background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Introduction to the Biochemistry of Digestion, 

Absorption and Detoxification 

Digestion is the chemical breakdown of large food molecules into smaller 
molecules that can be used by cells. The breakdown occurs when 
certain specific enzymes are mixed with the food. 

Main components of food are: 

Carbohydrates

 

1. 

Monosaccharides

 or simple sugars are either hexoses (6-carbon) 

like glucose, galactose and fructose, or pentoses (5-carbon) like 
ribose. These are the breakdown products of more complex 
carbohydrates and can be efficiently absorbed across the wall of 
the digestive tube and transported into blood.  

2. 

Disaccharides

 are simply two monosaccharides linked together by 

a glycosidic bond. The disaccharides most 
important in nutrition and digestion are:  

• 

lactose or "milk sugar": glucose + galactose  

 

• 

sucrose or "table sugar": glucose + fructose 

• 

maltose: glucose + glucose  

• 

Oligosaccharides are relatively short chains of 
monosaccharides which typically are 
intermediates in the breakdown of 
polysaccharides to monosaccharides.  

3. 

Polysaccharides

 :  

• 

Starch is a major plant storage form of glucose. 

It occurs in two forms:  

• 

alpha-amylose, in which the 
glucoses are linked together 
in straight chains,  

 

 

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

• 

and amylopectin, in which the glucose 
chains are highly branched. Except for 
the branch points of amylopectin, the 
glucose monomers in starch are linked 
via alpha(1->4) glycosidic bonds, 
which, in the digestive tract of 
mammals, are hydrolyzed by 
amylases.  

• 

Dietary fibers (Cellulose)  is the other major plant carbohydrate. It 
is the major constituent of plant cell walls, and more than half of the 
organic carbon on earth is found in cellulose. Cellulose is 
composed on unbranched, linear chains of D-glucose molecules, 
linked to one another by beta(1->4) glycosidic bonds, which no 
vertebrate has the capacity to enzymatically digest.  

 

Overview of carbohydrate digestion. Digestion of the carbohydrates 

occurs first, followed by absorption of monosaccharides. Subsequent 

metabolic reactions occur after the sugars are absorbed. 

 

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Clinical cases in carbohydrate digestion and absorption: 
 

1.  Deria Voider is a 20-year-old exchange student from Nigeria who 

has noted gastrointestinal bloating, abdominal cramps, and 
intermittent diarrhea ever since arriving in the United States 6 
months earlier. A careful history shows that these symptoms occur 
most commonly about 45 minutes to 1 hour after eating breakfast 
but may occur after other meals as well. Dairy products, not a part 
of Deria’s diet in Nigeria, were identified as the probable offending 
agent because her gastrointestinal symptoms disappeared when 
milk and milk products were eliminated from her diet. 

 

2.  Ann Sulin’s fasting and postprandial blood glucose levels are 

frequently above the normal range in spite of good compliance with 
insulin therapy. Her physician has referred her to a dietician skilled 
in training diabetic patients in the successful application of an 
appropriate American Diabetes Association diet. As part of the 
program, Ms. Sulin is asked to incorporate foods containing fiber 
into her diet, such as whole grains (e.g., wheat, oats, corn), 
legumes (e.g., peas, beans, lentils), tubers (e.g., potatoes, 
peanuts), and fruits. 

 

3.  Nona Melos (no sweets) is a 7-month-old baby girl, the second 

child born to unrelated parents. Her mother had a healthy, full-term 
pregnancy, and Nona’s birth weight was normal. She did not 
respond well to breastfeeding and was changed entirely to a 
formula based on cow’s milk at 4 weeks. Between 7 and 12 weeks 
of age, she was admitted to the hospital twice with a history of 
screaming after feeding but was discharged after observation 
without a specific diagnosis. Elimination of cow’s milk from her diet 
did not relieve her symptoms; Nona’s mother reported that the 
screaming bouts were worse after Nona drank juice and that Nona 
frequently had gas and a distended abdomen. At 7 months she 
was still thriving (weight above 97th percentile) with no abnormal 
findings on physical examination. A stool sample was taken. 

