结构生物化学/细胞信号通路/消化系统

消化系统的概述

消化系统主要负责将食物中的聚合物分解成更小的分子，为身体提供能量。

1.) 整个消化过程可以简化为摄食、消化、吸收和排泄等过程。通过分析每个过程，可以有效地了解构成消化系统的器官。在摄食过程中，生物体通过咀嚼感兴趣的特定食物进行机械消化。在这种情况下，嘴巴，也称为口腔，充当增加食物表面积的来源，将其变成食团，一个更小、更圆的食物版本，随后会被吞入食道。除了这些器官外，还有辅助腺体也参与了摄食，例如舌头和牙齿。通过观察消化系统的消化部分，可以观察到酶促水解，其中食道将食物从口腔转移到胃，在那里胃酸和胃蛋白酶使食物发生化学分解。接下来，在消化系统的吸收部分，营养分子进入小肠内的体细胞。最后，消化系统的排泄过程与泌尿系统密切相关，其中生物体的未消化物质从体内排出。

2.) 了解了消化系统的一般概念和特征后，可以检查三种不同类型生物的消化系统的结构和功能：人类、无脊椎动物和非哺乳动物脊椎动物。

• 首先，在人类消化系统中，存在一条消化道，也称为完整的消化道，它代表一条从两个开口，即嘴巴和肛门之间延伸的消化管。嘴巴充当消化道的起始因素，消化从任何特定食物类型的第一次咬合开始，随后咀嚼将食物分解成更容易消化的碎片。同时，唾液与食物混合，开始分解过程，将其转化为身体更容易吸收的形式。一般来说，人类被认为是杂食动物，既吃肉也吃植物类物质。

• 其次，将观察无脊椎动物章鱼的消化系统。章鱼也拥有一个双向消化系统，由嘴巴和肛门组成。与通常杂食的人类饮食形成对比的是，章鱼是一种肉食动物，其饮食通常包括龙虾、螃蟹和虾。利用它们极其强壮的喙来杀死和食用猎物，食物将在胃和消化囊中消化，然后从肛门排出。

• 第三，对于非哺乳动物脊椎动物，可以观察乌龟的消化系统。乌龟的消化系统与其他脊椎动物类似。与两栖动物不同，它们没有粘液腺，但有唾液腺。乌龟会整块或大块地吞食食物，在此过程中，唾液腺会分泌唾液进入口腔，使食物湿润，有助于吞咽。虽然通常是杂食动物，但大多数乌龟至少部分是肉食动物，导致它们拥有强大的消化酶。乌龟的舌头又宽又平，并且牢牢地附着在嘴巴底部，阻止舌头移动。鳄龟的舌头上有小的蠕虫状附属物。这些附属物可以充满血液，并允许它们摆动。当乌龟张开嘴巴，附属物摆动时，鳄龟可以吸引小鱼，更有效地捕捉到它们。乌龟消化道的壁由平滑肌组织构成，肌肉收缩，将食物从食道和肠道推向胃。

消化系统的深入步骤

摄食摄食行为启动了整个消化系统的过程。摄食从生物体将可食之物放入口中开始，机械消化以咀嚼和分解食物的形式开始。进行机械消化可以使摄入的食物表面积增加，从而更容易消化和吸收营养物质。在此期间，食物变成食团，以便更容易吞咽。在机械消化的同时，唾液分泌出来，以保护口腔内壁免受机械消化的影响。唾液含有几种酶，包括淀粉酶，它可以保护口腔内壁，以及粘蛋白，它可以帮助吞咽。在咀嚼进行机械消化和唾液进行化学消化之后，食团被推入食道，并通过蠕动向下移动到喉咙。

消化有两种重要的消化形式，即机械消化和化学消化，它们将分子分解成更小的碎片以便吸收。机械消化首先在口腔中发生，并从咀嚼食物开始。多糖和糖仅在口腔中分解。随后进行化学消化，因为唾液腺分泌唾液，并通过导管将其带入口腔，在那里它有助于分解食物。唾液中有一种称为淀粉酶的酶，它可以水解多糖和二糖，将其分解成单糖，这一过程称为酶促水解。舌头有助于将食物塑造成食团，并帮助吞咽。吞咽发生后，食团到达咽部，即喉咙中的一个区域，它通向气管（通向肺部）或食道（通向胃）。在吞咽过程中，有一个叫做会厌的软骨瓣会覆盖会厌，会厌是一个通向气管的入口，以防止食物进入错误的路线，最终阻塞气管。由于该入口被阻挡，喉部能够将食团引导至食道入口。有一个食道括约肌，它调节物质进出食道的运动。当人没有吞咽时，该括约肌会收缩，反之，当吞咽发生时，该括约肌会放松，以便食团可以向下移动到胃部。化学消化在胃中也很普遍。食团被胃的胃液进一步分解，胃液由盐酸和胃蛋白酶组成。强酸性的盐酸有助于分解食团中的细胞外基质，而胃蛋白酶是一种蛋白酶，它有助于分解肽键，消化食物中的蛋白质。当食团与胃液混合时，胃会不断地翻滚，直到食团变成食糜。其他几个器官也辅助消化食物，肝脏有助于脂质分解，胰腺分泌碳酸氢盐，以中和胃液中的盐酸。

