Digestión

La digestión es la descomposición de grandes compuestos alimenticios insolubles en pequeños componentes solubles en agua para que puedan ser absorbidos por el plasma sanguíneo . En ciertos organismos, estas sustancias más pequeñas se absorben a través del intestino delgado hacia el torrente sanguíneo . La digestión es una forma de catabolismo que a menudo se divide en dos procesos según cómo se descomponen los alimentos: digestión mecánica y digestión química. El término digestión mecánica se refiere a la descomposición física de grandes trozos de alimento en trozos más pequeños que posteriormente pueden ser utilizados por las enzimas digestivas . La digestión mecánica tiene lugar en la boca mediante la masticación y en el intestino delgado mediante las contracciones segmentarias . En la digestión química , las enzimas descomponen los alimentos en los pequeños compuestos que el cuerpo puede utilizar.

En el sistema digestivo humano , los alimentos entran por la boca y la digestión mecánica comienza con la masticación (masticar), una forma de digestión mecánica, y el contacto humectante de la saliva . La saliva, un líquido secretado por las glándulas salivales , contiene amilasa salival , una enzima que inicia la digestión del almidón en los alimentos. ^{[ 1 ]} La saliva también contiene moco , que lubrica los alimentos; el electrolito bicarbonato ( HCO ⁻ ₃ ), que proporciona las condiciones de pH ideales para que la amilasa funcione; y otros electrolitos ( Na ⁺ , K ⁺ , Cl ⁻ ). ^{[ 2 ]} Alrededor del 30% del almidón se hidroliza en disacáridos en la cavidad oral (boca). Después de la masticación y la digestión del almidón, el alimento estará en forma de una pequeña masa redonda llamada bolo . Luego viajará por el esófago hasta el estómago por la acción de la peristalsis . El jugo gástrico en el estómago inicia la digestión de las proteínas . El jugo gástrico contiene principalmente ácido clorhídrico y pepsina . En bebés y niños pequeños , el jugo gástrico también contiene renina para digerir las proteínas de la leche. Dado que los dos primeros compuestos químicos pueden dañar la pared del estómago, este secreta moco y bicarbonatos. Estos proporcionan una capa viscosa que actúa como escudo contra los efectos dañinos de sustancias químicas como el ácido clorhídrico concentrado, a la vez que ayudan a la lubricación. ^{[ 3 ]} El ácido clorhídrico proporciona un pH ácido para la pepsina. Al mismo tiempo que se produce la digestión de las proteínas, se produce una mezcla mecánica mediante peristalsis, que consiste en ondas de contracciones musculares que se mueven a lo largo de la pared del estómago. Esto permite que la masa de alimentos se mezcle aún más con las enzimas digestivas. La pepsina descompone las proteínas en péptidos o proteosas , que a su vez son descompuestos en dipéptidos y aminoácidos por enzimas en el intestino delgado. Los estudios sugieren que aumentar el número de masticaciones por bocado incrementa las hormonas intestinales relevantes y puede disminuir el hambre y la ingesta de alimentos autoinformados. ^{[ 4 ]}

Cuando se abre la válvula del esfínter pilórico , el alimento parcialmente digerido ( quimo ) entra en el duodeno , donde se mezcla con las enzimas digestivas del páncreas y la bilis del hígado , y luego pasa al intestino delgado, donde continúa la digestión. Una vez digerido por completo, el quimo pasa por el hígado antes de ser absorbido por la sangre. El 95 % de la absorción de nutrientes ocurre en el intestino delgado. El agua y los minerales se reabsorben en la sangre en el colon (intestino grueso), donde el pH es ligeramente ácido (aproximadamente 5,6 ~ 6,9). Algunas vitaminas, como la biotina y la vitamina K (K2 _MK7 ), producidas por las bacterias del colon, también se absorben en la sangre en el colon. La absorción de agua, azúcares simples y alcohol también tiene lugar en el estómago. Los desechos ( heces ) se eliminan por el recto durante la defecación . ^{[ 5 ]}

Los sistemas digestivos adoptan diversas formas. Existe una distinción fundamental entre la digestión interna y la externa. La digestión externa se desarrolló tempranamente en la historia evolutiva, y la mayoría de los hongos aún la utilizan. ^{[ 6 ]} En este proceso, se secretan enzimas al entorno del organismo, donde descomponen la materia orgánica, y algunos de los productos se difunden de vuelta al organismo. Los animales poseen un tubo ( tracto gastrointestinal ) donde se produce la digestión interna, la cual es más eficiente porque se puede capturar una mayor cantidad de los productos de la descomposición y controlar con mayor eficacia el entorno químico interno. ^{[ 7 ]}

Algunos organismos, incluyendo casi todas las arañas , secretan biotoxinas y sustancias químicas digestivas (por ejemplo, enzimas) al medio extracelular antes de ingerir el alimento resultante. En otros, una vez que los nutrientes potenciales se encuentran dentro del organismo , la digestión puede llevarse a cabo en una vesícula o una estructura similar a un saco, a través de un tubo o mediante varios órganos especializados destinados a hacer más eficiente la absorción de nutrientes.

