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物理和化学过程 来自维基百科,自由的百科全书
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。
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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。
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。
細菌利用幾種不同的系統來獲得外界其他有機體的養份。
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]。
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]。
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]。
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]。
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]。
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:
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)。
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]。
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。
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]。
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]。
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]。