Физиология желудочно-кишечного тракта Медведева НА Кафедра физиологии человека и животных Биологического факультета МГУ Москва 2011

Основные функции желудочно-кишечного тракта Figure 21-1: Processes of the digestive system Потребление пищи переваривание продвижение по ЖКТ всасывание секреция реабсорбция удаление непереваренных остатков

gland Stomach Small Intestine Esophagus Large Intestine The Digestive System I. ORGANIZATION & DIGESTIVE PROCESSES A. General Anatomy Longitudinal organization

Основные части желудочно-кишечного тракта и их функция Ротовая полость(язык, зубы, три пары слюнных желез) и глотка (формирование пищевого комка + НАЧАЛО ПЕРЕВАРИВАНИЯ УГЛЕВОДОВ) Пищевод (скелетная мышца + гладкая мышца – транспортировка пищевого комка) Желудок (накопительная ф-ция и переваривание) –Фундальная часть –тело –антральная часть –пилорическая часть ( лимитирует скорость продвижения пищевого комка или химуса ) Тонкий кишечник (функции: переваривание, транспортировка, всасывание) Толстый кишечник (транспортировка, всасывание, реабсорбция, формирование и выведение остатков пищи)

Слюнные железы Околоушные железы Подчелюстные железы Подъязычные железы Протоки всех желез имеют выход в ротовую полость Ротовая полость (язык, зубы, три пары слюнных желез) и глотка (формирование пищевого комка + НАЧАЛО ПЕРЕВАРИВАНИЯ УГЛЕВОДОВ ) Зубы и язык осуществляют мехоническое измельчение пищи и формирование пищевого комка

Секрет слюнных желез Околоушные железы Прозрачный вода, серозная жидкость амилаза Подчелюсные железы Серозная жидкость муцин Подъязычные железы муцин высокая вязкость 17-15

Основные функции слюны: 1.Смачивание измельченной пищи и подготовка пищевого комка к проглатыванию 2.Начальный гидролиз углеводов амилазой слюны 3.Нейтрализация соляной кислоты, которая может забрасываться из желудка в пищевод

Клеточная структура слюнных желез Клетки собраны в кластеры Серозные клетки секретируют водную составляющую слюны Мукоидные клетки секретируют вязкую или слизистую часть слюны – муцин (гликопротеид).

Ацинарные клетки осуществляют продукцию фермента амилазы; Обкладочные клетки продуцируют бикарбанат;

Состав слюны: Альфа-амилаза, муцин, бикорбанат, RNA- каза, DNA-аза, пероксидаза, колликреин и т.д. - объем 1,5 литра в день. Значение рН – в отсутствие еды или мысли о ней –(6 – 7); во время еды – (7-8)

Химия переваривания: углеводы Углеводы пищи: растительного и животного происхождения - крахмал, целлюлоза, амилопектин, гликоген, сахароза, лактоза, глюкоза, фруктоза Ферменты, осуществляющие гидролиз углеводов –Амилаза – слюны и панкреатического сока и ферменты пристеночного пищеварения.

Автономная нервная система Симпатическая часть АНС: медиатор -норадреналин Gut secretions (+) e.g acid, enzymes & electrolytes Spinal cord Pons/ medulla Mid brain Gut sphincters (-) reflex relaxation Pancreas (+) exocrine & endocrine secretion ACTION Rectum (+) defaecation ACTION Gut wall (+) increased motility and tone adrenaline EFFECTS Salivary glands (+) secretion of saliva X IX VII Cranial nerves Парасимпатическая часть АНС: медиатор - ацетилхолин (Ach) (+) secretion of saliva слюнные железы (+) vasoconstriction gut blood 2 (-) vasodilation vessels 1/2 (-) decrease motility gut wall, (+) contraction sphincters (+) secretion Adrenal medulla

Регуляция секреции амилазы

Глотательный рефлекс Figure 21-13: The swallowing reflex 1 фаза – произвольная 2 фаза – быстрая непроизвольная, длительностью менее 1 с, происходит с рефлекторным торможением дыхания 3 фаза – медленная непроизвольная, длиться 5-10 с, осуществляется перистальтическими движениями стенки пищевода и перепадом давления

.. Normal Barium Swallow Механизм продвижения пищевого комка по пищеводу

LES, L UES (in primates) Vagal Inhibitory Fibers Vagal Excitatory Fibers Pressure in LES Механизм продвижения пищевого комка по пищеводу Регуляция открытия нижнего сфинктора пищевода

(Corpus) LES Фундальная часть желудка: 1.нет электрической активности гладких мышц стенки желудка 2.Медленные тонические сокращения 3.Основная функция - накопительная Дистальная часть желудка: 1.Базальная электрическая активность 2.Перистальтические фазические сокращения 3.Начало переваривания белков 4.Образование химуса и его продвижение в тонкий кишечник

