Свой химический заводик: как работает пищеварение

Пища нужна нашему организму как источник «запчастей», а также как источник энергии. И того и другого из еды нужно выжать по максимуму. Пищевая система человека работает как эффективный биореактор. Кроме того, у нас в этом деле есть добровольные помощники — бактерии, которых значительно больше, чем клеток в нашем организме

Пищеварительный тракт большинства животных длинный и извилистый — в ограниченный объем тела нужно вместить как можно более длинный «коридор», в котором из еды будет извлечена вся возможная польза. И чем менее питательна еда, тем длиннее должен быть кишечник, поэтому у хищников он существенно короче, чем у травоядных. Пищеварительная система человека универсальна и не заточена под определенный вид еды.

Ротовая полость: дробилка и стерилизатор

Что бы ни ело животное, пищу сначала нужно измельчить (увеличить поверхность поглощения). Тогда питательные вещества можно будет извлекать не только с поверхности кусков еды, но и из всего ее объема. Измельчающие аппараты бывают разными. У моллюсков, например, они напоминают терки, а у млекопитающих состоят из целого арсенала зубов, подходящих как для отрывания и отгрызания кусочков пищи, так и для ее раздавливания и перемалывания.

Еще на входе в пищеварительную систему пищу нужно как можно лучше обеззаразить. Этим занимается фермент лизоцим, входящий в состав слюны. Он разрушает клеточные стенки бактерий, чтобы уменьшить риск получить инфекцию.

Несколько жевательных движений — и в тот же момент отдельные молекулы пищи попадают на вкусовые рецепторы (которые есть не только на языке, но и на мягком нёбе), а те тут же посылают сигнал пищеварительной системе (через мозг): боевая готовность! Желудок и кишечник немедленно начинают активно выделять пищеварительные ферменты, а также усиливается перистальтика — движения мышц, продвигающих еду по кишечнику.

В ротовой же полости тем временем начинается расщепление наименее податливых веществ пищи — углеводов. Этот процесс пищеварения самый длительный, так что к нему лучше приступить сразу на входе. В основном углеводы клеток хранятся в виде сложных полимеров — цепочек сахаров. Эти цепочки у организмов разных царств устроены по-разному. Те, в которых запасают сахара растения, называются крахмалом, а те, что образуются у животных и грибов, — гликогеном. Сахара (особенно глюкоза) — одна из самых ходовых энергетических валют организма, поэтому их важно получить из пищи как можно больше. Этим занимаются ферменты амилаза и мальтаза, входящие в состав слюны. Амилаза расщепляет крахмал и гликоген на дисахариды, а мальтаза делит получившуюся мальтозу на две молекулы глюкозы. Во рту расщепляется только небольшая часть всех углеводов пищи, этот долгий процесс продолжается почти все время, которое еда проводит в пищеварительной системе.

Желудок: бассейн с кислотой

Измельченная еда по пищеводу спускается в желудок. Фактически это хорошо защищенный суперкислотный реактор, необходимый для расщепления следующего важного компонента пищи — белков. Белки состоят из аминокислот, которые постоянно нужны организму как строительный материал. В составе белка аминокислоты соединены в цепочки, которые к тому же еще замысловато уложены. Размотать их (денатурировать белок) легче всего в кислой среде. Именно мясо (состоящее, как правило, в основном из белков, если не считать воду) часто маринуют в кислых условиях, например в уксусе, — так его аминокислотные цепочки начинают расплетаться еще до съедения и мясо переваривается лучше. Но предварительно обработанный уксусом шашлык нам достается не каждый день, поэтому в желудке пища попадет в раствор соляной кислоты (примерно 0,5%-ный). Насыщенность раствора все время колеблется, но вообще это довольно агрессивная среда, поэтому стенки желудка покрыты толстым слоем слизи, чтобы он не начал переваривать сам себя. А выход из него прочно закрывается специальным клапаном, чтобы соляная кислота не попала в следующие, более уязвимые отделы пищеварительной системы. Поскольку желудок наш хорошо защищен, мы можем употреблять в пищу и другие кислоты, например лимонную или фосфорную. Первая входит в состав сока и часто используется в качестве консерванта, а вторая — в состав кока-колы и других газировок.

Кислотная среда желудка служит дополнительным фильтром от бактерий, проглоченных вместе с едой, далеко не все из них способны выжить в таких условиях. В числе приятных обитателей желудка — пресловутые лактобактерии, о повышенном содержании которых гордо сообщают упаковки некоторых йогуртов. Лактобактерии хороши тем, что занимают нишу, которую вместо них могли бы заселить вредные микробы, к примеру вызывающая язву бактерия Helicobacter Pylori. Но вредных микробов встречают бактерии-симбионты и на понятном им языке сообщают: здесь занято.

