digestion
(latin digestio, -onis)
Fonction physiologique consistant à fragmenter les grosses molécules des aliments en petites molécules directement utilisables par les cellules (nutriments).
1. Généralités
Chez presque tous les animaux, le processus de digestion a lieu à l’intérieur du corps, après ingestion des aliments. On le rencontre aussi, au niveau cellulaire, chez les protistes : ceux-ci englobent les particules dont ils se nourrissent (des bactéries par exemple), les incluent dans des vacuoles où des enzymes les découpent en molécules élémentaires. Chez les champignons, dans des groupes restreints de végétaux (plantes insectivores, plus connues sous le nom de « plantes carnivores »), chez quelques insectes carnassiers (punaises d'eau [gerris, nèpes, notonectes...], araignées, qui injectent à leurs proies des sucs digestifs qui vont dissoudre leurs tissus) et étoiles de mer qui dévaginent leur sac digestif et l'appliquent sur la proie), la digestion est au contraire externe, et précède l'absorption des nutriments.
Toutes les opérations chimiques de la digestion sont réalisées par des enzymes, doublement spécifiques : chaque enzyme attaque un seul type de molécules, et le transforme d'une seule façon. Chez les animaux, leur action est favorisée par une fragmentation mécanique des aliments (action des dents notamment) et par les conditions du milieu où s'opère la digestion : température, pH, teneur en eau, etc.
Chez les mammifères, le processus de digestion suit un schéma commun (voir la digestion humaine), à l’exception des ruminants. Ces derniers présentent en effet une digestion particulière qui leur permet d’assimiler la cellulose (principal composant de leur alimentation) : leur estomac est divisé en quatre compartiments (trois « pré-estomacs » et un estomac « vrai », la caillette), et ils mâchent, avalent puis régurgitent leurs aliments plusieurs fois, tandis que les bactéries symbiotiques de leur panse assurent la digestion de la cellulose.
Chez tous les animaux (y compris l’homme), des micro-organismes vivant en symbiose dans l’intestin (bactéries, protistes flagellés, constituant la « flore intestinale ») aident à l’assimilation ou à la fermentation des aliments peu ou pas digestibles, à synthétiser des vitamines, et à protéger l’organisme contre la plupart des micro-organismes pathogènes apportés par l’alimentation.
Chez l’être humain, on estime que la flore intestinale (ou microbiote intestinal) adulte compte environ 100 000 milliards de bactéries (10 fois plus que nos propres cellules !), appartenant à quelque 1 000 espèces différentes.
2. La digestion humaine
Tous les produits alimentaires, végétaux ou animaux, sont dégradés en nutriments (corps chimiques simples ou composés facilement assimilables par les cellules) au cours de différentes étapes se produisant dans les différents organes du tube digestif.
Pour en savoir plus, voir l'article aliment.
2.1. Le trajet des aliments
Le processus de digestion commence dans la bouche par un broyage des aliments grâce aux mouvements de mastication des mâchoires. La mastication et le broyage sont facilités par la sécrétion de salive , augmentée au moment des repas. Celle-ci commence aussi la digestion de l’amidon, sucre complexe, en unités plus petites. Les aliments mastiqués sont ensuite déglutis pour tomber dans l’œsophage, qui débouche sur l’estomac. Là, ils sont brassés dans un liquide très acide au niveau de l'estomac, le suc gastrique (qui contient de l'acide chlorhydrique). Les enzymes du suc gastrique entament la digestion des protéines.
La pâte produite (appelée chyme) passe ensuite dans l’intestin grêle . Elle y est mélangée au suc pancréatique, élaboré par le pancréas. Au même endroit est déversée, par la vésicule biliaire, la bile (qui renferme un pigment de couleur jaune d'or, la bilirubine, issu de la dégradation de l'hémoglobine), produite par le foie. Celle-ci ne contient pas d’enzymes mais émulsionne les graisses, qui forment alors des structures appelées micelles accessibles aux enzymes de digestion des lipides (lipases).
