15.1A: El Tracto Gastrointestinal Humano

Estrategia y Topología

Los humanos (y la mayoría de los animales) digieren todos sus alimentos extracelularmente; es decir, fuera de las células. Las enzimas digestivas son secretadas por las células que recubren las superficies internas de varias glándulas exocrinas. Las enzimas hidrolizan las macromoléculas de los alimentos en moléculas pequeñas y solubles que pueden ser absorbidas en las células.

Figura 15.1.1.1: Topología Humana

La Figura 15.1.1.1 muestra las principales relaciones topológicas en el cuerpo. Los forros de todos

• glándulas exocrinas, incluidas las glándulas digestivas
• conductos nasales, tráquea y pulmones
• túbulos renales, conductos colectores y vejiga
• estructuras reproductivas como la vagina, el útero y las trompas de Falopio

son todos continuos con la superficie del cuerpo. Todo lo que se coloca dentro de su lumen está, estrictamente hablando, fuera del cuerpo. Esto incluye las secreciones de todas las glándulas exocrinas (a diferencia de las secreciones de las glándulas endocrinas, que se depositan en la sangre) y cualquier material indigerible colocado en la boca que aparecerá, en su momento, en el otro extremo.

Figura\(\PageIndex{1}\): Componentes del Sistema Digestivo. Todos los órganos digestivos juegan un papel integral en el proceso de digestión que sostiene la vida. (CC BY 3.0; OpenStax).

Ingestión

Los alimentos que se colocan en la boca se muelen en partículas más finas por los dientes. Luego se humedece y lubrica por la saliva (secretada por tres pares de glándulas salivales). Pequeñas cantidades de almidón son digeridas por la amilasa presente en la saliva. El bolo resultante de comida se traga al esófago y se transporta por peristalsis al estómago.

El Estómago

La pared del estómago está revestida con millones de glándulas gástricas, que juntas secretan 400—800 ml de jugo gástrico en cada comida. Se encuentran varios tipos de células en las glándulas gástricas, incluyendo células parietales, células principales, células secretoras de mocos y células secretoras de hormonas (endocrinas).

Células parietales

Las células parietales secretan ácido clorhídrico y factor intrínseco.

Ácido clorhídrico (HCl)

Las células parietales contienen una ATPasa H ^{+ /K +}. Esta proteína transmembrana secreta iones H ⁺ (protones) por transporte activo, utilizando la energía del ATP. La concentración de H ⁺ en el jugo gástrico puede ser tan alta como 0.15 M, dando al jugo gástrico un pH algo menor que 1. Con una concentración de H ⁺ dentro de estas células de solo aproximadamente 4 x 10 ^-8 M, este ejemplo de transporte activo produce un aumento de más de un millón de veces en la concentración. No es de extrañar que estas células estén rellenas de mitocondrias y sean consumidores extravagantes de energía.

El factor intrínseco es una proteína que se une a la vitamina B ₁₂ ingerida y permite que sea absorbida por el intestino. Una deficiencia de factor intrínseco —como consecuencia de un ataque autoinmune contra las células parietales— provoca anemia perniciosa.

Celdas principales

Las células principales sintetizan y secretan pepsinógeno, el precursor de la enzima proteolítica pepsina. La pepsina escinde los enlaces peptídicos, favoreciendo los del lado C-terminal de los residuos de tirosina, fenilalanina y triptófano. Su acción rompe cadenas polipeptídicas largas en longitudes más cortas. La secreción por las glándulas gástricas es estimulada por la hormona gastrina. La gastrina es liberada por las células endocrinas en el estómago en respuesta a la llegada de alimentos.

Absorción en el estómago

Muy poco ocurre. Sin embargo, algo de agua, ciertos iones y medicamentos como la aspirina y el etanol se absorben del estómago hacia la sangre (lo que explica el rápido alivio de un dolor de cabeza después de tragar aspirina y la rápida aparición de etanol en la sangre después de beber alcohol). A medida que el contenido del estómago se licua a fondo, pasan al duodeno, el primer segmento (aproximadamente 10 pulgadas [25 cm] de largo) del intestino delgado. La mayoría de nuestras vitaminas y minerales ingeridos se absorben aquí. Dos conductos ingresan al duodeno:

1. uno drenando la vesícula biliar y por lo tanto el hígado y
2. el otro drenando la porción exocrina del páncreas.

