donderdag 26 januari 2017

SB003: Maagzuur / Stomach acid - basics (Nederlands/ English after the break)

Ik heb wat interessante feitjes gevonden over de maag in het herlezen van mijn studieboek 'Medical Physiology' (Boron & Boulpaep, 2e editie). Omdat dit onderwerp wat complex kan worden, heb ik de uitleg in twee delen opgedeeld. Het eerste deel is, naar mijn inschatting, de basis die nodig is om het algemene beeld te krijgen.

Figuur 1: Eiwit vertering
In figuur 1 staat de anatomie van de maag (een schematische versie) en eiwit vertering in de maag schematisch weergegeven. Gekauwd voedsel komt de maag binnen en kan de maag pas verlaten als het kleiner is dan 2 mm. Vloeistoffen kunnen dus vrijwel direct door de maag heen het darmkanaal in. Spieren in de maagwand bewegen voedsel heen en weer, tegen elkaar aan en kneden tot het klein genoeg is. Gepaard met enzymen die koolhydraten, vetten en eiwitten afbreken, is het voedsel binnen een paar uur klein genoeg om de darm in te gaan. 
De vertering van koolhydraten en vetten begint al in de mond met behulp van enzymen die specifiek koolhydraat ketens afbreken (amylases) of vetten afbreken tot vetzuren (lipases). In de maag gaat dit proces verder en wordt ook eiwit afgebroken tot kleine aminozuur ketens (peptidases). De enzymen worden gemaakt door cellen in de bekleding van de maag (het epitheel). Het maagepitheel heeft veel inhammen (crypten) en is bedekt met een laagje gel of slijm (mucus). 
Ik bespreek pepsine hier als een voorbeeld van een cool verteringsenzym, een peptidase die in de maag een belangrijke rol speel bij eiwitvertering. Zoals in figuur 1 te zien is, breekt pepsine een eiwit af tot kleine stukjes, genaamd peptones. Daarbij kan pepsine in het midden van het eiwit knippen, waar andere soorten peptidases alleen aan de uiteindes kunnen knippen. Daarmee kunnen allerlei soorten eiwitten heel snel worden verteerd.

Figuur 2: Pepsinogeen en pepsine
Maar pepsine wordt niet als zodanig gemaakt. De 'chief cell' in de maagwand maakt pepsinogeen, een voorloper van pepsine, en geeft deze af aan de maaginhoud. Pepsinogeen wordt pas actief als de pH rond 3,5 of lager is. De pH in een cel is ongeveer 7, dus pepsinogeen blijft zoals het is tot het in de maag zelf terecht komt vanuit de crypt. De maaginhoud wordt zuur gemaakt door 'parietal cells'. Verlaging van de pH door het toegevoegde zuur van de parietal cells verandert pepsinogeen in pepsine. Hoe zuurder de omgeving, hoe sneller deze verandering gaat en ook hoe sneller pepsine eiwitten kan afbreken. 

Figuur 3: Pepsine inactivatie

Pepsine in een zure omgeving is dus heel handig voor de vertering in de maag, maar wel gevaarlijk voor de cellen in de maagwand. Pepsine kan net zo goed de eiwitten in een cel afbreken en zuur met een pH lager dan 3 of 2 is erg bijtend. Daar beschermt de laag mucus (slijm of gel) tegen. Deze laag mucus wordt gemaakt door 'mucous cells' aan de ingang van de crypt, waardoor het slijm de crypt beschermt. Deze laag mucus is moeilijk te doordringen voor maagzuur en heeft een hoge pH. Het basische milieu beschermt de onderliggende cellen en stopt de werking van pepsine. Waar pepsine heel goed werkt in een zure omgeving, werkt het totaal niet in een basische omgeving. Sterker nog, pepsine wordt onomkeerbaar inactief. Op deze manier blijft de vertering van eiwitten beperkt tot de maaginhoud en niet de maag zelf.
Een klein detail: de chief en parietal cells zitten halverwege de crypt. Dus de mucus laag zit tussen hen en de inhoud van de maag. Hoe komt het zuur en de pepsinogeen dan door de mucus laag heen? Mijn boek zei, men denkt: die worden in een soort stroompje onder hoge druk door het midden van de crypt geleid. Ik kan er zelf niets beters voor verzinnen ;).

