Всасывание питательных веществ — конечная цель процесса пищеварения. Этот процесс осуществляется на всем протяжении ЖКТ — от ротовой полости до толстой кишки, но его интенсивность различна: в ротовой полости в основном всасываются моносахариды, некоторые лекарственные вещества, например нитроглицерин; в желудке в основном всасываются вода и алкоголь; в толстой кишке — вода, хлориды, жирные кислоты; в тонкой кишке — все основные продукты гидролиза. В двенадцатиперстной кишке всасываются ионы кальция, магния, железа; в этой кишке и в начале тощей кишки идет преимущественно всасывание моносахаридов, более дистально происходит всасывание жирных кислот, моноглицеридов, а в подвздошной кишке — всасывание белка, аминокислот. Жиро- и водорастворимые витамины всасываются в дистальных участках тощей кишки и в проксимальных участках подвздошной (рис. 3.4).
Рис. 3.4. Строение кишечной ворсинки
При патологии проксимальных участков дистальные берут на себя эту функцию. Таким образом, в организме существует защитный вариант всасывания.
Механизмы всасывания веществ разнообразны. Часть веществ, например вода, может проходить через межклеточные (межэнтероцитарные) промежутки — это механизм персорбции. В ряде случаев имеет место механизм эндонитоза, т.е. поглощение энтероцитом большой, неразрушенной молекулы внутрь клетки с последующим экзоцитозом — выделением ее в интерстиций и кровь.
Важное место среди механизмов всасывания занимают механизмы пассивного транспорта — диффузия, осмос, фильтрация, а также облегченная диффузия (транспорт без затрат энергии по градиенту концентрации, но с использованием транспортеров). Механизм осмоса позволяет реабсорбировать большой объем воды — в среднем за сутки около 8 л (примерно 2,5 л поступает с пищей, остальной объем циркулирует в организме). Вода поступает в энтероциты пассивно вместе с осмотически активными веществами, например с глюкозой, аминокислотами, ионами натрия, кальция, калия. Частично вода входит в интерстиций (а затем и в кровь) за счет процессов фильтрации. Если гидростатическое давление в полости кишечника превышает осмотическое давление в этой среде, это создает возможность для реабсорбции воды с помощью фильтрационного механизма.
Основным механизмом, обеспечивающим реабсорбцию различных веществ (глюкозы, аминокислот, солей натрия, кальция, железа), является активный транспорт, для реализации которого необходима энергия АТФ (рис. 3.5). Ионы натрия транспортируются за счет механизма первично-активного транспорта, а глюкоза, аминокислоты и ряд других веществ — за счет вторично-активного транспорта, зависимого от транспорта натрия.
Рис. 3.5. Всасывание продуктов расщепления белков, углеводов и жиров (вероятные варианты). Всасывание в кровь (К) и лимфу (ЛК). А — аминокислоты; М — моносахариды в сопряжении с Na+; Г — глицерин, Ж — жирные кислоты — синтез уподобленных триглицеридов в эпителиоцитах — формирование Хм — хиломикронов и всасывание в лимфу. Желчные кислоты (Жел) частично возвращаются в полость кишечника, частично всасываются в кровь и возвращаются в печень
Для обеспечения всасывания продукты гидролиза липидов (жирные кислоты, имеющие длинные цепочки, 2-моноглицериды, холестерин) в присутствии желчных кислот формируют в кишечнике мицеллы — мельчайшие капельки, способные диффундировать через апикальную мембрану внутрь энтероцита. Внутри энтероцита из вновь синтезируемых липидов образуются структуры, удобные для дальнейшего транспорта — хиломикроны. Для облегчения транспорта мицелл и хиломикрон в мембранах имеются специфические переносчики, т. е. это облегченная диффузия.
Регуляция всасывания
Регуляция всасывания осуществляется путем изменения процессов тока крови и лимфы через слизистую оболочку желудка и кишечника, лимфотока. Этот процесс требует затрат энергии. Кроме того, всасывание питательных веществ регулируется за счет синтеза транспортеров (насосов и специфических переносчиков).
Интенсивность тока крови в чревной области во многом зависит от стадии пищеварения. Известно, что в условиях пищевого покоя в чревный кровоток поступает 15-20% минутного объема крови. При усилении функциональной активности ЖКТ он может возрастать в 8-10 раз. Благодаря этому увеличиваются продукция пищеварительных соков, моторная активность, активируются процессы всасывания. В свою очередь, формируются благоприятные условия для оттока крови, богатой всосавшимся нутриентом. Усиление кровотока происходит главным образом за счет продукции вазодилататоров, особенно серотонина — наиболее сильного вазодилататора прекапилляров ЖКТ. Гастрин, гистамин, холецистокинин-панкреозимин также способствуют этому процессу.