胃中的化学消化 胃利用强烈的化学物质和酶，这些化学物质和酶通常会轻易破坏有机物。胃能够通过精心合成这些化学物质来保护自己免受自身胃液的侵害，从而有效地消化食物团并将其转化为食糜。胃的整个内壁都覆盖着一层粘液，以及其他几层上皮细胞，这些细胞每隔几天就会更换。胃利用盐酸作为一种手段来消灭有害细菌以及使食物团中的蛋白质变性。由于盐酸会导致胃部严重损伤，因此 H+ 离子和 Cl- 离子在消化需要之前会保持分离。胃中单独的壁细胞会使这些离子保持分离，直到它们利用 ATP 将 H+ 和 Cl- 离子排出，在那里它们在胃腔中反应形成 HCl。HCl 也能将胃蛋白酶原激活为胃蛋白酶，这是一种有用的酶，专门负责蛋白质的切割和消化。没有适当防御方式利用胃液中 HCl 和胃蛋白酶的胃，往往会导致胃损伤，从而导致胃溃疡。

吸收 营养物质的吸收始于小肠。小肠具有巨大的表面积，其内壁覆盖着绒毛和微绒毛，有助于从食糜中吸收营养物质。之后，食糜通过大肠，大肠分为三部分：结肠、盲肠和阑尾。盲肠有助于发酵摄入的食物，结肠则重新吸收消化过程中身体可能用过的水和其他营养物质。当摄入的物质通过蠕动运动穿过肠道时，可利用的营养物质会被吸收，而废物则以粪便的形式留下来。

排泄 消化系统的最后阶段是排泄，在此阶段，摄入的食物现在形成了一种（通常是）固体废物，称为粪便。粪便通过肛门排出体外，结束了对特定摄入食物的消化过程。

胃液的产生

胃的内表面有胃腺。胃腺有三种不同类型的细胞，它们负责分泌构成胃液的部分，如粘液、胃蛋白酶和盐酸。胃腺中的壁细胞分泌盐酸 (HCl)。主细胞分泌一种非活性形式的胃蛋白酶原，它在接触到胃腔中的盐酸之前不会被激活为胃蛋白酶。最后是粘液细胞，它们分泌粘液，一种保护胃内壁的物质。胃液不会破坏产生它的胃细胞，因为所有这些成分在释放到胃腔之前都保持非活性。胃蛋白酶原和 HCl 首先分泌到胃腔中。盐酸将胃蛋白酶原（非活性形式）转化为胃蛋白酶。胃蛋白酶，即活性形式，开始连锁反应，激活更多的胃蛋白酶原。胃液开始了胃中蛋白质化学消化的过程。

小肠中的消化

小肠是消化道中最长的部分，是消化和吸收的主要器官。这是剩余的消化和酶促水解过程发生的地方，随后是吸收。小肠的第一部分是十二指肠，酸性食糜在这里与胰腺、肝脏和胆囊的胃液结合。

消化的激素调节

• 当食物到达胃部时，它会导致胃壁扩张，从而刺激胃释放胃泌素。胃泌素会通过血液循环回到胃，导致胃释放胃液。
• 一旦食糜从胃部进入十二指肠，由于食糜中存在脂肪酸和氨基酸，它就会触发激素分泌素和缩胆囊素 (CKK) 的释放。分泌素对胰腺起正向作用，刺激它释放碳酸氢盐，碳酸氢盐有助于将脂肪分解为脂肪酸并中和酸性食糜。同时，CKK 刺激胆囊释放胆汁，胆汁是一种洗涤剂，可以将脂肪分解成更小的脂肪。CKK 还刺激胰腺释放更多可以水解脂肪的消化酶。
• 分泌素和 CKK 都有抑制性反应，并对胃起负向作用，以减缓消化和食糜的产生。

