Lycée-Collège de la Planta, Sion Biologie Martine Morend, Blaise Perruchoud, Grégoire Raboud, Sonia Sierro
Système digestif Sommaire 1 Introduction 2 Composition des aliments 2.1. Protéines 2.2 Glucides 2.3 Lipides 2.4 Acides nucléiques 2.5 Vitamines 2.6 Sels minéraux 2.7 Eau 3 Appareil digestif 3.1 Cavité buccale 3.2 Pharynx 3.3 Œsophage 3.4 Estomac 3.5 Intestin grêle 3.6 Foie 3.7 Pancréas 3.8 Gros intestin 3.Rectum
1 Introduction Pourquoi les organismes se nourrissent? Ils se nourrissent pour augmenter (phase de croissance) ou préserver (phase adulte) leur propre substance (matériaux de construction), pour obtenir de l énergie nécessaire au maintien d une température interne constante, pour effectuer un travail biologique (métabolisme, transport, mouvement). Se nourrir, c est s alimenter. 2 Composition des aliments C est en s alimentant que le corps acquiert les nutriments dont il a besoin. Ces nutriments sont les protéines, les glucides, les lipides, les acides nucléiques, les vitamines, les sels minéraux et l eau. Le métabolisme (du grec metabole, changement, transformation) englobe l ensemble des transformations biochimiques se déroulant à l intérieur de l organisme. L anabolisme (du grec anabole, construction) comprend les processus biochimiques de synthèse et d élaboration de la matière organique ; le catabolisme (du grec catabole,destruction) comprend les réactions biochimiques de dégradation et de dénaturation de la matière organique. 2.1 Protéines Les protéines représentent environ 50% du poids sec de la plupart des cellules et jouent un rôle dans presque toutes les fonctions de la cellule. Les protéines ont plusieurs fonctions : elles soutiennent les tissus (collagènes des ligaments et tendons, kératine des ongles, des poils et des plumes), emmagasinent des réserves (ovalbumine des œufs, caséine du lait) et transportent des substances (hémoglobine), transmettent des messages (hormones) d un point à l autre de l organisme, produisent le mouvement (actine et myosine des muscles) et défendent l organisme (anticorps contre les substances étrangères. Des protéines particulières, appelées enzymes, accélèrent la vitesse des réactions chimiques dans les cellules : elles assurent le métabolisme. 1
L être humain possède des dizaines de milliers de protéines de différentes sortes. Sur le plan de la structure, les protéines sont des assemblages d acides aminés, qui en sont les monomères. Les acides aminés sont des molécules chimiques riches en carbone, en azote et en oxygène. Les cellules élaborent leurs protéines à partir de 20 acides aminés. L ordre dans lequel se suivent les acides aminés qui constituent la protéine est très important pour la structure et la fonction de la protéine. Quand elles se font détruire par les enzymes de la digestion, les protéines libèrent des acides aminés. Lorsque deux acides aminés sont liés ensemble (lien peptidique), ils forment un dipeptide. La réunion de plusieurs acides aminés forme des chaînes polypeptidiques ou polypeptides, que l on nomme protéines lorsqu elles contiennent une centaine d acides aminés. Les protéines peuvent se combiner avec d autres composés tels des lipides, des glucides, des acides nucléiques, des acides phosphoriques ou des colorants. On parle alors de protides ou protéines mixtes. 2.2 Glucides Les glucides, ou hydrates de carbone, appelées communément «sucres», remplissent plusieurs fonctions. Elles fournissent l énergie nécessaire au travail biologique (glucose, fructose, galactose), stockent l énergie (amylose et amylopectine [amidon], glycogène), constituent la structure des parois des végétaux (cellulose) et des insectes et crustacés (chitine), et entrent dans la composition des acides nucléiques (ribose, désoxyribose). D un point de vue digestif, la cellulose, qui constitue les fibres alimentaires, facilite le transit intestinal. Sur le plan de la structure, les glucides se regroupent en monosaccharides (monomères des glucides) comme le glucose, le fructose, le galactose, le ribose, le désoxyribose, le β-n-acétyl-glucosamine). Lorsqu ils sont assemblés par paire, 2