El Hígado

El hígado segrega bilis. Entre comidas se acumula en la vesícula biliar. Cuando la comida, especialmente cuando contiene grasa, ingresa al duodeno, la liberación de la hormona colecistoquinina (CCK) estimula a la vesícula biliar para que se contraiga y descargue su bilis hacia el duodeno. La bilis contiene:

• ácidos biliares. Estos esteroides anfifílicos emulsionan la grasa ingerida. La porción hidrofóbica del esteroide se disuelve en la grasa mientras que la cadena lateral con carga negativa interactúa con las moléculas de agua. La repulsión mutua de estas gotitas de carga negativa evita que se coalescen. Así, grandes glóbulos de grasa (líquido a temperatura corporal) se emulsionan en pequeñas gotas (aproximadamente 1 µm de diámetro) que pueden ser más fácilmente digeridas y absorbidas.
• pigmentos biliares. Estos son los productos de la descomposición de la hemoglobina extraída por el hígado de los glóbulos rojos viejos. El color parduzco de los pigmentos biliares imparte el característico color marrón de las heces.

El sistema portal hepático

Los lechos capilares de la mayoría de los tejidos drenan hacia las venas que conducen directamente de regreso al corazón. Pero la sangre que drena los intestinos es una excepción. Las venas que drenan el intestino conducen a un segundo conjunto de lechos capilares en el hígado.

Figura 15.1.1.3 Sistema portal hepático

Aquí el hígado elimina muchos de los materiales que fueron absorbidos por el intestino:

• La glucosa se elimina y se convierte en glucógeno.
• Otros monosacáridos se eliminan y se convierten en glucosa.
• Los aminoácidos en exceso se eliminan y se desaminan.
  • El grupo amino se convierte en urea.
  • El residuo puede entonces entrar en las vías de la respiración celular y ser oxidado para obtener energía.
• Muchas moléculas no nutritivas, como los medicamentos ingeridos, son retiradas por el hígado y, a menudo, desintoxicadas.

El hígado sirve como portero entre los intestinos y la circulación general. Proyecta la sangre que la alcanza en el sistema portal hepático para que su composición cuando salga sea cercana a lo normal para el organismo. Además, este mecanismo homeostático funciona en ambos sentidos. Cuando, por ejemplo, la concentración de glucosa en la sangre disminuye entre las comidas, el hígado libera más a la sangre al convertir sus reservas de glucógeno en glucosa (glucogenólisis) y convirtiendo ciertos aminoácidos en glucosa (gluconeogénesis)

El Páncreas

El páncreas consiste en racimos de células endocrinas (los islotes de Langerhans) y células exocrinas cuyas secreciones drenan hacia el duodeno. El líquido pancreático contiene:

• bicarbonato de sodio (NaHCO ₃). Esto neutraliza la acidez del líquido que llega del estómago elevando su pH a aproximadamente 8.
• amilasa pancreática. Esta enzima hidroliza el almidón en una mezcla de maltosa y glucosa.
• lipasa pancreática. La enzima hidroliza las grasas ingeridas en una mezcla de ácidos grasos y monoglicéridos. Su acción se ve potenciada por el efecto detergente de la bilis.
• 4 “zimógenos” — proteínas que son precursoras de proteasas activas. Estas se convierten inmediatamente en las enzimas proteolíticas activas:
  • tripsina. La tripsina escinde enlaces peptídicos en el lado C-terminal de argininas y lisinas.
  • quimotripsina. La quimotripsina corta en el lado C-terminal de los residuos de tirosina, fenilalanina y triptófano (los mismos enlaces que la pepsina, cuya acción cesa cuando el NaHCO ₃ eleva el pH del contenido intestinal).
  • elastasa. La elastasa corta enlaces peptídicos junto a pequeñas cadenas laterales no cargadas como las de alanina y serina.
  • carboxipeptidasa. Esta enzima elimina, uno a uno, los aminoácidos en el C-terminal de los péptidos.
• nucleasas. Estos hidrolizan los ácidos nucleicos ingeridos (ARN y ADN) en sus nucleótidos componentes.

La secreción de líquido pancreático está controlada por dos hormonas: la secretina, que afecta principalmente la liberación de bicarbonato de sodio y colecistoquinina (CCK), que estimula la liberación de las enzimas digestivas

El Intestino Delgado

La digestión dentro del intestino delgado produce una mezcla de disacáridos, péptidos, ácidos grasos y monoglicéridos. La digestión final y absorción de estas sustancias ocurre en las vellosidades, que recubren la superficie interna del intestino delgado. Esta micrografía electrónica de barrido muestra las vellosidades que alfombran la superficie interna del intestino delgado.