小肠中的吸收

空肠和回肠是小肠的一部分，专门负责吸收。小肠的巨大表面积是由于暴露于肠腔的绒毛和微绒毛。这种巨大的微绒毛表面积提高了营养物质吸收的速度。绒毛和小上皮细胞构成并排列着小肠的边界。营养物质可以通过被动运输或主动运输穿过上皮细胞。糖通过被动扩散沿着浓度梯度进入上皮细胞，然后被收集到小血管中，并通过循环系统运输。同时，氨基酸、肽、维生素和葡萄糖由上皮细胞主动地逆浓度梯度泵送，然后由毛细血管循环到全身。另一方面，脂肪需要在淋巴系统中重新组装，并通过不同的方式运输。

脂肪吸收 在腔内，脂肪分子，称为甘油三酯，经历酶促水解，在此过程中，脂肪酶将脂肪分子分解为脂肪酸和甘油一酯。由脂肪酸和甘油一酯组成的较小分子扩散到上皮细胞中。在上皮细胞中，小分子恢复为甘油三酯，这些甘油三酯与胆固醇混合并覆盖上蛋白质，形成乳糜微粒。这些分子离开上皮细胞，并被运输到乳糜管中。

大肠中的吸收

虽然小肠的主要功能是吸收营养物质和水，但大肠的功能主要是吸收水。结肠是大肠的一部分，它连接到小肠，并通向直肠和肛门。结肠的功能是回收进入消化道的液体。盲肠连接小肠和大肠的交汇处，并有助于植物材料的发酵。在人类中，盲肠还有一个延伸部分，称为阑尾。阑尾在免疫中不起很大作用。粪便来自消化道的任何废物。当它们通过结肠时，它们会变得更坚固，最终穿过直肠，并通过肛门排出体外。

食欲调节激素

有几种激素由身体的组织和器官分泌，然后通过血液循环运输到饱腹中心，饱腹中心是大脑中的一个区域，它会触发冲动，让我们产生饥饿感或帮助抑制我们的食欲。生长激素是一种由胃释放的激素，它以垂体为靶点，向身体发出需要进食的信号。PYY 是一种由小肠释放的激素，它可以抵消生长激素。它由下丘脑释放，并发出你刚刚吃过的信号，并帮助抑制我们的食欲。胰腺会释放胰岛素，它以下丘脑为靶点，并在我们刚刚吃完饭后血糖水平升高时，也有助于抑制我们的食欲。最后一种激素是瘦素，它也有助于抑制食欲。瘦素由脂肪组织产生，并以下丘脑为靶点。

粘液在胃肠道疾病中的作用

肠道屏障由粘液（糖蛋白）层和上皮细胞之间的紧密连接组成，以及定期上皮细胞替换，这些都保护肠道免受消化食物通过胃肠道（GI）道产生的机械应力、消化酶的分子分解以及细菌和病毒等外来入侵者的侵害。在提供保护的同时，粘液层必须允许消化后的分子通过，以便被上皮细胞吸收。揭示粘液层对所有破坏性载体的保护深度，可以全面了解粘液在许多肠道疾病中的潜在作用。

粘液（糖蛋白）在胃肠道中的作用

迄今已鉴定出多达 20 种粘液基因，并被广泛分类为分泌型或膜结合的大型糖蛋白。最近的研究表明，胃肠道中的粘液层在粘液蛋白组成、粘液层和粘液厚度方面存在差异。粘液层已被证明可以防止消化酶进入肠壁。如果糖蛋白的结构异常或产生发生改变，粘液层可能会受损。这会导致肠壁保护不足，并可能导致全身性损伤。

例如，休克是一种生理过程，仍然通过多器官功能衰竭导致许多人死亡。最近的研究揭示了肠道在此过程中的作用。肠道粘膜屏障在休克期间会受到损害，不再发挥屏障作用。当这种情况发生时，肠道内容物，包括细胞毒性游离脂肪酸 (FFA)，可能会进入肠壁，对肠壁和其他器官造成损害。

全面了解粘液作为保护剂的作用，可以加深对许多胃肠道疾病和并发症以及粘液在其中所起作用的理解。诸如坏死性小肠结肠炎、克罗恩病和肠易激综合征等疾病的治疗效率可能会更高，因为粘液在每种疾病中都起着作用。休克患者也会受益，因为许多并发症源于肠道屏障的破坏。

参考文献

Reece, Jane B., and Neil A. Campbell. Biology. Boston, MA: Cummings, 2011. Print.