Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2: Neurophysiology and Gastrointestinal Systems [1 ed.] 9783030622848, 9783030622855, 3030622843

Provides definitions of essential key words with conceptual elaborations on Nervous and Gastrointestinal Systems Offers

214 108 4MB

English Pages [104] Year 2021

Report DMCA / Copyright

DOWNLOAD PDF FILE

Table of contents :
Preface
Contents
Part I
Salivary Gland: Salivon
Definition
Principle, Theme, Concept
Chapter 1: Salivary Gland: Salivon
1.1 Definition
1.2 Principle, Theme, Concept
1.3 Question
Chapter 2: Oesophageal Sphincters: Upper Oesophageal Sphincter and Lower Oesophageal Sphincter
2.1 Definition
2.2 Principle, Theme, Concept
2.3 Question
Chapter 3: Stomach as an Acid Producer
3.1 Gastric Juice, Parietal/Oxyntic Cell
3.1.1 Definition
3.1.2 Principle, Theme, Concept
3.1.3 Question
Chapter 4: Homeostasis of Gastric Acid Secretion: Neurocrine, Paracrine and Endocrine System, Proton Pump Inhibitors. Alkaline Tide
4.1 Definition
4.2 Principle, Theme, Concept
4.3 Question
Chapter 5: Gastric Mucosal Barrier, Helicobacter pylori
5.1 Definition
5.2 Principle, Theme, Concept
5.3 Question
Chapter 6: Gastric Motility: (Migrating Motor Complex, Receptive Relaxation, Accommodation, Retropulsion)
6.1 Definition
6.2 Principle, Theme, Concept
6.3 Question
Chapter 7: Gastric Emptying
7.1 Definition
7.2 Principle, Theme, Concept
7.3 Question
Chapter 8: Gastrointestinal Rhythmic Contractions Electrical Basis: Slow Wave Potential
8.1 Definition
8.2 Principle, Theme, Concept
8.3 Question
Chapter 9: Migratory Motor Complex (or Migrating Myoelectric Complex), MMC, Motilin
9.1 Definition
9.2 Principle, Theme, Concept
9.3 Question
Chapter 10: Motility: Peristalsis, Segmentation, Haustration and Mass Movement
10.1 Definition
10.2 Principle, Theme, Concept
10.3 Question
Chapter 11: Enteric Nervous System, Gut-Brain Axis
11.1 Definition
11.2 Principle, Theme, Concept
11.3 Question
Chapter 12: Recycling of Bile Salts: Enterohepatic Circulation (EHC)
12.1 Definition
12.2 Principle, Theme, Concept
12.3 Question
Chapter 13: Intestinal Fluid Handling: Absorption
13.1 Definition
13.2 Principle, Theme, Concept
13.3 Question
Chapter 14: Intestinal Fluid Handling: Secretion
14.1 Definition
14.2 Principle, Theme, Concept
14.3 Question
Chapter 15: Pancreatic Exocrine Function: Pancreatic Acinar Cell in Pancreatic Secretion, Cholecystokinin (CCK), Auto-digestion
15.1 Definition
15.2 Principle, Theme, Concept
15.3 Question
Chapter 16: Pancreatic Exocrine Function: Pancreatic Ductal Cell, CFTR Chloride Channel. Secretin
16.1 Definition
16.2 Principle, Theme, Concept
16.3 Question
Chapter 17: Carbohydrate Digestion: Small Intestine as the Site of Digestion and Absorption for Dietary Carbohydrate
17.1 Definition
17.2 Principle, Theme, Concept
17.3 Question
Chapter 18: Fat Digestion: Bile Salt, Emulsification, Micelles, Lipases, Chylomicrons
18.1 Definition
18.2 Principle, Theme, Concept
18.3 Question
Chapter 19: Protein Digestion
19.1 Definition
19.2 Principle, Theme, Concept
19.3 Question
Chapter 20: Protein Absorption
20.1 Definition
20.2 Principle, Theme, Concept
20.3 Question
Chapter 21: Defecation Reflex: Parasympathetic Defecation Reflex, Intrinsic Myenteric Defection Reflex
21.1 Definition
21.2 Principle, Theme, Concept
21.3 Question
Part II
Electrical Properties of Neurons
Chapter 22: Electrical Properties of Neurons
22.1 Resting Membrane Potential (RMP)
22.2 Equilibrium Potential
22.3 Membrane Conductance
22.4 Action Potential
22.5 Neuronal Excitability
22.6 Neuronal Refractory Period
22.7 Initiation Zone
22.8 Saltatory Conduction
22.9 Firing Rate
Chapter 23: Synaptic Transmission
23.1 Post-Synaptic Potentials
23.2 Synaptic Delay
23.3 Summation
23.4 Neurotransmitter
23.5 Presynaptic Inhibition
Chapter 24: Receptor Mechanism
24.1 Adequate Stimulus
24.2 Stimulus Transduction
24.3 Stimulus Coding
24.4 Adaptation
24.5 Sensory Discrimination (Acuity)
Chapter 25: Motor System
25.1 Motor Neurons
25.2 Neuromuscular Junction
25.3 Proprioception
25.4 Spinal Reflex
25.5 Alpha-Gamma Coactivation
Recommend Papers

Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2: Neurophysiology and Gastrointestinal Systems [1 ed.]
 9783030622848, 9783030622855, 3030622843

  • 0 0 0
  • Like this paper and download? You can publish your own PDF file online for free in a few minutes! Sign Up
File loading please wait...
Citation preview

Hwee Ming Cheng · Kin Kheong Mah  Kumar Seluakumaran

Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2 Neurophysiology and Gastrointestinal Systems

Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2

Hwee Ming Cheng • Kin Kheong Mah Kumar Seluakumaran

Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2 Neurophysiology and Gastrointestinal Systems

Hwee Ming Cheng Faculty of Medicine University of Malaya Kuala Lumpur, Malaysia

Kin Kheong Mah Royal College of Medicine Perak Universiti Kuala Lumpur Perak, Malaysia

Kumar Seluakumaran Faculty of Medicine University of Malaya Kuala Lumpur, Malaysia

ISBN 978-3-030-62284-8    ISBN 978-3-030-62285-5 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-030-62285-5 © Springer Nature Switzerland AG 2020 This work is subject to copyright. All rights are reserved by the Publisher, whether the whole or part of the material is concerned, specifically the rights of translation, reprinting, reuse of illustrations, recitation, broadcasting, reproduction on microfilms or in any other physical way, and transmission or information storage and retrieval, electronic adaptation, computer software, or by similar or dissimilar methodology now known or hereafter developed. The use of general descriptive names, registered names, trademarks, service marks, etc. in this publication does not imply, even in the absence of a specific statement, that such names are exempt from the relevant protective laws and regulations and therefore free for general use. The publisher, the authors, and the editors are safe to assume that the advice and information in this book are believed to be true and accurate at the date of publication. Neither the publisher nor the authors or the editors give a warranty, expressed or implied, with respect to the material contained herein or for any errors or omissions that may have been made. The publisher remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. This Springer imprint is published by the registered company Springer Nature Switzerland AG The registered company address is: Gewerbestrasse 11, 6330 Cham, Switzerland

To Ruth Tsin En, Josiah Qin Zhi and my grandson, Caleb Lee Chern Xin, who joyfully redefines their lives together Hwee Ming Cheng To my family, Kiam Fong, Robynne, Bianca and Vernon, for their support and inspiration. To Vernon especially with the draft and illustrations. And most importantly, to my students for their amazing energy and enthusiasm. Kin Kheong Mah To my wife, Mei Yee, who taught me patience; my son, Naro, who showed me how to question everything; and my past and present colleagues and students, who spurred my interest in teaching physiology. Kumar Seluakumaran

