glucose  uptake  by  liver,  muscle,  adipose  

–  Delta  cells:  somatosta1n  •  Not  sure  

Regula1on  of  Insulin  and  Glucagon  Secre1on  

•  Effects  of  glucose  and  amino  acids  –  Increase  in  plasma  glucose  

•  S1mulates  b  cells  •  Inhibits  a  cells  

–  Decrease  in  plasma  glucose  •  decreased    insulin  produc1on  •  increased  glucagon  produc1on  

– Meals  high  in  protein    •  s1mulates  insulin  

– Meals  high  in  protein  and  low  in  carbohydrate  •  s1mulates  glucagon  •  result:    increase  in  blood  glucose  and  increased  incorpora1on  of  amino  acids  into  1ssues  

Regula1on  of  Insulin  and  Glucagon  Secre1on  

•  Effects  of  autonomic  nerves  – Parasympathe1c  ac1va1on  

•  increased  insulin  – Sympathe1c  ac1va1on  

•  increased  glucagon,  inhibits  insulin  •  stress  hyperglycemia  =  glucagon  +  epinephrine  

– Goal:    Keep  blood  glucose  between    – 50-­‐170mg/100ml  

•  higher  =  glycosila1on;    lower  =  brain  damage  

Func1ons  of  the  Liver  

•  Exocrine  •  Endocrine  •  Clopng  func1ons  •  Synthesizes  plasma  proteins  •  Organic  metabolism  •  Cholesterol  metabolism  •  Excretory  and  degrada1ve  func1ons  

Exocrine  &  Endocrine  Func1ons  

Exocrine  FuncBons  •  Synthesis  and  secre1on  of  

bile  salts  –  250-­‐1500ml/day  

•  Adds  bicarbonate  rich  solu1on  to  bile  

Endocrine  FuncBons  •  Secretes  IGF-­‐1  

–  promotes  cell  division  

•  Forms  T3  from  T4  •  Secretes  angiotensinogen  

–  Increases  BP  –  S1mulates  aldosterone  

secre1on  

•  Metabolizes  hormones  •  Secretes  immune  cytokines  

Clopng  and  Plasma  Proteins  

•  Produces  – Prothrombin      – Fibrinogen  – Plasma  albumin  

•  Regulates  blood  volume  

– Acute  phase  proteins  – Binding  proteins  – Lipoproteins  

Organic  Metabolism  

•  Converts  plasma  glucose  to  glycogen  and  triglycerides  

•  Converts  amino  acids  to  fa[y  acids  •  Produces  triglycerides  and  secretes  them  as  lipoproteins  

•  Gluconeogeneisis  and  glycogenolysis  •  Converts  fa[y  acids  into  ketones  •  Produces  urea  

Cholesterol  Metabolism/Excretory  &  Degrada1ve  Func1ons  

•  Synthesizes  cholesterol    •  Converts  plasma  cholesterol  into  bile  salts  – Bile  salts  needed  for  vitamin  K  absorp1on  

•  Excretes  toxins  via  bile  •  Destroys  old  erythrocytes  •  …and  lots,  lots  more!  

Absorp1ve  State  

•  High  insulin  and  low  glucagon  •  Insulin  – cellular  uptake  of  glucose  – uptake  &  incorpora1on  of  amino  acids  – conversion  of  glucose  to  glycogen  – addi1onal  glucose  to  fat  –  incorpora1on  of  glucose  into  adipose  1ssue  – suppression  of  liver  glycogenolysis  

Postabsorp1ve  State  

•  Low  insulin,  high  glucagon  –  low  insulin  encourages  movement  of  amino  acids  out  of  the  muscles  

•  Cor1sol  -­‐-­‐  s1mulates  produc1on  of  enzymes  to  convert  pyruvic  acid  to  glucose  

•  Glucagon    –  s1mulates  glycogenolysis  –  s1mulates  gluconeogenesis  –  s1mulates  lipolysis  –  s1mulates  ketogenesis