background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

SECRETION AND ABSORPTION IN  

THE SMALL INTESTINE 

 

The small intestine is the portal for absorption of virtually all nutrients into blood. 
Accomplishing this transport requires breaking down large supramolecular aggregates into 
small molecules that can be transported across the epithelium.  

By the time ingesta reaches the small intestine, foodstuffs have been mechanically broken 
down and reduced to a liquid by mastication and grinding in the stomach. Once within the 
small intestine, these macromolecular aggregates are exposed to pancreatic enzymes and 
bile, which enables digestion to molecules capable or almost capable of being absorbed. 
The final stages of digestion occur on the surface of the small intestinal epithelium.  

The net effect of passage through the small intestine is absorption of most of the water 
and electrolytes (sodium, chloride, potassium) and essentially all dietary organic molecules 
(including glucose, amino acids and fatty acids). Through these activities, the small 
intestine not only provides nutrients to the body, but plays a critical role in water and 
acid-base balance.  

Secretion in the Small Intestine 

Large quantities of water are secreted into the lumen of the small intestine during the 
digestive process. Almost all of this water is also reabsorbed in the small intestine. 
Regardless of whether it is being secreted or absorbed, water flows across the mucosa in 
response to osmotic gradients. In the case of secretion, two distinct processes establish 
an osmotic gradient that pulls water into the lumen of the intestine:  

1.  Increases in luminal osmotic pressure resulting from influx and digestion of 

foodstuffs: The chyme that floods into the intestine from the stomach 
typically is not hyperosmotic, but as its macromolecular components are 
digested, osmolarlity of that solution increases dramatically. 

Starch, for example, is a huge molecule that contributes only a small amount to osmotic 
pressure, but as it is digested, thousands of molecules of maltose are generated, each of 
which is as osmotically active as the original starch molecule. 

 

Thus, as digestion proceeds lumenal osmolarity increases dramatically and water is pulled 
into the lumen. Then, as the osmotically active molecules (maltose, glucose, amino acids) 
are absorbed, osmolarity of the intestinal contents decreases and water can be absorbed.  


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

2.  Crypt cells actively secrete electrolytes, leading to water secretion: The apical 

or lumenal membrane of crypt epithelial cells contain an ion channel of 
immense medical significance - a cyclic AMP-dependent chloride channel 
known also as the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator or 
CFTR.
 Mutations in the gene for this ion channel result in the disease cystic 
fibrosis. This channel is responsible for secretion of water by the following 
steps: 

1.  Chloride ions enter the crypt epithelial cell by cotransport with sodium and 

potassium; sodium is pumped back out via sodium pumps, and 
potassium is exported via a number of channels.  

2.  Activation of adenylyl cyclase by a number of so-called secretagogues 

leads to generation of cyclic AMP.  

3.  Elevated intracellular concentrations of cAMP in crypt cells activate the 

CFTR, resulting in secretion of chloride ions into the lumen.  

4.  Accumulation of negatively-charged chloride anions in the crypt creates 

an electric potential that attracts sodium, pulling it into the lumen, 
apparently across tight junctions - the net result is secretion of NaCl.  

5.  Secretion of NaCl into the crypt creates an osmotic gradient across the 

tight junction and water is drawn into the lumen.  

 

CLINICAL CORRELATION  

Cystic fibrosis

 

Abnormal activation of the cAMP-dependent chloride channel (CFTR) in crypt cells has 
resulted in the deaths of millions upon millions of people. Several types of bacteria 
produce toxins that strongly, often permanently, activate the adenylate cyclase in crypt 
enterocytes. This leads to elevated levels of cAMP, causing the chloride channels to 
essentially become stuck in the "open" position". The result is massive secretion of water 
that is manifest as severe diarrhea. Cholera toxin, produced by cholera bacteria, is the 
best known example of this phenomenon, but several other bacteria produce toxins that 
act similarly. 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

Absorption in the Small Intestine: General Mechanisms 

Virtually all nutrients from the diet are absorbed into blood across the mucosa of the small 
intestine.To remain viable, all cells are required to maintain a low intracellular 
concentration of sodium. In polarized epithelial cells like enterocytes, low intracellular 
sodium is maintained by a large number of Na

+

/K

+

 ATPases – (sodium pumps) - 

embedded in the basolateral membrane. These pumps export 3 sodium ions from the cell 
in exchange for 2 potassium ions, thus establishing a gradient of both charge and sodium 
concentration across the basolateral membrane.  

