Биохимия пищеварения и обмен веществ

БИОХИМИЯ ПИЩЕВАРЕНИЯ  И ОБМЕН ВЕЩЕСТВ

Во всех клетках, тканях и системах организма непрерывно протекает обмен веществ, который способствует поддержанию жизнедеятельности и сохранению постоянства внутренней среды. Обмен веществ – отличительная черта всего живого. В результате обмена образуются вещества, необходимые для построения клеток и тканей. За счет обмена веществ организм обеспечивается энергией, необходимой для его жизнедеятельности.

Обмен веществ складывается из белкового, углеводного, жирового, витаминного, минерального и водного обменов, которые тесно связаны между собой сложными биохимическими реакциями.

В регуляции обмена ведущая  роль принадлежит центральной нервной  системе, которая координирует эти процессы с помощью гормонов. Так, белковому обмену способствует гормон щитовидной железы тироксин; на жировой обмен влияют гормоны поджелудочной и щитовидной желез, надпочечников и гипофиза; на углеводный обмен – гормон поджелудочной железы инсулин и гормон надпочечников адреналин.

Обмен веществ характеризуется двумя противоположными процессами:

катаболизмом (расщепление химических составляющих пищи и накопление энергии) и

анаболизмом (синтез химических соединений, необходимых организму).

Эти процессы протекают  непрерывно и находятся в единстве между собой. Однако существуют отдельные периоды жизни, когда это равновесие нарушается. Например, в детстве, когда организм интенсивно растет и развивается, преобладают процессы анаболизма, а в старости или если организм сильно ослаблен болезнью, более интенсивно протекают процессы катаболизма.

Питательные вещества пищи в том виде, в котором они  поступают в организм, не могут всасываться в желудочно-кишечный тракт. Необходим процесс пищеварения. Это весьма сложный процесс, в ходе которого пища подвергается в пищеварительном тракте физическим и химическим изменениям и после соответствующей обработки пищеварительными соками желудка, поджелудочной железы и кишечника пищевые вещества расщепляются на более простые и всасываются через стенки кишечника в кровь. Правда, вода, минеральные соли и небольшое количество органических соединений пищи поступают в кровь в неизменном виде.

Физические изменения  пищи заключаются в ее размельчении, перемешивании, образовании суспензий и эмульсий и частичном растворении.

Химические изменения связаны с рядом последовательных стадий расщепления белков, жиров и углеводов на более мелкие соединения. Это происходит в результате действия пищеварительных гидролитических ферментов (протеазы расщепляют белки; липазы – жиры; карбогидразы (амилазы) – углеводы).

Пищеварительный аппарат  человека состоит из пищеварительного канала (желудочно-кишечного тракта) длиной 8–12 м. В него входят последовательно связанные между собой: ротовая полость, глотка, пищевод, желудок, двенадцатиперстная кишка, тонкий и толстый кишечник с прямой кишкой. Сюда же относятся основные железы: слюнные железы, печень, поджелудочная железа. Функции различных отделов ЖКТ строго специфичны.

Обработка пищи осуществляется по мере ее перемещения по пищеварительному каналу. Переработка пищи начинается в ротовой полости. Здесь пища принимает температуру тела: горячая охлаждается, холодная нагревается. Далее пища измельчается при разжевывании, смачивается слюной и превращается в пищевой комок. В полости рта пища должна находиться 15–18 с. Ферменты слюны (птиалин, амилаза и мальтаза) вызывают расщепление углеводов (крахмала). На переваривание белков и жиров слюна не влияет.

Прожеванная, смоченная  слюной пища в виде комка перемещается на кончик языка, попадает в глотку, затем – в пищевод и желудок. Здесь происходит дальнейшее ее перемешивание и переваривание под действием желудочного сока, выделяемого соответствующими железами.

Чистый желудочный сок  представляет собой бесцветную прозрачную жидкость, которая содержит соляную кислоту и поэтому имеет кислую реакцию. Концентрация соляной кислоты в желудочном соке человека обычно составляет 0,4-0,5 %. Желудочный сок содержит протеазы (пепсин, гастриксин, желатиназа), расщепляющие белки до полипептидов, и липазу, расщепляющие жиры. Желатиназа расщепляет желатин – белок, содержащийся в соединительной ткани (хрящи, сухожилия).

Соляная кислота играет большую роль в процессе переваривания  пищи в желудке:

1. создает такую концентрацию ионов водорода в желудке, при которой пепсин и гастриксин наиболее активны;
2. вызывает денатурацию и набухание белков, способствуя тем самым их частичному расщеплению протеазами;
3. способствует створаживанию молока.

