Функциональная анатомия и физиология желудочно-кишечного тракта (ЖКТ)
а) Пищевод, желудок и двенадцатиперстная кишка. Пищевод — это мышечная трубка длиной 25 см, которая начинается на уровне перстневидного хряща и заканчивается у кардиального отверстия желудка. В нем имеются верхний и нижний сфинктеры; перистальтическая волна продвигает проглоченную пищу в желудок (рис. 1).
Рисунок 1. Пищевод: анатомия и функции. Перистальтика
Желудок представляет собой своего рода накопитель, который задерживает и измельчает пищу, а затем активно продвигает ее в верхний отдел тонкой кишки (рис. 2).
Рисунок 2. Нормальная анатомия желудка и двенадцатиперстной кишки
1. Желудочная секреция. Основными стимуляторами секреции соляной кислоты являются гастрин, гистамин и ацетилхолин. Ионы водорода и хлора выделяются в просвет желудка с помощью водородно-калиевой аденозинтрифосфатазы (протонной помпы), расположенной на апикальной мембране париетальных клеток (рис. 3).
Рисунок 3. Регуляция секреции соляной кислоты. Гастрин, высвобождаемый G-клетками антрального отдела желудка в ответ на поступление пищи (белка), связывается с рецепторами холецистокинина (ХЦК-2Р) на поверхности энтерохромаффиноподобных (ЭХП) клеток, которые, в свою очередь, высвобождают гистамин. Гистамин связывается с Н2-рецепторами париетальных клеток, что приводит к секреции ионов водорода в обмен на ионы калия в апикальной мембране. Париетальные клетки также экспрессируют ХЦК-2Р, и считается, что активация этих рецепторов гастрином участвует в регуляторной пролиферации париетальных клеток. Холинергическая (вагусная) активность и растяжение желудка также стимулируют секрецию кислоты; соматостатин, вазоактивный интестинальный полипептид (ВИП) и глюкозозависимый инсулинотропный пептид (ГИП) могут подавлять секрецию кислоты. АЦХ-Р — рецептор ацетилхолина; АТФаза — аденозинтрифосфатаза
Соляная кислота стерилизует верхний отдел желудочно-кишечного тракта и превращает пепсиноген, секретируемый главными клетками, в пепсин. Наряду с соляной кислотой секретируется гликопротеин (внутренний фактор), необходимый для всасывания витамина В12.
2. Гастрин, соматостатин и грелин. G-клетки, расположенные в антральном отдела желудка, вырабатывают гастрин, который стимулирует секрецию соляной кислоты и рост слизистой оболочки. Противоположным действием обладает соматостатин, вырабатываемый D-клетками, которые расположены по всему желудку. Грелин, выделяемый собственными железами желудка, стимулирует секрецию соляной кислоты, аппетит и опорожнение желудка.
3. Защитные факторы. Изъязвлению слизистой оболочки желудка и двенадцатиперстной кишки под действием соляной кислоты и пепсина препятствуют бикарбонат-ионы, секрецию которых стимулируют простагландины, а также муцины и пептиды семейства факторов трилистника.
б) Тонкая кишка. Тонкая кишка начинается от связки Трейтца и заканчивается илеоцекальным клапаном (рис. 4). Вне приемов пищи перистальтическая волна проходит по тонкой кишке каждые 1—2 ч. Прием пищи стимулирует перистальтику тонкой кишки.
Рисунок 4. Анатомия тонкой кишки. Эпителиальные клетки формируют крипты и дифференцируются по мере того, как они мигрируют к вершине ворсинок, образуя энтероциты (всасывающие клетки) и бокаловидные клетки
Функции тонкой кишки:
• переваривание пищи (механическое, ферментативное и перистальтическое);
• всасывание продуктов пищеварения, воды, электролитов и витаминов;
• защита от поступающих с пищей токсинов;
• регуляция иммунного ответа.
1. Переваривание и всасывание:
- Жиры. Поступающие с пищей жиры — это длинноцепочечные триглицериды, эфиры холестерина и лецитин; они нерастворимы в воде и подвергаются липолизу и всасываются энтероцитами в виде смешанных мицелл вместе с жирорастворимыми витаминами A, D, Е и К. После переработки в энтероцитах липиды попадают в системный кровоток через лимфатическую систему. Этапы всасывания и переваривания жиров показаны на рис. 5.