Sistemas de secreción

Las bacterias utilizan diversos sistemas para obtener nutrientes de otros organismos presentes en el medio ambiente.

Sistema de transporte del canal

En un sistema de transporte de canal, varias proteínas forman un canal continuo que atraviesa las membranas interna y externa de la bacteria. Es un sistema simple, que consta de solo tres subunidades proteicas: la proteína ABC , la proteína de fusión de membrana (MFP) y la proteína de membrana externa . Este sistema de secreción transporta diversas especies químicas, desde iones y fármacos hasta proteínas de diversos tamaños (20–900 kDa). Las especies químicas secretadas varían en tamaño, desde el pequeño péptido colicina V de Escherichia coli (10 kDa) hasta la proteína de adhesión celular LapA de Pseudomonas fluorescens de 900 kDa. ^{[ 8 ]}

Jeringa molecular

Un sistema de secreción de tipo III implica el uso de una jeringa molecular mediante la cual una bacteria (por ejemplo, ciertos tipos de Salmonella , Shigella y Yersinia ) puede inyectar nutrientes en las células de los protistas. Uno de estos mecanismos se descubrió por primera vez en Y. pestis y demostró que las toxinas podían inyectarse directamente desde el citoplasma bacteriano al citoplasma de las células del huésped, en lugar de ser secretadas al medio extracelular. ^{[ 9 ]}

Mecanismos de conjugación

La maquinaria de conjugación de algunas bacterias (y flagelos de arqueas) es capaz de transportar tanto ADN como proteínas. Se descubrió en Agrobacterium tumefaciens , que utiliza este sistema para introducir el plásmido Ti y proteínas en el huésped, lo que da lugar al desarrollo de la agalla de la corona (tumor). ^{[ 10 ]} El complejo VirB de Agrobacterium tumefaciens es el sistema prototípico. ^{[ 11 ]}

En las rizobias fijadoras de nitrógeno , los elementos conjugativos participan naturalmente en la conjugación entre reinos . Elementos como los plásmidos Ti o Ri de Agrobacterium contienen genes que pueden transferirse a las células vegetales. Los genes transferidos entran en el núcleo de la célula vegetal y la transforman en fábricas para la producción de opinas , que las bacterias utilizan como fuentes de carbono y energía. Las células vegetales infectadas forman agallas o tumores radiculares . Por lo tanto, los plásmidos Ti y Ri son endosimbiontes de las bacterias, que a su vez son endosimbiontes (o parásitos) de la planta infectada.

Los plásmidos Ti y Ri son conjugativos. La transferencia de Ti y Ri entre bacterias utiliza un sistema independiente (el operón tra , o de transferencia) del utilizado para la transferencia entre reinos (el operón vir , o de virulencia ). Dicha transferencia crea cepas virulentas a partir de Agrobacteria previamente avirulentas .

Liberación de vesículas de la membrana externa

Además del uso de los complejos multiproteicos mencionados anteriormente, las bacterias gramnegativas poseen otro método para liberar material: la formación de vesículas de membrana externa . ^{[ 12 ] [ 13 ]} Porciones de la membrana externa se desprenden, formando estructuras esféricas compuestas por una bicapa lipídica que encierra materiales periplásmicos. Se ha descubierto que las vesículas de varias especies bacterianas contienen factores de virulencia, algunas tienen efectos inmunomoduladores y otras pueden adherirse directamente a las células huésped e intoxicarlas. Si bien se ha demostrado que la liberación de vesículas es una respuesta general a condiciones de estrés, el proceso de carga de proteínas parece ser selectivo. ^{[ 14 ]}

cavidad gastrovascular

La cavidad gastrovascular funciona como un estómago tanto en la digestión como en la distribución de nutrientes a todas las partes del cuerpo. La digestión extracelular tiene lugar dentro de esta cavidad central, que está revestida por la gastrodermis, la capa interna del epitelio . Esta cavidad tiene una única abertura al exterior que funciona como boca y ano : los desechos y la materia no digerida se excretan a través de la boca/ano, lo que puede describirse como un intestino incompleto .

