Глава 1 Как устроена пищеварительная система?
Все устройство пищеварительного тракта нацелено на выполнение двух важнейших функций – переваривания и всасывания пищи. Именно из системы пищеварения в наш организм попадают питательные и минеральные вещества, а также вода.
Наше тело по большей части состоит из воды и органических молекул, которые, в свою очередь, образованы атомами углерода, кислорода, водорода, азота, серы и фосфора. Помимо этого, в теле присутствуют соли кальция, магния, железа, калия, натрия, цинка, меди и некоторых других минеральных элементов. Тело постоянно обновляется, поэтому мы вынуждены потреблять источники необходимых элементов и выводить отработанные. Поступление происходит в виде макронутриентов – молекул органической природы (белков, жиров и углеводов) и микронутриентов (минералов). Кроме того, регулярно в организм должны поступать витамины, 8 незаменимых аминокислот и 2 незаменимые жирные кислоты.
Функционально и анатомически пищеварительный тракт можно разбить на 6 отсеков. В ротовой полости пища измельчается, смачивается слюной, начинается переваривание углеводов. Полученный в результате пищевой комок проглатывается в глотке и по пищеводу поступает в желудок. Здесь начинают перевариваться белки, пища дальше перетирается, а также запасается, благодаря чему мы можем часа четыре между приемами пищи не думать о еде. Затем в тонкой кишке происходит основное переваривание и всасывание питательных веществ. На это требуется от 2 до 4 часов после съедания пищи. В толстой и прямой кишке происходит формирование каловых масс и подготовка их к выведению из организма. От момента попадания пищи в организм до удаления непереваренных остатков проходит от 10 часов до нескольких дней.
Пищеварительный тракт – это многослойная полая трубка. Самый мощный слой образован гладкой, непроизвольной мускулатурой[1]. Ее периодические сокращения продвигают пищевой комок.
В отношении желудка такие сокращения называются моторикой, в случае кишечника – перистальтикой. Слой, обращенный внутрь полости, в которой происходит пищеварение, – слизистая. В слизистой спрятаны пищеварительные железы (в стенке желудка и двенадцатиперстной кишки), или их протоки, ведущие от слюнных желез (в ротовой полости), поджелудочной железы и печени (в тонком кишечнике). В стенке содержатся также лимфатические фолликулы, а вдоль кишечника располагаются лимфатические узлы, которые осуществляют иммунную защиту от проникновения инфекции, а также участвуют в аллергических реакциях.
О роли пищеварительного тракта в иммунитете стоит сказать особо. Сам по себе эпителий пищевой трубки является мощным барьером на пути занесения инфекции. На поверхность слизистой секретируются особые антитела[2], борющиеся с заражением. В самой слизистой патрулируют компоненты клеточного иммунитета. Порядка 80 % всех иммунных клеток организма локализовано именно в слизистой оболочке кишечника, а каждый метр кишечника содержит около 1010 лимфоцитов. У всей этой мощной системы защиты двоякая задача. По отношению к патогенным и условно-патогенным микроорганизмам система должна проявить защитные свойства, а по отношению к полезным микробам – терпимость. Поскольку способность различать «свой – чужой» наиболее активно формируется в детстве, применение впоследствии препаратов-пробиотиков (содержащих полезные микроорганизмы) может оказаться излишней тратой, так как «чужая» микрофлора, даже полезная, будет атакована иммунной системой и не сможет прижиться.
Ключевую роль в переваривании пищи играют пищеварительные ферменты – особые белки, к которым, как ключ к замку, подходят отдельные компоненты нашей пищи – белки, жиры или углеводы, а затем расщепляются до простых составляющих: белки – до аминокислот, жиры – до жирных кислот и глицерина, углеводы – до простых сахаров.
Пищеварительный тракт снабжен собственным отделом нервной и эндокринной систем, которые осуществляют строгий контроль его сократительных и секреторных функций. Рассмотрим в общих чертах, как это происходит.
Регуляция пищеварения и пищевого поведения
Регуляция пищеварения и пищевого поведения обеспечивается взаимодействием периферических гормональных сигналов от жировой ткани, поджелудочной железы и желудочно-кишечного тракта, отражающих краткосрочные и долгосрочные изменения в поступлении пищи, и нервными центрами головного мозга, которые обусловливают высвобождение гормонов, которые регулируют пищевое поведение и расход энергии на нужды нашего тела.
