ch 5 nutrition - vertebrate physiology · 2015-01-05 · 1/5/15 2 protein$func.on$ 1....

10
1/5/15 1 Part 2: Food, Energy, Temperature Chapter 5: Nutri:on, Feeding, Diges:on 2. 1. 3. What is nutri.on? Study of how organisms use external sources to synthesize chemicals that make up their bodies How bodies convert food into energy for cell growth and repair Nutri.on Study of how organisms use external sources to synthesize chemicals that make up their bodies Nutrients that provide energy: 1. Proteins 2. Lipids 3. Carbohydrates 4. Vitamins 5. Minerals Rela.ve amounts of 5 main chemicals in average human Nutri.on Study of how organisms use external sources to synthesize chemicals that make up their bodies Nutrients that provide energy: 1. Proteins 2. Lipids 3. Carbohydrates 4. Vitamins 5. Minerals Rela.ve amounts of 5 main chemicals in average human Protein Made up of amino acids linked with pep.de bonds Polypep.des (short strings) Dipep.des (2 amino acids) Tripep.des (3 amino acids) Sequence of amino acids determines protein shape and func.on

Upload: others

Post on 03-May-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

1/5/15  

1  

Part  2:  Food,  Energy,  Temperature  

Chapter  5:    Nutri:on,  Feeding,  

Diges:on    

2.    

1.    

3.            

What  is  nutri.on?  •  Study  of  how  organisms  use  external  sources  to  synthesize  chemicals  that  make  up  their  bodies  – How  bodies  convert  food  into  energy  for  cell  growth  and  repair  

Nutri.on  •  Study  of  how  organisms  use  external  sources  to  synthesize  chemicals  that  make  up  their  bodies   Nutrients  that  

provide  energy:  1.  Proteins  2.  Lipids  3.  Carbohydrates  4.  Vitamins  5.  Minerals  

Rela.ve  amounts  of  5  main  chemicals  in  average  human  

Nutri.on  •  Study  of  how  organisms  use  external  sources  to  synthesize  chemicals  that  make  up  their  bodies   Nutrients  that  provide  

energy:    1.   Proteins  2.  Lipids  3.  Carbohydrates  4.  Vitamins  5.  Minerals  

Rela.ve  amounts  of  5  main  chemicals  in  average  human  

Protein  •  Made  up  of  amino  acids  linked  with  pep.de  bonds  – Polypep.des  (short  strings)  

– Dipep.des  (2  amino  acids)  

– Tripep.des  (3  amino  acids)  

•  Sequence  of  amino  acids  determines  protein  shape  and  func.on  

1/5/15  

2  

Protein  func.on  1.  Speed  and  regulate  biochemical  reac.ons  –  Enzymes  

2.  Fuel  locomo.on  (muscles)  3.  Determine  structure  of  .ssues  (collagen,  kera.n)  4.  Control  cell  membrane  func.on  and/or  

permeability  –  Channels,  receptors  

5.  Transport  oxygen  (hemoglobin  and  myoglobin)  6.   An.bodies  

Protein  challenges  1.  Nitrogen  is  required  for  

protein  synthesis,  but  is  limi.ng  in  most  ecosystems  – “N  fixers”  convert  N  to  useable  form  

Protein  challenges  1.  Nitrogen  is  required  for  

protein  synthesis,  but  is  limi.ng  in  most  ecosystems  – “N  fixers”  convert  N  to  useable  form  

2.  Timing  of  inges.on  –  Not  as  important  as  

previously  thought  

Protein  challenges  3.  20-­‐22  amino  acids  

necessary  for  cell  func.ons,  but  we  can’t  synthesize  all  of  them  –  Complex  structure  

•  9-­‐10  essen:al  amino  acids  must  be  ingested    

•  11-­‐12  Non-­‐essen:al  amino  acids  can  be  synthesized    •  Condi.onally  non-­‐essen.al  à  synthesized  under  normal  metabolic  condi.ons  

Nutri.on  •  Study  of  how  organisms  use  external  sources  to  synthesize  chemicals  that  make  up  their  bodies   Nutrients  that  provide  

energy:    1.  Proteins  2.   Lipids  3.  Carbohydrates  4.  Vitamins  5.  Minerals  

