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消化作用

物理和化学过程

消化作用（digestion）简称消化，是指异营生物将食物（大分子）分解成足够小的水溶性分子（小分子），可以溶解在血浆，让身体能够吸收利用的过程。有些动物会透过小肠吸收小分子，带到血液系统中。

消化系统
标识字符
拉丁文systema digestorium
MeSHD004063
《解剖学术语》

消化作用是生物异化作用（分解代谢）的一环，可以分为两个阶段：首先借由机械性的作用（机械消化，mechanical digestion）或称物理消化，将食物碎裂成小裂片；其次是化学性的作用（化学消化，chemical digestion），经由酶的催化，将大分子水解成小分子单体。无法消化的残渣则会再排出体外。

大多数食物中所含的有机物包括蛋白质、脂肪和碳水化合物。由于这些大分子聚合物无法穿过细胞膜进入细胞内，而且动物需要用单体来合成自身身体所需的聚合物，因此动物需要借由消化作用将食物中的大分子分解成单体。例如将蛋白质分解为氨基酸，多糖及双糖分解为单糖，脂肪分解为甘油及脂肪酸等。

消化系统

最简单的生命体，例如原生动物，会利用扩散、主动运输或胞吞作用而将食物颗粒直接从周围环境中送入细胞内，再以酵素分解而获取营养物，这样的方式称为胞内消化（英语：Intracellular digestion）。胞内消化不需要机械性裂解食物的过程，也不需要消化道或腔室，因此限制了此类动物的体型及复杂度，只能利用小的食物颗粒来获取营养素。

较大型的动物又演化出胞外消化（英语：Extracellular digestion）的构造与机制。在消化道中，利用机械性及化学性的作用，可将大块食物分解成小分子的营养素，这些营养素被吸收后，参与代谢及合成作用。

原始的多细胞动物，例如水螅，其肠道是封闭的囊状物，只有一个开口作为入口及出口，称为消化循环腔（英语：gastrovascular cavity），是一种不完全消化道（incomplete gut）。而自囊蠕虫类动物起，例如蠕虫、蛔虫，开始发育出肛门，具有口、咽、肛门及完整肠道，是完全消化道（complete gut）。完全消化道可使食物往单方向移动，不会与先前摄入的食物或废物混合，并且能循序渐进的处理食物，使食物在不同的步骤中被有效率的消化。

分泌系统

 
细菌接合机制的示意图1-供体细胞产生性菌毛2-性菌毛连上受体细胞，使两细胞连在一起3-流动的质体被剪切后，一小段DNA被转移到受体细胞4-两个细胞重新将质体绕成圈，合成第二条链条，性菌毛再生。这时，两个细胞都能提供质体了。

细菌利用几种不同的系统来获得外界其他有机体的养份。

通道传输系统

在通道传输系统中，由几种蛋白质形成细菌细胞膜内部和外部之间的通道。通道传输系统包括三种蛋白质：ATP结合盒转运蛋白家族（英语：ATP-binding cassette family）、膜融合蛋白（英语：membrane fusion protein）（MFP）及外膜蛋白（英语：outer membrane protein）（OMP）。此分泌系统可以输送各种不同的分子：从离子、药物、到不同大小的蛋白质（20-900kDa）。所分泌的分子可以从大肠杆菌的肽大肠杆菌素（10 kDa）到萤光假单胞菌的细胞粘附蛋白（900 kDa）[1]。

分子注射器

有些细菌（像沙门氏菌属、志贺氏菌属等）可以透过分子注射器（molecular syringe）注射养份或毒素到其他单细胞生物的细胞中。最早是在鼠疫杆菌中发现此机制，而且证实可以直接将毒素注射到宿主的细胞质内，而不只是分泌到细胞间质中[2]。

接合机制

有些细菌有接合机制，可以交换DNA及蛋白质。此机制是在农杆菌中发现，利用此一机制引入Ti质粒到宿主的蛋白质中，因而引发冠缨[3]。

外膜囊泡释放

除了利用上述的多蛋白质复合物外，革兰氏阴性菌还有另一种释放物质的方法：形成外膜囊泡[4]。

消化腔

 
捕蝇草的叶子

消化腔（英语：gastrovascular cavity）的作用类似胃，一方面进行消化作用，另一方面也将营养分布到身体的各部分。细胞外消化就是发生在中央消化腔外，其内里是消化内皮层（gastrodermis），是上皮组织的内层，消化腔对外只有一个开口，具有摄取食物及排泄的功能，消化后的残余物及未消化物质从这个出口排到体外，这可以称为是不完全的肠道（英语：gut (anatomy)）。