 

 

 

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Proteins

 

Proteins are polymers of amino acids linked together by peptide bonds. 
Chain length varies tremendously and many dietary proteins have been 
modified after translation by addition of carbohydrate (glycoproteins) or 
lipid (lipoprotein) moieties. Very short proteins, typically 3 to 10 amino 
acids in length, are called peptides 

 

Digestion of proteins. The proteolytic enzymes, pepsin, trypsin, 

chymotrypsin, elastase, and the carboxypeptidases, are produced 

as zymogens (the [pro] and [ogen] accompanying the enzyme name) 

that are activated by cleavage after they enter the gastrointestinal lumen. 

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Clinical cases in protein digestion and absorption: 
 

1.  Sissy Fibrosa, a young child with cystic fibrosis, has had repeated 

bouts of bronchitis caused by Pseudomonas aeruginosa. With 
each of these infections, her response to aerosolized antibiotics 
has been good. However, her malabsorption of food continues, 
resulting in foul-smelling, glistening, bulky stools. Her growth 
records show a slow decline. She is now in the 24th percentile for 
height and the 20th percentile for weight. She is often listless and   
irritable, and she tires easily. When her pediatrician discovered that 
her levels of the serum proteins albumin, transferrin, and thyroid 
hormone binding prealbumin (transthyretin) were low to low-normal 
(indicating protein malnutrition), Sissy was given enteric-coated 
microspheres of pancreatic enzymes. Almost immediately, the 
character of Sissy’s stools became more normal and she began 
gaining weight. In the next 6 months, her growth curves showed 
improvement, and she seemed brighter, more active, and less 
irritable. 

 

2.  For the first few months after a painful episode of renal colic, during 

which he passed a kidney stone, Cal Kulis had faithfully  
maintained a high daily fluid intake and had taken the medication 
required to increase the pH of his urine. Because he has cystinuria, 
these measures were necessary to increase the solubility of the 
large amounts of cystine present in his urine and, thereby, to 
prevent further formation of kidney stones (calculi). With time, 
however, he became increasingly complacent about his preventive 
program. After failing to take his medication for a month, he 
experienced another severe episode of renal colic with grossly 
bloody urine. Fortunately, he passed the stone spontaneously, 
after which he vowed to faithfully comply with therapy. His mother 
heard that some dietary amino acids were not absorbed in patients 
with cystinuria and asked whether any dietary changes would  
reduce Cal’s chances of developing additional renal stones. 

 

 

 

 

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Lipids

 

Fatty acids are present in only small amounts in animal and plant 
tissues, but are the building blocks of many important complex lipids. 
True fatty acids possess a long hydrocarbon chain terminating in a 
carboxyl group. Nearly all fatty acids have an even number of carbons 
and have chains between 14 and 22 carbons in length. The principle 
differences among the many fatty acids are the length of the chain 
(usually 16 or 18 carbons) and the positions of unsaturated or double 
bonds.  

The most abundant storage form of fat in animals and plants, and hence 
the most important dietary lipid, is triglyceride. A molecule of triglyceride 
is composed of a molecule of glycerol in which each of the three carbons 
is linked through an ester bond to a fatty acid. Triglycerides cannot be 
efficiently absorbed, and are enzymatically digested by pancreatic lipase 
into a 2-monoglyceride and two free fatty acids, all of which can be 
absorbed. Other lipases hydrolyse a triglyceride into glycerol and three 
fatty acids.  

fats    

 

 fatty acids and glycerol 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Clinical cases in lipid digestion and absorption: 

 

1.  Will Michael had several episodes of mild back and lower 

extremity pain over the last year, probably caused by minor sickle 
cell crises. He then developed severe right upper abdominal pain 
radiating to his lower right chest and his right flank 36 hours before 
admission to the emergency room. He states that the pain is not 
like his usual crisis pain. Intractable vomiting began 12 hours after 
the onset of these new symptoms. He reports that his urine is the 
color of iced tea and his stool now has a light clay color. On 
physical examination, his body temperature is slightly elevated, 
and his heart rate is rapid. The whites of his eyes (the sclerae) are 
obviously jaundiced (a yellow discoloration caused by the 
accumulation of bilirubin pigment). He is exquisitely tender to 
pressure over his right upper abdomen. The emergency room 
physician suspects that Michael is not in sickle cell crisis but 
instead has either acute cholecystitis (gallbladder inflammation) or 
a gallstone lodged in his common bile duct, causing cholestasis 
(the inability of the bile from the liver to reach his small intestine). 
His hemoglobin level was low at 7.6 mg/dL (reference range _12–
16) but unchanged from his baseline 3 months earlier. His serum 
total bilirubin level was 3.2 mg/dL (reference range _ 0.2–1.0), and 
his direct (conjugated) bilirubin level was 0.9 mg/dL (reference 
range _0 –0.2). Intravenous fluids were started, he was not allowed 
to take anything by mouth, a nasogastric tube was passed and 
placed on constant suction, and symptomatic therapy was started 
for pain and nausea. When his condition had stabilized, Michael 
was sent for an ultrasonographic (ultrasound) study of his upper 
abdomen. 