Preface

“Refresh my bowels in Christ.”—Paul to Philemon, New Testament This quotation taken from the King James Version of the Bible (1611) is interesting in that the original Greek manuscript has for the word ‘bowels’ splagchnon, from which we have the splanchnic vasculature. The seat of emotions and compassion was believed to be associated with what we now say ‘good gut feelings’. This second volume of Defining Physiology combines gastrointestinal physiology with neurophysiology. This is an appropriate physiologic package as the nervous and the digestive systems are integrated in their functions. Firstly, the autonomic nervous system comprises the central, peripheral and enteric nervous systems (ENS), the latter representing the extensive network of neurons that govern motility and digestive/enteric hormonal secretions. Much of the actions of autonomic parasympathetic/sympathetic fibres are mediated via the ENS. The mental state of a person influences gastrointestinal activity. We think of chronic stress-induced gastric ulcers and nervous diarrhoea, perhaps before a physiology test! The cephalic phase of salivary, gastric and intestinal secretions also highlights the brain-gut axis of effects. Delicious food is only savoured in the oral cavity with the spectrum of taste sensory receptors (slow down on your mastication). Physiologic swallowing is completed when the partially digested food enters the stomach, and this requires a vago-vagal reflex to open the lower oesophageal sphincter. The swallowing reflex itself is coordinated by neurons in the brainstem medulla. The ENS with its repertoire of excitatory and inhibitory neurons choreographs a unidirectional peristalsis. If needed, reverse peristalsis during expulsion of swallowed food involves a vomiting centre in the brainstem. In energy balance, the sensation of hunger and satiety is generated by hypothalamic neurons. The sensory inputs to these hypothalamic feeding/appetite centres include enteric anorexigenic hormones released during digestion. The gastric hormone ghrelin in contrast stimulates the desire to eat.

vii

viii

Preface

My two co-authors, Dr. Mah and Dr. Kumar, bring with them unique styles and insights as they write this volume to define key essential events in gastrointestinal physiology and neurophysiology, respectively. I hope this book will be enjoyed as students think through, digest, review and refresh their understanding of good gut feelings physiology. The beautiful, colourful flowering organs were drawn by Dr. Adlina Abdulah. Kuala Lumpur, Malaysia Perak, Malaysia  Kuala Lumpur, Malaysia 

Hwee Ming Cheng Kin Kheong Mah Kumar Seluakumaran

Contents

Part I Gastrointestinal Physiology 1 Salivary Gland: Salivon��������������������������������������������������������������������������    3 1.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������    3 1.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������    3 1.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������    4 2 Oesophageal Sphincters: Upper Oesophageal Sphincter and Lower Oesophageal Sphincter��������������������������������������������������������    7 2.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������    7 2.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������    7 2.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������    8 3 Stomach as an Acid Producer ����������������������������������������������������������������   11 3.1 Gastric Juice, Parietal/Oxyntic Cell��������������������������������������������������   11 4 Homeostasis of Gastric Acid Secretion: Neurocrine, Paracrine and Endocrine System, Proton Pump Inhibitors. Alkaline Tide ��������   15 4.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������   15 4.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������   15 4.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������   16 5 Gastric Mucosal Barrier, Helicobacter pylori����������������������������������������   19 5.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������   19 5.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������   19 5.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������   20

ix

x

Contents

6 Gastric Motility: (Migrating Motor Complex, Receptive Relaxation, Accommodation, Retropulsion)������������������������������������������   21 6.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������   21 6.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������   21 6.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������   22 7 Gastric Emptying ������������������������������������������������������������������������������������   23 7.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������   23 7.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������   23 7.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������   25 8 Gastrointestinal Rhythmic Contractions Electrical Basis: Slow Wave Potential��������������������������������������������������������������������������������   27 8.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������   27 8.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������   27 8.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������   29 9 Migratory Motor Complex (or Migrating Myoelectric Complex), MMC, Motilin������������������������������������������������������������������������   31 9.1 Definition������������������������������������������������������������������������������������������   31 9.2 Principle, Theme, Concept����������������������������������������������������������������   31 9.3 Question��������������������������������������������������������������������������������������������   33 10 Motility: Peristalsis, Segmentation, Haustration and Mass Movement ������������������������������������������������������������������������������������������������   35 10.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   35 10.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   35 10.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   37 11 Enteric Nervous System, Gut-Brain Axis����������������������������������������������   39 11.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   39 11.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   39 11.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   41 12 Recycling of Bile Salts: Enterohepatic Circulation (EHC)������������������   43 12.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   43 12.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   43 12.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   45 13 Intestinal Fluid Handling: Absorption��������������������������������������������������   47 13.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   47 13.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   47 13.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   48 14 Intestinal Fluid Handling: Secretion������������������������������������������������������   51 14.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   51 14.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   51 14.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   52