En una planta como la venus atrapamoscas , que puede producir su propio alimento mediante la fotosíntesis, no come ni digiere a sus presas con los objetivos tradicionales de obtener energía y carbono, sino que extrae de ellas principalmente nutrientes esenciales (nitrógeno y fósforo en particular) que escasean en su hábitat pantanoso y ácido. ^{[ 15 ]}

Órganos y comportamientos especializados

Para facilitar la digestión de sus alimentos, los animales desarrollaron órganos como picos, lenguas , rádulas , dientes, buches, mollejas y otros.

El pico de un guacamayo de Catalina para cortar semillas

Pico de calamar con regla para comparar tamaños

picos

Las aves poseen picos óseos especializados según su nicho ecológico . Por ejemplo, las guacamayas se alimentan principalmente de semillas, nueces y frutas, utilizando sus picos para abrir incluso las semillas más duras. Primero, hacen una fina incisión con la punta afilada del pico y luego, con los lados, abren la semilla.

La boca del calamar está equipada con un pico córneo afilado, compuesto principalmente de proteínas reticuladas . Se utiliza para matar y desgarrar a la presa en trozos manejables. El pico es muy robusto, pero no contiene minerales, a diferencia de los dientes y mandíbulas de muchos otros organismos, incluidas las especies marinas. ^{[ 17 ]} El pico es la única parte indigerible del calamar.

Lengua

La lengua es un músculo esquelético situado en el suelo de la boca de la mayoría de los vertebrados, que manipula los alimentos para masticarlos y tragarlos . Es sensible y se mantiene húmeda gracias a la saliva . La parte inferior de la lengua está cubierta por una membrana mucosa lisa . La lengua también posee sentido del tacto para localizar y posicionar las partículas de alimento que requieren mayor masticación. Se utiliza para compactar las partículas de alimento formando un bolo antes de que este sea transportado por el esófago mediante peristalsis .

La región sublingual, situada debajo de la parte frontal de la lengua, es una zona donde la mucosa oral es muy fina y está cubierta por un plexo de venas. Este es un lugar ideal para la administración de ciertos medicamentos. La vía sublingual aprovecha la alta vascularización de la cavidad oral y permite la rápida administración de medicamentos al sistema cardiovascular, evitando el tracto gastrointestinal.

Dientes

Los dientes (singular: diente) son pequeñas estructuras blanquecinas que se encuentran en las mandíbulas (o bocas) de muchos vertebrados y se utilizan para desgarrar, raspar, extraer la leche y masticar los alimentos. Los dientes no están hechos de hueso, sino de tejidos de densidad y dureza variables, como el esmalte, la dentina y el cemento. Los dientes humanos tienen irrigación sanguínea e inervación, lo que permite la propiocepción. Esta es la capacidad de sentir al masticar; por ejemplo, si mordemos algo demasiado duro para nuestros dientes, como un trozo de plato astillado mezclado con comida, nuestros dientes envían un mensaje al cerebro y nos damos cuenta de que no se puede masticar, así que dejamos de intentarlo.

La forma, el tamaño y la cantidad de los dientes de los animales están relacionados con su dieta. Por ejemplo, los herbívoros tienen varios molares que utilizan para triturar la materia vegetal, que es difícil de digerir. Los carnívoros tienen caninos que utilizan para matar y desgarrar la carne.

Cultivo

El buche , o crupa, es una porción expandida de paredes delgadas del tracto digestivo que se utiliza para almacenar alimentos antes de la digestión. En algunas aves, es una bolsa muscular expandida cerca del esófago o garganta. En las palomas adultas, el buche puede producir leche para alimentar a las crías recién nacidas. ^{[ 18 ]}

Algunos insectos pueden tener buche o esófago agrandado .

Abomaso

Los herbívoros han desarrollado ciegos (o abomaso en el caso de los rumiantes ). Los rumiantes poseen un preestómago con cuatro cámaras: rumen , retículo , omaso y abomaso. En las dos primeras cámaras, el rumen y el retículo, el alimento se mezcla con la saliva y se separa en capas de material sólido y líquido. Los sólidos se agrupan para formar el bolo alimenticio . Este bolo se regurgita y se mastica lentamente para mezclarlo completamente con la saliva y reducir el tamaño de las partículas.

La fibra, especialmente la celulosa y la hemicelulosa , se descompone principalmente en ácidos grasos volátiles , ácido acético , ácido propiónico y ácido butírico en estas cámaras (el retículo-rumen) por acción de microorganismos ( bacterias , protozoos y hongos). En el omaso, el agua y muchos de los elementos minerales inorgánicos se absorben en el torrente sanguíneo.