Rela.ve  amounts  of  5  main  chemicals  in  average  human  

Lipids  •  Waxes,  phospholipids,  sterols    – Triglycerides:  fats,  oils  

•  Most  are  fa_y  acids  – Hydrocarbon  chains    

•  Degree  of  satura.on  and  posi.on  of  double  bond  defines  func.on  – Saturated  –  all  single  bonds  – Unsaturated  –  1  double  bond  – Polyunsaturated  –  2+  double  bonds  

1/5/15  

3  

Lipid  func.ons  1.  Main  component  of  cell  membrane  

Lipid  func.ons  2.  Controls  permeability  of  cell  membrane  –  Slows  evapora.ve  water  loss  –  Allows  animals  to  live  on  land  

Lipid  func.ons  3.  Storage  compound  –  Used  for  energy  

Lipids  •  Synthesized  from  ingested  carbohydrates  and  proteins  – Store  excess  as  body  fat  – This  is  how  we  can  gain  body  fat  from  ea.ng  sugar  

•  Naming  based  on  posi.on  of  double  bonds  •  Essen:al  faEy  acids  can’t  be  synthesized  – Omega-­‐3  and  Omega-­‐6  

Nutri.on  •  Study  of  how  organisms  use  external  sources  to  synthesize  chemicals  that  make  up  their  bodies   Nutrients  that  

provide  energy:    1.  Proteins  2.  Lipids  3.   Carbohydrates  4.  Vitamins  5.  Minerals  

Rela.ve  amounts  of  5  main  chemicals  in  average  human  

Carbohydrates  •  Sugars  are  easy  to  obtain  – Monosaccharide  (fructose,  glucose)  – Disaccharides  (Sucrose)  – Polysaccharide  (cellulose,  starch)  

•  Easy  to  synthesize  (from  proteins,  lipids)  

1/5/15  

4  

Carbohydrate  diversity  defines  func.on  

1.  Structural  support  and  shape    –  Chi.n,  cellulose  

2.  Storage    –  Starch,  glycogen  

3.  Energy  source    –  CNS,  ATP  produc.on  

4.  Transport  –  Glucose  (blood  sugar)  –  Brings  stored  compounds  to  area  where  used  

Nutri.on  •  Study  of  how  organisms  use  external  sources  to  synthesize  chemicals  that  make  up  their  bodies   Nutrients  that  

provide  energy:    1.  Proteins  2.  Lipids  3.  Carbohydrates  4.   Vitamins  5.   Minerals  

Rela.ve  amounts  of  5  main  chemicals  in  average  human  

Vitamins  •  Organic  compounds  required  in  small  amounts  •  None  can  be  synthesized  – Various  dietary  sources  for  different  vitamins  

•  Serve  MANY  physiological  needs!!  

Minerals  •  Elements  that  occur  in  enzymes  and  other  proteins  not  found  in  cell  cytoplasm    –  Iodine  for  thyroid  func.on  – Phosphorous  to  synthesize  lipids,  nucleic  acids,  and  bone    

 •  40%  of  proteins  are  metalloproteins  

The  great  Serenge.  migra.on:  A  quest  for  minerals?  

•  Wildebeests  and  zebras  migrate  100+  miles  every  year  

•  Soils  of  SE  are  rich  in  necessary  minerals    – Ca  for  lata.ng  – P  and  Na  for  developing  young  

Video  

2.    

1.    

3.            

1/5/15  

5  

Feeding  •  Process  of  obtaining  and  inges.ng  food  •  Three  main  considera.ons  

1.  Nutri.onal  needs  2.  Feeding  mechanisms    •  How  individuals  acquire  nutri.onal  needs  •  Feeding  apparatus  

3.  Ability  to  process  nutrients    

Behavioral  selec.on  based  on  nutri.onal  needs  

•  Wolf  spiders  preferen.ally  select  flies  to  balance  their  intake  of  protein  and  lipid  

Feeding  •  Process  of  obtaining  and  inges.ng  food  •  Three  main  considera.ons  