Contents

xi

15 Pancreatic Exocrine Function: Pancreatic Acinar Cell in Pancreatic Secretion, Cholecystokinin (CCK), Auto-digestion ������   53 15.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   53 15.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   53 15.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   54 16 Pancreatic Exocrine Function: Pancreatic Ductal Cell, CFTR Chloride Channel. Secretin ��������������������������������������������������������������������   57 16.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   57 16.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   57 16.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   58 17 Carbohydrate Digestion: Small Intestine as the Site of Digestion and Absorption for Dietary Carbohydrate����������������������   59 17.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   59 17.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   59 17.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   60 18 Fat Digestion: Bile Salt, Emulsification, Micelles, Lipases, Chylomicrons��������������������������������������������������������������������������������������������   63 18.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   63 18.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   63 18.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   65 19 Protein Digestion��������������������������������������������������������������������������������������   67 19.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   67 19.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   67 19.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   68 20 Protein Absorption����������������������������������������������������������������������������������   71 20.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   71 20.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   71 20.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   72 21 Defecation Reflex: Parasympathetic Defecation Reflex, Intrinsic Myenteric Defection Reflex ����������������������������������������������������   75 21.1 Definition����������������������������������������������������������������������������������������   75 21.2 Principle, Theme, Concept��������������������������������������������������������������   75 21.3 Question������������������������������������������������������������������������������������������   77 Part II Neurophysiology 22 Electrical Properties of Neurons������������������������������������������������������������   81 22.1 Resting Membrane Potential (RMP)����������������������������������������������   81 22.2 Equilibrium Potential����������������������������������������������������������������������   83 22.3 Membrane Conductance ����������������������������������������������������������������   85 22.4 Action Potential������������������������������������������������������������������������������   87 22.5 Neuronal Excitability����������������������������������������������������������������������   89

xii

Contents

22.6 Neuronal Refractory Period������������������������������������������������������������   90 22.7 Initiation Zone��������������������������������������������������������������������������������   91 22.8 Saltatory Conduction����������������������������������������������������������������������   92 22.9 Firing Rate��������������������������������������������������������������������������������������   93 23 Synaptic Transmission ����������������������������������������������������������������������������   95 23.1 Post-Synaptic Potentials�����������������������������������������������������������������   95 23.2 Synaptic Delay��������������������������������������������������������������������������������   96 23.3 Summation��������������������������������������������������������������������������������������   97 23.4 Neurotransmitter ����������������������������������������������������������������������������   98 23.5 Presynaptic Inhibition ��������������������������������������������������������������������   98 24 Receptor Mechanism ������������������������������������������������������������������������������  101 24.1 Adequate Stimulus��������������������������������������������������������������������������  101 24.2 Stimulus Transduction��������������������������������������������������������������������  101 24.3 Stimulus Coding�����������������������������������������������������������������������������  103 24.4 Adaptation��������������������������������������������������������������������������������������  103 24.5 Sensory Discrimination (Acuity)����������������������������������������������������  104 25 Motor System ������������������������������������������������������������������������������������������  107 25.1 Motor Neurons��������������������������������������������������������������������������������  107 25.2 Neuromuscular Junction ����������������������������������������������������������������  109 25.3 Proprioception��������������������������������������������������������������������������������  110 25.4 Spinal Reflex����������������������������������������������������������������������������������  111 25.5 Alpha-Gamma Coactivation�����������������������������������������������������������  112

Part I Gastrointestinal Physiology

Salivary Gland: Salivon Definition A Salivon is a functioning unit of a salivary gland. It consist of clusters of acini cells that drain into a ductal system.

Principle, Theme, Concept The salivary glands consist of the submandibular, parotid and sublingual glands. They produces about 1.5 L of mildly alkaline saliva per day. Saliva functions as a lubricant and an anti-bacterial against oral bacteria. It initiates the digestion of carbohydrate and lipids. Lysozymes and IgA plus the alkalinity of saliva reduces bacterial growth in the oral cavity. Α-amylase of salivary glands provides the initial digestion of starch. Digestion of starch continues in the stomach. The optimal pH of saliva is 7 and it will remain active within the unmixed food bolus in the stomach.