Au niveau de l’intestin grêle en effet, les graisses sont dégradées, ainsi que les sucres complexes et les protéines n’ayant pas été digérés aux étapes précédentes. Parallèlement, l’intestin grêle réalise l’absorption des nutriments (glucides simples, acides aminés, acides gras). Ceux-ci passent à travers sa paroi, et sont collectés par les capillaires sanguins ou par les vaisseaux chylifères (qui renferment de la lymphe). La paroi interne de l’intestin grêle présente de nombreuses circonvolutions qui représentent au total une surface d’absorption de 140 m2 chez un adulte.
Les résidus non digérés des aliments passent ensuite dans le côlon, ou gros intestin. Celui-ci renferme une importante flore bactérienne qui assure notamment la fermentation des glucides non digérés précédemment (ce qui produit des gaz intestinaux). Il réabsorbe aussi l’eau et les ions utiles à l’organisme. Les déchets de la digestion sont expulsés sous forme de selles.
2.2. L'action des enzymes digestives
Les enzymes digestives. sont responsables du découpage des aliments en leurs constituants élémentaires. Ce sont des protéines synthétisées par les cellules de l’appareil digestif ou de ses annexes : les glandes salivaires, l’estomac, le pancréas, l'intestin grêle. Il existe trois grands types d’enzymes digestives : l’amylase, qui découpe l’amidon, les protéases, spécialisées dans les protéines, et les lipases, qui dégradent les lipides.
Découpage de l'amidon par l'amylase
L'amylase est d'abord sécrétée dans la bouche, au cours de la mastication, par les glandes parotides (glandes salivaires situées de chaque côté de la mâchoire). La seconde glande productrice d'amylase est le pancréas.
L'action de cette enzyme dépend de la structure de la molécule d'amidon, qu'elle doit casser au niveau de liaisons chimiques particulières. Selon le mode de cuisson de l'aliment, ces liaisons peuvent être inaccessibles à l'amylase (qui est par ailleurs une grosse molécule) : l'amidon de la baguette fraîche est ainsi plus digestible que celui du pain rassis, ou congelé puis réchauffé.
Quoi qu'il en soit, l'amylase réduit les molécules d'amidon (faites de milliers de molécules de glucose liées entre elles) en dextrines (assemblages de 5 à 50 molécules de glucose).
Découpage des protéines par les protéases
L’hydrolyse des protéines est un peu plus complexe, car elles sont constituées d'une vingtaine d'acides aminés de structures et de propriétés différentes. De plus, les protéases doivent distinguer les protéines alimentaires utilisables des protéines appartenant à la structure de l'appareil digestif.
Leur action s'exerce dans des conditions très précises de pH : la pepsine, produite et sécrétée par les cellules des parois de l'estomac, n'agit qu'en milieu très acide (pH proche de 2) ; à l'opposé, les protéases pancréatiques sont actives en milieu légèrement alcalin (pH proche de 8 ; → base).
Par ailleurs, les protéases pancréatiques, d'abord inactives (pro-enzymes), ne sont activées qu'à l'intérieur de l'intestin grêle, par l'hydrolyse. Lorsqu'elles sont prêtes à agir, ces enzymes le font spécifiquement sur certains acides aminés des protéines alimentaires : la trypsine reconnaît la lysine et l'arginine ; la chymotrypsine reconnaît la phénylalanine, le tryptophane et la tyrosine.
Enfin, les cellules du tube digestif sont protégées par un mucus qui empêche les protéases de s'approcher des cellules. Les protéines alimentaires, souvent constituées de milliers de molécules d'acides aminés liées entre elles, sont finalement découpées en peptides (2 à 5 acides aminés) et en acides aminés libres.
Dissolution des lipides par les lipases
Les lipides (graisses) sont digérés d'une manière particulière, car ils ne se mélangent pas à l'eau. Contrairement à ce qui se passe quand on essaie de mélanger de l'eau et de l'huile dans un verre – l'huile formant une couche au-dessus de l'eau –, dans l'estomac les graisses se trouvent sous forme de gouttelettes dans le mélange nutritif (contenu digestif dilué par l'eau des sécrétions).