Zo is de vertering van eiwitten in de maag nog best wel eenvoudig allemaal in vergelijking met de eerdere post. Het wordt natuurlijk wat lastiger als je dieper in de materie duikt. Er zijn allerlei regelsystemen die de productie van maagzuur controleren. Die ga ik in het volgende deel bespreken, voor de liefhebbers. Dus in de volgende post komt de basis van maagzuur regulatie. Tot dan :)




I found some interesting facts about the stomach after rereading the book 'Medical Physiology' (Boron & Boulpaep, 2nd edition). Since this is quite a complex topic, I divided it into two parts. The first part is, in my mind, the basic knowledge required to get a general overview. 

Figure 1: Protein digestion
In figure 1 I depicted the a schematic version of the anatomy of the stomach and protein digestion.  Food that has been chewed and swallowed can only leave the stomach if it is smaller than 2 mm. Fluids can therefore pass through the stomach almost immediately. Muscles in the stomach wall mix and churn the food, grinding it against itself to reduce the size. Combined with digestive enzymes for carbohydrates, fats and proteins, the food is sufficiently digested in a few hours and can pass into the small intestine.
Digestion of carbohydrates and fats starts in the mouth by mixing in enzymes to break carbohydrate chains (amylases) or fats into fatty acids (lipases). These enzymes remain functional in the stomach, with the addition of enzymes to break proteins down into small amino acid chains (peptidases). The digestive enzymes are made by cells in the lining of the stomach (epithelium). The stomach lining contains many alcoves (crypts) and is covered by a thin layer of gel or slime (mucus).
I use pepsin here as an example of a cool digestive enzyme, a peptidase that plays an important role in protein digestion in the stomach. As shown in figure 1, pepsin breaks proteins down into small pieces, called peptones. Pepsin, unlike other types of peptidases, can break the middle of the peptide chain. This allows pepsin to rapidly break down any kind of protein it encounters.

Figure 2: Pepsinogen and pepsin
However, pepsin is not made as such. Chief cells in the stomach lining make pepsinogen, a precursor of pepsin, and release it to the stomach content. Pepsinogen only becomes active if the pH is lower than 3.5. On the inside of cells, the pH is around 7, so pepsinogen remains inactive until it moves from the cell to into the stomach itself. Parietal cells produce the acid to lower the pH of the stomach. The acidic environment created by the parietal cells transforms pepsinogen into pepsin. The more acidic the environment, the faster the transformation and the faster pepsin can break down proteins.

Figure 3: Pepsin inactivation
So pepsin in an acidic environment is very nice for digesting proteins in the stomach, but can be dangerous for the cells in the stomach lining. Pepsin is just as good at digesting cellular peptides and a pH of 2 or 3 can cause some severe acid burns. This is what the mucus layer protects from. Mucus is made by mucous cells at the entrance of a crypt, allowing the mucus to cover the crypt entrance and protect the underlying cells. The mucus layer can hardly be penetrated by the acid and and has a high pH. Even though pepsin works really well in an acidic environment, it stops working completely when the pH increases. The protection this alkaline mucus layer produces ensures that the stomach does not digest itself.
A small detail: the chief and parietal cells are located in the middle of the crypt. So the mucus layer lies between the crypt content and the stomach proper. How does the acid and pepsinogen get through the mucus? The book said: it is transported in a pressurized flow through the middle of the crypt. I cannot think of a better explaination myself ;)

Protein digestion by the stomach is pretty simple compared to my previous post. Of course, it gets more complex as you get further into it. There are a number of regulatory systems involved with digestion in general. I will discuss some in the next part, for enthusiasts. So I will cover the basics of stomach acid regulation in the next part. See you there :)

4 opmerkingen:

  1. Je treft me net achter de computer aan Dagmar. Mooi om te zien hoe je dit soort processen schematisch weergeeft met behulp van tekeningen (die er steeds professioneler uit gaan zien). Ik ben altijd wel gevoelig voor bolletjes met oogjes, dat trekt meer mijn aandacht dan wanneer je ze zou weglaten. Succes met je projecten!
    Groetjes,
    Cécile

    BeantwoordenVerwijderen
    Reacties
    1. Deze stijl van tekenen blijf ik wel gebruiken, maar dat hangt af van het publiek natuurlijk. Zolang het mensen aanspreekt, werkt het goed en dat is het belangrijkste.

      Verwijderen
  2. Ha Dagnar! Ook voor een medische leek goed leesbaar en te begrijpen! Mooie en duidelijke tekeningen.

    BeantwoordenVerwijderen
  3. Hey Sander, ik ben blij te horen dat alles duidelijk voor je was :)

    BeantwoordenVerwijderen