 

Aside from the electrochemical gradient of sodium, several other concepts are required to 
understand absorption in the small intestine. Also, dietary sources of protein, carbohydrate 
and fat must all undergo the final stages of chemical digestion just prior to absorption of, 
for example, amino acids, glucose and fatty acids.  

• 

Water and electrolytes  

• 

Carbohydrates, after digestion to monosaccharides  

• 

Proteins, after digestion to small peptides and amino acids  

• 

Neutral fat, after digestion to monoglyceride and free fatty acids  

1)  Absorption of Water and Electrolytes 

The small intestine must absorb massive quantities of water. A normal person takes in 
roughly 1 to 2 liters of dietary fluid every day. On top of that, another 6 to 7 liters of fluid is 
received by the small intestine daily as secretions from salivary glands, stomach, 
pancreas, liver and the small intestine itself.  

By the time the ingesta enters the large intestine, approximately 80% of this fluid has been 
absorbed. Net movement of water across cell membranes always occurs by osmosis, and 
the fundamental concept needed to understand absorption in the small gut is that 
absorption of water is absolutely dependent on absorption of solutes, particularly sodium:  


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

• 

Sodium is absorbed into the cell by several mechanisms, but chief among them is 
by co-transport with glucose and amino acids - this means that efficient sodium 
absorption is dependent on absorption of these organic solutes.  

• 

Absorbed sodium is rapidly exported from the cell via sodium pumps - when a lot of 
sodium is entering the cell, a lot of sodium is pumped out of the cell, which 
establishes a high osmolarity in the small intercellular spaces between adjacent 
enterocytes.  

• 

Water diffuses in response to the osmotic gradient established by sodium - in this 
case into the intercellular space. It seems that the bulk of the water absorption is 
transcellular, but some also diffuses through the tight junctions.  

• 

Water, as well as sodium, then diffuses into capillary blood within the villus.  

Water is thus absorbed into the intercellular space by diffusion down an osmotic gradient. 
However, looking at the process as a whole, transport of water from lumen to blood is 
often against an osmotic gradient - this is important because it means that the intestine 
can absorb water into blood even when the osmolarity in the lumen is higher than 
osmolarity of blood.  

2)  Absorption of Monosaccharides 

Monosaccharides, are only rarely found in normal diets. Rather, they are derived by 
enzymatic digestion of more complex carbohydrates within the digestive tube.  

Particularly important dietary carbohydrates include starch and disaccharides such as 
lactose and sucrose.
 None of these molecules can be absorbed for the simple reason that 
they cannot cross cell membranes unaided and, unlike the situation for monosaccharides, 
there are no transporters to carry them across.  

Brush Border Hydrolases Generate Monosaccharides 

Polysaccharides and disaccharides must be digested to monosaccharides prior to 
absorption and the key players in these processes are the brush border hydrolases, which 
include maltase, lactase and sucrase. Dietary lactose and sucrose are "ready" for 
digestion by their respective brush border enzymes. Starch, as discussed previously, is 
first digested to maltose by amylase in pancreatic secretions and,  saliva.  

Dietary lactose and sucrose, and maltose derived from digestion of starch, diffuse in the 
small intestinal lumen and come in contact with the surface of absorptive epithelial cells 
covering the villi where they engage with brush border hydrolases:  

• 

maltase cleaves maltose into two molecules of glucose  

• 

lactase cleaves lactose into a glucose and a galactose  

• 

sucrase cleaves sucrose into a glucose and a fructose  

Glucose and galactose are taken into the enterocyte by cotransport with sodium using the 
same transporter. Fructose enters the cell from the intestinal lumen via facilitated diffusion 
through another transporter.  

 

 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

 
 
 
Absorption of Glucose and other 
Monosaccharides:  
Transport across the Intestinal Epithelium 
Absorption of glucose entails transport from the 
intestinal lumen, across the epithelium and into 
blood. The transporter that carries glucose and 
galactose into the enterocyte is the sodium-
dependent hexose transporter, known more 
formally as SGLUT-1. As the name indicates, this 
molecule transports both glucose and sodium ion 
into the cell and in fact, will not transport either 
alone.  
The essence of transport by the sodium-
dependent hexose transporter involves a series of 
conformational changes induced by binding and 
release of sodium and glucose, and can be 
summarized as follows:  

1.  the transporter is initially oriented facing 

into the lumen - at this point it is capable of 
binding sodium, but not glucose  

2.  sodium binds, inducing a conformational 

change that opens the glucose-binding 
pocket  

3.  glucose binds and the transporter reorients 

in the membrane such that the pockets 
holding sodium and glucose are moved 
inside the cell  