Активность продольной и циркулярной мускулатуры тонкой кишки способствует перемешиванию химуса и созданию оптимального внутрикишечного давления — условий, необходимых для нормального течения процесса всасывания.
Регуляция синтеза транспортеров осуществляется, как правило, за счет классических гормонов — альдостерона, глюкокортикоидов, 1,25-дигидро- оксихолекальциферола (1,25-витамина D3) и других гормонов. Например, повышение продукции альдостерона сопровождается увеличением образования в энтероцитах натриевых насосов, способствующих активному транспорту натрия. Косвенно это отражается на вторично-активном транспорте аминокислот и моносахаридов. Метаболитвитамииа D3— 1,25-дигидрооксихолекальцифсрол повышает синтез кальцийсвязывающего белка в кишечнике, способствуя всасыванию ионов кальция. Паратгормон повышает скорость образования этого метаболита из витамина D (холекальциферола) и косвенно способствует повышению всасывания кальция.
Всасывание белков и аминокислот
Пептидгидролазы, или пептидазы, ЖКТ делятся на два основных типа — эндопептидазы и экзопептидазы. Эндопептидазы расщепляют белки на пептиды различной сложности путем разрыва внутренних связей в молекуле белка. К эндопептидазам относятся пепсины, гастриксины, ренин, трипсин, химотрипсин, эластаза. Экзопептидазы расщепляют концевые пептидные связи полипептидных цепей, образующихся при гидролизе с помощью эндопептидаз. Они бывают двух типов — карбокси пептидазы типов А и В и аминопептидазы. Карбоксипептидазы разрывают пептидную связь, которую образуют С-концевые остатки аминокислот, а аминопептидазы разрывают связи, образованные N-остатками. Кроме того, в ЖКТ имеются дипептидазы, которые расщепляют дипептид на две молекулы аминокислоты (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Гидролиз белков
Уже в составе слюны имеются пептидазы типа эндопептидаз, которые могут разрывать внутренние связи в белках и образовывать отдельные полипептидные цепи — это трипсиноподобные ферменты малой активности: саливаин, гландулаин, катепсин, калликреин. Считается, что их роль невелика в процессе гидролиза белка, но они повышают эффективность гидролиза пепсином и трипсином.
В желудочном соке содержится соляная кислота, активирущая ферменты желудочного сока и создающая высокую концентрацию ионов водорода и вызывающая денатурацию белка, что спосбствует активизации его гидролиза. В состав желудочного сока входит 8 типов пепсинов.
Пепсины вырабатываются в неактивном виде (пепсиногены), но под влиянием НСІ активируются. Часть пепсиногенов (пепсинов) вырабатывается в фундальной части желудка, часть — в антральной и начальной частях двенадцатиперстной кишки. Различные пепсины активны при различных значениях pH — от 1,9 до 3,9. Наличие нескольких типов пепсинов объясняется тем, что в желудке, где длительное время депонируется пища, возникает необходимость набора ферментов, работающих при различных pH, так как концентрация водородных ионов внутри химуса существенно отличается от концентрации этих ионов непосредственно у стенок желудка.
Итак, в желудке из белков образуются полипептидные цепочки, которые в дальнейшем, под влиянием экзопептидаз (карбоксипептидаз, аминопептидаз), превращаются в дипептиды. Это происходит в двенадцатиперстной и тощей кишке. Сюда изливаются сок панкреатической железы, желчь, желудочный сок.
