Alimentation et digestion
Chez l’homme, comme chez les autres animaux, l’alimentation met en œuvre à la fois les fonctions de relation, pour la recherche, la capture et la consommation de la nourriture et les fonctions de nutrition, pour la digestion des aliments.
Fondamentalement, l’appareil digestif est constitué d’un tube, ouvert sur l’extérieur à ses deux extrémités (bouche et anus) et compartimenté en segments ayant des structures et des fonctions différentes (œsophage, estomac, intestin). À ce tube sont associées diverses glandes digestives (glandes salivaires, foie, pancréas, glandes de l’estomac et de l’intestin).
Appareil digestif humain
L’homme est omnivore, ce qui signifie qu’il prélève dans son milieu des aliments tant d’origine animale que végétale. Il a également besoin de trouver dans son alimentation des substances que son organisme ne sait pas fabriquer, comme les vitamines, les acides aminés indispensables, les acides gras essentiels et diverses substances minérales, comme le sel (chlorure de sodium) ou le calcium. Bien qu’il ne soit pas capable de digérer la cellulose qui constitue l’essentiel des fibres végétales, ces dernières sont cependant indispensables au bon déroulement de la digestion.
La bouche permet le broyage des aliments solides et leur imprégnation par la salive, liquide sécrété par des glandes salivaires. Le broyage est réalisé par les mouvements des mâchoires munies de dents. Les dents apparaissent chez l’enfant entre le sixième mois et la troisième année en moyenne. Il se forme d’abord une dentition provisoire formée de vingt dents, appelées dents de lait. Elles sont réparties sur chaque demi-mâchoire en deux incisives, une canine et deux petites molaires.
Leur chute est liée à l’éruption des dents définitives. Vingt dents définitives remplacent les dents de lait et il s’y ajoute douze grosses molaires. La dentition définitive commence à se mettre en place vers six ans. Vers treize ans, vingt-huit dents définitives sont en place, mais les quatre dernières molaires, les dents de sagesse, ne se mettent souvent en place que vers vingt-trois ans.
Le bol alimentaire résultant du broyage des aliments et de leur imprégnation par la salive est transporté par l’œsophage, segment suivant du tube digestif, et passe dans l’estomac, une poche à paroi musculeuse où le bol alimentaire est brassé tandis que commence la digestion chimique.
Les aliments d’origine animale et végétale sont constitués de diverses molécules organiques (sucres, graisses, protéines), notamment de macromolécules, c'est-à-dire de polymères de molécules plus petites. La digestion chimique consiste à couper les liaisons chimiques entre les constituants des molécules organiques, appelés nutriments. Cette coupure résulte de l’action de substances spécialisées, les enzymes digestives, sécrétées par des glandes digestives.
À la sortie de l’estomac, le bol alimentaire passe dans l’intestin grêle où il progresse sous l’action des contractions des muscles de la paroi intestinale. L’intestin grêle est un tube, long de plusieurs mètres, où se poursuit la digestion chimique sous l’action notamment du suc pancréatique, un mélange de nombreuses enzymes digestives sécrétées par le pancréas. C’est aussi dans l’intestin grêle que les nutriments résultant de la digestion chimique sont absorbés, c'est-à-dire passent dans le sang à travers la paroi de l’intestin. Les nutriments, comme par exemple le glucose, sont distribués par le sang à toutes les cellules de l’organisme qui les utilisent comme matériaux de construction et de renouvellement et comme source d’énergie.
Les substances non digérées comme la cellulose passent dans le gros intestin ou côlon qui se termine par l’ampoule rectale d’où elles sont évacuées à l’extérieur.
Circulation
La circulation correspond au transport dans l’appareil circulatoire du sang, liquide permettant d’approvisionner en nutriments et en oxygène toutes les cellules de l’organisme et d’en évacuer les déchets produits par leur activité, comme le gaz carbonique résultant de la respiration des cellules. Le sang se charge en nutriments lors de la digestion et en oxygène lors de la respiration. Le sang des vertébrés est de couleur rouge en raison de la présence des globules rouges qui contiennent un pigment rouge, l’hémoglobine, permettant notamment le transport de l’oxygène.