Рисунок 5. Усвоение жиров. Этап 1: полостная фаза. Жирные кислоты стимулируют секрецию холецистокинина двенадцатиперстной кишкой и верхними отделами тощей кишки. Холецистокинин стимулирует высвобождение амилазы, липазы, колипазы и протеаз поджелудочной железой, вызывает сокращение желчного пузыря и расслабление сфинктера Одди, позволяя желчи попасть в кишечник. Этап 2: эмульгация жира. Желчные кислоты и их соли соединяются с жирами, образуя смешанные мицеллы, которые также содержат холестерин и жирорастворимые витамины. Этап 3: расщепление. Липаза поджелудочной железы в присутствии ее кофактора (колипазы), расщепляет длинноцепочечные триглицериды, в результате чего образуются жирные кислоты и моноглицериды. Этап 4: всасывание. Смешанные мицеллы диффундируют к щеточной каемке энтероцитов. Внутри щеточной каемки длинноцепочечные жирные кислоты связываются с белками, которые транспортируют жирные кислоты в клетку, тогда как холестерин, короткоцепочечные жирные кислоты, фосфолипиды и жирорастворимые витамины попадают в клетку напрямую. Соли желчных кислот остаются в просвете тонкой кишки, активно транспортируются из терминального отдела подвздошной кишки в портальный кровоток и возвращаются в печень (энтерогепатическая циркуляция). Этап 5: повторная этерификация. Внутри энтероцита жирные кислоты подвергаются повторной этерификации, в результате чего образуются триглицериды. Триглицериды соединяются с эфирами холестерина, жирорастворимыми витаминами, фосфолипидами и апопротеинами с образованием хиломикронов. Этап 6: транспорт. Хиломикроны покидают энтероциты путем экзоцитоза, попадают в брыжеечные лимфатические узлы, в грудной проток и в конечном итоге достигают системного кровообращения
- Углеводы. В результате гидролиза крахмала под действием амилазы слюны и поджелудочной железы образуются:
• содержащие 4—8 молекул глюкозы предельные α-декстрины;
• дисахарид мальтоза;
• трисахарид мальтотриоза.
Дисахариды расщепляются до моносахаридов — глюкозы, галактозы и фруктозы — ферментами, локализованными в мембране микроворсинок. Глюкоза и галактоза поступают в клетку с помощью белка-переносчика (этот процесс требует затраты энергии), а фруктоза — путем простой диффузии.
- Белки. Этапы переваривания белков показаны на рис. 6. Под действием пепсина в желудке расщепляется незначительная часть белков, но этот этап важен, поскольку образующиеся при этом полипептиды и аминокислоты стимулируют высвобождение слизистой оболочкой проксимального отдела тощей кишки холецистокинина, который стимулирует секрецию протеаз поджелудочной железы — трипсиногена, химотрипсиногена, проэластаз и прокарбоксипептидаз. Энтерокиназа щеточной каемки превращает инертный трипсиноген в активный трипсин, который активирует другие предшественники ферментов поджелудочной железы.
Рисунок 6. Усвоение белков. ХЦК — холецистокинин
Трипсин расщепляет белки до олигопептидов, пептидов и аминокислот. Ферменты щеточной каемки расщепляют олигопептиды до аминокислот, ди- и трипептидов, которые активно транспортируются в энтероциты, где пептиды дополнительно расщепляются внутриклеточными пептидазами до аминокислот, которые затем активно транспортируются через базальную мембрану в портальный кровоток и попадают печень.
- Вода и электролиты. Всасывание и секреция воды и электролитов происходят по всему кишечнику двумя путями, такими как:
• парацеллюлярный транспорт — пассивный ток через межклеточные пространства под действием осмотического, электрического или гидростатического градиента;
• трансцеллюлярный транспорт энергозависимыми белками-переносчиками (насосами), расположенными на апикальной и базолатеральной мембране энтероцитов.
У здоровых людей водный баланс строго регулируется: из 8 л жидкости, поступающей в желудочно-кишечный тракт ежедневно, с калом выделяется только 100 мл (рис. 7).
Рисунок 7. Водный баланс в желудочно-кишечном тракте
- Витамины и микроэлементы. Водорастворимые витамины всасываются в кровь из кишечника.
