結構生物化學/細胞訊號通路/消化系統

消化系統的概述

消化系統主要負責將食物中的聚合物分解成更小的分子，為身體提供能量。

1.) 整個消化過程可以簡化為攝食、消化、吸收和排洩等過程。透過分析每個過程，可以有效地瞭解構成消化系統的器官。在攝食過程中，生物體透過咀嚼感興趣的特定食物進行機械消化。在這種情況下，嘴巴，也稱為口腔，充當增加食物表面積的來源，將其變成食團，一個更小、更圓的食物版本，隨後會被吞入食道。除了這些器官外，還有輔助腺體也參與了攝食，例如舌頭和牙齒。透過觀察消化系統的消化部分，可以觀察到酶促水解，其中食道將食物從口腔轉移到胃，在那裡胃酸和胃蛋白酶使食物發生化學分解。接下來，在消化系統的吸收部分，營養分子進入小腸內的體細胞。最後，消化系統的排洩過程與泌尿系統密切相關，其中生物體的未消化物質從體內排出。

2.) 瞭解了消化系統的一般概念和特徵後，可以檢查三種不同型別生物的消化系統的結構和功能：人類、無脊椎動物和非哺乳動物脊椎動物。

• 首先，在人類消化系統中，存在一條消化道，也稱為完整的消化道，它代表一條從兩個開口，即嘴巴和肛門之間延伸的消化管。嘴巴充當消化道的起始因素，消化從任何特定食物型別的第一次咬合開始，隨後咀嚼將食物分解成更容易消化的碎片。同時，唾液與食物混合，開始分解過程，將其轉化為身體更容易吸收的形式。一般來說，人類被認為是雜食動物，既吃肉也吃植物類物質。

• 其次，將觀察無脊椎動物章魚的消化系統。章魚也擁有一個雙向消化系統，由嘴巴和肛門組成。與通常雜食的人類飲食形成對比的是，章魚是一種肉食動物，其飲食通常包括龍蝦、螃蟹和蝦。利用它們極其強壯的喙來殺死和食用獵物，食物將在胃和消化囊中消化，然後從肛門排出。

• 第三，對於非哺乳動物脊椎動物，可以觀察烏龜的消化系統。烏龜的消化系統與其他脊椎動物類似。與兩棲動物不同，它們沒有粘液腺，但有唾液腺。烏龜會整塊或大塊地吞食食物，在此過程中，唾液腺會分泌唾液進入口腔，使食物溼潤，有助於吞嚥。雖然通常是雜食動物，但大多數烏龜至少部分是肉食動物，導致它們擁有強大的消化酶。烏龜的舌頭又寬又平，並且牢牢地附著在嘴巴底部，阻止舌頭移動。鱷龜的舌頭上有小的蠕蟲狀附屬物。這些附屬物可以充滿血液，並允許它們擺動。當烏龜張開嘴巴，附屬物擺動時，鱷龜可以吸引小魚，更有效地捕捉到它們。烏龜消化道的壁由平滑肌組織構成，肌肉收縮，將食物從食道和腸道推向胃。

消化系統的深入步驟

攝食攝食行為啟動了整個消化系統的過程。攝食從生物體將可食之物放入口中開始，機械消化以咀嚼和分解食物的形式開始。進行機械消化可以使攝入的食物表面積增加，從而更容易消化和吸收營養物質。在此期間，食物變成食團，以便更容易吞嚥。在機械消化的同時，唾液分泌出來，以保護口腔內壁免受機械消化的影響。唾液含有幾種酶，包括澱粉酶，它可以保護口腔內壁，以及粘蛋白，它可以幫助吞嚥。在咀嚼進行機械消化和唾液進行化學消化之後，食團被推入食道，並透過蠕動向下移動到喉嚨。

