background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

1

 

SECRETION AND ABSORPTION IN  

THE SMALL INTESTINE 

I:  ABSORPTION OF MONOSACCHARIDES 

Aim and objectives of lecture 4: 

1.  to describe the mechanism of secretion in the small intestin 
2.  to describe the mechanism of absorption in the small intestin  

a.  in general 
b.  of water and electrolytes 
c.  of monosacharides 

3.  to give examples of clinical disorderes of the above mechanisms 

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: 

1.  provides Nutrients to the body, but  
2.  
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.  

 

 

 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

2

 

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.  

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.  


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

3

 

 

 

 

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. 
 
Pop quiz: The cystic fibrosis results from defective ion channels of: 

1.  Na

+

 

2.  Cl

-

 

3.  Ca

++

 

4.  ClO

3

-

 

5.  H

+

 

 
 
 
 
 
 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

4

 

 

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.  

Pop quiz: the sodium –potassium pump 
passes: 

1.  More Na

+

 out than K

+

 in 

2.  K

+

 out and Na

+

 in on a one for one 

bases 

3.  Na

+

 out and K

+

 in on a one for one 

bases 

4.  K

+

 and Na

+

 in the same direction  

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Pop quiz: What is the function of the villi in the small 
intestine? 

1.  To decrease the amount of exposed surface 
2.  To facilitate enzyme retention and dispersal 
3.  To increase the surface area for absorption 

and secretion 

4.  To sweep peptides across the surface with 

wavelike actions 

 

 

 

 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

5

 

 

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:  

• 

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.  

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, 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  

Pop quiz: which enzyme splits a disaccharide to give out one molecule of fructose: 

1. 

Maltase

 

2. 

Lactase

 

3. 

Sucrase

 

4. 

None

 

 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

6

 

Pop quiz Patient has a genetic defect that causes intestinal epithelial cells to produce 
disaccharidases of much lower activity than normal. Compared with a normal person, after 
eating a bowl of milk and oatmeal sweetened with table sugar, this patient will exhibit 
higher levels of which of the following? 

(A) Maltose, sucrose, and lactose in the stool 
(B) Starch in the stool 
(C) Galactose and fructose in the blood 
(D) Glycogen in the muscles 
(E) Insulin in the blood 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

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 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

7

 

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 follow:  
 

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 

  

 

 
 
 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

8

 

 

 
Fructose is not co-transported with sodium. Rather it enters the enterocyte by another 
hexose transporter (GLUT5).  
 

 

 
Pop quiz : The facilitative transporter most responsible for transporting fructose from the 
blood into cells is which of the following? 
(A) GLUT 1 
(B) GLUT 2 
(C) GLUT 3 
(D) GLUT 4 
(E) GLUT 5 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

9

 

 
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.  
 

  

 

 

 

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
 

Pop quiz: Monosaccharides are absorbed from the intestine 

a.  by a Na

+

 dependent cotranspoter for glucose and galactose (SGLUT1) 

b.  by a Na

+

 independent facilitated transport for fructose (GLUT5) 

c.  by a Na

+

 independent traspoter (GLUT2) across the contraluminal 

membrane. 

d.  Against a concentration gradient if the transporter is Na

+

 dependent 

e.  All of the above 

 

Pop quiz: After digestion of a piece of cake that contains flour, milk, and sucrose as its 
primary ingredients, the major carbohydrate products entering the blood are which of the 
following? 
(A) Glucose 
(B) Fructose and galactose 
(C) Galactose and glucose 
(D) Fructose and glucose 
(E) Glucose, galactose and fructose 

 


background image

Lecture 4 

 

Sunday 29/9/2013 

Prof. Dr. H.D.El-Yassin

 

2013

 

10

 

 
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 

 
 
 
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

 
 
Conclusions 

1.  Large quantities of water are secreted into the lumen of the small intestine during the 

digestive process water flows across the mucosa in response to osmotic gradients

2.  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.  

3.  examples of clinical disorderes of the above mechanisms are mentioned in the text. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 9 أعضاء و 116 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