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消化作用 (digestion)简称消化 ,是指異營生物 將食物 (大分子)分解成足夠小的水溶性分子(小分子),可以溶解在血漿 ,讓身體能夠吸收利用的過程。有些動物會透過小腸 吸收小分子,帶到血液系統中。
消化作用是生物异化作用 (分解代謝)的一環,可以分為兩個階段:首先藉由機械性的作用(機械消化,mechanical digestion)或稱物理消化,將食物碎裂成小裂片;其次是化學性的作用(化學消化,chemical digestion),經由酶 的催化,將大分子水解成小分子單體。無法消化的殘渣則會再排出體外。
大多數食物中所含的有機物包括蛋白質 、脂肪 和碳水化合物 。由於這些大分子聚合物無法穿過細胞膜 進入細胞 內,而且動物 需要用單體來合成自身身體所需的聚合物,因此動物需要藉由消化作用將食物中的大分子分解成單體。例如將蛋白質分解為胺基酸 ,多醣 及雙醣 分解為單醣 ,脂肪分解為甘油 及脂肪酸 等。
消化系統
最簡單的生命體,例如原生動物 ,會利用擴散 、主動運輸 或胞吞作用 而將食物顆粒直接從周圍環境中送入細胞內,再以酵素分解而獲取營養物,這樣的方式稱為胞內消化 。胞內消化不需要機械性裂解食物的過程,也不需要消化道或腔室,因此限制了此類動物的體型及複雜度,只能利用小的食物顆粒來獲取營養素。
較大型的動物又演化出胞外消化 的構造與機制。在消化道 中,利用機械性及化學性的作用,可將大塊食物分解成小分子的營養素,這些營養素被吸收後,參與代謝及合成作用。
原始的多細胞動物,例如水螅 ,其腸道是封閉的囊狀物,只有一個開口作為入口及出口,稱為消化循環腔 ,是一種不完全消化道(incomplete gut)。而自囊蠕蟲類動物起,例如蠕蟲 、蛔蟲 ,開始發育出肛門 ,具有口 、咽 、肛門及完整腸道,是完全消化道(complete gut)。完全消化道可使食物往單方向移動,不會與先前攝入的食物或廢物混合,並且能循序漸進的處理食物,使食物在不同的步驟中被有效率的消化。
分泌系統
細菌接合 機制的示意圖1- 供體細胞產生性菌毛 2- 性菌毛連上受體細胞,使兩細胞連在一起3- 流動的質體被剪切後,一小段DNA被轉移到受體細胞4- 兩個細胞重新將質體繞成圈,合成第二條鏈條,性菌毛再生。這時,兩個細胞都能提供質體了。
細菌 利用幾種不同的系統來獲得外界其他有機體的養份。
通道传输系统
在通道传输系统中,由幾種蛋白質形成細菌細胞膜內部和外部之間的通道。通道传输系统包括三種蛋白質:ATP结合盒转运蛋白家族 、膜融合蛋白 (MFP)及外膜蛋白 (OMP)。此分泌系統可以輸送各種不同的分子:從離子、藥物、到不同大小的蛋白質(20-900kDa)。所分泌的分子可以從大腸桿菌 的肽大肠杆菌素(10 kDa)到螢光假單胞菌 的细胞粘附蛋白(900 kDa)[1] 。
分子注射器
有些細菌(像沙門氏菌屬 、志賀氏菌屬 等)可以透過分子注射器(molecular syringe)注射養份或毒素到其他單細胞生物的細胞中。最早是在鼠疫桿菌 中發現此機制,而且證實可以直接將毒素注射到宿主的細胞質內,而不只是分泌到细胞间质中[2] 。
接合機制
有些細菌有接合 機制,可以交換DNA及蛋白質。此機制是在農桿菌 中發現,利用此一機制引入Ti質粒到宿主的蛋白質中,因而引發冠纓[3] 。
外膜囊泡释放
除了利用上述的多蛋白質複合物外,革蘭氏陰性菌還有另一種釋放物質的方法:形成外膜囊泡[4] 。
消化腔
捕蠅草的葉子
消化腔 的作用類似胃,一方面進行消化作用,另一方面也將營養分佈到身體的各部份。細胞外消化就是發生在中央消化腔外,其內裡是消化內皮層(gastrodermis),是上皮組織 的內層,消化腔對外只有一個開口,具有攝取食物及排泄的功能,消化後的殘餘物及未消化物質從這個出口排到體外,這可以稱為是不完全的腸道 。
像捕蠅草 之類可以用光合作用來產生食物的植物。其捕捉獵物並且消化的原因不像一般動物為了採集能量及碳元素,而是為了攝取必要的營養素(特別是氮和磷),這些營養素在其酸性沼澤棲息地是很不容易取得的[5] 。
溶組織阿米巴的滋養期,其中有已吞噬的红血球
吞噬体
吞噬体 是因為吞噬作用 吸收的物質,其周圍形成的液胞 。吞噬体是因為物質附近的细胞膜 融合後所產生的。吞噬体也是细胞区室 ,致病 微生物會在吞噬体內被殺死及消化。吞噬体在其成長過程會和溶酶體 融合,最後形成吞噬溶酶體 。人類體內的溶组织内阿米巴 會吞噬红血球 [6] 。
脊椎动物消化作用的簡介
對大部份的脊椎动物 而言,消化是在消化系統中多步驟的作用,從攝取食物(多半是其他的動植物)開始。消化作用也會包括一些物理程序及化學程序,可以分為以下四個步驟:
攝食 :將食物放入口中(食物進入消化系統的起點)。
物理性及化學性的分解:口中咀嚼是物理性的分解,之後食團 在胃腸中和水、胃酸 、胆汁 和酵素 混合,將大型的分子分解為較簡單的結構。
吸收:營養素從消化系統藉由渗透 、主動運輸 及扩散作用 吸收到循环和淋巴毛细血管中。
排泄:最後無法消化的殘餘物質會透過排便 離開消化道。
讓消化作用正常作用的關鍵是消化系統中肌肉的動作,包括吞咽和蠕动 運動。消化作用中的每一個步驟都需要能量。因此在從吸收的物質中取得能量之前,需要先消耗一些能量。消化作用需要能量的差異對於動物的生活方式、行為,甚至其外形都有很大的影響。像人類都和其他的人科 動物有很大的不同(例如缺乏體毛、较小的颌骨和肌肉组织、齒列不同、腸子長度不同,是否會烹煮食物等)。