El abomaso es el cuarto y último compartimento del estómago en los rumiantes. Es muy similar al estómago de los animales monogástricos (como los humanos o los cerdos), y el contenido digestivo se procesa aquí de forma muy parecida. Su función principal es la hidrólisis ácida de las proteínas microbianas y dietéticas, preparándolas para su posterior digestión y absorción en el intestino delgado. Finalmente, el contenido digestivo pasa al intestino delgado, donde se produce la digestión y absorción de nutrientes. Los microorganismos producidos en el retículo-rumen también se digieren en el intestino delgado.

Comportamientos especializados

La regurgitación se ha mencionado anteriormente en relación con el abomaso y el buche, refiriéndose a la leche del buche, una secreción del revestimiento del buche de las palomas y tórtolas con la que los padres alimentan a sus crías mediante regurgitación. ^{[ 19 ]}

Muchos tiburones tienen la capacidad de voltear sus estómagos y expulsarlos por la boca para deshacerse del contenido no deseado (quizás desarrollada como una forma de reducir la exposición a toxinas).

Otros animales, como los conejos y los roedores , producen cecotrofos para redigir los alimentos, especialmente la fibra. Los capibaras, conejos, hámsteres y otras especies emparentadas no tienen un sistema digestivo tan complejo como el de los rumiantes. En cambio, extraen más nutrientes haciendo que su alimento pase por el intestino por segunda vez . Los cecotrofos blandos de alimento parcialmente digerido se excretan y generalmente se consumen de inmediato. También producen heces normales, que no se comen.

Las crías de elefante, panda, koala e hipopótamo comen las heces de su madre, probablemente para obtener las bacterias necesarias para digerir correctamente la vegetación. Al nacer, sus intestinos no contienen estas bacterias (son completamente estériles). Sin ellas, no podrían obtener ningún valor nutricional de muchos componentes vegetales.

En la mayoría de los vertebrados , la digestión es un proceso de varias etapas en el sistema digestivo, que comienza con la ingestión de materias primas, generalmente otros organismos. La ingestión suele implicar algún tipo de procesamiento mecánico y químico. La digestión se divide en cuatro etapas:

1. Ingestión : introducción de alimentos en la boca (entrada de alimentos en el sistema digestivo),
2. Descomposición mecánica y química: la masticación y la mezcla del bolo resultante con agua, ácidos , bilis y enzimas en el estómago y el intestino para descomponer especies químicas complejas en estructuras simples,
3. Absorción: de nutrientes desde el sistema digestivo hacia los capilares circulatorios y linfáticos a través de ósmosis , transporte activo y difusión , y
4. Egestión (Excreción): Eliminación de materiales no digeridos del tracto digestivo a través de la defecación .

El proceso se basa en el movimiento muscular a través de la deglución y la peristalsis . Cada paso de la digestión requiere energía, lo que supone un coste adicional para la energía disponible a partir de las sustancias absorbidas. Las diferencias en este coste adicional influyen significativamente en el estilo de vida, el comportamiento e incluso la estructura física. Ejemplos de ello se observan en los humanos, que difieren considerablemente de otros homínidos (falta de pelo, mandíbulas y musculatura más pequeñas, dentición diferente, longitud de los intestinos, forma de cocinar, etc.).

La mayor parte de la digestión tiene lugar en el intestino delgado. El intestino grueso sirve principalmente como lugar para la fermentación de la materia indigerible por las bacterias intestinales y para la reabsorción de agua de los alimentos digeridos antes de su excreción.

En los mamíferos , la preparación para la digestión comienza con la fase cefálica, en la que se produce saliva en la boca y enzimas digestivas en el estómago . La digestión mecánica y química se inicia en la boca, donde se mastica el alimento y se mezcla con la saliva para comenzar el procesamiento enzimático de los almidones . El estómago continúa descomponiendo el alimento mecánica y químicamente mediante la agitación y la mezcla con ácidos y enzimas. La absorción ocurre en el estómago y el tracto gastrointestinal , y el proceso finaliza con la defecación. ^{[ 5 ]}

El tracto gastrointestinal humano mide aproximadamente 9 metros (30 pies) de largo. La fisiología de la digestión de los alimentos varía entre individuos y depende de otros factores como las características de los alimentos y el tamaño de la comida, y el proceso de digestión normalmente dura entre 24 y 72 horas. ^{[ 20 ]}