deux monosaccharides forment des disaccharides (saccharose, maltose, cellobiose, lactose, chitobiose). Lorsqu ils sont assemblés en nombre (de quelques centaines à une centaine de milliers), ils forment des polysaccharides (amylose, amylopectine, glycogène, cellulose, chitine). 3
2.3 Lipides Les lipides, ou graisses, assurent des fonctions de stockage de l énergie (principalement dans les tissus sous-cutanés), d isolation contre le froid (particulièrement visibles chez les baleines et les phoques), et d amortisseurs pour certains organes comme les reins, le foie, les yeux (cavités orbitales), les pieds (talons). Les lipides sont qualifiés de lipophiles parce qu ils sont très solubles dans les solutions organiques telles l éther ou le chloroforme. Ils n ont par contre aucune affinité pour l eau et sont donc lipophobes. On distingue plusieurs familles de lipides, dont les graisses, les phospholipides, les stéroïdes et les cires. Au niveau structurel, les lipides sont des macromolécules composées de glycérol lié à un (monoglycéride), deux (diglycéride) ou trois acides gras (triglycéride). Les acides gras peuvent être saturés, c est-à-dire qu il n existe pas de double liaison entre les atomes de carbone, ou insaturés, c est-à-dire qu il existe une ou plusieurs liaisons doubles entre les atomes de carbone. Les acides gras insaturés sont qualifiés d essentiels car le corps humain n arrive pas à les synthétiser. L homme doit se les procurer dans les aliments riches en lipides insaturés, c est-à-dire la plupart des huiles végétales (olive, colza, arachides, lin). Les acides gras saturés, présents dans le beurre, le lard, les viandes grasses, présentent un inconvénient, celui de favoriser les maladies cardio-vasculaires. Dans les phospholipides, constitutifs des membranes des cellules, le glycérol est relié à deux acides gras et à un acide phosphorique. 4
2.4 Acides nucléiques Les acides nucléiques sont des molécules porteuses de l information génétique. On distingue entre les acides ribonucléiques (ARN) et l acide désoxyribonucléique (ADN). Les constituants des acides nucléiques sont les nucléotides. Chaque nucléotide est composé d une molécule de sucre (ribose dans l ARN, désoxyribose dans l ADN), d un acide phosphorique, et d une base organique azotée. Dans l ADN, les bases azotées, au nombre de quatre, sont l adénine (A), la guanine (G), la cytosine (C) et la thymine (T). Dans l ARN, on retrouve les mêmes bases à une exception : l uracile (U) remplace la thymine (T). L ADN est situé prioritairement dans le noyau, les ARN dans le cytoplasme. Les acides nucléiques sont des polymères de nucléotides. Une molécule d ADN peut contenir plusieurs millions de nucléotides. C est la séquence des nucléotides qui a une importance primordiale, car elle détermine l information génétique. 2.5 Vitamines Les vitamines sont des éléments nutritifs essentiels au bon déroulement de nombreux processus organiques, comme la croissance, l immunité, les fonctions sanguines et endocrinienne. Les vitamines se divisent en deux groupes : - les vitamines liposolubles, qui se dissolvent dans les graisses et sont absorbées grâce à elles (vitamines A, D, E, et K). - Les vitamines hydrosolubles, qui sont absorbées grâce à l eau (vitamine C, vitamines du complexe B). 5
2.6 Sels minéraux Le corps a besoin de sept minéraux (calcium, phosphore, potassium, soufre, sodium, chlore et magnésium) en quantité suffisante pour la fortification et le fonctionnement de nombreux organes. Une douzaine d'autres minéraux (Cu, Zn, B, Si, Mo, Mn, I, Br, F, Co, U) sont requis en quantité infime (les oligo-éléments) et sont généralement présents dans une alimentation équilibrée. En principe, les carences ne sont produites que par des régimes spéciaux, mais dans le cas de l'iode et du fer, le manque peut se manifester naturellement. Dans les régions montagneuses où l'eau est extrêmement pauvre en iode, la carence en cet oligoélément peut induire un grossissement de la glande thyroïde (le goitre). Des troubles d assimilation du fer peuvent conduire à une anémie. 