Поджелудочная железа вырабатывает в неактивном виде трипсиноген, химотрипсиноген, проэластазу, прокарбоксипептидазу типов А и В, аминопептидазу. Выйдя в полость двенадцатиперстной кишки, они активируются. Процесс начинается с активации трипсиногена. Под влиянием фермента, продуцируемого в кишечнике, — энтерокиназы (энтеропептидазы) трипсиноген переходит в трипсин. В дальнейшем, под влиянием трипсина, все остальные белки переходят в активную форму (химотрипсиноген → химотрипсин, прокарбоксипептидаза → карбоксипептидаза, проэластаза → эластаза). Трипсин, химотрипсин, эластаза как эндопептидазы расщепляют белки, которые не расщепились пепсинами в желудке, до полипептидов, а карбоксипептидазы типов А и В, аминопептидаза — до пептидов и дипептидов. В железах тонкой кишки вырабатываются главным образом карбоксипептидазы, аминопептидазы и дипептидазы. Все эти ферменты осуществляют внутриполостное пищеварение (проводят гидролиз внутри кишки). На апикальной мембране энтероцитов располагаются, согласно данным А.М. Уголева, карбоксипептидазы, аминопептидазы, дипептидазы. В результате их действия образуются аминокислоты, которые тут же передаются на транспортеры, осуществляющие вторично-активный транспорт, зависимый от ионов натрия. Он осуществляется по такому же механизму, как и транспорт глюкозы. Существует как минимум 4 вида аминокислотных транспортеров для переноса:
• нейтральных аминокислот (валина, фенилаланина, аланина);
• основных аминокислот (аргинина, цистина, лизина, орнитина);
• аминокислот (пролина, гидроксипролина) и глицина;
• дикарбоновых кислот (глутаминовой кислоты, аспарагиновой кислоты).
Такое разделение основано на существовании наследственных заболеваний, при которых вследствие генетического дефекта не всасывается определенная группа аминокислот, при этом нарушается и реабсорбция этих же аминокислот в почках. Так, известна болезнь Хартнупа, при которой нарушено всасывание нейтральных аминокислот — валина, фенилаланина, аланина в тонкой кишке и почках; иминоглицинурия — нарушается транспорт пролина, гидроксипролина и глицина; цистииурия — нарушен транспорт цистина, лизина, аргинина и орнитина; синдром Фанкони, при котором имеются аминоацидурия и нарушение всасывания в тонкой кишке глутаминовой и аспарагиновой аминокислот.
Все аминокислоты, а также некоторые белковые молекулы, всосавшиеся путем эндоэкзоцитоза, стоком венозной крови через портальную вену доставляются к печени, где они используются для различных целей, в том числе для синтеза белка, в процессах глюконеогенеза и др.
Жиры. Фосфолипиды. Холестерин
Гидролиз жира происходит главным образом с помощью полостного пищеварения с участием липаз и фосфолипаз. Липаза гидролизует жир до жирных кислот и моиоглицерида (обычно до 2-моноглицерида) (рис. 3.7).
Рис. 3.7. Гидролиз жиров: X — холестерин; Г — глицерин; ЖК — жирные кислоты; Ф — фосфолипиды; ХМ — хиломикроны
Небольшое количество липазы образуется мелкими слюнными железами корня языка (лингвальная липаза). Железы желудка тоже продуцируют липазу, однако она неактивна в кислой среде. Липаза желудочного сока новорожденных способна расщеплять молочный жир. Ведущую роль в переваривании пищевого жира играет панкреатическая липаза, а также кишечная липаза. Липазы совершают гидролиз в полости кишки, но для эффективного гидролиза поверхность жира должна быть максимальной — это достигается эмульгированием жира с помощью желчных кислот и их солей (холевой, хенодезоксихолевой, гликохолевой, таурохолсвой кислот). Активность липаз возрастает под влиянием так называемой кол и пазы — фактора, который связывается с липазой и повышает ее способность расщеплять жиры. Ионы кальция тоже повышают активность липазы.
В результате действия липаз происходит образование смеси жирных кислот, глицерина. 2-моноглицерида, диглицеридов и триглицеридов. В дальнейшем из этой смеси, а также с участием солей желчных кислот, фосфолипидов и холестерина образуются мельчайшие капельки, называемые мицеллами, которые идут к апикальной мембране энтероцита и, благодаря жирорастворимости, входят в энтероцит. Попав в энтероцит, комплекс распадается и происходит синтез триглицеридов, специфичных для человека. Вместе с фосфолипидами, холестерином и белком-апопротеином А1 и В в клетке образуются микровезикулы — так называемые хиломикроны или липопротеин-хиломикроны. Одновременно в клетке образуются и липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП) (тоже в виде микровезикул). Эти структуры проходят через базально-латеральную мембрану энтероцита в интерстиций, а затем переходят в лимфатические сосуды, от них — в кровь. Одновременно часть хиломикронов попадает в печень, где синтезируются липопротеины низкой плотности (ЛПНП) и липопротеины высокой плотности (ЛПВП).
Жиры накапливаются в жировых депо, откуда они используются для энергетических и пластических процессов.