Нервная регуляция пищеварения осуществляется как собственными нервными сплетениями пищеварительного тракта, так и вегетативной нервной системой. Парасимпатический отдел нервной системы стимулирует пищеварение, а симпатический – подавляет. Поскольку последний играет ключевую роль в стресс-реакциях, любой стресс угнетает функцию переваривания пищи. Адреналин и норадреналин, выделяемые надпочечниками при стрессе, тоже подавляют активность желудка и кишечника, угнетая пищеварение.
Регуляцию разнообразных функций желудочно-кишечного тракта осуществляют различные биологически активные вещества – нейромедиаторы, гормоны, факторы роста, которые выделяются нервными и эндокринными клетками как самой пищеварительной системы, так и за ее пределами. Существует не менее трех десятков гормонов и гормоноподобных веществ, регулирующих функцию пищеварительной системы (таблица 1).
Таблица 1. Регуляторы пищеварительной системы
Когда пища поступает в пищеварительную систему, растяжение ее стенок, изменение рН среды, наличие определенных питательных веществ способствуют активации эндокринных клеток в слизистых оболочках, которые высвобождают гормоны в окружающую ткань и в кровь. Кроме того, активность этих клеток регулируется вегетативной нервной системой: блуждающий нерв (парасимпатический отдел вегетативной нервной системы) способствует выработке гормонов, усиливающих пищеварение, а чревные нервы (симпатический отдел) оказывают противоположное влияние. Некоторые регуляторы и гормоны (ацетилхолин, норадреналин, гастрин-релизинг пептид) выделяются непосредственно нервными окончаниями.
Выделение гормонов-регуляторов пищеварения происходит, как правило, в ответ на поступление пищи и способствует ее перевариванию и усвоению. Активизация деятельности пищеварительного тракта наступает уже в тот момент, когда мы видим пищу и чувствуем ее запах, а также начинаем ее пережевывать. В головном мозге возникают рефлексы, которые подготавливают желудок к приему пищи.
Гормон гастрин выделяется в кровь клетками желудка в ответ на поступление в него белковой пищи и растяжение стенок желудка. Он активирует гладкую мускулатуру стенки желудка и тем самым запускает его моторику, необходимую для измельчения и перетирания пищевого комка. Гастрин стимулирует образование в стенке желудка гистамина, который повышает кислотность желудочного сока. Как только среда в желудке становится достаточно кислой, выделение новых порций гастрина прекращается.
Высокобелковая пища, кофеин, бульоны, отвары способствуют повышению кислотности желудочного сока, поэтому они не рекомендуются при повышенной желудочной секреции. Углеводная пища, напротив, тормозит желудочную активность.
В результате усвоения пищи в крови увеличивается концентрация жирных и аминокислот, вследствие этого кишечник начинает вырабатывать гормон холецистокинин, который в свою очередь подавляет активность желудка.
Поступление кислого пищевого комка из желудка в кишечник способствует выделению гормона секретина, который тоже тормозит секрецию желудочного сока, но стимулирует выделение в кишечник сока поджелудочной железы.
Когда пища поступает в пищеварительную систему, растяжение ее стенок, изменение рН среды, наличие определенных питательных веществ способствуют активации эндокринных клеток в слизистых оболочках, которые высвобождают определенные гормоны в окружающую ткань и в кровь. Кроме того, активность этих клеток регулируется вегетативной нервной системой: блуждающий нерв (парасимпатический отдел вегетативной нервной системы) способствует выработке гормонов, усиливающих пищеварение, а чревные нервы (симпатический отдел) оказывают противоположное влияние. Некоторые регуляторы и гормоны (ацетилхолин, норадреналин, гастрин-релизинг пептид) выделяются непосредственно нервными окончаниями.
Энергетический баланс организма регулирует головной мозг, ориентируясь на гормональные сигналы от пищеварительного тракта и жировой ткани.
Рассмотрим, как происходит эта регуляция.
Гормоны жировой ткани
Гормон лептин, играющий важнейшую роль в регуляции энергетического баланса и иммунитета, образуется в жировых клетках. Чем больше в теле жировой массы или уровень инсулина[3], тем выше уровень лептина в крови. При голодании его количество, напротив, уменьшается. Лептин способствует подавлению чувства голода и сокращению жировой массы тела. Однако при ожирении лептинового сигнала становится так много, что головной мозг перестает его воспринимать – формируется лептиновая резистентность, которая выражается в нарушении регуляции аппетита и чувства насыщения, способствующая еще большему ожирению. Если не допускать переедания и быстрого набора жировой массы тела, лептиновая резистентность не наступит и лептин обеспечит чувство насыщения.
Еще один гормон жировой ткани – адипонектин. Его количество значительно возрастает при голодании, физических упражнениях или низкокалорийной диете. Он предотвращает набор массы тела, снижает уровень циркулирующих жирных кислот и предотвращает развитие устойчивости к инсулину, приводящей к ожирению, сахарному диабету и атеросклерозу. Роль в долголетии этого гормона определяется его способностью активизировать молекулярные сигнальные пути, препятствующие старению[4].
Наконец, гормон жировой ткани резистин повышает нечувствительность к инсулину и способствует ожирению.
Гормоны поджелудочной железы
Инсулин секретируется в кровь бета-клетками поджелудочной железы после приема пищи. Он способствует усвоению глюкозы клетками всех тканей, а в центральной нервной системе – подавляет чувство голода.
Слишком высокие пики инсулина, а также обилие висцерального (синоним – абдоминального) жира (вокруг жизненно важных органов в брюшной полости) – факторы инсулиновой нечувствительности, приводящей к диабету 2 типа.
Более всего повышает уровень инсулина белый хлеб и рис. Залог долголетия – низкие уровни инсулина и высокая чувствительность к нему периферических тканей.
Панкреатический полипептид, как и инсулин, вырабатывается поджелудочной железой. Его уровень в плазме крови отличается выраженными суточными ритмами – с минимумом ранним утром и максимумом вечером. Кроме того, его содержание возрастает после приема пищи в ответ на растяжение желудка и выделение гормона чувства голода грелина.
В некоторых случаях ожирение может быть вызвано нарушением выработки панкреатического полипептида. Его действие связано с подавлением пищевого поведения и повышением чувствительности тканей к инсулину.
Гормоны желудочно-кишечного тракта
Пептид YY образуется клетками толстого кишечника (схема на стр. 38–39). Его выработка стимулируется приемом пищи, в особенности ее жировой составляющей, кислотой желудочного сока и желчными кислотами, оказавшимися в просвете кишечника. Он способствует более долгому нахождению пищи в желудке и задерживает выделение пищеварительных соков, препятствуя набору веса.
Грелин является гормоном аппетита. Он вырабатывается прежде всего в стенке желудка, а также в кишечнике. Он подчиняется суточным ритмам – его уровень достигает максимума утром и минимума ночью, а также нарастает при голодании и спадает при насыщении, прежде всего жирами и углеводами. Причем насыщение углеводами дольше всего снижает уровень грелина, в то время как жиры дают более кратковременный эффект.
Энтероглюкагон (GLP-1) – гормон, вырабатываемый в стенке тонкого кишечника в момент поступления пищи. Его высокий уровень в крови подавляет пищевое поведение и активизирует наработку инсулина, что снижает уровень глюкозы в крови.
Оксинтомодулин тоже образуется в тонком кишечнике пропорционально количеству потребленных калорий. Поэтому пик его активности приходится на вечер, а спад – на раннее утро. Действие этого гормона приводит к подавлению пищевого поведения.
Холецистокинин – гормон двенадцатиперстной и тощей кишки, образующийся после приема пищи и способствующий возникновению ощущения сытости. Он также стимулирует сократительную активность кишечника и подавляет опорожнение содержимого желудка в кишечник.
Бомбезин быстро выделяется в кровь кишечником после приема пищи и снижает аппетит.
При переедании и частых перекусах, когда организм получает избыток калорий, который он вынужден запасать, между приемами пищи держится высокий уровень гормонов насыщения (инсулина и лептина), что в конечном итоге приводит к резистентности тканей, к их сигналам и ухудшению регуляции как пищевого поведения, так и метаболизма в целом (рисунок). Это повышает риск ожирения, возникновения сахарного диабета 2 типа и сердечно-сосудистых проблем. Сократив количество приемов пищи за день и обильность трапезы, можно нормализовать уровень этих гормонов в крови, чувствительность к ним тканей и энергетический баланс в организме.
Структуры головного мозга, задействованные в регуляции аппетита
Механизм регуляции аппетита