1.  Nutri.onal  needs  2.  Feeding  mechanisms    •  How  individuals  acquire  nutri.onal  needs  •  Feeding  apparatus  

3.  Ability  to  process  nutrients    

Feeding  mechanisms  •  Mechanism  .ed  to  feeding  apparatus  •  3  main  mechanisms  of  feeding  

1.  Target  and  ingest  individuals  2.  Suspension  feeding  3.  Symbio.c  microbes  

•  Apparatus  – Carnivores  à  teeth  – Birds  à  bills  

•  Subtle  differences  in  apparatus  allow  exploita.on  of  different  food  items  – Bill  shape  allows  feeding  on  different  seed  types  

– Grazers–  tooth/jaw/lips  allow  feeding  on  different  plants  

 

Feeding:  Individual  food  items   Feeding:  Suspension  feeding  •  Baleen  whales,  blue  whales,  whale  sharks  feed  on  suspended  objects  

•  Challenge:  Gemng  enough  food!!  

•  Most  are  generalists  – Small  but  numerous  prey  

•  Eat  lower  on  food  chain  – Greater  E  per  unit  .me  

  VIDEO  

1/5/15  

6  

Feeding:  Suspension  feeding  •  Suspension  feeders  use  variety  of  mechanisms  – Filter  feeders:  Baleen  whale  

 

VIDEO1    

Feeding:  Symbio.c  microbes  •  Foregut  and  Hindgut  fermenta.on  

•  We’ll  come  back  to  this....  

 

2.    

1.    

3.            

Diges.on  and  Absorp.on  •  Diges.on:  Breakdown  of  food  by  enzymes  and  distribu.on  of  component  chemicals  to  body  .ssues  

PROTEINS   AMINO  ACIDS  

VARIOUS  CELLULAR  PROCESSES  

•  Absorp.on:  Molecules  broken  down  in  diges.on  enter  living  .ssues  

Components  of  the  vertebrate  diges.ve  system  

1.  Headgut  2.  Foregut  3.  Midgut  4.  Hindgut  

Components  of  the  vertebrate  diges.ve  system  

1.   Headgut:  Mouth,  teeth,  etc  –  Capture/engulf  

food  –  Prepare  food  for  

diges.on  –  Feeding  apparatus    

1/5/15  

7  

Components  of  the  vertebrate  diges.ve  system  

1.  Headgut  2.   Foregut  –  Esophagus:  moves  

food  to  stomach  –  Stomach:  ini.ates  

protein  diges.on;  stores  and  breaks  down  food  

–  Muscles,  acids,  diges.ve  enzymes  aid  breakdown  

Components  of  the  vertebrate  diges.ve  system  

1.  Headgut  2.  Foregut  3.   Midgut:  Small  

intes:ne  –  Diges.on  of  most  

proteins,  lipids,  and  carbohydrates  

–  Absorp.on  across  cell  membranes  via  microvilli  

Components  of  the  vertebrate  diges.ve  system  

1.  Headgut  2.  Foregut  3.  Midgut  4.   Hindgut:  Large  

intes.ne    –  Stores  waste  

products  –  Completes  

absorp.on  

Components  of  the  vertebrate  diges.ve  system  

1.  Headgut  2.  Foregut  3.  Midgut  4.  Hindgut  5.   Pancreas  –  Stomach  acids  

trigger  produc.on  and  secre.on  of  diges.ve  enzymes    

Components  of  the  vertebrate  diges.ve  system  

1.  Headgut  2.  Foregut  3.  Midgut  4.  Hindgut  5.  Pancreas  6.   Liver  –  Produces  and  

secretes  bile  to  digest  lipids  

2.    

1.    

3.            