Этапы гидролиза и всасывания углеводов
Гидролиз углеводов проводится с участием ферментов альфа-амилазы, мальтазы, инвертазы, изомальтазы, лактазы, трегалазы (рис. 3.8). Альфа-амилаза секретируется слюнными железами, панкреатической железой, кишечными железами, а также энтероцитами, принимающими участие в пристеночном пищеварении. Альфа-амилаза действует на амилозу крахмала, вызывая ее деполимеризацию вначале до декстринов, а затем до мальтозы и при длительном действии — до глюкозы. Процесс воздействия начинается в ротовой полости, потом пища попадает в желудок, и пока содержимое желудка не станет кислым, амилаза продолжает действовать. Основное место действия амилазы — это двенадцатиперстная и тощая кишка, где совершается гидролиз крахмала до мальтозы. В кишечном соке имеется мальтаза, которая заполняет гликокаликс и частично расщепляет мальтозу до двух молекул глюкозы.
Рис. 3.8. Гидролиз углеводов
Однако основное расщепление мальтозы происходит на апикальной части энтероцита с участием ферментов пристеночного пищеварения. Другие продукты (сахароза, мальтоза, лактоза) в основном подвергаются деполимеризации непосредственно на апикальной мембране энтероцита, и продукты гидролиза (глюкоза, фруктоза, галактоза) транспортируются через энтероцит в интерстиций, а затем в кровь.
Считается, что транспорт моносахаридов осуществляется с участием вторично-активного транспорта, зависимого от транспорта натрия. Энтероциты, которые способны поглощать из тонкой кишки моносахариды, обычно содержат на базальной и латеральной мембранах натриевые насосы. Их функция состоит в активном перекачивании входящих через апикальную мембрану ионов натрия в интерстиций, обеспечивая, таким образом, постоянное поддержание градиента натрия (внутри клетки его концентрация составляет примерно 14 ммоль, а в интерстиции — более 150 ммоль). В результате этого натрий из полости кишки, где его концентрация примерно такая же, как в крови (140 ммоль/л), по градиенту устремляется внутрь энтероцита. Однако делает он это следующим образом: на апикальной мембране энтероцита имеется специфический для глюкозы (фруктозы, галактозы) переносчик, с которым взаимодействует молекула глюкозы. К комплексу присоединяется натрий, и этот ион за счет градиента концентрации «вносит» комплекс на внутреннюю поверхность апикальной мембраны энтероцита. Здесь, внутри клетки, комплекс распадается, переносчик возвращается в исходное положение, ионы натрия выделяются из клетки за счет работы натриевого насоса, а молекула глюкозы соединяется с переносчиком, локализованным на базально-латеральной мембране энтероцита, и с его помощью переносится в интерстиций, откуда попадает в кровь. Таким образом, в процессе транспорта используется энергия, которая первично была затрачена на работу натриевого насоса.
Вода
В ЖКТ за сутки с пищей и питьем поступает около 2-2,5 л воды. Кроме того, в ЖКТ вода выделяется в составе соков объемом до 6—7 л. Всего в полость ЖКТ поступает до 9,5 л/сут. Небольшое количество этой воды всасывается в желудке, большая часть — в тонкой и толстой кишке. В большинстве случаев всасывание воды осуществляется за счет осмоса: реабсорбция осмотически активных веществ типа ионов натрия, кальция, магния, калия, веществ типа глюкозы, аминокислот вызывает пассивную реабсорбцию воды. За счет механизма персорбции часть воды покидает полость кишечника через межэпителиальные щели путем фильтрации в интерстиций, где с участием поворотно-противоточного механизма создается гипертоническая среда, вызывающая движение воды в интерстиций.
Витамины
Водорастворимые витамины всасываются в дистальном отделе тощей кишки и проксимальном отделе подвздошной кишки, а жирорастворимые витамины — в средней части тощей кишки в присутствии желчных кислот.
Всасывание микронутриентов
Натрий
Суточная потребность в натрии составляет от 4 до 6 г, что соответствует примерно от 10 до 15 г поваренной соли.
Всасывание натрия осуществляется различными способами:
• пассивно по градиенту концентрации;
• активно за счет работы натриевых и натриево-калиевых насосов: в тонкой кишке — преимущественно натриевый насос, в толстой — натриево-калиевый насос;
• путем персорбции через межэпителиальные поры.
Всасывание натрия играет исключительно важную роль, так как от него зависит транспорт аминокислот, глюкозы и других веществ.
На процессы всасывания натрия влияют минералокортикоиды (за счет повышения синтеза натриевых насосов) и гормоны ЖКТ, которые угнетают реабсорбцию натрия в кишечнике: гастрин, секретин, холецистокинин-панкреозимин.