像捕蝇草之类可以用光合作用来产生食物的植物。其捕捉猎物并且消化的原因不像一般动物为了采集能量及碳元素，而是为了摄取必要的营养素（特别是氮和磷），这些营养素在其酸性沼泽栖息地是很不容易取得的[5]。

 
溶组织阿米巴的滋养期，其中有已吞噬的红血球

吞噬体

吞噬体是因为吞噬作用吸收的物质，其周围形成的液泡。吞噬体是因为物质附近的细胞膜融合后所产生的。吞噬体也是细胞区室，致病微生物会在吞噬体内被杀死及消化。吞噬体在其成长过程会和溶酶体融合，最后形成吞噬溶酶体（英语：phagolysosome）。人类体内的溶组织内阿米巴会吞噬红血球[6]。

脊椎动物消化作用的简介

对大部分的脊椎动物而言，消化是在消化系统中多步骤的作用，从摄取食物（多半是其他的动植物）开始。消化作用也会包括一些物理程序及化学程序，可以分为以下四个步骤：

  1. 摄食：将食物放入口中（食物进入消化系统的起点）。
  2. 物理性及化学性的分解：口中咀嚼是物理性的分解，之后食团（英语：Bolus (digestion)）在胃肠中和水、胃酸、胆汁和酵素混合，将大型的分子分解为较简单的结构。
  3. 吸收：营养素从消化系统借由渗透、主动运输及扩散作用吸收到循环和淋巴毛细血管中。
  4. 排泄：最后无法消化的残余物质会透过排便离开消化道。

让消化作用正常作用的关键是消化系统中肌肉的动作，包括吞咽和蠕动（英语：peristalsis）运动。消化作用中的每一个步骤都需要能量。因此在从吸收的物质中取得能量之前，需要先消耗一些能量。消化作用需要能量的差异对于动物的生活方式、行为，甚至其外形都有很大的影响。像人类都和其他的人科动物有很大的不同（例如缺乏体毛、较小的颌骨和肌肉组织、齿列不同、肠子长度不同，是否会烹煮食物等）。

消化作用主要是发生在小肠中，大肠主要的作用是利用肠道菌种让无法消化的物质发酵，并且在排泄之前吸收残余物质中的水分。

哺乳类的消化作用

哺乳类的消化准备工作是从头相（英语：cephalic phase）开始，口腔会分泌唾液，胃部也会分泌消化酶。食物入口后，哺乳类会咀嚼食物，并且食物和唾液混合，此时开始了物理性及化学性的分解，之后食物进入胃部，继续其他的酵素作用。胃部也会继续进行物理性及化学性的分解，靠的是胃部的搅拌食物，以及让食物与胃酸和酵素混合。养份吸收是在胃部（胃酸）以及肠道（肠液、胰液、胆汁），最后残余物质会透过排便离开消化道（排遗作用）[7]。

不同物质的消化

蛋白质的消化

蛋白质是在胃进行消化，有三种主要的酵素：由胃部分泌的胃蛋白酶，以及胰脏分泌的胰蛋白酶及胰凝乳蛋白酶，可以将食物中的蛋白质分解为多肽，之后再由外肽酶及多肽酶（英语：dipeptidases）分成氨基酸。不过胃和胰脏多半不会直接分泌消化酵素，而是分泌无活性的前体酶原。例如胰蛋白酶是以胰蛋白酶原的形式，由胰腺所分泌，再经由十二指肠的肠激酶（英语：enterokinase）活化成为胰蛋白酶。胰蛋白酶可以将蛋白质分解为较小的多肽。

脂质的消化

有些脂质是从进入口腔起就开始消化，舌脂肪酶（英语：lingual lipase）会将一些短链的脂质转换为甘油二酯。不过大部分的脂质是在小肠消化的[8]。小肠中脂肪的出现会产生激素，会让胰腺释放胰脂肪酶，让肝脏释放胆汁酸，有助于脂肪的乳化，可以以脂肪酸的形式吸收[8]。一莫耳脂肪（甘油三酯）在完全消化后会变成脂肪酸、甘油一酯、甘油二酯以及一些未分解甘油三酯的混合物，但其中不会有游离的甘油分子[8]。