Leur digestion se fait dans le duodénum (le premier segment de l'intestin grêle), où se trouvent les sels biliaires, qui ont la propriété d'être à la fois solubles dans les graisses (liposolubles) et dans l'eau (hydrosolubles). Ceux-ci forment avec les lipides des micelles, petits assemblages de sels biliaires et de lipides alimentaires. Ces micelles ont la forme de petites sphères, présentant à l’extérieur les parties hydrosolubles des sels biliaires, et à l’intérieur les lipides. C’est seulement lorsqu’ils sont dans cette configuration que les lipides peuvent être découpés par les lipases.
Les produits finaux de cette digestion (acides gras, monoglycérides, cholestérol) forment à leur tour avec les sels biliaires des micelles microscopiques, qui permettent leur absorption par la paroi de l’intestin (→ triglycéride).
2.3. Les échanges au sein de l'appareil digestif
L'appareil digestif est composé d'un tube (avec en continuité la bouche, l’œsophage, l’estomac, l’intestin grêle et le côlon) et de différents organes annexes (glandes salivaires, foie, pancréas), qui y déversent leur sécrétion. Ce tube peut être assimilé à une surface d'échanges, entre l'homme et son environnement biologique : les nutriments du milieu extérieur sont ingérés, tandis que les déchets sont rejetés hors de l'organisme.
Le tube digestif fait partie d'un ensemble d'organes dotés des fonctions d'échanges et de barrière : la peau reçoit les rayonnements solaires, sécrète de l'eau et des sels minéraux et nous protège du monde extérieur ; les poumons échangent l'oxygène (O2) salvateur contre le dioxyde de carbone (CO2) toxique ; les reins éliminent le surplus et les déchets métaboliques ; la cornée de l'œil, le plexus choroïde du cerveau et certaines structures endocrines ont des fonctions analogues.
Pour en savoir plus, voir l'article absorption intestinale [médecine].
Les cellules intestinales
Ce processus d'échanges sélectifs et de barrage effectué par l'intestin est rendu possible grâce à la structure des cellules qui tapissent l'intérieur de l'intestin. Elles s'étalent sur une surface considérable (140 m2 chez l’adulte), mais, surtout, elles ont une structure épithéliale qui leur permet d'absorber à partir du sang, ou au contraire de sécréter (suc intestinal), des substances sélectionnées par leurs membranes.
Ces cellules épithéliales sont caractérisées par les membranes qui les entourent : la membrane plasmique orientée vers la lumière (l'intérieur) du tube digestif – aussi appelée bordure en brosse car, vue au microscope électronique, ses nombreux replis réguliers la font ressembler à une brosse – est au contact du liquide digestif ; la membrane plasmique en liaison avec les vaisseaux sanguins est régulière. Les cellules épithéliales, dont l'asymétrie de structures reflète l'asymétrie de fonctions, couvrent toute la surface du tube digestif. Leurs liens étroits permettent aux cellules de communiquer entre elles, et ainsi de modifier leur fonction selon la nature des sollicitations extérieures.
La circulation de l'eau dans le tube digestif
Le rôle du tube digestif est vital. Il fonctionne en permanence, de même que les cellules épithéliales qui tapissent ses parois. Ainsi, l'eau circule de façon permanente dans le tube digestif, même en dehors des repas. L'eau, contenue dans le sang et qui sert à l'élaboration de la salive, des sécrétions de l'estomac, de la bile, des sécrétions du pancréas et de celles de l'épithélium intestinal, est en permanence réabsorbée par les cellules épithéliales du tube digestif. Au moment du repas, cette circulation s'intensifie de manière considérable à cause de l'apport en eau des aliments et des boissons, et surtout de l'augmentation des sécrétions de l'appareil digestif. Elle est coordonnée à la circulation sanguine et à la circulation dans les autres organes d'échanges, en particulier le rein. Toute l'eau qui entre dans le tube digestif doit être réabsorbée par le sang pour éviter la déshydratation du corps. Cette circulation est particulièrement intense chez le nourrisson.