II.Motility in the G.I. Tract a. Morphology b. Excitation & Contraction of Smooth Muscle Electrical Mechanical

Intracellular potential (mV) Перестальтическое продвижение пищевого комка от фундальной части к антральной части желудка Механическая активность Электрическая активность

пропульсивно- ретропульсивное перемещение химуса в антральной части желудка non-digestible spheres качество пищи регулирует скорость опустошения желудка Механизм эвакуации химуса из желудка -

Figure 21-15: The mucus-bicarbonate barrier of the gastric mucosa

Поверхностные эпителиальные клетки – протективная Proliferating cells Париетальные клетки (обкладочные) - секреция соляной кислоты и интризинк - фактора (у человека) Чиф (главные) клетки – секреция пепсиногена Энтерохромаффин- подобные клетки (ECL) – секреция гистамина Клеточная структура железы желудка H+H+ Gland lumen

Мукоидные клетки (муцин) Париетальные клетки клетки (обкладочные) (HCl) Чиф (главные) (пепсиноген) G-клетки (гастрин) D-клетки (соматостатин) Энтерохромаффин подобные клетки (ECL) (гистамин ) Экзокринные клеткиЭндокринные клетки Секреция в проток железы и желудка Секреция в межклеточое пространство или кровоток

(HCl)-секретирующие париентальные или главные клетки Клетки в покоеАктивные клетки

Транспортные состемы париентальных клеток, обеспечивающие секрецию HCl K+K+ H+H+ Cl - HCO 3 - K+K+ Na + K+K+ 1. Proton pump (H + /K + ATPase) 2. K + channel 3. Cl - channel 4. Sodium pump 5. Cl - /HCO 3 - exchanger H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 HCO H + Tubulovesicular system Apical Basolateral Carbonic anhydrase *

Гастрин (G клетки) гистамин Parietal cell Энтерохромаффиные клетки Chief cell D-cell соматостатин - + noradrenaline, CCK, VIP & CGRP Ach H+H Gland lumen + Регуляция секреции соляной кислоты Нервная регуляция Паракринная регуляция Гуморальная регуляция

G-cell GASTRIN circulation Gastrin releasing peptide (GRP) somatostatin Функция G-клеток Protein/peptides/ amino acids D-cell H+H+ Stomach (antrum) lumen Stomach body (corpus): ECL cell/ parietal cell

Энтерохромафинные клетки продуцируют и выделяют гистамин Внутриклеточный механизм регуляции выделения соляной кислоты Протонный насос

Основные функции желудочной фазы Накопительная Ферментативный гидролиз белков и частично жиров, образование химуса –HCl – parietal cells (защитная роль – нейтролизация бактерий & денатурация белков) –Lipase – chief cells (главные клетки) – Pepsinogen – chief cells (главные клетки) –Защита слизистой путем выделения бикорбаната и муцина.

Химия пищеварения: белки Белки (среднее потребление –0,5-0,7 г/день/кг веса ферментативный гидролиз аминокислоты Ферменты: – эндопептидазы (гидролиз пептидной связи между аминокислотами) – экзопептидазы (гидролиз аминокислоты с N (aminopeptidase), or C - конца (carboxypeptidase) Figure 21-7: Endopeptidases and exopeptidases

Патогенез язвенной болезни многофакторный и обусловлен прежде всего несоответствием между факторами защиты слизистой оболочки и факторами ее повреждения Повреждающие факторы: - соляная кислота - уменьшение кровотока - уменьшение секреции бикарбонатов и слизи (действие НПВС) -Helicobacter pylori (граммотрицательная бактерия, разрушающая слизистую оболочку, выделяющая токсические вещества и вызывающая воспалительный процесс) - Никотин (увеличивает выработку соляной кислоты) Защитные факторы: - образование слизистой выстилки (защитный эффект) - бикарбонаты (секретируются эпителиалными клеткамии) - кровоток (обуславливает гомеостаз желудочной стенки) - простагландин Е (стимулирует выработку бикарбонатов и слизи)

Лечение язвенной болезни триадой лекарственных средств: антибиотики, блокаторы протонного насоса, препараты, защищающие слизистый слой желудка.