Под действием липазы нейтральные жиры расщепляются на жирные кислоты и глицерин. Однако в желудке расщепляется только эмульгированный жир (раздробленный на мелкие частицы), например, жир молока.

В желудке продолжается частичное расщепление крахмала, начавшееся в ротовой полости  под действием ферментов слюны. Продолжительность их действия зависит от скорости выделения и перемешивания с пищей желудочного сока, т.к. соляная кислота прекращает действие ферментов слюны. Они активны при нейтральной реакции слюны, а в кислой среде теряют свою активность.

Обычно пища находится  в желудке 6-8 часов и более. Пища, богатая углеводами, эвакуируется из желудка быстрее, чем богатая белками. Жирная пища еще дольше задерживается в желудке (8-10 ч). Жидкости начинают переходить в кишечник почти сразу после их поступления в желудок.

Содержимое желудка  переходит в тонкий кишечник, длина которого 5-6 м, когда его консистенция становится жидкой или полужидкой. В двенадцатиперстной кишке (верхней его части) пища подвергается действию поджелудочного сока, желчи и сока находящихся в слизистой оболочке этой кишки желез.

Выделяемый поджелудочной  железой сок представляет собой бесцветную прозрачную жидкость щелочной реакции. рН чистого поджелудочного сока человека = 7,8-8,2. В нем содержится большое количество ферментов:

1. Это ферменты, расщепляющие белки и полипептиды: трипсин, химотрипсин, эластаза, карбоксипептидаза и аминопептидаза;
2. Липаза, расщепляющая жиры;
3. Амилаза, заканчивающая расщепление крахмала до сахарида мальтозы;
4. Рибонуклеаза и дезоксирибонуклеаза, расщепляющие соответственно рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые кислоты.

Секреция поджелудочного сока начинается через 2-3 мин после приема пищи и продолжается 6-14 ч. Наиболее длительное поджелудочное сокоотделение наблюдается при приеме жирной пищи.

Кроме поджелудочного сока в двенадцатиперстную кишку из желчного пузыря поступает желчь (500-700 мл в сутки у взрослого человека). Желчь выполняет в организме определенные функции:

• Повышает активность липазы;
• Эмульгирует жиры, чем способствует улучшению их взаимодействия с липазой;
• Участвует во всасывании жирных кислот;
• Усиливает моторику кишечника.

Желчь секретируется  клетками печени и собирается в желчном  пузыре, откуда поступает в двенадцатиперстную кишку для участия в пищеварительном процессе. В состав желчи входят специфические органические вещества, каковыми являются желчные кислоты и желчный пигмент билирубин. В желчи содержатся также лецитины, холестерин, жиры, мыла, муцин (слизь) и неорганические соли. Реакция желчи слабощелочная. В сутки у взрослого человека выделяется 500-700 мл желчи. Поступление ее в двенадцатиперстную кишку происходит через 5-10 мин после приема пищи. Вдоль всей внутренней поверхности оболочки тонкого кишечника расположены либеркюновы железы, выделяющие кишечный сок, дополняющий своим действием переваривание пищевых веществ, начатое в ротовой полости и желудке, и продолженное в двенадцатиперстной кишке.

Кишечный сок –  бесцветная жидкость, мутноватая от примеси  слизи и эпителиальных клеток. Имеет щелочную реакцию.

Кишечный сок содержит энтерокиназу, которая является ферментом-активатором для всех протеолитических ферментов поджелудочного сока. Активация их происходит в полости двенадцатиперстной кишки. В кишечном соке кроме энтерокиназы содержатся ферменты, действующие на углеводы, жиры и полипептиды, образующиеся при расщеплении белков в желудке и двенадцатиперстной кишке.

Пищеварение в тонком кишечнике – наиболее важный этап пищеварительного процесса в целом. Оно обеспечивает деполимеризацию питательных веществ до стадии мономеров, которые всасываются в кровь и лимфу.

В тонком кишечнике завершается  предпоследняя стадия гидролиза белков – образование небольших пептидов. В нем присутствуют также высокоактивные ферменты, расщепляющие различные дисахариды до моносахаров:

• Инвертаза (сахараза) – сахарозу;
• Мальтаза – мальтозу;
• Лактаза – лактозу.