L’appareil circulatoire de l’homme est, comme chez les autres vertébrés, constitué du cœur et des vaisseaux sanguins. Ce système est clos, c’est-à-dire que le sang ne circule pas ailleurs que dans les vaisseaux sanguins, contrairement à ce qui peut exister chez d’autres animaux, comme les insectes par exemple. Le sang ne peut sortir de l’appareil cardiovasculaire que s’il y a rupture de la paroi d’un vaisseau, c'est-à-dire une hémorragie.
On distingue classiquement trois grands types de vaisseaux sanguins, les artères, les veines et les capillaires, ces derniers formant des réseaux denses qui s’intercalent typiquement entre artères et veines sur le trajet du sang.
Les artères sont les vaisseaux qui acheminent le sang depuis le cœur vers tous les organes du corps. Les veines sont les vaisseaux qui ramènent le sang depuis les organes vers le cœur. Les capillaires sont les plus petits vaisseaux sanguins (capillaire signifie cheveu bien que les capillaires les plus fins soient nettement plus fins qu'un cheveu) mais aussi les plus nombreux. Au niveau de chaque organe, les artères se ramifient en artères plus petites, les artérioles, qui se ramifient elles-mêmes en capillaires. C'est au niveau de ces réseaux capillaires que s'effectuent les échanges de nutriments, d’oxygène et de déchets entre le sang et les tissus. Au total, la surface d'échange est considérable : plusieurs milliers de mètres carrés pour un être humain. Les capillaires convergent pour former des veinules qui se réunissent elles-mêmes en veines ramenant le sang au cœur.
Respiration
Le terme respiration a deux sens différents selon que l’on considère le niveau de l’organisme ou le niveau cellulaire.
- Au niveau de l’organisme, la respiration correspond à l’ensemble des échanges gazeux entre l’organisme et son milieu, c'est-à-dire l’absorption d’oxygène (O2) contenu dans l’air et le rejet de gaz carbonique (CO2). Dans le langage courant, le terme respiration est souvent aussi employé pour désigner la ventilation pulmonaire, c'est-à-dire l’alternance de l’inspiration et de l’expiration de l’air au cours des cycles respiratoires.
- Au niveau cellulaire, la respiration est l’ensemble des processus permettant la production d’énergie utilisable par les cellules à partir de la dégradation, en présence d’oxygène, de nutriments provenant de l’alimentation. La dégradation respiratoire des nutriments est totale, c'est-à-dire qu’elle aboutit finalement à la formation de gaz carbonique transporté par le sang puis rejeté par les poumons.
L’homme respire par deux poumons. L’air atmosphérique pénètre dans les voies respiratoires par le nez et la bouche et il est transporté jusqu’aux poumons par la trachée-artère, un tube comportant des anneaux cartilagineux qui maintiennent sa lumière ouverte.
Les poumons sont constitués d’alvéoles pulmonaires au niveau desquelles se produisent les échanges gazeux entre l’air atmosphérique et le sang. La paroi très mince des alvéoles contient des capillaires sanguins et l’oxygène y diffuse vers le sang tandis que le gaz carbonique diffuse en sens inverse. Le sang se charge ainsi en oxygène, distribué à l’ensemble des cellules de l’organisme par la circulation (sang hématosé), et se débarrasse simultanément du gaz carbonique provenant du fonctionnement des cellules de l’organisme. En outre, l’air expiré est saturé en vapeur d’eau, comme on peut le constater en plaçant un miroir devant la bouche sur lequel la vapeur va se condenser en eau liquide.