2

I  Gastrointestinal Physiology

Chapter 1

Salivary Gland: Salivon

1.1  Definition A Salivon is a functioning unit of a salivary gland. It consist of clusters of acini cells that drain into a ductal system.

1.2  Principle, Theme, Concept The salivary glands consist of the submandibular, parotid and sublingual glands. They produces about 1.5 L of mildly alkaline saliva per day. Saliva functions as a lubricant and an anti-bacterial against oral bacteria. It initiates the digestion of carbohydrate and lipids. Lysozymes and IgA plus the alkalinity of saliva reduces bacterial growth in the oral cavity. Α-amylase of salivary glands provides the initial digestion of starch. Digestion of starch continues in the stomach. The optimal pH of saliva is 7 and it will remain active within the unmixed food bolus in the stomach. The optimal pH of the lingual lipase is in the acid range. Therefore lingual lipase remains active throughout it time in the acidic environment of the stomach. The initial saliva produced by the salivary acini is isotonic. As the saliva traverses the ductal cells, it becomes hypotonic because the ductal cells reabsorbed sodium chloride but not water. Potassium and bicarbonate ions in turn are secreted from the ductal cells. The quality of the saliva depends on the saliva flow rate. At low flow rates, the osmolality of the saliva can be as low as 100 mOsm/L as there is more time to reabsorb the sodium chloride. At high flow rate, due to a lack of time to reabsorb sodium chloride, the osmolality of saliva approaches isotonic.

© Springer Nature Switzerland AG 2020 H. M. Cheng et al., Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2, https://doi.org/10.1007/978-3-030-62285-5_1

3

4

1  Salivary Gland: Salivon

Fig. 1.1 Salivon

Salivary secretion is primarily regulated by the autonomic nervous system. Both parasympathetic and sympathetic stimulation increases secretion of saliva. The parasympathetic system being more dominant. Aldosterone is the only hormone affecting saliva secretion. It alters the composition of the electrolyte but not the flow rate of the saliva. Similar to its action in the distal convulated tubule in the kidney, it increases sodium reabsorption and potassium secretion in the ductal system. Therefore an alkaline potassium rich and sodium poor hypotonic fluid exits the ductal end of the salivon. In hypo-­ aldosteronism, the sodium/potassium ratio in saliva is high. The converse is true (Figs. 1.1 and 1.2).

1.3  Question What is Sjogren syndrome? Answer: It is an autoimmune disease which affects the moisture-producing exocrine glands of the body. It most commonly affect saliva and tear production. Sjogren syndrome is characterised by a generalized dryness, dry mouth (xerostomia) and dry eyes part of what are known as sicca symptoms. Patients usually present with halitosis and dental caries as a result of bacterial overgrowth. Dysphonia and dysphagia occurs due to the xerostomia. Sicca syndrome also incorporates vaginal dryness and chronic bronchitis. The lungs, liver, biliary system and pancreas may also be involved.

1.3 Question

Fig. 1.2  Quality of saliva dependant on flow rate

5

Chapter 2

Oesophageal Sphincters: Upper Oesophageal Sphincter and Lower Oesophageal Sphincter

2.1  Definition The function of the oesophagus is to transport swallowed food and liquid from the mouth to the stomach. This unidirectional movement occurs even if you swallow food when in an inverted position or in a zero gravity environment in outer space. This unidirectional movement of food and liquid is due to functional sphincters (the upper oesophageal sphincter (UES) and lower oesophageal sphincter (LES) and the unidirectional peristaltic movement of the oesophagus. The extrinsic nervous system, enteric nervous system, neurotransmitters and transluminal pressure differences of the oesophagus are involved in the control of this sphincters and the unidirectional peristaltic movements.

