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Block D - Gastrointestinal Physiology System Design.docx

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Department
Physiology
Course
PHYL 1010Y
Professor
n/a
Semester
Winter

Description
Module XIII System Design INTRODUCTION: The gastrointestinal system is made up of the gastrointestinal tract (GI tract) and the accessory organs.  The accessory organs are not part of the tract, but either produce or store secretions that assist in the digestion or  absorption of food. These secretions empty into the gastrointestinal tract via ducts connecting the organs to the  tract. The GI tract is a muscular tube lined with a mucus membrane and extends from the mouth to the anus, a  distance of approximately 5 meters in the living adult. The GI tract includes the mouth, pharynx, esophagus,  stomach, small intestine, large intestine, and the rectum. The accessory organs include the salivary glands, liver,  gallbladder and pancreas. At rest, the liver and digestive tract receive approximately 1350 ml of blood every minute (see figure 15­ 13 page 503). This is roughly 25 percent of the cardiac output. Following a meal, the flow of blood to the  digestive system increases to facilitate the removal of digestive products from the GI tract and to meet the  increased metabolic demands of the digestive system organs. The lymphatic system also plays an important role  since lymph is the major route for fat transport from the GI tract to the general circulation. This unit starts with a brief overview of the functions of the GI organs. The essential details of the  structure of the gastrointestinal tract wall will also be discussed. It then moves on to the basic processes and  regulation of GI physiology. MAIN FUNCTION OF THE GI SYSTEM: • To move nutrients, water and electrolytes from the external environment into the body’s internal  environment • Rids the body of indigestible products 4 MAJOR PROCESSES OF GI PHYSIOLOGY: 1. Digestion i. The chemical & mechanical breakdown of foods into smaller units that can be taken across the  intestinal epithelium in the body 2. Absorption i. The active or passive transfer of substances from the lumen of the GI tract to the ECF 3. Motility i. Movement of material in the GI tract as a result of muscle contraction 4. Secretion i. Transepithelial transfer of water and ions from the ECF to the digestive tract lumen ii. Release of substances synthesized by GI epithelial cells GASTROINTESTINAL ORGANS: ORGAN CHARACTERISTI FUNCTION CS Oral Cavity  Mouth M Swallowing, chewing &  Esophagus Pharynx S Saliva (salivary glands), lipase Esophagus D Carbohydrates, fats A None Stomach Fundus M Peristaltic mixing & propulsion 1 Module XIII System Design S Central body D HCl, pepsinogen, gastric lipase, mucus, 3CO , gastrin, histamine Lower antrum A Proteins, fats Lipid­soluble substances like alcohol & aspirin Small  Duodenum M Mixing and propulsion by segmentation Intestine Jejunum S Enzymes, HCO 3 bile, mucus, CCK, secretin, GIP (hormones) Ileum D Carbohydrates, fats, polypeptides, nucleic acids A Peptides, ions, minerals & vitamins by active transport AA, glucose & galactose by secondary active transport Fats by simple diffusion Fructose by facilitated diffusion Water by osmosis Large  Colon M Segmental mixing, mass movement for propulsion Intestine Rectum S Mucus D None (except by bacteria) A Ions, water, minerals, vitamins, small organic molecules Organs of the GI Tract Accessory Organs Not glandular Glandular Receive secretions from accessory organs to help with  Add exocrine secretions containing mucus and  the digestion of food enzymes to the lumen of GI organs to make chyme All organs listed in above chart Secretory epithelium, the liver and pancreas  FLUID HOMEOSTASIS: • To maintain homeostasis, the volume of fluid entering the GI tract lumen by intake or secretion must  equal the volume leaving the lumen o 9L total input into the lumen/day  2L fluid per day enter the GI tract through the mouth  7L fluid secreted by salivary glands, liver, gastric/pancreatic/intestinal secretions o 9L total removed from the lumen/day  8.9L fluid reabsorbed from small and large intestine  0.1L fluid excreted in feces GI TRACT WALL: • Consists of 4 layers • Variations in different regions of the GI tract Inner Mucosa • Faces the lumen • Created from a single layer of epithelial cells, the lamina propria and the  musclaris mucosae 2 Module XIII System Design o Epithelial cells most variable feature of the GI tract (change from  section to section) • Villi, rugae, plicae and invaginations add SA Submucosa • Adjacent to mucosa • Connective tissue with larger blood and lymph vessels • Contains submucosal nerve plexus  Muscularis Externa • Primarily 2 layers of smooth muscle o Inner circular layer and outer longitudinal layer • In between the layers is the myenteric nerve plexus Serosa • Connective tissue membrane that is a continuation of the peritoneal membrane  lining • Forms sheets of mysentery that hold the intestines in place Enteric Nervous System: • Helps coordinate digestive function o Neurons in the wall of the GI tract that are capable of sensing and integrating info & carrying  out a response without input from the CNS • Consists of submucosal plexus and myenteric plexus Submucosal Plexus Myenteric Plexus Innervates cells in the epithelial layer as wNerve network of the enteric system that lies between the  as smooth muscle of the muscularis mucosae muscle layers of the muscularis externa Controls and coordinates the motor activity of the muscularis  externa VILLI OF THE SMALL INTESTINE: • Many microvilli give the mucosal surface a brush­like/fuzzy appearance (the brush border) o Villi increase the effective SA of the small intestine • Most nutrients enter capillaries within the villi o Enterocytes transport nutrients and ions o Capillaries transport most absorbed nutrients o Goblet cells secrete mucus o Lacteals transport most fats to the lymph MOTILITY: • Refers to mixing and moving of luminal contents • 2 important motility patterns are peristalsis and segmentation o Peristaltic movement can be observed in the esophagus, stomach and intestine o Segmentation movements occur in the intestines 3 Module XIII System Design • Determined by properties of the tract’s smooth muscle  o Modified by chemical input from nerves, hormones and paracrine signals Tonic vs. Phasic Contractions: • Most of the GI tract is composed of single­unit smooth muscle, with groups of cells electrically  connected by gap junctions to create contracting segments Tonic Contractions Phasic Contractions Sustained for minutes or hours Sustained for a few seconds Occur in some smooth muscle sphincters & in the  Occur in posterior region of the stomach & small  anterior portion of the stomach intestine Slow­Wave Potentials: • Cyclic depolarization and repolarization of membrane potential in smooth muscle o Associated with cycles of smooth muscle contraction and relaxation • A slow wave that does not reach threshold does not cause a contraction in the muscle fiber o If it reaches threshold, cell depolarizes firing one or more action potentials 2+ 2+ o Is a result of Ca  entry into the cell initiates muscle contraction Slow­Wave Potentials are Spontaneous Depolarizations in GI Smooth Muscle: • Action potentials fire when potentials exceed threshold • The fore and duration of a muscle contraction are directly related to the amplitude and frequency of  action potentials Slow wave potentials set the basic electrical rhythm for phasic contractions, HOWEVER contraction occurs  only if the slow wave reaches threshold DIGESTION: • The dissolving and breaking down of food into small molecules • Mechanical or chemical o Mechanical digestion involves chewing and churning to break down food particles o Chemical digestion requires different enzymes for different nutrients Biomolecule Starting Product Enzymes
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