Figura 15.1.1.4 Micrografía de vellosidades y electrón de vellosidades (cortesía de Keith R. Porter)

Las criptas en la base de las vellosidades contienen células madre que se dividen continuamente por mitosis produciendo

• Más células madre
• Células de Paneth, que secretan péptidos antimicrobianos que suprimen la concentración de bacterias en el intestino delgado
• Células que migran por la superficie de las vellosidades mientras se diferencian en
  • células epiteliales columnares (la mayoría), que son responsables de la digestión y absorción
  • células caliciformes, que secretan moco
  • células endocrinas, que secretan una variedad de hormonas

La producción continua de nuevas células epiteliales reemplazan a las células más viejas que después de aproximadamente 5 días mueren por apoptosis. Las vellosidades aumentan la superficie del intestino delgado a muchas veces lo que sería si se tratara simplemente de un tubo con paredes lisas. Además, la superficie apical (expuesta) de las células epiteliales de cada vellosidad está cubierta con microvellosidades (también conocidas como “borde de cepillo”). Gracias en gran parte a estos, la superficie total del intestino es de casi 200 metros cuadrados, aproximadamente del tamaño del área de singles de una cancha de tenis y unas 100 veces la superficie del exterior del cuerpo.

Figura 15.1.1.5: Microvilli

La micrografía electrónica (cortesía del Dr. Sam L. Clark) muestra las microvellosidades de una célula intestinal de ratón. Incorporadas en la membrana plasmática de las microvellosidades hay una serie de enzimas que completan la digestión:

• Las aminopeptidasas atacan el terminal amino (N-terminal) de péptidos productores de aminoácidos
• las disacáridasas convierten los disacáridos en sus subunidades de monosacáridos
  • la maltasa hidroliza la maltosa en glucosa
  • la sacarasa hidroliza la sacarosa (azúcar común de mesa) en glucosa y fructosa
  • la lactasa hidroliza la lactosa (azúcar de la leche) en glucosa y galactosa
  La fructosa simplemente se difunde en las vellosidades, pero tanto la glucosa como la galactosa son absorbidas por el transporte activo
• ácidos grasos y monoglicéridos. Estos se vuelven resintetizados en grasas a medida que ingresan a las células de las vellosidades. Las pequeñas gotas resultantes de grasa son luego descargadas por exocitosis en los vasos linfáticos, llamados lacteos, drenando las vellosidades.

Los humanos con una rara incapacidad genética para formar microvellosidades mueren de inanición.

El intestino grueso (colon)

El intestino grueso recibe el residuo líquido después de que se complete la digestión y la absorción. Este residuo consiste principalmente en agua así como cualquier material que no haya sido digerido. El colon contiene una enorme (~4 ¹³) población de microorganismos. Nuestros cuerpos consisten en aproximadamente el mismo número (~3 ¹³) de células. La mayoría de las especies viven allí perfectamente inofensivas; es decir, son comensales. Algunos son en realidad beneficiosos ya que sintetizan vitaminas y digieren polisacáridos para los que no tenemos enzimas (aportando un estimado de 10% de las calorías que adquirimos de nuestros alimentos).

La mayoría de las bacterias pertenecen a Firmicutes y Bacteroidetes (aunque se usa como indicador de contaminación del agua por las heces, E. coli es en realidad un componente menor). Tanto en ratones obesos (ob/ob) como en humanos, disminuye la proporción relativa de Bacteroidetes y, al menos en ratones, aumenta la eficiencia con la que se absorbe el alimento residual. Poner a los humanos a dieta hace que recuperen la proporción normal de Bacteroidetes. Queda por descubrir por qué existen estas relaciones. Las bacterias florecen hasta tal punto que hasta el 50% del peso seco de las heces puede consistir en células bacterianas.

La reabsorción de agua es la función principal del intestino grueso. Las grandes cantidades de agua secretada al estómago y al intestino delgado por las diversas glándulas digestivas deben ser recuperadas para evitar la deshidratación. Si el intestino grueso se irrita, puede descargar su contenido antes de que se complete la reabsorción de agua causando diarrea. Por otro lado, si el colon retiene su contenido demasiado tiempo, la materia fecal se seca y se comprime en masas duras provocando estreñimiento.