4.  sodium dissociates into the cytoplasm, causing glucose binding to destabilize  
5.  glucose dissociates into the cytoplasm and the unloaded transporter reorients back 

to its original, outward-facing position  

Fructose is not co-transported with sodium. Rather it enters the enterocyte by another 
hexose transporter (GLUT5).  
Once inside the enterocyte, glucose and sodium must be exported from the cell into blood. 
Sodium is rapidly shuttled out in exchange for potassium by the battery of sodium pumps 
on the basolateral membrane, this process maintains the electrochemical gradient across 
the epithelium. 
The massive transport of sodium out of the cell establishes the osmotic 
gradient responsible for absorption of water.  
 

 

 

 

 

 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

 

 

 

Na_-dependent and facilitative transporters in the intestinal epithelial cells. Both glucose and fructose are 
transported by the facilitated glucose transporters on the luminal and serosal sides of the absorptive cells. 
Glucose and galactose are transported by the Na_-glucose cotransporters on the luminal (mucosal) side of 
the absorptive cells

 
Properties of the GLUT 1-GLUT 5 Isoforms of the Glucose Transport Proteins

 

 

 

Genetic techniques have identified additional GLUT transporters (GLUT 7-12), but the role of these 
transporters has not yet been fully described 

 
 
 
 
 
 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

CLINICAL CORRELATION  
 
Disaccharidase Deficiency 
Intestinal disaccharidase deficiencies are encountered relatively frequently in humans. Deficiency can 
be present in one enzyme or several enzymes for a variety of reasons (genetic defect, physiological 
decline with age, or the result of "injuries" to the mucosa). Of the disaccharidases, lactase is the most 
common enzyme with an absolute or relative deficiency, which is experienced as milk intolerance. The 
consequences of an inability to hydrolyze lactose in the upper small intestine are inability to absorb 
lactose and bacterial fermentation of ingested lactose in the lower small intestine. Bacterial 
fermentation results in the production of gas (distension of gut and flatulence) and osmotically active 
solutes that draw water into the intestinal lumen (diarrhea). The lactose in yogurt has already been 
partially hydrolyzed during the fermentation process of making yogurt. Thus individuals with lactase 
deficiency can often tolerate yogurt better than unfermented dairy products. The enzyme lactase is 
commercially available to pretreat milk so that the lactose is hydrolyzed

 
3)  Absorption of Amino Acids and 

Peptides 

Dietary proteins are, with very few 
exceptions, not absorbed. Rather, they 
must be digested into amino acids or di- 
and tripeptides first, through the action of 
gastric and pancreatic proteases. The 
brush border of the small intestine is 
equipped with a family of peptidases. Like 
lactase and maltase, these peptidases are 
integral membrane proteins rather than 
soluble enzymes. They function to further 
the hydrolysis of lumenal peptides, 
converting them to free amino acids and 
very small peptides. These endproducts of 
digestion, formed on the surface of the 
enterocyte, are ready for absorption.  

a)  Absorption of Amino Acids 

The mechanism by which amino acids are 
absorbed is conceptually identical to that of 
monosaccharides.
 The lumenal plasma 
membrane of the absorptive cell bears at 
least four sodium-dependent amino acid 
transporters - one each for acidic, basic, 
neutral and amino acids. These 
transporters bind amino acids only after 
binding sodium. The fully loaded transporter 
then undergoes a conformational change 
that dumps sodium and the amino acid into 
the cytoplasm, followed by its reorientation 
back to the original form.  
Thus, absorption of amino acids is also 
absolutely dependent on the 
electrochemical gradient of sodium across 
the epithelium. Further, absorption of amino acids, like that of monosaccharides, 
contributes to generating the osmotic gradient that drives water absorption.  
The basolateral membrane of the enterocyte contains additional transporters which export 
amino acids from the cell into blood. These are not dependent on sodium gradients. 

 

 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

 

CLINICAL CORRELATION  
 

1. 