糖类的消化

人类可以消化的膳食淀粉是由葡萄糖单位组成的长链，称为直链淀粉，属于多糖。在消化时，唾液中和胰脏分泌的淀粉酶会破坏葡萄糖分子之间的链接，因此葡萄糖的长链会变短，产物会是结构较简单，可以被小肠吸收的葡萄糖及麦芽糖（二个葡萄糖组成的双糖）。

乳糖酶可以将乳糖分解为葡萄糖及半乳糖。小肠可以吸收葡萄糖及半乳糖。大约有65%的成年人分泌的乳糖酶不足，因此无法消化未发酵的乳制品，这称为乳糖不耐症。乳糖不耐症随着族群而不同，东亚血统人群超过90%有乳糖不耐症，而北欧后裔只有约5%有乳糖不耐症[9]。

蔗糖酶是分解蔗糖的酶，消化后会得到果糖及葡萄糖，可以由小肠持续的吸收。

DNA和RNA的消化

DNA和RNA会由胰腺分泌的去氧核糖核酸酶（DNase）及核糖核酸酶（RNase）等核酸酶分解为核苷酸。

非破坏性消化

有些营养素是复杂结构的分子（例如维生素B12），若分解其分子就会破坏营养素的功能。为了可以以非破坏性的方式消化维生素B12，唾液中的haptocorrin（英语：haptocorrin）会和维生素B12形成强力的键结，当维生素B12进入胃部，haptocorrin可以保护B12不会被胃酸分解[10]。

维生素B12-haptocorrin复合物会从胃部通过幽门，进入十二指肠，胰腺蛋白酶会将haptocorrin和维生素B12分离，而维生素B12会和内在因子（IF）结合。维生素B12-内在因子复合物会再行进到小肠回肠段，而cubilin（英语：cubilin）接受器会进行同化作用，使维生素B12-内在因子复合物进入血液系统[11]。

参见

参考资料

  1. ^ Wooldridge K (editor). Bacterial Secreted Proteins: Secretory Mechanisms and Role in Pathogenesis. Caister Academic Press. 2009. ISBN 978-1-904455-42-4. 
  2. ^ 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
  3. ^ Cascales E & Christie P.J. The versatile Type IV secretion systems. Nat Rev Microbiol. 2003, 1 (2): 137–149. PMID 15035043. doi:10.1038/nrmicro753. 
  4. ^ Chatterjee, SN and J Das. "Electron microscopic observations on the excretion of cell wall material by Vibrio cholerae." "J.Gen.Microbiol." "49" : 1-11 (1967) ; Kuehn, MJ and NC Kesty. "Bacterial outer membrane vesicles and the host-pathogen interaction." Genes Dev.and then the 19(22):2645-55 (2005)
  5. ^ Leege, Lissa. How does the Venus flytrap digest flies?. Scientific American. [2008-08-20]. 
  6. ^ Boettner, D. R.; Huston, C. D.; Linford, A. S.; Buss, S. N.; Houpt, E.; Sherman, N. E.; Petri, W. A. Entamoeba histolytica Phagocytosis of Human Erythrocytes Involves PATMK, a Member of the Transmembrane Kinase Family. PLoS Pathogens. 2008, 4 (1): e8. PMC 2211552  . PMID 18208324. doi:10.1371/journal.ppat.0040008. 
  7. ^ 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. 
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 Digestion of fats (triacylglycerols). [2017-04-11]. （原始内容存档于2013-10-13）. 
  9. ^ 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）. 
  10. ^ Nexo E, Hoffmann-Lücke E. Holotranscobalamin, a marker of vitamin B-12 status: analytical aspects and clinical utility. Am. J. Clin. Nutr. July 2011, 94 (1): 359S–365S. PMC 3127504  . PMID 21593496. doi:10.3945/ajcn.111.013458. 
  11. ^ Viola-Villegas N, Rabideau AE, Bartholomä M, Zubieta J, Doyle RP. Targeting the cubilin receptor through the vitamin B(12) uptake pathway: cytotoxicity and mechanistic insight through fluorescent Re(I) delivery. J. Med. Chem. August 2009, 52 (16): 5253–61. PMID 19627091. doi:10.1021/jm900777v. 
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