消化有兩種重要的消化形式，即機械消化和化學消化，它們將分子分解成更小的碎片以便吸收。機械消化首先在口腔中發生，並從咀嚼食物開始。多糖和糖僅在口腔中分解。隨後進行化學消化，因為唾液腺分泌唾液，並透過導管將其帶入口腔，在那裡它有助於分解食物。唾液中有一種稱為澱粉酶的酶，它可以水解多糖和二糖，將其分解成單糖，這一過程稱為酶促水解。舌頭有助於將食物塑造成食團，並幫助吞嚥。吞嚥發生後，食團到達咽部，即喉嚨中的一個區域，它通向氣管（通向肺部）或食道（通向胃）。在吞嚥過程中，有一個叫做會厭的軟骨瓣會覆蓋會厭，會厭是一個通向氣管的入口，以防止食物進入錯誤的路線，最終阻塞氣管。由於該入口被阻擋，喉部能夠將食團引導至食道入口。有一個食道括約肌，它調節物質進出食道的運動。當人沒有吞嚥時，該括約肌會收縮，反之，當吞嚥發生時，該括約肌會放鬆，以便食團可以向下移動到胃部。化學消化在胃中也很普遍。食團被胃的胃液進一步分解，胃液由鹽酸和胃蛋白酶組成。強酸性的鹽酸有助於分解食團中的細胞外基質，而胃蛋白酶是一種蛋白酶，它有助於分解肽鍵，消化食物中的蛋白質。當食團與胃液混合時，胃會不斷地翻滾，直到食團變成食糜。其他幾個器官也輔助消化食物，肝臟有助於脂質分解，胰腺分泌碳酸氫鹽，以中和胃液中的鹽酸。

胃中的化學消化 胃利用強烈的化學物質和酶，這些化學物質和酶通常會輕易破壞有機物。胃能夠透過精心合成這些化學物質來保護自己免受自身胃液的侵害，從而有效地消化食物團並將其轉化為食糜。胃的整個內壁都覆蓋著一層粘液，以及其他幾層上皮細胞，這些細胞每隔幾天就會更換。胃利用鹽酸作為一種手段來消滅有害細菌以及使食物團中的蛋白質變性。由於鹽酸會導致胃部嚴重損傷，因此 H+ 離子和 Cl- 離子在消化需要之前會保持分離。胃中單獨的壁細胞會使這些離子保持分離，直到它們利用 ATP 將 H+ 和 Cl- 離子排出，在那裡它們在胃腔中反應形成 HCl。HCl 也能將胃蛋白酶原啟用為胃蛋白酶，這是一種有用的酶，專門負責蛋白質的切割和消化。沒有適當防禦方式利用胃液中 HCl 和胃蛋白酶的胃，往往會導致胃損傷，從而導致胃潰瘍。

吸收 營養物質的吸收始於小腸。小腸具有巨大的表面積，其內壁覆蓋著絨毛和微絨毛，有助於從食糜中吸收營養物質。之後，食糜透過大腸，大腸分為三部分：結腸、盲腸和闌尾。盲腸有助於發酵攝入的食物，結腸則重新吸收消化過程中身體可能用過的水和其他營養物質。當攝入的物質透過蠕動運動穿過腸道時，可利用的營養物質會被吸收，而廢物則以糞便的形式留下來。

排洩 消化系統的最後階段是排洩，在此階段，攝入的食物現在形成了一種（通常是）固體廢物，稱為糞便。糞便透過肛門排出體外，結束了對特定攝入食物的消化過程。

胃液的產生

胃的內表面有胃腺。胃腺有三種不同型別的細胞，它們負責分泌構成胃液的部分，如粘液、胃蛋白酶和鹽酸。胃腺中的壁細胞分泌鹽酸 (HCl)。主細胞分泌一種非活性形式的胃蛋白酶原，它在接觸到胃腔中的鹽酸之前不會被啟用為胃蛋白酶。最後是粘液細胞，它們分泌粘液，一種保護胃內壁的物質。胃液不會破壞產生它的胃細胞，因為所有這些成分在釋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。鹽酸將胃蛋白酶原（非活性形式）轉化為胃蛋白酶。胃蛋白酶，即活性形式，開始連鎖反應，啟用更多的胃蛋白酶原。胃液開始了胃中蛋白質化學消化的過程。

小腸中的消化

小腸是消化道中最長的部分，是消化和吸收的主要器官。這是剩餘的消化和酶促水解過程發生的地方，隨後是吸收。小腸的第一部分是十二指腸，酸性食糜在這裡與胰腺、肝臟和膽囊的胃液結合。

消化的激素調節

• 當食物到達胃部時，它會導致胃壁擴張，從而刺激胃釋放胃泌素。胃泌素會透過血液迴圈回到胃，導致胃釋放胃液。
• 一旦食糜從胃部進入十二指腸，由於食糜中存在脂肪酸和氨基酸，它就會觸發激素分泌素和縮膽囊素 (CKK) 的釋放。分泌素對胰腺起正向作用，刺激它釋放碳酸氫鹽，碳酸氫鹽有助於將脂肪分解為脂肪酸並中和酸性食糜。同時，CKK 刺激膽囊釋放膽汁，膽汁是一種洗滌劑，可以將脂肪分解成更小的脂肪。CKK 還刺激胰腺釋放更多可以水解脂肪的消化酶。
• 分泌素和 CKK 都有抑制性反應，並對胃起負向作用，以減緩消化和食糜的產生。