Neutral Amino Aciduria (Hartnup Disease) 

Transport functions, like enzymatic functions, are subject to modification by mutations. An example 
of a genetic lesion in epithelial amino acid transport is Hartnup disease, named after the family in 
which the disease entity resulting from the defect was first recognized. The disease is 
characterized by the inability of renal and intestinal epithelial cells to absorb neutral amino acids 
from the lumen. In the kidney, in which plasma amino acids reach the lumen of the proximal tubule 
through the ultrafiltrate, the inability to reabsorb amino acids manifests itself as excretion of amino 
acids in the urine (amino aciduria). The intestinal defect results in malabsorption of free amino 
acids from the diet. Therefore the clinical symptoms of patients with this disease are mainly those 
due to essential amino acid and nicotinamide deficiencies. The pellagra-like features are explained 
by a deficiency of tryptophan, which serves as precursor for nicotinamide. Investigations of patients 
with Hartnup disease revealed the existence of intestinal transport systems for di- or tripeptides, 
which are different from the ones for free amino acids. The genetic lesion does not affect transport 
of peptides, which remains as a pathway for absorption of protein digestion products 
Q: 

Why do patients with cystinuria and Hartnup disease have a hyperaminoaciduria without an 

associated hyperaminoacidemia?  
A: 

Patients with cystinuria and Hartnup disease have defective transport proteins in both the 

intestine and the kidney. These patients do not absorb the affected amino acids at a normal rate 
from the digestive products in the intestinal lumen. They also do not readily resorb these amino 
acids from the glomerular filtrate into the blood. Therefore, they do not have a hyperaminoacidemia 
(a high concentration in the blood). Normally, only a few percent of the amino acids that enter the 
glomerular filtrate are excreted in the urine; most are resorbed. In these diseases, much larger 
amounts of the affected amino acids are excreted in the urine, resulting in a hyperaminoaciduria.  
2. 

Kwashiorkor,  

A common problem of children in Third World countries, is caused by a deficiency of protein in a 
diet that is adequate in calories. Children with kwashiorkor suffer from muscle wasting and a 
decreased concentration of plasma proteins, particularly albumin. The result is an increase in 
interstitial fluid that causes edema and a distended abdomen that make the children appear 
“plump”. The muscle wasting is caused by the lack of essential amino acids in the diet; existing 
proteins must be broken down to produce these amino acids for new protein synthesis. These 
problems may be compounded by a decreased ability to produce digestive enzymes and new 
intestinal epithelial cells because of a decreased availability of amino acids for the synthesis of new 
proteins. 
 

b)  Absorption of Peptides 

There is virtually no absorption of peptides longer than four amino acids. However, there is 
abundant absorption of di- and tripeptides in the small intestine. These small peptides are 
absorbed into the small intestinal epithelial cell by cotransport with H

+

 ions via a transporter called 

PepT1.  
Once inside the enterocyte, the vast bulk of absorbed di- and tripeptides are digested into amino 
acids by cytoplasmic peptidases and exported from the cell into blood. Only a very small number of 
these small peptides enter blood intact.  

c)  Absorption of Intact Proteins 

Absorption of intact proteins occurs only in a few circumstances. Normal" enterocytes do not have 
transporters to carry proteins across the plasma membrane and they certainly cannot permeate 
tight junctions.  

One important exception is that for a very few days after birth, neonates have the ability to absorb 
intact proteins. This ability, which is rapidly lost, is of immense importance because it allows the 
newborn animal to acquire passive immunity by absorbing immunoglobulins in colostral milk. The 
small intestine rapidly loses the capacity to absorb intact proteins.  

 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

 

4)  Absorption of Lipids 

The bulk of dietary lipid is neutral fat or triglyceride, composed of a glycerol backbone with 
each carbon linked to a fatty acid. Additionally, most foodstuffs contain phospholipids, 
sterols like cholesterol and many minor lipids, including fat-soluble vitamins. In order for 
the triglyceride to be absorbed, two processes must occur:  

• 

Large aggregates of dietary triglyceride, which are virtually insoluble in an aqueous 
environment, must be broken down physically and held in suspension - a process 
called emulsification.  

• 

Triglyceride molecules must be enzymatically digested to yield monoglyceride and 
fatty acids, both of which can efficiently diffuse into the enterocyte  

The key players in these two transformations are bile salts and pancreatic lipase, both of which are 
mixed with chyme and act in the lumen of the small intestine. 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Digestion of triacylglycerols in the intestinal lumen. TG _ triacylglycerol; bs _ bile 
salts; FA _ fatty acid; 2-MG _ 2-monoacylglycerol 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

 

Digestion and absorption of lipids 

 

Changes in physical state during triacylglycerol digestion. 