Excrétion
L’excrétion correspond à l’ensemble des processus conduisant à l’évacuation à l’extérieur de l’organisme des déchets issus du fonctionnement des cellules. À l’exception du gaz carbonique, rejeté par la respiration, et des déchets de la digestion, qui constituent les excréments, les déchets, comme l’urée et l’acide urique, sont transportés par le sang et éliminés par l’urine produite par les reins.
L'urine est produite par les reins à partir du sang circulant. Celui-ci est filtré en permanence par des éléments du rein appelés glomérules qui ne laissent passer que l'eau et les molécules dissoutes de petite taille. Le liquide qui en résulte est appelé urine primitive. Celle-ci parcourt ensuite un réseau de tubules rénaux qui réabsorbent les substances utiles comme le glucose, les sels minéraux et la plus grande partie de l'eau. Le liquide qui en résulte, riche notamment en urée et en quelques autres déchets, est l'urine définitive qui est évacuée des reins vers la vessie. Dans l'espèce humaine, environ 1,5 litre d'urine est émis chaque jour.
Glandes associées à l'appareil digestif
Le foie
C'est une glande très complexe qui assure de nombreuses fonctions. Pour la digestion, il sécrète la bile stockée dans la vésicule biliaire. Celle-ci s'écoule dans le tube digestif par un petit canal (le canal cholédoque) et permet l'acheminement des résidus vers le gros intestin.
Le pancréas
Cette glande sécrète le suc pancréatique qui s'écoule dans l'intestin par le canal pancréatique. C'est également une glande qui fabrique deux hormones dont le rôle régulateur pour l'organisme est fondamental. Au niveau de son dernier segment qui forme une sorte de poche, appelé le caecum, l'intestin grêle s'achève par l'appendice dont l'inflammation est appelée "appendicite".
L'absorption intestinale
L'absorption, c'est-à-dire le passage des molécules de la cavité luminale du tube digestif (compartiment extra corporel) vers le sang (milieu intérieur), est un processus généralisable à tout le tube digestif. En fait, elle s'effectue presque exclusivement au niveau de l'intestin grêle. La raison en est essentiellement anatomique, puisque par ses différenciations (replis en lamelles et villosités) celui-ci présente une surface absorbante largement démultipliée (600 fois environ celle d'une surface lisse, soit près de 300 m² !).
L'absorption peut se faire en direction de deux systèmes de drainage : chaque villosité intestinale dispose d'un réseau capillaire sanguin (artériole-veinule) et d'un chylifère, petit canal situé dans l'axe de la villosité, connecté au réseau lymphatique (figure 1). Au regard de l'absorption, chacun de ces deux systèmes a sa spécificité.
Le système sanguin
Il draine toutes les molécules solubles dans l'eau (eau, substances minérales, oses, glycérol, acides aminés, bases azotées, vitamines) mais aussi les acides gras, libres, à courte chaîne de carbone (au plus, 10 atomes de carbone).
Le passage de l'eau ainsi que celui de certains ions minéraux est purement passif. Mais pour la plupart des molécules et pour d'autres ions (l'ion sodium Na+ , par exemple), le passage s'effectue par transport actif grâce à des molécules "transporteuses" dont l'activité exige la mise en œuvre de systèmes complexes nécessitant de l'énergie fournie par la dégradation de molécules d'ATP. Ces molécules transporteuses sont très spécifiques de la molécule qu'elles véhiculent et parfois dépendantes de la présence d'autres. Par exemple, le transport du glucose est accéléré par l'ion sodium Na+ et le transport du calcium n'est possible qu'en présence de vitamine D.
Les molécules, une fois dans le réseau capillaire de la villosité, suivent la voie sanguine qui les amène par la veine porte au foie puis du foie, par la veine cave inférieure, vers l'oreillette droite (voir figure ci dessus).