2.2  Principle, Theme, Concept The upper third of the oesophagus and the UES comprises skeletal muscles while the lower third of the oesophagus and LES comprises smooth muscles. The upper third is controlled by the extrinsic nervous system while the lower third by the enteric nervous system. At rest, both the UES and the LES are contracted with a net positive pressure with respect to the thorax and the stomach respectively. In the UES, this prevents aspiration of oesophageal contents into the airway and entry of air into the oesophagus. Similarly in the LES, this net positive pressure prevents reflux of gastric content back into the oesophagus.

© Springer Nature Switzerland AG 2020 H. M. Cheng et al., Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2, https://doi.org/10.1007/978-3-030-62285-5_2

7

8

2  Oesophageal Sphincters: Upper Oesophageal Sphincter and Lower Oesophageal…

Fig. 2.1  Oesophageal peristalsis and manometry

During swallowing, the UES relaxes so that food can enter the oesophagus. This component of swallowing is controlled by extrinsic cranial nerves as they consist of skeletal muscles. Peristalsis then pushes the food down the oesophagus. This peristalsis, comprising a primary and secondary wave are mediated by the enteric nervous system. The initiation of peristalsis in the oesophagus causes the LES to relax and dilate, allowing food to enter the stomach. Relaxation of the LES is mediated by the enteric nervous system and inhibitory neurons in the vagal nerve which releases neurotransmitters such as nitric oxide (NO) and vasoactive intestinal peptides (VIP). Oesophageal manometry, a technique whereby, pressures are measured simultaneously at various locations in the oesophagus can be used to measure pressure changes along the oesophagus during swallowing and at rest (Fig. 2.1).

2.3  Question Describe the pathophysiology of UES and LES dysfunctions. Answer: The oral and pharyngeal component of swallowing and the UES are controlled by extrinsic cranial nerves. These cranial nerves can be damaged in a central nervous lesion such as a stroke, a tumour or a cerebral vascular bleed. Swallowing will be impaired and aspiration of oesophageal or gastric content into the lungs can occur due to an incompetent UES. Lesions in the LES results in achalasia and gastroesophageal reflux disease (GERD). In achalasia, there is difficulty in swallowing (dysphagia) and a feeling of food being stuck in the oesophagus. Peristaltic is impaired along the lower two third of the oesophagus and there is loss of inhibitory neurons innervating the LES.  The

2.3 Question

9

LES fails to relax and dilate during swallowing and the swallowed food and liquid are stuck in the lower oesophagus. Barium swallow would reveal a dilated and tortuous lower oesophagus. Oesophageal manometry would demonstrate a sustained high pressure and loss of lower oesophageal peristalsis. UES function is normal as this is controlled by the extrinsic cranial nerves. In GERD, the LES is incompetent, resulting in the regurgitation of acidic gastric content into the oesophagus. GERD presents as heartburn and a sour taste in the mouth. If GERD is untreated, esophagitis can cause bleeding, ulcers, chronic scarring, Barrett’s oesophagus and sometimes cancer of the oesophagus.

Chapter 3

Stomach as an Acid Producer

3.1  Gastric Juice, Parietal/Oxyntic Cell 3.1.1  Definition Gastric juice is produced by the stomach. The major components are hydrochloric acid, pepsin, mucus and intrinsic factors. The hydrochloric acid is produced by the parietal or oxyntic cells.

3.1.2  Principle, Theme, Concept The hydrochloric acid is produced by the parietal or oxyntic cells in the parietal gland area. These cells occupies the proximal three quarter of the stomach at the fundus and central body region of the stomach. The distal or antral region contains mainly mucus and endocrine cells, such as the G cells which secretes gastrin and the D cells which secrets somatostatin. The hydrochloric acid in association with pepsin, initiates the digestion of proteins. The acidic environment of the stomach which approaches pH of 1 between meals inhibits the growth of bacteria. This maintains the stomach in a semi sterile state (Fig. 3.1).