Abbreviations: TG, triacylglycerol; DG, diacylglycerol; MG, monoacylglycerol; FA, fatty acid

 

 

 

CLINICAL CORRELATION  

A-

β

-Lipoproteinemia 

A-b-lipoproteinemia is an autosomal recessive disorder characterized by the absence of all lipoproteins 
containing apo-

β

-lipoprotein, that is, chylomicrons, very low density lipoproteins (VLDLs), and low density 

lipoproteins (LDLs). Serum cholesterol is extremely low. This defect is associated with severe malabsorption 
of triacylglycerol and lipid-soluble vitamins (especially tocopherol and vitamin E) and accumulation of apo B 
in enterocytes and hepatocytes. The defect does not appear to involve the gene for apo B, but rather one of 
several proteins involved in processing of apo B in liver and intestinal mucosa, or in assembly and secretion 
of triacylglycerol-rich lipoproteins, that is, chylomicrons and VLDLs from these tissues, respectively. 

 

 

 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

 

5)  Absorption of Minerals and Metals 

The vast bulk of mineral absorption occurs in the small intestine. The best-studied 
mechanisms of absorption are clearly for calcium 
and iron, deficiencies of which are significant health 
problems throughout the world.  

a)  Calcium 

The quantity of calcium absorbed in the intestine is 
controlled by how much calcium has been in the diet 
during recent periods of time. Calcium is absorbed 
by two distinct mechanisms:  

1. Active, transcellular absorption occurs only in the 
duodenum when calcium intake has been low. This 
process involves import of calcium into the enterocyte, transport across the cell, and 
export into extracellular fluid and blood. The rate limiting step in transcellular calcium 
absorption is transport across the epithelial cell, which is greatly enhanced by the carrier 
protein calbindin, the synthesis of which is totally dependent on vitamin D. 

2. Passive, paracellular absorption occurs in the jejunum and ileum, and, to a much lesser 
extent, in the colon when dietary calcium levels have been moderate or high. In this case, 
ionized calcium diffuses through tight junctions into the basolateral spaces around 
enterocytes, and hence into blood. Such transport depends on having higher 
concentrations of free calcium in the intestinal lumen than in blood. 

b)  Phosphorus 

Phosphorus is predominantly absorbed as inorganic phosphate in the upper small 
intestine. Phosphate is transported into the epithelial cells by cotransport with sodium, and 
expression of this (or these) transporters is enhanced by vitamin D.  

c)  Iron 

Iron homeostasis is regulated at the level of intestinal 
absorption, and it is important that adequate but not 
excessive quantities of iron be absorbed from the diet. 
Inadequate absorption can lead to iron-deficiency 
disorders such as anemia. On the other hand, 
excessive iron is toxic because mammals do not have a 
physiologic pathway for its elimination.  

Iron is absorbed by villus enterocytes in the proximal 
duodenum. Efficient absorption requires an acidic 
environment.  

Ferric iron (Fe+++) in the duodenal lumen is reduced to its ferrous form through the action 
of a brush border ferrireductase. Iron is then co transported with a proton into the 


background image

Lecture 5 

 

Tuesday 2/10/2012 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2012

 

 

enterocyte via the divalent metal transporter DMT-1. This transporter is not specific for 
iron, and also transports many divalent metal ions.  

Once inside the enterocyte, iron follows one of two major pathways:  

• 

Iron abundance states: iron within the enterocyte is trapped by incorporation into 
ferritin and hence, not transported into blood. When the enterocyte dies and is 
shed, this iron is lost. 

• 

Iron limiting states: iron is exported out of the enterocyte via a transporter 
(ferroportin) located in the basolateral membrane. It then binds to the iron-carrier 
transferrin for transport throughout the body. 

d)  Copper 

There appear to be two processes responsible for copper absorption: 

i)  a rapid, low capacity system and  
ii)  a slower, high capacity system, which may be similar to the two processes seen 

with calcium absorption. 

 Many of the molecular details of copper absorption remain to be elucidated. Inactivating 
mutations in the gene encoding an intracellular copper ATPase have been shown 
responsible for the failure of intestinal copper absorption in Menkes disease.  

A number of dietary factors have been shown to influence copper absorption. For 
example, excessive dietary intake of either zinc or molybdenum can induce secondary 
copper deficiency states.  

e)  Zinc 

Zinc homeostasis is largely regulated by its uptake and loss through the small intestine. 
Although a number of zinc transporters and binding proteins have been identified in villus 
epithelial cells, a detailed picture of the molecules involved in zinc absorption is not yet in 
hand.  

A number of nutritional factors have been identified that modulate zinc absorption. Certain 
animal proteins in the diet enhance zinc absorption. Phytates from dietary plant material 
(including cereal grains, corn, rice) chelate zinc and inhibit its absorption. Subsistence on 
phytate-rich diets is thought responsible for a considerable fraction of human zinc 
deficiencies.  

 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 101 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