Факторы, определяющие скорость перехода химуса из желудка в 12-перстную кишку: 1.скорость опорожнения желудка 2.скорость секреции панкреатического сока 3.скорость опорожнения желчного пузыря 4.скорость транспорта по тонкому кишечнику (кишечная перестальтика)

Основные части кишечника и их функция Тонкий кишечник (переваривание + всасывание) –Двеннадцатиперстная кишка (25cm) –Тощая кишка –Подвздошная кишка Поджелудочная железа Печень Толстый кишечник (пропускает 1.5L химуса в день – всасывание и абсорбция) –Ободочная кишка (образование фекалий) –Прямая кишка Анус (произвольно контролируемый сфинктер – выведение непереваренных остатков)

Гистология кишечной стенки Стенка тонкого кишечника, так же как и желудка состоит из 4 слоев: –Слизистая оболочка (внутренний слой) Эпителиальный слой (содержит желудочные железы, в случае кишечника – щеточную кайму и крипты) Соединительнотканный слой (lamina propria) Мышечный слой (внутренний -muscularis mucosae) –Подслизистый слой (средний) –Мышечный слой (наружный слой) –Серозная оболочка

Cross-sectional organization Mucosa Enteric Nervous System

Функциональное значение выделения слизи для ЖКТ Продуцируется специализированными экзокринными клетками –Слизистые клетки желудка –Goblet клетки кишечника Вязкий секрет –гликопротеины =муцин Функция – образование защитного слоя слизистой – смазывающий, скользящий эффекты Выделение слизи контролируется нервной системой, нейропептидами энтеральной системы, цитокинами иммуных клеток При воспалении ЖКТ – секреция слизи возрастает

Типы перистальтических сокращений стенки ЖКТ Figure 21-4: Contractions in the GI tract Тонический– минуты, часы Фазический – секунды Перистальтическое пропульсивное – продвижение химуса по ЖКТ –Сегментарное – перемешивание Тип сократительной активности гладких мышц Типы сокращений стенки ЖКТ

Автономная нервная система Симпатическая часть АНС: медиатор -норадреналин Gut secretions (+) e.g acid, enzymes & electrolytes Spinal cord Pons/ medulla Mid brain Gut sphincters (-) reflex relaxation Pancreas (+) exocrine & endocrine secretion ACTION Rectum (+) defaecation ACTION Gut wall (+) increased motility and tone adrenaline EFFECTS Salivary glands (+) secretion of saliva X IX VII Cranial nerves Парасимпатическая часть АНС: медиатор - ацетилхолин (Ach) (+) secretion of saliva слюнные железы (+) vasoconstriction gut blood 2 (-) vasodilation vessels 1/2 (-) decrease motility gut wall, (+) contraction sphincters (+) secretion Adrenal medulla

Parasympathetic nerves Submucosal Plexus Myenteric Plexus Энтеральная нервная система Myenteric Plexus Submucosal Plexus Двойная иннервация со стороны ВНС медиаторы ацетилхолин норадреналин

Энтеральная нервная система Deep muscular plexus Submucosal artery Muscularis mucosa Submucosal plexus MUCOSA Myenteric plexus Longitudinal muscle Circular muscle

Рефлексы в желудочно- кищечном тракте Афферентная часть дуги рефлекса(afferent neurons) Эфферентная часть дуги рефлекса(efferent neurons) вегетативные рефлексы ваго-вагальный рефлекс-контроль мышечного тонуса Боль дискомфорт, тошнота цито-протективные эффекты рефлекторный контроль кровотока Цефалическая фаза через мысль, запах, вкус стимулирует выделение H + вегетативные рефлексы ваго-вагальные рефлексы контролируют мышечный тонус

Вегетативный рефлекс –Может возбуждаться как внутри так и вне ЖКТ –Рефлексы с других систем – либо болевые, либо эмоциональные Энтеральный рефлекс –Подслизистые ганглии & myenteric ганглии –Сокращение, секреция ЖКТ белки –Действуют как гормоны или паракрино (локально) –ЖКТ рефлексы Регуляция пищеварения:вегетативная и энтеральная нервная система, локальный контроль

Холецистокинин секретируется энтеральными эндокринными клетками 12-перстной кишки в кровь, связывается с рецепторами на ацинарных клетках поджелудочной железы и стимулирует выделение секрета HCI Стимулирует секрецию секретина, который вызывает выделение бикарбоната и воды рН=2 рН=7,5-8

Двеннадцатиперстная кишка

Определяет скорость опорожнения желудка и силу сокращений его гладких мышц (рефлекторно); Нейтрализация рН, выделение желчи & ферментов; Секреция панкреатического сока; Придвижение химуса в сторону тонкого кишечника; Особенности пищеварения в двеннадцатиперстной кишке

Печень –Детоксикация/удаление: алкоголя, лекарственных средств и других веществ –Синтез гликогена витаминов (A, D, E, K) Fe и других ионов холестерина –Активация витамина D - Фагоцитоз