消化作用主要是發生在小腸 中,大腸 主要的作用是利用腸道菌種 讓無法消化的物質發酵,並且在排泄之前吸收殘餘物質中的水份。
哺乳類的消化作用
哺乳類 的消化準備工作是從头相 開始,口腔 會分泌唾液 ,胃部 也會分泌消化酶 。食物入口後,哺乳類會咀嚼 食物,並且食物和唾液混合,此時開始了物理性及化學性的分解,之後食物進入胃部,繼續其他的酵素作用。胃部也會繼續進行物理性及化學性的分解,靠的是胃部的搅拌食物,以及讓食物与胃酸和酵素混合。養份吸收是在胃部(胃酸 )以及腸道(腸液 、胰液 、膽汁 ),最後殘餘物質會透過排便 離開消化道(排遺作用)[7] 。
不同物質的消化
蛋白質的消化
蛋白質是在胃部及十二指腸進行消化,有三種主要的酵素:由胃部分泌的胃蛋白酶 ,以及胰臟分泌的胰蛋白酶 及胰凝乳蛋白酶 ,可以將食物中的蛋白質分解為多肽 ,之後再由外肽酶 及多肽酶 分成胺基酸。不過胃和胰臟多半不會直接分泌消化酵素,而是分泌無活性的前体酶原 。例如胰蛋白酶是以胰蛋白酶原 的形式,由胰腺所分泌,再經由十二指腸的肠激酶 活化成為胰蛋白酶。胰蛋白酶可以將蛋白质 分解為較小的多肽。
脂質的消化
有些脂質是從進入口腔起就開始消化,舌脂肪酶 會將一些短鏈的脂質轉換為甘油二酯 。不過大部份的脂質是在小腸消化的[8] 。小腸中脂肪的出現會產生激素,會讓胰腺釋放胰脂肪酶 ,讓肝臟釋放胆汁酸 ,有助於脂肪的乳化,可以以脂肪酸 的形式吸收[8] 。一莫耳脂肪(三酸甘油酯 )在完全消化後會變成脂肪酸、甘油一酯、甘油二酯以及一些未分解三酸甘油酯的混合物,但其中不會有游離的甘油 分子[8] 。
醣類的消化
人類可以消化的膳食澱粉是由葡萄糖 單位組成的長鏈,稱為直鏈澱粉 ,屬於多糖 。在消化時,唾液中和胰臟分泌的淀粉酶 會破壞葡萄糖分子之間的鏈結,因此葡萄糖的長鏈會變短,產物會是結構較簡單,可以被小腸吸收的葡萄糖及麥芽糖 (二個葡萄糖組成的雙醣 )。
乳糖酶 可以將乳糖 分解為葡萄糖及半乳糖 。小腸可以吸收葡萄糖及半乳糖。大約有65%的成年人分泌的乳糖酶不足,因此無法消化未发酵 的乳製品,這稱為乳糖不耐症 。乳糖不耐症隨著族群而不同,東亞血統人群超過90%有乳糖不耐症,而北歐後裔只有約5%有乳糖不耐症[9] 。
蔗糖酶 是分解蔗糖 的酶,消化後會得到果糖 及葡萄糖,可以由小腸持續的吸收。
DNA和RNA的消化
DNA 和RNA 會由胰腺分泌的去氧核糖核酸酶 (DNase)及核糖核酸酶 (RNase)等核酸酶 分解為核苷酸 。
非破壞性消化
有些營養素是複雜結構的分子(例如维生素B12 ),若分解其分子就會破壞營養素的功能。為了可以以非破壞性的方式消化维生素B12 ,唾液 中的haptocorrin 會和维生素B12 形成強力的鍵結,當维生素B12 進入胃部,haptocorrin可以保護B12 不會被胃酸分解[10] 。
维生素B12 -haptocorrin複合物會從胃部通過幽門,進入十二指腸,胰腺蛋白酶會將haptocorrin和维生素B12 分離,而维生素B12 會和內在因子 (IF)結合。维生素B12 -內在因子複合物會再行進到小腸迴腸 段,而cubilin 接受器會進行同化作用 ,使维生素B12 -內在因子複合物進入血液系統[11] 。
參見
參考資料
^ Wooldridge K (editor). Bacterial Secreted Proteins: Secretory Mechanisms and Role in Pathogenesis . Caister Academic Press. 2009. ISBN 978-1-904455-42-4 .
^ Salyers, A. A. & Whitt, D. D. (2002). Bacterial Pathogenesis: A Molecular Approach , 2nd ed., Washington, D.C.: ASM Press. ISBN 978-1-55581-171-6
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^ Maton, Anthea; Jean Hopkins; Charles William McLaughlin; Susan Johnson; Maryanna Quon Warner; David LaHart; Jill D. Wright. Human Biology and Health . Englewood Cliffs, New Jersey, USA: Prentice Hall. 1993. ISBN 0-13-981176-1 . OCLC 32308337 .
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^ Genetics Home Reference . US National Library of Medicine. US National Institutes of Health. [27 June 2015] . (原始内容存档 于2016-01-25).
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