2. 

Al Martini has continued to abuse alcohol and to eat poorly. After 
a particularly heavy intake of vodka, a steady severe pain began in 
his upper mid-abdomen. This pain spread to the left upper 
quadrant and eventually radiated to his mid-back. He began 
vomiting nonbloody material and was brought to the hospital 
emergency room with fever, a rapid heart beat, and a mild 
reduction in blood pressure. On physical examination, he was 
dehydrated and tender to pressure over the upper abdomen. His 
vomitus and stool were both negative for occult blood. Blood 
samples were sent to the laboratory for a variety of hematologic 
and chemical tests, including a measurement of serum amylase 
and lipase, digestive enzymes normally secreted from the exocrine 
pancreas through the pancreatic ducts into the lumen of the small 
intestine.

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

The process of digestion produces glucose, amino acids, glycerol, and 
fatty acids (see above). The energy in glucose is used to produce ATP 
via the reactions of glycolysis, cellular respiration, and the electron 
transport system (see diagram below). The body uses amino acids to 
construct proteins. Excess amino acids can be used to synthesize 
pyruvate, acetyl CoA, and alpha ketogluterate, which enters the Krebs 
cycle. Glycerol and fatty acids can be converted to pyruvate and Acetyl 
CoA and then enter cellular respiration. 

 

 
 
 
 
Digestion and absorption in the GI tract 
 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Mouth 

Chewing breaks food into smaller particles so that chemical digestion 
can occur faster. 

•  Enzymes: Salivary amylase breaks starch (a polysaccharide) 

down to maltose (a disaccharide). 

•  Bicarbonate ions in saliva act as buffers, maintaining a pH between 

6.5 and 7.5. 

•  Mucins (mucous) lubricate and help hold chewed food together in a 

clump called a bolus. 

 
 
 
 

Stomach 

The stomach stores up to 2 liters of food. Gastric glands within the 
stomach produce secretions called gastric juice
The muscular walls of the stomach contract vigorously to mix food with 
gastric juice, producing a mixture called chyme
Gastric juice 

•  Pepsinogen is converted to pepsin, which digests proteins. 

Pepsinogen production is stimulated by the presence of gastrin in 
the blood. 

•  HCl 

Hydrochloric acid (HCl) converts pepsinogen to pepsin which breaks 
down proteins to peptides. HCl maintains a pH in the stomach of 
approximately 2.0. 
It also dissolves food and kills microorganisms. 
 
Mucous
 protects the stomach from HCl and pepsin. 
 
Secretion of Gastric Juice: Gastrin
 is a hormone that stimulates the 
stomach to secrete gastric juice. 

 
Duodenum 

The duodenum is the first part of the small intestine. 
Chyme enters in tiny spurts. At this point, proteins and carbohydrates are 
only partially digested and lipid digestion has not begun. 

 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Pancreas 

The pancreas acts as an exocrine gland by producing pancreatic juice 
which empties into the small intestine via a duct. 
The pancreas also acts as an endocrine gland to produce insulin.  
 

•  Pancreatic Juice 

Pancreatic juice contains sodium bicarbonate which neutralizes the 
acidic material from the stomach. 

•  Pancreatic amylase digests starch to maltose. 

•  Trypsin and Chymotrypsin digest proteins to peptides. Like 

pepsin (produced in the stomach), they are specific for certain 
amino acids, not all of them. They therefore produce peptides. 

•  Lipase digests fats to glycerol and fatty acids. 

Liver 

The liver produces bile which is stored in gallbladder and sent to the 
duodenum through a duct. 
Bile emulsifies fats (separates it into small droplets) so they can mix with 
water and be acted upon by enzymes. 
Other Functions of the Liver 

•  The liver detoxifies blood from intestines that it receives via the 

hepatic portal vein. 

•  The liver stores glucose as glycogen (animal starch) and breaks 

down glycogen to release glucose as needed. This storage-release 
process maintains a constant glucose concentration in the blood 
(0.1%). If glycogen and glucose run short, proteins can be 
converted to glucose. 