2.7 Eau L eau constitue environ 60% du poids d une personne adulte. Elle se répartit dans l organisme en deux grands espaces : l espace intracellulaire et l espace extracellulaire. Le premier comprend l eau qui existe à l intérieur des cellules (environ 25 litres), et le second l eau contenue dans le plasma (sang), la lymphe, le liquide céphalorachidien, et l espace interstitiel qui entoure les cellules. L eau assure différentes fonctions comme le transport de substances qui y sont dissoutes, l excrétion des déchets (tube digestif, reins, sueur), et la régulation de la température. 3 Appareil digestif L'appareil digestif comprend tous les organes qui participent à la digestion, de la bouche au rectum en passant par l œsophage, l estomac, le foie, le pancréas et les intestins, sans oublier les glandes (glandes salivaires, foie, pancréas). Le principe de la digestion est de décomposer tous les nutriments en leurs unités de base (les acides aminés pour les protéines, le glucose pour les glucides, les acides gras et le glycérol pour les graisses). Pour y parvenir, le tube digestif va sécréter des enzymes qui vont se charger de couper toutes ces grosses molécules en plus petites sous-unités. Nous allons suivre le trajet de la nourriture dans le tube digestif et toutes les destructions qui y ont lieu ainsi que les enzymes mises en jeu. 6
3.1 Cavité buccale La muqueuse de la langue contient les organes du goût, qui permettent de contrôler les aliments. La gustation distingue les goûts amer, acide, salé et sucré. Les dents fragmentent la nourriture. La fragmentation facilite l action des enzymes. Les glandes parotides, sublinguales et sous-maxillaires sécrètent environ 1,5 litre de salive par jour. Lors de la mastication, les aliments sont imbibés de salive dont la composition et la quantité varient selon le type de nourriture. Ainsi près d'un demilitre de salive est nécessaire pour mastiquer cent grammes de gâteau sec! Les aliments épicés irritent les récepteurs du goût et provoquent une sécrétion plus forte de salive. La seule vue d'un aliment particulièrement appétissant active la salive: l'eau vient à la bouche. La salive rend les aliments visqueux et facilite le transit par I'œsophage jusqu'à l'estomac. Elle contient une enzyme, l α-amylase, qui va commencer la décomposition des glucides, celle de l amidon en maltose (disaccharide). C'est là que débute la digestion biochimique. 7
3.2 Pharynx Dans la gorge, ou pharynx, les voies respiratoires et digestives se croisent. Lorsque la langue pousse le bol alimentaire dans le pharynx, la déglutition est déclenchée. Celle-ci se déroule sans le contrôle de la volonté. Un réflexe veille à ce que l'aiguillage soit bien orienté: le larynx se soulève et l'épiglotte le recouvre pour fermer les voies respiratoires. En même temps, la luette se relève et obture la communication avec les fosses nasales. Ce mécanisme présente quelques ratés lorsqu'on veut respirer et avaler en même temps. Rire en mangeant provoque le même effet. Des morceaux d'aliments risquent de pénétrer dans la trachée et d'entrer en contact avec la muqueuse respiratoire. Une toux violente se déclenche qui refoule les morceaux dans le pharynx et parfois même dans les fosses nasales. Les amygdales et les végétations appartiennent aux organes lymphatiques (le système lymphatique fait partie de notre système de défense). Elles n'ont rien à voir avec la digestion. Il n y a pas de destruction chimique ou mécanique dans le pharynx; c est un lieu de transit de la nourriture. 3.3 Œsophage L'œsophage est un tube musculaire. Il est placé derrière la trachée, traverse le diaphragme et conduit à l'estomac. L'œsophage apporte la nourriture du pharynx à l'estomac. La musculature longitudinale de l œsophage pousse le bol alimentaire vers l'avant. Le bol alimentaire atteint l'entrée de l'estomac après six à huit secondes. Les liquides parcourent ce trajet en deux à trois secondes. 3.4 Estomac L'estomac est situé dans la partie gauche du corps sous le diaphragme. Lorsqu'il est plein, il forme un sac avec une entrée (cardia) et une sortie (pylore). Vide, l'estomac se distingue à peine d'une partie d'intestin. Il peut contenir un peu plus de deux litres de bol alimentaire qu'il stocke pendant quelques heures. La musculature lisse de la paroi stomacale se contracte par ondes successives et pétrit le bol alimentaire qui entre en contact étroit avec la 8