1/5/15  

8  

Feeding:  Fermenta.ve  breakdown  •  Herbivores  •  Diges.on  begins  in  4-­‐chambered  stomachs  

•  Fermenters  have  long  intes.nes  

•  Mammals  don’t  produce  cellulase  

 

Feeding:  Fermenta.ve  breakdown  •  Fermenta.on:  Enzyme-­‐catalyzed  reac.ons  that  occur  without  oxygen  

•  Anaerobic  microbes  (fermenters)  thrive  in  gut  lumen  – Aid  in  breakdown  of  cellulose  

 

Feeding:  Fermenta.ve  breakdown  •  Fermenta.on  based  on  where  microbes  live:  

1.  Foregut  fermenters  –  Herbivores:  Sheep,  

ca_le,  antelope,  deer  

2.  Hindgut  fermenters    –  Rabbits,  horses,  

ostriches,  chickens,  lizards,  turtles  

 

Foregut  fermenta.on:    Microbe  func.ons  

1.  Produce  cellulase  (enzyme  that  breaks  down  cellulose)  

2.  Synthesize  B  vitamins  and  essen.al  amino  acids  –  Remember,  we  (and  herbivores)  

can’t  make  these  

3.  Recycle  waste  products  –  Microbes  breakdown  urea  and  use  

products  (NH3)  to  synthesize  proteins  

Cellulose  

SCFAs,  CO2,  CH4  

N  in  Urea   NH3   Proteins,  amino  acids  

Hindgut  fermenta.on:  Microbe  func.ons  

•  Same  func.ons,  but  in  enlarged  hindgut  –  Cecum  or  colon  

•  Fermenta.on  occurs  aqer  moving  through  stomach  and  small  intes.ne...?  –  Waste  products  of  

fermenta.on  (proteins)  must  be  eaten  again  

N  in  Urea   NH3   Proteins,  amino  acids  

2.    

1.    

3.            

1/5/15  

9  

Diges.on  and  absorp.on  •  Nutri.onal  value  of  food  is  only  as  good  as  your  ability  to  digest  and  absorb  the  food  – Diges.on  on  it’s  own  isn’t  enough!  

•  Diges.on  process  catalyzed  by    diges:ve  enzymes  

Diges.ve  enzymes  •  Produced  throughout  diges.ve  system  

Diges.ve  enzymes  •  Specific  to  type  of  bond  they  can  break  – Lactase  enzyme  breaks  bonds  in  lactose  molecules  – People  who  don’t  produce  lactase  can’t  break  down  lactose  

Diges.ve  enzymes  •  Specific  to  type  of  nutrient  they  breakdown  

•  Carbohydrate  diges.on:  disaccharidases  •  Protein  diges.on:  pep.dases  

•  Lipid  diges.on:  lipases,  bile  salts  

Diges.ve  enzymes  

•  Proteins  are  so  diverse,  a  single  protein  may  require  up  to  three  enzymes  to  break  down!  

2.    

1.    

3.            

1/5/15  

10  

Absorp.on  •  Transport  of  chemicals  across  epithelial  cells  in  diges.ve  system  

•  Greater  surface  area  à  faster  absorp.on  •  Microvilli  on  intes.nal  lumen  

•  Can  occur  via  simple  diffusion,  facilitated  diffusion,  or  2°  ac.ve  transport  (requires  E)  •  Depends  on  solubility  of  molecule    

Nutri.onal  responses  at  all  .me  scales  Time  scale   Response(s)   Example  

ACUTE   •   Secrete  diges.ve  enzymes,  acids   GI  tract  func.on  aqer  a  meal  

CHRONIC   •   Dietary  changes  can  alter  amount/type  of  diges.ve  enzyme  •   Can  alter  nutri.onal  value  of  food  (more/less  available)    

1.  Low  carb  diets  à  reduce  produc.on  of  carb-­‐diges.ng  enzymes    

2.  Size  of  GI  tract  expand/contract  based  on  species  requirement  

EVOLUTIONARY   •   Individuals  or  popula.ons  altered  gene  expression    •   New  field  of  NUTRITIONAL  GENOMICS  

1.  Diet-­‐regulated  genes  (Type  II  diabetes)  

2.  Hummingbirds  produce  more  sucrase  

DEVELOPMENTAL   •   Genes  expression  turned  on/off   Lactose  aqer  weaning  

BIOLOGICAL  CLOCK   •   Daily/seasonal  changes  in  enzyme  produc.on  

1.  Rats  -­‐  more  disaccharidases  at  night  (nocturnal  ea.ng)  

2.  Seasonal  fa_ening  of  migra.ng  birds