Le système lymphatique
Il draine toutes les molécules solubles dans les graisses. Les acides gras à longue chaîne de carbone et les glycérides rentrent dans la cellule épithéliale sous forme de complexes émulsionnés par les sels biliaires. Dans la cellule, les sels biliaires sont libérés et les graisses se rassemblent en petites sphères associées à des lipoprotéines. Ils sortent de la cellule épithéliale et gagnent le chylifère central où se forme avec l'eau un liquide laiteux : le chyle. Celui-ci gagne ensuite les vaisseaux chylifères qui se rassemblent tous dans la citerne de Pecquet pour rejoindre le système sanguin au niveau de la veine cave supérieure par le canal thoracique. Les sels biliaires quant à eux, après avoir été libérés dans la cellule épithéliale passent dans la voie sanguine et repassent dans la bile au niveau du foie. Ainsi "chargé" en molécules indispensables, le sang les distribue à toutes les cellules.
Le surpoids, un problème majeur de santé publique
Les phénomènes mécaniques de la digestion
On distingue grossièrement trois temps durant lesquels les aliments sont dégradés de façon mécanique :
Un temps bucco-pharyngien
À ce stade, se forme le bol alimentaire : coupés, déchiquetés, broyés par les dents, les aliments forment une pâte molle qui s'imprègne de salive et glisse vers le pharynx. Le bol alimentaire est alors chassé dans l'œsophage par la déglutition au cours de laquelle le voile du palais et l'épiglotte interviennent pour l'obturation des voies respiratoires.
Après la déglutition, ce bol alimentaire va glisser le long de l'œsophage grâce aux ondes de contraction musculaire. Ce processus est commun à tous les segments du tube digestif. On l'appelle le mouvement péristaltique.
Un temps gastrique et intestinal
Au cours de celui-ci les phénomènes dominants sont essentiellement chimiques. Mais des phénomènes mécaniques importants se déroulent, en particulier au niveau de l'estomac.
Les bols alimentaires vont peu à peu remplir l'estomac et ce remplissage incomplet (il reste toujours une poche d'air à sa partie supérieure) s'accomplit par distension de la triple paroi musculaire, le pylore restant toujours fermé. Le remplissage terminé, les aliments vont alors subir un brassage continuel, sous l'impulsion des mouvements péristaltiques, qui vont favoriser l'action du suc gastrique.
À la fin du temps gastrique, les aliments forment une bouillie, le chyme. Le pylore se relâche alors périodiquement et le chyme passe par petites quantités dans le duodénum.
Il y subit les actions continues des sucs pancréatique, intestinal et de la bile, lesquelles sont favorisées par des mouvements de brassage. En même temps, la progression de ce qui reste du bol alimentaire va être assurée par le péristaltisme intestinal.
Au niveau intestinal, l'absorption va se faire grâce à l'importance de la surface d'échange présentée par la muqueuse intestinale. À la fin du transit intestinal, les résidus non assimilés ainsi que tous les produits libérés par l'intestin (bile, sécrétions exocrines, cellules mortes de l'intestin) passent dans le gros intestin (côlon ascendant) dont l'entrée est munie d'une valvule empêchant le retour vers l'intestin grêle.
Un temps assuré par le gros intestin
C'est le temps ultime, au cours duquel les mouvements péristaltiques du côlon vont permettre la compression des déchets alimentaires et la formation des fèces. La réabsorption de l'eau va permettre leur dessication. Le gros intestin contient également une "flore bactérienne" dont le rôle digestif est important et dont les déchets contribuent également à la formation des excréments. La distension de l'ampoule rectale terminale va déclencher la sensation de besoin et le contrôle volontaire va permettre de différer plus ou moins la défécation ; ce contrôle résulte d'un apprentissage social chez le tout petit.
Sécrétions digestives et phénomènes chimiques de la digestion
La digestion correspond à l’ensemble des transformations mécaniques et chimiques nécessaires pour que les aliments ingérés soient transformés en petites molécules, qualifiées de nutriments, seules capables de traverser la paroi intestinale et de passer dans le sang (absorption intestinale) qui les distribue à l’ensemble des cellules de l’organisme.