2. Защитная функция тонкой кишки:
- Физические механизмы защиты. В тонкой кишке имеется несколько уровней защиты (рис. 8). Во-первых, в просвете кишечника содержатся бактерии (см. ниже), муцин и секретируемые антибактериальные вещества, включая дефензины и иммуноглобулины, которые помогают бороться с патогенами. Во-вторых, проникновению патогенов препятствуют относительно непроницаемые щеточные каемки и плотные адгезионные межклеточные контакты. Энтероциты способны распознавать чужеродные пептиды посредством рецепторов, расположенных на поверхности (toll-подобные рецепторы) или внутри клеток (врожденный иммунитет).
Рисунок 8. Механизмы защиты кишечника
Наконец, при попадании чужеродных соединений в подслизистый слой активируется адаптивная иммунная система.
- Иммунобиологические механизмы защиты. Лимфоидная ткань слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта (Mucosa-Associated Lymphoid Tissue — MALT) составляет 25% всей лимфатической ткани организма и является основой приобретенного иммунитета. После контакта с антигеном в пейеровых бляшках В-лимфоциты дифференцируются в плазматические клетки, которые мигрируют в брыжеечные лимфатические узлы, а в дальнейшем через грудной проток попадают в системный кровоток и возвращаются в собственную пластинку слизистой оболочки кишечника и секретируют иммуноглобулин A (IgA), который попадает в просвет кишки.
Т-лимфоциты помогают локализовать плазматические клетки в месте воздействия антигена и вырабатывают медиаторы воспаления. Макрофаги фагоцитируют чужеродные вещества и выделяют ряд цитокинов, которые опосредуют развитие воспалительного процесса. Активация рецепторов IgE на поверхности тучных клеток приводит к их дегрануляции и высвобождению молекул, вовлеченных в воспалительный процесс.
в) Поджелудочная железа. Экзокринная часть поджелудочной железы (табл. 1) необходима для переваривания жиров, белков и углеводов. Под действием циркулирующих гормонов желудочно-кишечного тракта ацинарные клетки секретируют проферменты, которые активируются трипсином (рис. 9). Протоковые клетки секретирую бикарбонат, что создает оптимальные условия для активации ферментов.
Рисунок 9. Структура и функция поджелудочной железы. В ответ на воздействие секретина протоковые клетки выделяют щелочную жидкость. Под действием целого ряда стимуляторов секреции ацинарные клетки высвобождают пищеварительные ферменты из зимогенных гранул. На фотографии показаны нормальный проток поджелудочной железы (ППЖ) и боковые ветви при магнитно-резонансной холангиопанкреатографии (МРХПГ). Обратите внимание на камни в желчном пузыре и общем желчном протоке (указаны стрелкой). ХЦК — холецистокинин; ВИП — вазоактивный интестинальный полипептид
г) Толстая кишка. В толстой кишке (рис. 10) происходит всасывание воды и электролитов. Она выполняет функцию резервуара и обладает сократительной активностью. Выделяют два типа сокращений. Сегментация (циркулярные сокращения) приводит кперемешиванию, но не продвижению содержимого, способствует всасыванию воды и электролитов. Пропульсивные волны (перистальтические сокращения) возникают несколько раз в день и продвигают каловые массы в прямую кишку. Сокращения стимулируются 5-гидрокситриптамином (серотонином), моталином и холецистокинином, которые высвобождаются после приема пищи (гастроколический рефлекс).
Рисунок 10. Нормальная ободочная кишка, прямая кишка и анальный канал
Аноректальный угол и тоническое сокращение наружного анального сфинктера обеспечивают удержание каловых масс в кишечнике. При дефекации происходит расслабление аноректальных мышц, повышение внутрибрюшного давления вследствие маневра Вальсальвы, сокращение мышц живота и расслабление анальных сфинктеров.
д) Микробиота кишечника. Микробиота человека представляет собой обширную экосистему, которая играет важную роль в норме и при патологии. Термин «микробиота» означает совокупность микроорганизмов, обитающих в определенной нише, а термин «микробном» означает геном этой микробиоты. Микробиота человека насчитывает 1014 микроорганизмов, что значительно превосходит число собственных клеток организма. Количество бактериальных генов в микробиоме более чем в 100 раз превышает количество генов организма человека.