La digestión comienza en la boca con la secreción de saliva y sus enzimas digestivas. El alimento se forma en bolo mediante la masticación mecánica y se traga hacia el esófago , desde donde entra al estómago a través de la peristalsis . El jugo gástrico contiene ácido clorhídrico y pepsina, dos sustancias químicas que podrían dañar la mucosa estomacal, pero se secretan moco y bicarbonatos para protegerla. En el estómago, la liberación de enzimas descompone aún más el alimento, junto con la acción de agitación estomacal. Principalmente, las proteínas se digieren en el estómago. El alimento parcialmente digerido entra al duodeno como un quimo espeso y semilíquido . En el intestino delgado, tiene lugar la mayor parte de la digestión, facilitada por las secreciones de bilis , jugo pancreático y jugo intestinal . Las paredes intestinales están revestidas de vellosidades , y sus células epiteliales están cubiertas de numerosas microvellosidades para mejorar la absorción de nutrientes al aumentar la superficie intestinal. La bilis ayuda a emulsionar las grasas y también activa las lipasas .

En el intestino grueso, el paso de los alimentos es más lento para permitir que se produzca la fermentación por parte de la flora intestinal . Allí, el agua se absorbe y los desechos se almacenan en forma de heces , que luego se eliminan mediante la defecación a través del canal anal y el ano .

Algunos nutrientes son moléculas complejas (por ejemplo, la vitamina B12 ₎ que se destruirían si se descompusieran en sus grupos funcionales . Para digerir la vitamina B12 _sin dañarla, la haptocorrina presente en la saliva se une fuertemente a las moléculas de _B12 y las protege del ácido estomacal a medida que ingresan al estómago y se separan de sus complejos proteicos. ^{[ 23 ]}

Después de que los complejos B12 _- haptocorrina pasan del estómago a través del píloro hasta el duodeno, las proteasas pancreáticas escinden la haptocorrina de las moléculas de B12, las cuales se unen nuevamente al _factor intrínseco (FI). Estos complejos B12 _- FI viajan al íleon, la porción del intestino delgado, donde los receptores de cubilina permiten la asimilación y circulación de los complejos B12 _- FI en la sangre. ^{[ 24 ]}

En los mamíferos, existen al menos cinco hormonas que ayudan a regular el sistema digestivo. Hay variaciones entre los vertebrados, como por ejemplo en las aves. Los mecanismos son complejos y se descubren nuevos detalles con regularidad. Se han encontrado conexiones con el control metabólico (principalmente el sistema glucosa-insulina).

• La gastrina se encuentra en el estómago y estimula las glándulas gástricas para que secreten pepsinógeno (una forma inactiva de la enzima pepsina) y ácido clorhídrico . La secreción de gastrina se estimula con la llegada de los alimentos al estómago y se inhibe con un pH bajo.
• La secretina se encuentra en el duodeno y activa la secreción de bicarbonato de sodio en el páncreas , además de estimular la secreción de bilis en el hígado . Esta hormona responde a la acidez del quimo.
• La colecistoquinina (CCK) se encuentra en el duodeno y estimula la liberación de enzimas digestivas en el páncreas, así como el vaciamiento de la bilis en la vesícula biliar . Esta hormona se secreta en respuesta a la presencia de grasas en el quimo.
• El péptido inhibidor gástrico (GIP) se encuentra en el duodeno y disminuye la agitación estomacal, lo que a su vez ralentiza el vaciamiento gástrico. Otra de sus funciones es inducir la secreción de insulina.
• La motilina se encuentra en el duodeno y aumenta el componente del complejo mioeléctrico migratorio de la motilidad gastrointestinal, además de estimular la producción de pepsina.

La digestión es un proceso complejo controlado por diversos factores. El pH desempeña un papel crucial en el correcto funcionamiento del tracto digestivo. En la boca, la faringe y el esófago, el pH suele rondar los 6,8, siendo ligeramente ácido. La saliva controla el pH en esta región del tracto digestivo. La amilasa salival , presente en la saliva, inicia la descomposición de los carbohidratos en monosacáridos . La mayoría de las enzimas digestivas son sensibles al pH y se desnaturalizan en ambientes con pH alto o bajo.

La elevada acidez del estómago inhibe la descomposición de los carbohidratos en su interior. Esta acidez confiere dos beneficios: desnaturaliza las proteínas para su posterior digestión en el intestino delgado y proporciona inmunidad inespecífica , dañando o eliminando diversos patógenos . ^{[ 25 ]}

En el intestino delgado, el duodeno proporciona un equilibrio de pH fundamental para activar las enzimas digestivas. El hígado secreta bilis en el duodeno para neutralizar la acidez del estómago, y el conducto pancreático desemboca en el duodeno, aportando bicarbonato para neutralizar el quimo ácido, creando así un ambiente neutro. El tejido mucoso del intestino delgado es alcalino, con un pH aproximado de 8,5.

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