Au cours de la digestion, les aliments ingérés sont tout d’abord imbibés de salive et broyés dans la bouche. Le bol alimentaire qui en résulte est transporté ensuite par les mouvements de contraction de l’œsophage vers l’estomac où le brassage des aliments se poursuit. Cependant, les transformations mécaniques subies par les aliments (voir plus haut Les phénomènes mécaniques de la digestion) ne sont pas suffisantes pour que leurs constituants puissent être absorbés dans l’intestin. En effet, si l’alimentation contient des petites molécules qui peuvent être absorbées par la paroi de l’intestin grêle sans transformation préalable, comme les sucres simples (glucose, galactose, fructose) ou des graisses, il n’en est pas de même des principaux constituants chimiques des aliments qui sont en majorité des macromolécules que l’intestin ne peut pas absorber directement. Les macromolécules des aliments sont pour l’essentiel des glucides complexes (amidon, glycogène et cellulose), c'est-à-dire des polymères de glucose, et des protéines, c'est-à-dire des polymères d’acides aminés. Ces macromolécules doivent subir un véritable « découpage » chimique consistant à séparer les unes des autres leurs unités de construction qui sont de petites molécules, glucose dans le cas des glucides, acides aminés dans le cas des protéines. Ce type de transformation chimique est appelée hydrolyse parce qu’elle nécessite l’intervention de molécules d’eau. Elle résulte de l'action de molécules spécialisées, appelées enzymes digestives, sécrétées par des glandes présentes à différents étages de l’appareil digestif (glandes salivaires, glandes gastriques, pancréas, glandes intestinales). Les macromolécules ne sont cependant pas les seuls constituants de l’alimentation à subir des transformations chimiques. Plusieurs glucides de l’alimentation comme le saccharose (sucre de betterave et de canne à sucre) ou le lactose (sucre du lait) doivent aussi subir une hydrolyse sous l’action d’enzymes pour que leurs constituants chimiques puissent être absorbés et certaines graisses doivent être émulsionnées par la bile soit pour être absorbées, soit pour être hydrolysées par des enzymes.
Les enzymes sont des catalyseurs biologiques, c'est-à-dire des molécules qui à des doses infimes accélèrent considérablement la vitesse d’une réaction chimique sans être modifiées au cours de la réaction. Ce sont des protéines dont l'activité dépend des conditions de l'environnement, notamment de la température et du pH. Chaque enzyme présente une activité maximale dans des conditions de température et de pH déterminées et n’accélère qu’une seule réaction chimique.
La diversité des enzymes digestives sécrétées par l’appareil digestif d’un animal conditionne en grande partie la nature des aliments qu’il est susceptible de digérer. Ainsi, l’appareil digestif humain ne produisant pas de cellulase, enzyme permettant la dégradation de la cellulose, les fibres végétales formées de cellulose ne sont pas digérées. Elles sont néanmoins utiles à l’alimentation et à la digestion car elles constituent un aliment de lest qui participe à la sensation de satiété et améliore le transit intestinal.
Salive
Le rôle de la salive est essentiellement mécanique (voir Les phénomènes mécaniques de la digestion). Elle contient cependant une enzyme, appelée amylase salivaire, capable d’hydrolyser l'amidon et le glycogène, comme on peut s’en rendre compte en mâchant un morceau de pain pendant une longue durée. On perçoit alors un goût sucré résultant de la libération dans la bouche de certains constituants de l’amidon. Toutefois, la salive ne joue qu’un rôle mineur dans la digestion des glucides et l’amylase salivaire est inactive chez de nombreuses personnes sans que cela les empêche de digérer normalement.