В результате, как отмечалось выше, образуются моносахариды, которые всасываются в кишечнике, поступают в кроветок и попадают в печень. Мы рассмотрели полостное пищеварение. Но кроме полостного пищеварения, осуществляемого в полости тонкого кишечника, большое значение имеет пристеночное пищеварение, осуществляемое теми же ферментами, но находящимися на внутренней поверхности тонкой кишки. Этот вид пищеварения называется также мембранным (открыто Уголевым во второй половине 20 века). Мембранное пищеварение происходит на границе клетки – в зоне щеточной каймы кишечного эпителия. Этот тип пищеварения более экономичен, чем полостное с точки зрения эффективности гидролитических процессов, так как осуществляется на большой площади поверхности стенки кишечника, имеющей складчатое строение и покрытой ворсинками. Ворсинки имеют высоту 0,5-1,5 мм. Огромное количество микроворсинок (на 1 мм² слизистой оболочки расположено от 30 до 40 ворсинок) увеличивает поверхность всасывания до 500 м² и позволяет всасываться в кишечнике за 1 ч 2-3 л жидкости.

При полостном пищеварении  продукты гидролитического расщепления  пищи ассимилируются организмом частично, а часть их потребляется многочисленными микроорганизмами, населяющими кишечник. При мембранном пищеварении микроворсинки, образующие густую щеточную кайму на поверхности слизистой, препятствуют проникновению микрофлоры в пристенную область, где происходит гидролиз пищи, и всасывание осуществляется практически без потерь.

Для человека характерно сочетание полостного и мембранного  пищеварения.

В толстом кишечнике (его длина от 1,5 до 4,0 м) также происходит всасывание пищевых веществ, но оно невелико. Пищеварение здесь практически отсутствует. За сутки в толстых кишках всасывается обычно 0,4-0,5 л воды. Нарушение процесса всасывания воды в толстых кишках или в тонком кишечнике приводит к диарее и потере воды организмом.

Метаболизм  макронутриентов в организме

Метаболизм – это  превращение веществ внутри клетки с момента их поступления до образования конечных продуктов. При этих химических превращениях освобождается и поглощается энергия. Основная масса питательных веществ, которые поглощаются в пищеварительном тракте, поступает в печень. Она является главным центром их распределения в организме. Существует несколько путей метаболизма основных питательных веществ в печени.

Метаболизм  углеводов. Свободная D-глюкоза, поступающая в печень, за счет фосфорилирования с помощью АТФ, преобразуется в глюкозо-6-фосфат.

Основной путь метаболизма  его – превращение в D-глюкозу, поступающую в кровь. Ее концентрация в крови должна быть определенной и достаточной для обеспечения энергией мозга и других тканей. Нормальная концентрация глюкозы в крови составляет 70-90 мг/100 мл.

Глюкозо-6-фосфат, не использованный на образование глюкозы крови, за счет действия специфических ферментов превращается в гликоген и запасается в печени. Избыток глюкозо-6-фосфата (не преобразованный в глюкозу крови или гликоген) через стадию образования ацетил-КоА может быть преобразован в жирные кислоты, из которых впоследствии синтезируются липиды, холестерин или может быть подвергнут распаду с накоплением энергии АТФ, или может быть преобразован по пентозофосфатному пути.

Метаболизм  аминокислот. Аминокислоты, поступающие в печень, могут быть:

• Использованы для синтеза белков печени и плазмы;
• Поступать в кровь и переноситься к другим органам, где также будет осуществляться синтез тканевых белков;
• Могут быть преобразованы в глюкозу и гликоген в процессе глюкогенеза;
• Могут подвергаться дезаминированию и распаду с образованием ацетил-КоА. Последний, в свою очередь, может окисляться с накоплением энергии (в форме АТФ), либо превращаться в запасные липиды;
• Могут превращаться в нуклеотиды, гормоны и некоторые другие продукты.

Метаболизм  жирных кислот. Основной путь – использование в качестве субстрата энергетического обмена в печени. Свободные кислоты подвергаются окислению с образованием ацетил-КоА и АТФ. Ацетил-КоА окисляется далее в цикле лимонной кислоты, в результате чего вновь образуется АТФ. Избыток ацетил-КоА, высвобождаемый в процессе окисления жирных кислот, может превращаться в кетоновые тела (ацетоацетат и β-D-гидроксибутират). Они либо служат для транспорта ацетильных групп к периферическим тканям, либо используются в биосинтезе холестерина. А он, в свою очередь, является предшественником желчных кислот, которые участвуют в переваривании и всасывании жиров.