小腸中的吸收

空腸和迴腸是小腸的一部分，專門負責吸收。小腸的巨大表面積是由於暴露於腸腔的絨毛和微絨毛。這種巨大的微絨毛表面積提高了營養物質吸收的速度。絨毛和小上皮細胞構成並排列著小腸的邊界。營養物質可以透過被動運輸或主動運輸穿過上皮細胞。糖透過被動擴散沿著濃度梯度進入上皮細胞，然後被收集到小血管中，並透過迴圈系統運輸。同時，氨基酸、肽、維生素和葡萄糖由上皮細胞主動地逆濃度梯度泵送，然後由毛細血管迴圈到全身。另一方面，脂肪需要在淋巴系統中重新組裝，並透過不同的方式運輸。

脂肪吸收 在腔內，脂肪分子，稱為甘油三酯，經歷酶促水解，在此過程中，脂肪酶將脂肪分子分解為脂肪酸和甘油一酯。由脂肪酸和甘油一酯組成的較小分子擴散到上皮細胞中。在上皮細胞中，小分子恢復為甘油三酯，這些甘油三酯與膽固醇混合並覆蓋上蛋白質，形成乳糜微粒。這些分子離開上皮細胞，並被運輸到乳糜管中。

大腸中的吸收

雖然小腸的主要功能是吸收營養物質和水，但大腸的功能主要是吸收水。結腸是大腸的一部分，它連線到小腸，並通向直腸和肛門。結腸的功能是回收進入消化道的液體。盲腸連線小腸和大腸的交匯處，並有助於植物材料的發酵。在人類中，盲腸還有一個延伸部分，稱為闌尾。闌尾在免疫中不起很大作用。糞便來自消化道的任何廢物。當它們透過結腸時，它們會變得更堅固，最終穿過直腸，並透過肛門排出體外。

食慾調節激素

有幾種激素由身體的組織和器官分泌，然後透過血液迴圈運輸到飽腹中心，飽腹中心是大腦中的一個區域，它會觸發衝動，讓我們產生飢餓感或幫助抑制我們的食慾。生長激素是一種由胃釋放的激素，它以垂體為靶點，向身體發出需要進食的訊號。PYY 是一種由小腸釋放的激素，它可以抵消生長激素。它由下丘腦釋放，併發出你剛剛吃過的訊號，並幫助抑制我們的食慾。胰腺會釋放胰島素，它以下丘腦為靶點，並在我們剛剛吃完飯後血糖水平升高時，也有助於抑制我們的食慾。最後一種激素是瘦素，它也有助於抑制食慾。瘦素由脂肪組織產生，並以下丘腦為靶點。

粘液在胃腸道疾病中的作用

腸道屏障由粘液（糖蛋白）層和上皮細胞之間的緊密連線組成，以及定期上皮細胞替換，這些都保護腸道免受消化食物透過胃腸道（GI）道產生的機械應力、消化酶的分子分解以及細菌和病毒等外來入侵者的侵害。在提供保護的同時，粘液層必須允許消化後的分子透過，以便被上皮細胞吸收。揭示粘液層對所有破壞性載體的保護深度，可以全面瞭解粘液在許多腸道疾病中的潛在作用。

粘液（糖蛋白）在胃腸道中的作用

迄今已鑑定出多達 20 種粘液基因，並被廣泛分類為分泌型或膜結合的大型糖蛋白。最近的研究表明，胃腸道中的粘液層在粘液蛋白組成、粘液層和粘液厚度方面存在差異。粘液層已被證明可以防止消化酶進入腸壁。如果糖蛋白的結構異常或產生髮生改變，粘液層可能會受損。這會導致腸壁保護不足，並可能導致全身性損傷。

例如，休克是一種生理過程，仍然透過多器官功能衰竭導致許多人死亡。最近的研究揭示了腸道在此過程中的作用。腸道粘膜屏障在休克期間會受到損害，不再發揮屏障作用。當這種情況發生時，腸道內容物，包括細胞毒性遊離脂肪酸 (FFA)，可能會進入腸壁，對腸壁和其他器官造成損害。

全面瞭解粘液作為保護劑的作用，可以加深對許多胃腸道疾病和併發症以及粘液在其中所起作用的理解。諸如壞死性小腸結腸炎、克羅恩病和腸易激綜合徵等疾病的治療效率可能會更高，因為粘液在每種疾病中都起著作用。休克患者也會受益，因為許多併發症源於腸道屏障的破壞。

參考文獻

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