Секреция и продукция желчи. »Желчь продуцируется гепатоцитами –Компонентами желчи являютя: Соли желчных кислот (= стероиды + аминокислоты) Детергенты, способные реагировать с водой и липидами путем образования водорастворимых жирных частиц Желчные пигменты (результат деградации гемоглобина) Холестерин - Желчь концентрируется и депонируется в желчном пузыре и освобождается из него при сокращении - Освобождение желчи стимулируется вагусом, секретином и холецистокинином

Процесс эмульгирования жиров и жирорастворимых витаминов (А, D, Е, К) желчью Figure 21-23: Bile salts

Поджелудочная железа - Trypsinogen trypsin (enterokinase from duodenum). - Chymotrypsinogen and carboxypeptidase chymotrypsin and active carboxypeptidase). Step 1 of protein digestion - Pancreatic amylase Step 1 carbohydrate digestion -Pancreatic lipase step 1 lipid digestion - Bicarbonates ions from the pancreatic juice help neutralize the acidity of the chyme.

Ферменты ЖКТ

Строение эпителия тонкого кишечника (щеточная кайма) Ворсинки и микроворсинки Лимфатические сосуды Артериальные и венозные сосуды Связь с портальной системой печени Хиломикроны (смесь жиров с холестерином)

С пищей в организм поступают в основном триглицериды. В небольшом количестве – фосфолипиды и холестерин. Небольшое количество жиров, растворенных в масле подвергаются действию желудочной липазы и всасываются в желудке. Большему количеству жировых частиц для ферментативной деградации, транспортировки и всасывания необходима эммульгирование желчью. Ферменты: липазы, колипазы&фосфолипазы Триглицериды моноглицериды & свободные жирные кислоты Свободный холестерин, потребляемый с пищей – всасывается прямым путем Химия пищеварения: жиры

Figure 21-8: Fat digestion

Кишечная фаза деградации и всасывания жиров Figure 21-26: Fat digestion and absorption Colipase displaces bile Lipases digest fats Micelles are formed Fat soluble vitamins?

Химия пищеварения: углеводы Figure 21-6: Carbohydrate digestion

Кишечная фаза деградации и всасывания углеводов Гидролиз до простых сахаров Всасывание/ транспорт –Na + / глюкоза или галактоза симпорт (апикальная мембрана) –фруктоза транспортируется GLUT5 (апикальная и базолатеральная мембраны) –Транспорт глюкозы через базолатеральную мембрану транспортером GLUT2 в капилляр

Figure 21-24: Carbohydrate absorption Apical Na + - glucose symport Basolateral GLUT-facilitated diffusion transporter

Гидролиз до три- дипептидов и аминокислот; Мембранный транспорт: H +, Na + котранспорт (транспортеры САТ1, САТ2) и трансцитоз через энтероцит, а затем в капилляр; Кишечная фаза деградации и всасывания белков

Zn, Mn, Co, Cd, Ni, Cu Mg Fe Локализация мест всасывания и секреции по ходу желудочно-кишечного тракта

В и т а м и н В12 Витамин С 1g (Scott Med J 1982,27(3):240-3 Механизм всасывания витамина В12

Обмен ионов и воды в ЖКТ ионы: H +, K +, Na +, HCO 3 -, Cl - –Поступают из интестициальной жидкости в просвет ЖКТ через апикальную и базолатеральную мембраны эпителия –Вода следует по осмотическому градиенту –Транспортеры: Na + /K + ATPase H + /K + ATPase Na + /K + /2Cl - симпорт, Cl - /HCO 3 - антипорт –Ионные каналы Na +, K +, Cl - каналы - сопровождает диффузию - активный транспорт

Обмен жидкости в ЖКТ: общий – 9 литров из них 5 литров из тканей и 2 литра p/os Figure 21-5: Daily mass balance in the digestive system Слюнные железы Поджелудочная железа Эпителиальные клетки ЖКТ печень –вода –ферменты –муцин –ионы: H +, K +, Na + HCO 3 -, Cl - –Печеночные продукты Экзокринные железы

Всасывание в толстом кишечнике Figure 21-28: NaCl reabsorption by colonocytes Aldosterone!!

Секреция ионов в толстом кишечнике Figure 21-29: NaCl secretion by colonic crypt cells

Бактериальное ферментирование Всасывание и секреция ионов Реабсорбция воды 1.4 L/день Дефекационный рефлекс и вывод фекальных масс Основные функции толстого кишечника

Общие принципы всасывания в ЖКТ В процессе пищеварения пищевой комок подвергается механическому и энзиматическому разложению на макромолекулы Маленькие кусочки пищи – объект действия желчи и пищевых ферментов Характерно специфическое значение pH для различных отделов ЖКТ Кислое значение рН – в желудке Щелочное значение рН – в ротовой полости и кишечнике –Всасывание нутриентов – в основном в тонком кишечнике –Всасывание ионов & воды – толстый кишечник