Le transport de l'eau par les pompes à sodium
Le système de pompes qui permet cette circulation est chimique, contrairement à la pompe mécanique cardiaque de la circulation sanguine. Cette pompe intestinale fonctionne grâce à l'énergie libérée lors de l'échange (transport actif), au niveau membranaire, de trois molécules de sodium contre deux de potassium qui entrent dans la cellule. La molécule énergétique impliquée dans la réaction est l'adénosine triphosphate, ou ATP. Toutes les cellules de l'organisme sont munies d'une telle pompe à sodium, mais seules celles de l'épithélium intestinal ont un système qui permet la circulation de l'eau.
Schématiquement, le sodium pénètre la cellule à travers sa bordure en brosse, provoquant une modification du milieu intérieur. Ce phénomène déclenche la pompe à sodium située à l'autre pôle de la cellule, dans la membrane plasmique. Dirigé vers le sang, le courant de sodium créé entraîne mécaniquement un courant d'eau (transport passif).
Variations de la quantité d'eau dans le tube digestif
Ce système s'adapte aux variations de la quantité d'eau dans le tube digestif, car, si tel n'était pas le cas, une absorption trop importante inonderait le corps et assécherait le tube digestif – inversement, une absorption trop faible déshydraterait le corps et « noierait » le tube digestif (cette deuxième situation est à l'origine des diarrhées et des vomissements).
Cette adaptation est influencée par l'arrivée des produits de la digestion dans le tube digestif : le glucose, par exemple, stimule l'entrée du sodium dans la cellule qui, de ce fait, favorise le passage de l'eau vers le sang. De plus, la molécule de sodium entraîne avec elle celle du glucose, qui lui a ouvert le chemin à travers la bordure en brosse de la cellule. Le gène de la protéine, qui permet ce couplage glucose-sodium, peut subir une mutation, laquelle est à l'origine d'une diarrhée dès la naissance, par défaut de réabsorption du glucose et du sodium, et donc de l'eau.
De la même façon, les acides aminés et certains peptides produits lors de la digestion des protéines alimentaires stimulent l'absorption de l'eau par un mécanisme très proche de celui du glucose. En revanche, le fructose, autre sucre, que l'on trouve surtout dans les confiseries, ne stimule pas l'absorption d'eau, car il n'est pas couplé au sodium ; pris en excès, il peut donc provoquer une diarrhée et d'autres désagréments digestifs.
Les lipides peuvent stimuler l'absorption de l'eau par un autre mécanisme, au niveau du côlon.
Le liquide intestinal
Le résultat de cette circulation de l'eau est l'échange entre l'homme et son environnement biologique : les aliments du repas sont dilués dans le tube digestif où ils sont digérés en nutriments, qui eux-mêmes stimulent la réabsorption de l'eau ; celle-ci les entraîne dans son courant vers le sang qui, à son tour, les entraîne vers les cellules de l'organisme.
Le contenu de la partie terminale de l'iléon, qui se déverse dans le côlon, est très différent de celui que l'on trouve dans le duodénum. Excepté les parties peu digestibles, tous les aliments ont été transformés et absorbés. Le liquide intestinal s'est enrichi des rejets de l'intestin, c'est-à-dire d'un certain nombre de déchets métaboliques, y compris des substances étrangères comme des médicaments. Ce liquide contient également de nombreux débris cellulaires de la paroi du tube digestif, laquelle se renouvelle entièrement en deux à trois jours.
Le suc intestinal est modifié par les bactéries qui se trouvent en abondance dans le côlon : elles sont dix fois plus nombreuses que l'ensemble des cellules du corps humain. Dans cette flore bactérienne intestinale, de nombreuses espèces ont de multiples activités enzymatiques complémentaires de celles de l'intestin grêle. Renouvelées en permanence à partir du liquide intestinal, les bactéries restent dans le côlon, les anciennes étant éliminées dans les selles, avec l'eau (200 g/j sur les 9 l qui transitent quotidiennement par l'intestin grêle) et les sels minéraux. Chaque jour, le corps humain élimine également dans les selles environ 10 g de protides, 5 g de lipides, 10 g de glucides. Ces nutriments ne proviennent pas directement des aliments, mais ont participé à plusieurs cycles métaboliques dans les cellules du corps et les bactéries du côlon avant d'être éliminés.