© Springer Nature Switzerland AG 2020 H. M. Cheng et al., Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2, https://doi.org/10.1007/978-3-030-62285-5_3

11

12

3  Stomach as an Acid Producer

Fig. 3.1  Stomach: Cell varieties and functions

3.1.3  Question Describe the rationale of surgical treatment of gastric ulcer? Historically, gastrectomy was the mainstay in the treatment of peptic ulcers. However since the discovery of Helicobacter pylori being the aetiology of peptic ulcers, these are now usually treated with antibiotics and proton pump inhibitors. Gastric acid secretion is regulated by a triad of neurocrine, endocrine and paracrine component. The distal antral segment contains the Gastrin secreting G cells which stimulates hydrochloric acid secretion by the parietal cells. The neurocrine component consist of the vagal innervation which is mostly active in the cephalic phase of gastric secretion. The principle of surgical treatment of gastric ulcers therefore is to resect the distal segment of stomach which contains the G cells and a vagotomy to remove the neurocrine component. The continuity of the gastrointestinal tract is restored by either a gastroduodenal anastomosis (Billroth I), a gastrojejunal anastomosis (Billroth II) or a Roux-en-Y gastrojejunostomy (Fig. 3.2).

3.1  Gastric Juice, Parietal/Oxyntic Cell

Fig. 3.2  Gastric bypass surgeries

13

Chapter 4

Homeostasis of Gastric Acid Secretion: Neurocrine, Paracrine and Endocrine System, Proton Pump Inhibitors. Alkaline Tide

4.1  Definition Regulation of hydrochloric production involves a sophisticated regulatory feedback system. The major physiological regulators of gastric acid secretion involves a triad of neurocrine, paracrine and endocrine system by acetylcholine, histamine and gastrin and somatostatin respectively. The parietal cell produces large amount of hydrochloric acid into the lumen of the stomach. The apical membrane of the parietal cell contains K+H+ ATPase, an active process which transport hydrogen ions (proton) into the lumen. The basolateral membrane of the parietal cell possesses the regulatory systems of the neurocrine, endocrine and paracrine triad that maintain intracellular homeostasis. Large amounts of bicarbonate are generated by the enzyme carbonic anhydrase in the production of hydrochloric acid. This bicarbonate must be removed to prevent intracellular alkalinisation in the parietal cells. Efflux of bicarbonate into the gastric venous blood after acid secretion into the stomach lumen is known as the alkaline tide. Proton pump inhibitors blocks the K+H+ ATPase at the apical membrane and therefore hydrochloric production at the final synthesis stage. They are therefore very effective in supressing hydrochloric production as compared to older drugs like H2 blockers which act at the basolateral membrane.

4.2  Principle, Theme, Concept The parietal cells are innervated by both the intrinsic and extrinsic nerves of the parasympathetic nervous system (PNS). Acetylcholine released from PNS nerve endings binds to muscarinic (M3) receptors on the parietal cells and activates the parietal cell via the IP3-Calcium pathway. © Springer Nature Switzerland AG 2020 H. M. Cheng et al., Defining Physiology: Principles, Themes, Concepts. Volume 2, https://doi.org/10.1007/978-3-030-62285-5_4

15

16

4  Homeostasis of Gastric Acid Secretion: Neurocrine, Paracrine and Endocrine…

Histamine are released from the mast cells and the enterochromaffin like cells (ECL) of the parietal mucosa and binds to specific H2 receptors on the parietal cell and acts via a different pathway, the cAMP pathway. A strong synergism exists between acetylcholine, histamine and gastrin. Occupancy of histamine on its receptors potentiates the action of acetylcholine and gastrin in hydrochloric acid production. The converse is true in that acetylcholine and gastrin also stimulate the ECL cells to release histamine. In fact a large proportion of the acid secretion by gastrin is mediated via the histamine pathway. Gastrin, secreted by G cells of the antral mucosa, enters the bloodstream and circulates back to the stomach to act on the parietal cells through the cholecystokinin-­B (CCKB) receptor. It activates the parietal cell via the IP3-calcium pathway. The two pathways, cAMP (histamine) and IP3-calcium (Ach and Gastrin), act in a synergistic manner to bring about hydrochloric acid secretion. Gastrin itself is regulated by luminal, nervous and paracrine factors. The major luminal stimulant of gastrin release are digestive products of protein such as peptides and amino acids and luminal pH. Luminal acid pH plays a potent role in gastrin release. A pH >3.0 potentiates gastrin release, whereas a pH