Метаболическая способность микробиоты кишечника эквивалентна таковой печени. Проект «Микробиом человека» показал, что в разных областях организма, в том числе и в кишечнике, существуют уникальные сообщества микроорганизмов, в которых преобладают особые типы бактерий: Firmicutes, Bacteriodetes, Proteobacteria и Actinobacteria. В исследованиях, проведенных у близнецов, было показано, что существует определенная степень наследуемости этой микробиоты; однако известно, что на нее могут оказывать влияние множество факторов окружающей среды, включая диету, лекарственные средства, физическую активность, курение, стресс и естественное старение.
Как правило, взрослая микробиота кишечника формируется к 2 годам. Дисбиоз или дисбаланс между различными компонентами микробиоты кишечника наблюдается не только при заболеваниях желудочно-кишечного тракта (ВЗК, колоректальном раке, заболеваниях печени), но и при многих других болезнях, таких как сахарный диабет, ожирение, сердечно-сосудистые и цереброваскулярные заболевания, бронхиальная астма, депрессия. В понимании роли кишечной микробиоты в норме и при патологии остается много пробелов.
Неясно, что представляет собой «здоровый» фенотип; как правильно отбирать пробы: из фекального потока или со слизистой оболочки; кроме того, имеются технические соображения, касающиеся методики и последовательности анализа данных.
е) Регуляция функции желудочно-кишечного тракта. Секрецию, всасывание, двигательную активность, рост и дифференцировку кишечника регулирует комбинация нервных и гормональных факторов.
1. Нервная система и функция желудочно-кишечного тракта. Центральная нервная система (ЦНС), вегетативная система и энтеральная нервная система, взаимодействуя между собой, регулируют функцию кишечника. Вегетативная система подразделяется:
• на парасимпатическую часть (вагусный и крестцовый эфферентные пути), которая является холинергической, обычно стимулирует секрецию, повышает тонус гладкомышечных клеток и способствует расслаблению сфинктеров;
• симпатическую часть, которая является адренергической: норадреналин (норэпинефрин) снижает тонус гладкомышечных клеток, стимулирует сокращение сфинктеров и обычно подавляет секрецию.
- Энтеральная нервная система. Состояние и содержимое кишечника находится под совместным контролем вегетативной и энтеральной нервных систем, которые регулируют моторику, обмен жидкости, секрецию, кровоток и другие ключевые функции. Энтеральная нервная система состоит из двух основных частей: межмышечного ауэрбахова сплетения, которое регулирует перистальтику, и подслизистого мейсснерова сплетения — регулирует секрецию и тонус сосудов. Вместе эти сплетения по всей длине кишечника образуют двухслойную нейронную сеть.
Несмотря на наличие связи с центральными структурами через вегетативную нервную систему, энтеральная нервная система может функционировать автономно благодаря различным нейромедиаторам, включая ацетилхолин, норадреналин (норэпинефрин), 5-гидрокситриптамин (5-НТ), оксид азота, субстанцию Р и пептид, связанный с геном кальцитонина (Calcitonin Gene-Related Peptide — CGRP). Внутри энтеральной нервной системы имеются локальные рефлекторные дуги, а также рефлекторные дуги, включающие чревные, брыжеечные и паравертебральные ганглии.
- Перистальтика. Перистальтика возникает рефлекторно в ответ на растяжение стенки кишки. Волна сокращений циркулярных мышц продвигает содержимое по направлению от пищевода к прямой кишке. Перистальтика является независимым процессом, хотя на нее может влиять иннервация. В качестве водителя ритма выступают звездчатые клетки Кахаля мезенхимального происхождения с признаками гладкомышечных клеток, расположенные в круговом слое мышечной оболочки кишечника.
- Мигрирующий моторный комплекс. Это сокращения, которые возникают в межпищеварительный период каждые 1,5 ч, распространяются от желудка к подвздошной кишке с частотой около 5 раз в минуту, способствуют продвижению содержимого кишечника в дистальном направлении при подготовке к следующему приему пищи и подавляются при приеме пищи.
ж) Гормоны кишечника. Свойства основных гормонов, пептидных и непептидных медиаторов кишечника обобщены в табл. 2.
Видео физиология пищеварения и питания (перевод зарубежного фильма)