Suc gastrique
Il est sécrété par des glandes présentes dans la paroi de l’estomac. Ces glandes produisent de l'acide chlorhydrique, c'est-à-dire un acide fort, ce qui confère un caractère très acide au milieu stomacal pendant la digestion (pH = 1). Les glandes gastriques produisent aussi un mucus qui protège la paroi de l’estomac des effets de l’acide chlorhydrique. Le suc gastrique contient également des enzymes, en particulier la pepsine qui hydrolyse les protéines en fragments plus petits. Le suc gastrique produit aussi de la rénine, notamment chez le nourrisson, une enzyme qui provoque la coagulation des protéines du lait, ce qui leur permet d’être dégradées par la pepsine. La pepsine et la rénine présentent un maximum d’activité en milieu acide, tel celui assuré par l’acide chlorhydrique du suc gastrique. À l’issue des transformations subies dans l’estomac, le bol alimentaire forme une bouillie liquide appelée chyme.
Bile
La bile est un produit de sécrétion du foie qui s’accumule et se concentre dans la vésicule biliaire entre les repas. C’est à la fois un suc digestif et une voie d’excrétion pour différentes substances hépatiques, notamment des protéines et pour le cholestérol et les hormones stéroïdes. La fonction digestive de la bile consiste surtout à émulsionner les graisses dans l’intestin, facilitant ainsi leur dégradation par les enzymes du pancréas et leur digestion. C’est l'arrivée de graisses dans l'intestin qui déclenche, par un réflexe neuro-humoral (à la fois nerveux et chimique), la contraction de la vésicule biliaire provoquant la libération de la bile dans le duodénum (partie haute de l’intestin grêle).
On estime que les 7/8 environ de la bile sont réabsorbés dans l'intestin, le reste étant éliminé avec les selles auxquelles elle donne leur couleur brune. C’est pourquoi, lors des hépatites (maladies du foie), les selles sont très claires.
Suc pancréatique
Sécrété par le pancréas et libéré dans le duodénum au moment de la digestion, le suc pancréatique est le plus important des sucs digestifs en raison de la diversité des enzymes qu’il contient et qui lui permettent d’hydrolyser pratiquement toutes les substances organiques qui constituent la nourriture humaine à l’exception de la cellulose. On y trouve, en effet, des enzymes capables d’hydrolyser les glucides (amylase), les lipides (lipases), les protéines (protéases) et leurs produits de dégradation résultant de l’action du suc gastrique (peptidases) ainsi que l’ADN (DNases). La libération du suc pancréatique dans le duodénum est due à des mécanismes réflexes, à la fois nerveux et hormonal, déclenchés par l’arrivée dans le duodénum du chyme acide venant de l’estomac. Il faut noter que la mise en évidence de ce mécanisme de communication chimique entre le duodénum et le pancréas par l’intermédiaire du sang est à l’origine de la découverte de la première hormone par Bayliss et Starling en 1902. Le suc pancréatique contient aussi du bicarbonate de sodium permettant de neutraliser l'acidité du chyme. Le contenu intestinal se trouve dès lors à un pH de 8,3, optimum pour l’action des enzymes pancréatiques.
Suc intestinal
La paroi de l’intestin grêle sécrète du mucus, protecteur contre l’acidité du chyme, et des enzymes qui assurent la dégradation terminale en nutriments absorbables des molécules résultant de l’action des enzymes du suc pancréatique et celle de certains sucres, comme le saccharose (sucre de betterave), le maltose (présent dans le pain) et le lactose (sucre du lait). C’est également au niveau de l’intestin grêle que se produit l’absorption, c'est-à-dire le passage des nutriments à travers la paroi intestinale vers le sang qui les distribue à l’ensemble des cellules de l’organisme.
Les sécrétions digestives représentent au total un volume de 7 à 10 litres d'eau par 24 h et une quantité importante d’ions minéraux dissous, mais la quasi-totalité est réabsorbée au niveau du gros intestin. Ce dernier héberge également une importante flore bactérienne dont l’activité est indispensable à la digestion et produit notamment des vitamines.