muqueuse de l'estomac. Près de cinq millions de glandes sécrètent du suc gastrique contenant de l'acide chlorhydrique à une concentration de 0,5 % qui participe à la digestion chimique. L'acide chlorhydrique tue les bactéries parfois présentes dans la nourriture. En sa présence, la pepsine, une enzyme des sucs gastriques, décompose les protéines. Les aliments séjournent plus ou moins longtemps dans l'estomac selon qu'ils sont faciles ou difficiles à digérer 3.5 Intestin grêle La première anse de l'intestin, le duodénum, mesure trente centimètres comme son nom l'indique (douze largeurs de doigts). Cette partie de l'intestin est importante pour la digestion biochimique. Les glucides (disaccharides et polysaccharides, à l exception de la cellulose) y sont décomposés en sucres simples, les protéines en acides aminés, et les graisses en acides gras et en glycérol, grâce aux sucs digestifs des intestins, du pancréas et du foie. Les principales enzymes intestinales mises en jeu sont la maltase et la saccharase pour les disaccharides, les nucléases pour les acides nucléiques, et les peptidases pour les protéines. L intestin grêle fait suite au duodénum. Il mesure environ deux mètres et forme de nombreuses anses. La digestion biochimique continue dans cet organe. Mais le rôle le plus important de l intestin grêle est celui de réabsorber les produits digérés. La surface intérieure de l intestin grêle est tapissée de petites structures appelées villosités. Ces villosités contiennent un réseau de petits vaisseaux sanguins appelés capillaires. Glucose et acides aminés passent dans ces capillaires et vont rejoindre la circulation sanguine. Glycérol et acides gras passent dans le corps grâce à un autre système appelé lymphatique. 9
3.6 Foie Le foie est la plus grande glande du corps (1,5 kg) qui sécrète un liquide amer et verdâtre, la bile. Celle-ci est stockée dans la vésicule biliaire d'où elle est conduite dans le duodénum. Elle prépare les aliments riches en émulsifiant les graisses (séparation en petites gouttelettes) sur lesquelles les enzymes de scission auront une meilleure prise. Le foie joue un rôle extrêmement important dans le métabolisme: Il stocke le surplus de glucose du sang sous forme de glycogène. Celui-ci est mis à disposition lors d'une demande accrue en éléments nutritifs. Il synthétise des protéines à partir des acides aminés. Il forme de l'urée, un déchet qui passe dans le sang d'où il est éliminé par les reins. Il détoxique le corps en neutralisant la nicotine, l'alcool et d'autres éléments toxiques. Un excès de ces produits endommage le foie. Il sert de réservoir au sang. Il détruit les globules rouges anciens, tout en conservant le fer qu'ils contiennent pour le réutiliser plus lard. Il produit le fibrinogène, un élément nécessaire à la coagulation du sang. 10
3.7 Pancréas Le pancréas synthétise des enzymes de digestion qui sont déversées dans le duodénum. Il s agit de l α-amylase, qui va poursuivre la décomposition des glucides, des lipases, qui vont scinder les lipides en acides gras et glycérol, et de la trypsine et chymotrypsine, qui vont découper les (poly)peptides en acides aminés. 3.8 Gros intestin ou côlon La digestion se poursuit dans le gros intestin. La dégradation de la cellulose (sucre végétal jusqu ici non dégradé) et des protéines par des bactéries produit des gaz. La paroi du gros intestin reprend l'eau du aliments en digestion (jusqu'à six litres quotidiennement). L'eau réabsorbée est transportée par le sang et mise à la disposition de toutes les cellules du corps. Le contenu de l'intestin s'épaissit et devient matière fécale. La perturbation de la reprise de l'eau se manifeste par la diarrhée. Cette perte d'eau peut être dangereuse si elle est importante. 3.9 Rectum Le rectum élimine les matières fécales par l'anus à l'aide d'une forte musculature. 11
12