•  It produces blood proteins. 

•  It destroys old red blood cells and converts hemoglobin from these 

cells to bilirubin and biliverdin which are components of bile. 

•  Ammonia produced by the digestion of proteins is converted to a 

less toxic compound (urea) by the liver. 

 

 

 

 

 

Hormones Involved in Digestion 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

1.  Gastrin: The presence of food in the stomach stimulates specific 

receptors which in turn stimulates endocrine cells in the stomach to 
secrete the hormone gastrin into the circulatory system. Gastrin 
stimulates the stomach to secrete gastric juice. 

2.  Secretin: Secretin is produced by cells of the duodenum. 

It’s production is 
stimulated by acid 
chyme from 
stomach. 
It stimulates the 
pancreas to produce sodium bicarbonate, which neutralizes the acidic 
chyme. It also stimulates the liver to secrete bile. 

3.  CCK (cholecystokinin): CCK production is stimulated by the 

presence of food in the duodenum. It stimulates the gallbladder to 
release bile and the pancreas to produce pancreatic enzymes. 

4.  GIP (Gastric Inhibitory Peptide):Food in the duodenum 

stimulates certain endocrine cells to produce GIP. 

It has the opposite effects of gastrin; it inhibits gastric glands in the 
stomach and it inhibits the mixing and churning movement of stomach 
muscles. This slows the rate of stomach emptying when the duodenum 
contains food. 

Small Intestine 

The small intestine is approximately 3 m long. Like the stomach, it 
contains numerous ridges and furrows. In addition, there are numerous 
projections called villi that function to increase the surface area of the 
intestine. Individual villus cells have microvilli which greatly increase 
absorptive surface area. 
The total absorptive surface area is equivalent to 500 or 600 square 
meters. 
Each villus contains blood vessels and a lacteal (lymph vessel). 
Peptidases and maltase are embedded within the plasma membrane of 
the microvilli. 
Peptidases complete the digestion of peptides to amino acids. 
Maltase completes the digestion of disaccharides. 
 
 
Absorption:  
 
 
 
 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

The Large Intestine: 

It functions in three processes:  

• 

Recovery of water and electrolytes from ingesta

: By the time 

ingesta reaches the terminal ileum, roughly 90% of its water has 
been absorbed, but considerable water and electrolytes like 
sodium and chloride remain and must be recovered by absorption 
in the large gut.  

• 

Formation and storage of feces

: As ingesta is moved through the 

large intestine, it is dehydrated, mixed with bacteria and mucus, 
and formed into feces.  

• 

Microbial fermentation

: The large intestine of all species teems with 

microbial life. Those microbes produce enzymes capable of 
digesting many of molecules that to vertebrates are indigestible, 
cellulose being a premier example. 

Absorption:

 water, sodium ions 

and chloride ions  

• 

Secretion:

 bicarbonate ions and mucus  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Summary of Digestive Enzymes 

The digestive enzymes in the table below are summarized 
according to type of food that they digest. 


background image

Lecture 1 

 

Sunday 23/9/2012 

 

Prof.Dr H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

FOOD TYPE 

ENZYME 

SOURCE 

PRODUCTS 

CARBOHYDRATES  Salivary amylase  

Pancreatic 
amylase 
Maltase 

Salivary 
glands  
Pancreas 
Small intestine 

Maltose  
Maltose 
Glucose 

PROTEINS 

Pepsin  
Trypsin 
Peptidases 

Stomach 
mucosa  
Pancreas  
Intestinal 
mucosa 

Peptides  
Peptides 
Amino acids 

FATS 

Lipase 

Pancreas 

Fatty acids 
and glycerol 

The table below shows digestive enzymes grouped by source of the 
enzyme. 

SOURCE 

ENZYME 

FOOD 

PRODUCT 

MOUTH (salivary 
glands) 

Salivary 
amylase 

Polysaccharides  Maltose 

STOMACH 

Pepsin 

Proteins 

Peptides 

PANCREAS 

Pancreatic 
amylase  
Trypsin 
Lipase 

Polysaccharides  
Proteins 
Fats 

Maltose  
Peptides 
Fatty acids 
and 
glycerol 

SMALL INTESTINE 

Maltase  
Peptidases 

Maltose  
Peptides 

Glucose  
Amino 
acids 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 21 عضواً و 238 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل