Пищеварительная система состоит из пищеварительных желез и желудочно-кишечного тракта, по которому движется пища. Пища через рот проходит в глотку, оттуда по пищеводу попадает в желудок. В стенке желудка находятся пищеварительные железы, выделяющие желудочный сок. Далее пища поступает в тонкий кишечник, где подвергается действию ферментов печени и поджелудочной железы. Из тонкого кишечника она переходит в толстый, откуда непереваренные остатки выходят через анальное отверстие. Содержимое желудочно-кишечного тракта для человека является внешней средой, поэтому пищеварительные железы – это железы внешней секреции.
Ротовая полость
Три пары больших слюнных желез (околоушные, поднижнечелюстные, подъязычные) и множество мелких выделяют в ротовую полость слюну. Она смачивает пищу, чтобы та легче скользила вдоль стенок желудочно-кишечного тракта (ЖКТ). Помимо вязкой слизи для склеивания пищи, муцина, слюна содержит бактерицидные вещества, например, лизоцим, которые обеззараживают ротовую полость, и пищеварительные ферменты (амилаза, мальтаза). Слюна имеет щелочную реакцию, поэтому в ротовой полости щелочная среда.
Под действием ферментов слюны начинается расщепление сахаров до глюкозы. Так как язык очень хорошо кровоснабжается, в подъязычной области находится много сосудов, там могут всасываться питательные вещества. Таким образом, простые сахара могут попадать в кровь прямо из ротовой полости. Часто используется сублингвальное (подъязычное) введение лекарственных средств, эффект в этом случае развивается быстрее, чем от приема препарата внутрь.
Язык
Язык перекатывает пищу во рту и помогает сформировать пищевой комок, который корень языка проталкивает в пищевод. Язык также принимает активное участие в формировании звуков, что позволяет людям разговаривать.
На поверхности языка эпителий и пластинка слизистой образуют выступающие структуры, сосочки. Различают пять разных типов сосочков. Некоторые служат для осязания и удержания пищи на языке, другие содержат железы или луковицы с рецепторами вкуса. Всего есть 4 основных типа вкусовых рецепторов: горького, кислого, соленого и сладкого вкуса. Иногда выделяют еще несколько вкусов, например, умами (вкус высокобелковой пищи) или вкус грейпфрута. Разные популяции людей по-разному ощущают одни и те же вкусы.
Распределение рецепторов на языке не равномерное, кончик более чувствителен к сладкой пище, основание – к горькой, боковые стороны – к кислому и соленому.
Зубы
В ротовой полости также находятся зубы, их задача – измельчение пищи в процессе жевания. Это уникальная особенность млекопитающих, остальные животные могут использовать зубы только чтобы удержать добычу или оторвать кусок от пищи.
Зубы закреплены в верхней и нижней челюстях. Стенка верхней челюсти образует твердое небо. Слизистая оболочка твердого неба сзади образует свободно висящую складку, мягкое небо. За мягким небом находятся скопления лимфоидной ткани, миндалины. При болезнях миндалины воспаляются и увеличиваются в размерах.
В процессе эволюции зубы начали различаться по строению и функциям. Выделяют резцы, клыки, предкоренные (премоляры) и коренные зубы (моляры). Зубной формулой называют описание зубной системы, которое обычно дают для половины одной челюсти (так как зубы располагаются симметрично). Для каждого вида животных характерна индивидуальная зубная формула.
Резцы располагаются спереди, их функция – «отрезать» куски пищи. Большие резцы характерны для грызунов и травоядных. В челюсти человека есть 4 пары резцов (по 2 в каждой половине зубного ряда). За резцами следуют клыки, их функция – схватить и удерживать добычу, отрывать от нее куски мяса. У хищных животных клыки длинные и острые, у человека же они редуцированы и редко выступают из ряда остальных зубов.
Предкоренные и коренные зубы (премоляры и моляры) имеют широкое основание и большую жевательную поверхность. Они служат для перетирания пищи и лучше всего развиты у жвачных животных, которые питаются твердой пищей. У человека есть 2 премоляра и 3 моляра в каждой половине зубного ряда. Третьи моляры (самые последние в ряду зубы) прорезаются позже всех и могут не проявляться до взрослого возраста, для человека они являются атавизмом. Зачастую их прорастание проходит неправильно и ведет к развитию воспаления, что требует врачебного вмешательства.
Таким образом, зубная формула взрослого человека выглядит как 2/1/2/3, то есть 2 резца, 1 клык, 2 премоляра и 3 моляра на одной половине челюсти, всего 32 зуба. Редко у людей встречается четвертый моляр.
Строение зуба
Сперва у ребенка прорезаются молочные зубы, которые при взрослении выпадают и сменяются постоянными. Формула молочных зубов: 2/1/0/2, всего 20. Молочные зубы – это временный вариант, так как челюсть ребенка слишком маленькая, чтобы уместить такой же набор зубов, как у взрослого человека. Если бы постоянные зубы прорезались с самого начала, при росте челюсти они бы отдалялись друг от друга на значительное расстояние, между зубами были бы промежутки.
Каждый зуб состоит из двух частей: коронки (выступает над десной) и корня (внутри десны, их может быть несколько). Снаружи зубы покрыты эмалью, это одно из самых твердых и прочных веществ в организме человека. Под эмалью расположен менее твердый слой дентина, он составляет основное вещество зуба.
В толще дентина находится пульпа – живая часть зуба с кровеносными сосудами и нервом. При воспалении пульпы раздражается нерв и возникает сильная боль. После удаления нерва зуб перестает болеть, но и живое вещество в нем умирает. Со временем такой мертвый зуб разрушится от повреждений, так как не способен восстанавливаться.
Глотка, пищевод
В ротовой полости пища измельчается и смачивается слюной, формируются пищевые комки. Комок поступает в глотку – воронкообразный канал длиной около 12 см, на уровне последнего шейного позвонка глотка переходит в пищевод.
По локализации различают носоглотку, ротоглотку и гортаноглотку. Глотка является не только частью пищеварительного тракта, но и входит в состав дыхательных путей, по ней в организм поступают пища и воздух. Разделяет пищеварительный и дыхательный пути надгортанник, при глотании он закрывает вход в гортань, чтобы туда не попала пища. Грудные дети способны пить и дышать одновременно, так как жидкость может огибать вход в гортань по желобкам в стенке глотки.
Пищевод – это полая мышечная трубка длиной около 30 см. По нему пища поступает в желудок. Спереди от пищевода находится трахея и главные бронхи, его огибает аорта. Эти органы формируют естественные изгибы пищевода. Для активного продвижения твердой пищи стенки пищевода могут ритмично сокращаться и расслабляться, такое движение называется перистальтикой.
Иногда необходимо обратное движение пищи по пищеводу. При активации рвотного рефлекса движения желудка и пищевода направлены на изгнание содержимого, осуществляется обратная перистальтика. Рвота возникает при отравлениях, вестибулярных нарушениях или из-за сильного психоэмоционального стимула.
Пищевод имеет два сфинктера, верхний и нижний. Сфинктером называется мускульное кольцо, которое сужается при сокращении мышц. Нижний сфинктер находится в месте прохождения пищевода через диафрагму. Он расслабляется, чтобы пропустить пищевой комок в желудок, в норме он предотвращает обратный заброс (регургитацию) желудочного содержимого. Если же регургитация происходит, кислый желудочный сок повреждает стенку пищевода, что вызывает чувство жжения, изжогу. Постоянное раздражении стенки может стать предпосылкой для развития раковой опухоли.
Желудок
Желудок расположен непосредственно под диафрагмой, он ассиметричен – дно (то есть самая широкая часть, верхний полюс) обращено влево, поэтому говорят, что желудок находится в левом подреберье. Нижний полюс желудка переходит в продолговатую антральную часть, которая заканчивается привратником (лат. pylorus). Привратник – это мощный сфинктер желудка, который отделяет его содержимое от двенадцатиперстной кишки.
рН желудочного сока от 1,5 до 2,5, то есть он обладает очень большой кислотностью. В эпителии желудка есть несколько типов железистых клеток: некоторые специализируются на секреции соляной кислоты, другие вырабатывают защитную слизь и бикарбонат для нейтрализации кислоты, главные клетки вырабатывают пепсиноген. Также в желудке секретируются некоторые гормоны. Соотношение железистых клеток разного типа зависит от участка желудка. Например, больше всего желудочного сока вырабатывают клетки тела желудка, в то время как клетки привратника почти не синтезируют HCl.
Клетки желудка
Под действием соляной кислоты в желудке белки пищи денатурируют (необратимо меняют конформацию). Неактивный пепсиноген в результате протеолиза HCl превращается в активный пепсин, который разрушает белки до аминокислот. Реакция образования пепсиногена из пепсина протекает с положительной обратной связью, то есть образующийся пепсин ускоряет расщепление пепсиногена.
Помимо соляной кислоты, непрерывное травмирующее действие на стенку желудка оказывают пепсин и ферменты бактерии Helicobacter pylori, которая живет у стенки. Существуют несколько защитных механизмов, которые организм противопоставляет факторам агрессии, это:
- слизисто-бикарбонатный барьер вблизи стенки желудка;
- достаточное кровоснабжение стенки;
- быстрая регенерация эпителия;
- иммунологическая защита;
- протекторные простагландины.
При нарушении равновесия между факторами защиты и агрессии возникают болезни: язвы, гастриты и т.д.
В желудке пища обрабатывается пищеварительными ферментами, начинается переваривание белков, продолжается – сахаров. Часть веществ (например, углеводы, этиловый спирт, вода, соли) всасывается в кровь непосредственно из желудка. Чтобы увеличить поверхность всасывания, стенка желудка образует борозды и складки.
Так как желудок имеет форму мешка, он может накапливать пищу. Объем пустого органа около 500 мл, после приема пищи он может растягиваться до 4 л. В желудке пища перемешивается, чтобы обеспечить равномерное смачивание ферментами. Для этого мышцы желудочной стенки постоянно совершают перистальтические движения.
Эвакуацию пищи из желудка регулирует привратник. В желудке кислая среда, тогда как в кишечнике – щелочная. Если большое количество кислого желудочного сока будет попадать в двенадцатиперстную кишку, там может образоваться язва, появится сильная боль. Для нейтрализации HCl в антральных отделах требуется время.
Время требуется также и для того, чтобы обработать пищу ферментами. Жирная, богатая белками еда задерживается в желудке дольше, чем «легкая», богатая углеводами. Полужидкая кашица, которая поступает из желудка в кишечник, называется химусом, это смесь полупереваренной пищи, соков, слизи, ферментов и т.д.
Кишечник
Петли кишечника покрыты серозной оболочкой, которая переходит на внутренние стенки брюшной полости и таким образом закрепляет разные отделы кишечника.
Тонкая кишка имеет три отдела, начинается она двенадцатиперстной кишкой. Здесь выходят протоки печени и поджелудочной железы, их секреты образуют слабощелочной кишечный сок.
Двенадцатиперстная кишка переходит в тонкую, та – в подвздошную. Тонкая кишка – самый длинный отдел ЖКТ. Стенки тонкой кишки образуют ворсинки и впячивания (крипты), которые увеличивают площадь всасывающей поверхности во много раз. В каждой ворсинке проходят кровеносные и лимфатические сосуды, которые у поверхности ворсинки разветвляются густой сетью капилляров.
В тонкой кишке всасывается основная масса пищи, большая часть лекарственных средств и токсинов. Поэтому при отравлении в первые часы особенно эффективно промывание желудка, чтобы яд не успел достичь кишечника.
В двенадцатиперстной кишке продолжается переваривание белков и начинается переваривание жиров. Обработка жиров ферментами затруднена, так как они гидрофобны и в жидкой среде образуют крупные капли. Чтобы увеличить площадь соприкосновения жира с пищеварительными соками, крупные капли сперва нужно разбить на много маленьких. Такой процесс называется эмульгированием. Под действием желчи жиры эмульгируются вплоть до мельчайших капель и образуют комплексы с белками – липопротеины. В таком виде липиды всасываются в лимфатические капилляры и попадают в кровоток.
За тонкой кишкой следует толстая, это наиболее широкая часть кишечника. Она состоит из следующих отделов:
- Слепая кишка – редуцированный у человека придаток в месте перехода тонкой кишки в толстую. От слепой кишки отходит червеобразный отросток, аппендикс. Воспаление аппендикса называется аппендицитом, оно может быть очень опасно, так как без лечения воспаление может перейти на брюшину, а по ней быстро распространиться на всю брюшную полость.
- Ободочная кишка имеет четыре подотдела: восходящую, поперечную и нисходящую части и сигмовидную кишку. Ободочная кишка огибает петли тонкой кишки. В ободочной кишке пищеварение как таковое уже не происходит, здесь основной процесс – это всасывание питательных веществ, воды и электролитов. В результате прохождения через ободочную кишку из жидкого химуса образуется более твердый оформленный кал.
- Прямая кишка завершает желудочно-кишечный тракт, она соединяет сигмовидную кишку с анальным отверстием (анусом). Значительная часть бактерий микрофлоры кишечника обитает в толстой кишке. Они выполняют ряд полезных функций: расщепляют непереваренную пищу, повышают сопротивляемость иммунной системы, препятствую росту патогенных бактерий.
Верхняя часть прямой кишки образует ампулу, где накапливаются каловые массы. Железы в стенке кишки вырабатывают слизь, которая обволакивает массы, формируя кал. При накоплении достаточного количества кала наступает дефекация.
Задний проход имеет два сфинктера, внутренний образован гладкой мускулатурой, а внешний – поперечно-полосатой, то есть его работа сознательно регулируется человеком.
Поджелудочная железа
Помимо мелких желез, расположенных в стенке ЖКТ, в пищеварении важную роль играют такие крупные железы, как печень и поджелудочная. Часть клеток поджелудочной железы секретирует гормоны, то есть выполняет функции внутренней секреции, такие клетки образуют скопления, островки Лангерганса. Другая часть клеток участвует в секреции пищеварительного сока, который по протокам поступает в двенадцатиперстную кишку. То есть поджелудочная является одновременно железой и наружной, и внутренней секреции.
Гормоны поджелудочной регулируют пищевое поведение человека и управляют углеводным обменом (инсулин и глюкагон). Ферменты – это белки, которые ускоряют химические реакции. Для разных типов питательных веществ вырабатываются свои ферменты поджелудочной:
- липазы разрушают жиры;
- амилазы – углеводы;
- протеазы – белки.
Печень
Печень находится в правом подреберье и является одним из самых крупных органов человека. Она выполняет множество функций, большая часть которых связана с пищеварением и детоксикацией (обеззараживанием) поступивших веществ.
Строение печени
Кровь, насыщенная питательными веществами, от кишечника оттекает по воротной вене печени. В клетках печени, гепатоцитах, поступившие соединения могут повергаться первичному метаболизму. Токсины, например, расщепляются до менее вредных соединений. Витамины и сахара запасаются, глюкоза преобразуется в гликоген и хранится в таком виде. Запасенные вещества могут быстро высвобождаться клетками печени, когда возникает потребность.
Также гепатоциты могут утилизировать избытки гормонов, медиаторов или витаминов в крови. В них происходят превращения жиров, конвертация различных источников энергии.
Печень служит в качестве депо крови, в ней хранится значительный объем эритроцитов. При росте физической нагрузки печень (как и селезенка) сжимается, выталкивая депонированную кровь, отчего может появится боль в подреберье.
Гепатоциты непрерывно секретируют желчь, которая оттекает по печеночным протокам и скапливается в желчном пузыре. Желчь поступает в двенадцатиперстную кишку, где эмульгирует жиры. При изменении состава желчи ее консистенция и химические свойства меняются, она может оседать и формировать плотные камни. Опасность камней в том, что иногда они закупоривают протоки, препятствуя оттоку желчи. Скапливается избыток желчи, она поступает в кровь (появляется желтуха), развивается воспаление.
Метаболизм питательных веществ
Сложные вещества пищи, поступившие в ЖКТ, расщепляются до более простых: жиров, белков и углеводов. Простые молекулы могут быть использованы для образования собственных сложных соединений (анаболизм, пластический обмен) или для получения энергии (катаболизм, энергетический обмен).
Метаболизм углеводов
Расщепление углеводов начинается в ротовой полости, в щелочной среде под действием амилазы слюны. Такие сложные углеводы как крахмал и гликоген расщепляются до простого сахара, глюкозы. Поступившая в клетки глюкоза может участвовать в клеточном дыхании, в результате чего образуется 4,1 ккал/г энергии. Дневная норма энергии при небольших физических нагрузках составляет около 2000-2500 ккал. Много углеводов содержится в крупах, мучных изделиях, фруктах.
После приема пищи в крови растет концентрация глюкозы, ее захватывают клетки тканей для получения энергии. Клетки печени и поперечно-полосатой мускулатуры, захватывая глюкозу, начинают превращать ее в гликоген для запасания энергии. Когда запас гликогена полный, начинается запасание жира: глюкоза в печени превращается в жир, тот откладывается в клетчаточных пространствах. Тип запасания подкожного жира зависит от пола, у мужчин жир сперва откладывается на животе, а у женщин на бедрах.
Метаболизм белков
Основной источник белков – мясо, бобовые растения. Белки разрушаются в кислой среде желудка под действием пепсина и других пептидаз до коротких пептидных цепочек и аминокислот. Полное расщепление 1 грамма белка приносит столько же энергии, сколько и расщепление сахара, но занимает больше времени, поэтому белки не являются основным источником энергии.
Всего в генетическом коде используется 20 аминокислот, некоторые из них могут синтезироваться в организме человека, они называются заменимыми аминокислотами. Другие синтезироваться не могут, единственный их источник – пища, это незаменимые аминокислоты. При недостатке незаменимых аминокислот в организме нарушается нормальный ход различных химических реакций, развиваются тяжелые заболевания.
Для расщепления жиров их необходимо сперва эмульгировать желчью, это происходит в щелочной среде кишечника. В клетках жиры расщепляются до глицерина и жирных кислот. Из 1 г жира при полном расщеплении образуется 9 ккал энергии, то есть вдвое больше, чем из белков и углеводов.
При этом расщепление молекулы жира занимает много времени и требует энергетических затрат. Поэтому жиры обычно не используются как источник энергии, а служат для ее запасания. Они откладываются в жировой клетчатке и утилизируются, если другого источника энергии нет. Запаса жира в организме человека в среднем достаточно для того, чтобы прожить без еды около 20 дней.
Регуляция пищеварительной системы
Центральная регуляция пищеварения осуществляется гипоталамусом, где находятся центр голода, центр насыщения и центр жажды. Центр голода активируется, когда падает концентрация питательных веществ в крови, он пробуждает аппетит и стимулирует пищевое поведение. При разрушении центра голода в эксперименте животные быстро худеют, потому что не ощущают потребность в пище. При разрушении центра насыщения животные съедают гораздо больше, чем им требуется, и быстро набирают лишний вес.
На аппетит влияют уровень сахара в крови, количество жировых запасов и растяжение стенки желудка.
Грелин («гормон голода») синтезируют клетки желудка, когда отсутствует растяжение стенки. После наполнения желудка его стенка растягивается, синтезируется «гормон насыщения», PYY, который подавляет аппетит.
Контролируют уровень глюкозы в крови инсулин и глюкагон. Под действием инсулина концентрация глюкозы в крови снижается, клетки тканей активнее захватывают ее и образуют больше гликогена. Инсулин также подавляет аппетит. Глюкагон обладает противоположным действием: он увеличивает высвобождение глюкозы из депо и повышает аппетит.
При нарушении в регуляции уровня глюкозы возникают заболевания. Самое распространенное – сахарный диабет. Причиной диабета может быть разрушение клеток островков Лангерганса или изменения в инсулиновых рецепторах. При резком повышении или снижении уровня глюкозы нарушается гомеостаз, человек теряет сознание и впадает в кому. Вернуть внутреннюю среду обратно в состояние равновесия сложно, поэтому терапия диабета направлена на предотвращение подобных состояний. Люди, страдающие от сахарного диабета, вынуждены постоянно контролировать уровень сахара в крови и перед каждым приемом пищи вводить себе инсулин.