Калий
Адекватный уровень среднесуточного потребления калия — 2500 мг, верхний допустимый уровень потребления — 3500 мг/сут.
Всасывание осуществляется в тонкой и толстой кишке за счет пассивного транспорта и с помощью натриево-калиевого насоса.
Кальций
Концентрация кальция в плазме крови составляет в среднем 2,25— 2,5 ммоль/л. Всасывание кальция происходит весьма медленно и требует наличия специального кальциевого переносчика (транспортера) — кальцийтранспортирующего белка. Его синтез контролируется рядом факторов, в том числе метаболитом витамина D3. Витамин D3 образуется в коже под влиянием ультрафиолетового облучения из 7-дигидрохолестерина (витамина D3 — холекальциферола). Для того чтобы он оказывал свой эффект, этот витамин (прогормон) должен пройти две стадии конверсии: в печени под влиянием фермента 25-гидроксилазы он превращается в 25-гидроксихолекальциферол, 25(OH)D3, а затем в почках, также путем гидроксилирования, под влиянием фермента 1-гидроксилазы он превращается в 1,25-дигидроксихолекальци- ферол — 1,25(OH)2D3. Это соединение (гормон) активирует синтез кальцийтранспортирующего белка. При отсутствии этого гормона транспорт кальция нарушается. Гормон паращитовидной железы — паратгормон способствует конверсии витамина D3b печени и тем самым повышает эффективность всасывания кальция.
В растениях содержится витамин D2 — эргокальциферол, в организме он проходит те же стадии конверсии и превращается в 1,25(OH)2D2 — по биологической активности он эквивалентен 1,25(OH)2D3.
Магний
Концентрация магния в крови — около 0,5 ммоль/л. Транспортируется благодаря тому же механизму, что и ионы кальция. Регуляция — аналогична.
Железо
В организме содержится около 3-6 г железа. Из них примерно 800 мг могут быть использованы для синтеза железосодержащих структур, например гемоглобина. Из 3-6 г железа 65-70% находится в составе гемоглобина эритроцитов, около 20% — в мышцах в составе миоглобина, 10-15% — в печени и селезенке и около 1% — в составе геминовых ферментов и белков, содержащих негемное железо. В среднем за сутки в результате разрушения эритроцитов высвобождается 26 мг железа, из которых 25 мг вновь поступает на синтез гема, а 1 мг выводится в основном с желчью. Таким образом, необходимо потребле-
ние 1 мг железа в сутки. В тонкой кишке, где всасывается железо, из пищи извлекается только 10% железа, поэтому суточная потребность с пищей в железе составляет 10-20 мг (при менструациях потребность возрастает в 1,5—2 раза). Учитывая, что диеты в Европе содержат мало железа (на грани минимальной суточной потребности), часто при потере крови возникает дефицит железа, что проявляется, например, повышенной утомляемостью, снижением работоспособности, головной болью, а при хронической недостаточности — железодефицитной анемией.
В энтероцитах тонкой кишки, где совершается всасывание железа, имеется транспортер, который за счет механизмов активного транспорта переносит железо через апикальную мембрану энтероцита внутрь клетки. Здесь двухвалентное железо (а из пищи всасывается в основном двухвалентное железо, поэтому в пище есть восстановители, которые переводят трехвалентное железо в двухвалентное) связывается специфическим белком, который переносит железо в кровь. В крови имеется специальный белок — трансферрин, который транспортирует железо к месту его использования (железо в составе трансферрина находится в форме трехвалентного). В тканях — потребителях железа (печени, селезенке, костном мозге) имеется специальный белок — апоферритин, который, подобно гемоглобину, способен насыщаться двухвалентным железом и превращаться в ферритин, т.е. в белок, депонирующий железо. На одну молекулу этого белка может приходиться до 2500 атомов железа.
Фосфор
Концентрация фосфора в плазме — около I ммоль/л. Метаболиты витамина D3 или D, регулируют его всасывание в тонкой кишке. Паратгормон обычно вызывает снижение уровня фосфора в крови, а кальцитонин, наоборот, повышает. По-видимому, система всасывания фосфора и кальция между собой сопряжена.
Хлор
Концентрация хлора в крови — около 100 ммоль/л. При этом 90% хлора находится во внеклеточной жидкости. Механизм всасывания в основном пассивный — за счет электрохимического градиента, т.е. ионы хлора всасываются вслед за ионами натрия, кальция, калия.