Итак, раствор соляной кислоты «размотал» белки, и их тут же начал нарезать на аминокислоты фермент пепсин. В идеальном случае с пищей должно поступать аминокислот достаточно для построения всех белков организма. Легче всего собрать весь необходимый набор аминокислот, употребляя мясо животных, поскольку по составу оно больше всего напоминает ткани человека. Но аминокислоты содержатся и в других организмах, например в растениях и грибах. Из них тоже можно составить полноценный рацион, но стоит учитывать, что соотношения аминокислот у этих организмов не похожи на наши. Поэтому вегетарианскую диету нужно тщательно планировать, собирая набор необходимых веществ, как мозаику.

Вот набор аминокислот практически готов (но пока не полностью), а сложные углеводы начали расщепляться еще в ротовой полости. На этой стадии уже можно начинать всасывать в кровь элементарные составляющие пищи. Поэтому за плотным клапаном желудка начинается длинный кишечник, вся поверхность которого готова поглощать питательные вещества.

Кишечник: потоки желчи и давние квартиранты

После желудка пища попадает в двенадцатиперстную кишку — в начало тонкого кишечника. В нее же открываются протоки желчного пузыря. Желчь нужна, чтобы разобраться с последним из необработанных компонентов пищи — липидами. Липиды образуют жировые капельки, нерастворимые в воде. Чтобы их было легче всасывать, большие капли достаточно разделить на более мелкие, чем и занимаются компоненты желчи. Маленькие капли жиров расщепляет на элементарные молекулярные составляющие фермент липаза. Липиды организм использует и как строительный материал (из них состоят мембраны клеток), и как форму запасания энергии. Энергетическая ценность липидов намного выше, чем у такой же массы белков или углеводов, поэтому липиды лучше всего подходят для хранения запасов.

Другие ферменты — трипсин и химотрипсин, выделяемые в двенадцатиперстную кишку, — продолжают расщеплять белки на аминокислоты. Уже знакомая нам амилаза, встречавшаяся в слюне, все еще обрабатывает сложные углеводы крахмал и гликоген. Мышцы вокруг кишечника периодически сокращаются, продвигая по кишечнику еду, из которой постепенно отбираются питательные вещества. Еда не просто продвигается по коридору кишечника — там ее встречает большое разнообразие микрофлоры (по разным оценкам, до 1500 видов, а человеческих клеток, кстати, всего 220 видов). В основном микрофлору составляют бактерии, но в ней есть и немного представителей грибов и простейших. Мы не просто так делимся пищей с этими микроскопическими сожителями — они выполняют много полезных функций. Фактически они переваривают то, что мы сами переварить не сумели, и, наоборот, еще делятся с нами: бактерии выделяют дополнительные пищеварительные ферменты, а также синтезируют витамины и гормоны, стимулирующие отложение излишков питательных веществ в виде жировых запасов. Как и лактобактерии желудка, кишечная микрофлора занимает место, в котором вместо них мог бы поселиться кто-то менее приятный. Попадая в кишечник младенца с молоком матери, полезные микробы обустраивают его так, что жить там могут только определенные виды, не причиняющие человеку вреда.

Даже если из пищи по максимуму отобраны все питательные вещества, в ней остается еще кое-что ценное — вода. Она тщательно выжимается из остатков еды во время движения по последнему участку пищеварительного тракта — толстому кишечнику.

Кровь и лимфа: полезные приобретения

Все, что расщепилось на составные блоки (аминокислоты, глюкоза, глицерин, растворимые соли жирных кислот) во рту, желудке и тонком кишечнике, всасывается через специальные ворсинки в кровь и лимфу и по внутренним «транспортным артериям» разносится по всему телу. Из аминокислот будут построены новые клетки взамен отмерших; глюкоза послужит топливом для человеческих клеток, проникая в них с помощью фермента инсулина (если он плохо вырабатывается, клетки слабеют и умирают от голода); из глицерина и жирных кислот будет построен человеческий жир: он спасет нас от холода, поможет усваивать витамины, станет еще одним строительным материалом, а также превратится в долговременный склад энергии (к нему организм прибегает в отсутствие глюкозы). Помимо этого, с пищей к нам поступают витамины и минералы (калий, кальций, магний, натрий, фосфор и другие) — в совсем мизерных количествах, но без них нам не обойтись.

Выход: свет в конце тоннеля

В результате остается в среднем только около трети (в случае хорошо усваиваемой пищи вплоть до нуля) массы съеденной пищи, которая выводится из организма в виде кала. Больше половины его сухого вещества составляют неудачливые бактерии кишечника. Еще в составе кала оказывается много целлюлозы (она же клетчатка), самого неподатливого из сложных углеводов. У млекопитающих нет собственных ферментов, расщепляющих целлюлозу, вот почему человек не может питаться, к примеру, бумагой или древесиной, хотя они обладают определенной энергетической ценностью. Поэтому всем, желающим есть исключительно растения, в которых очень много целлюлозы, приходится содержать в пищеварительном тракте целые фермы специальных бактерий, способных переваривать этот сложный углевод. Лучше всего подходят для расщепления целлюлозы сложно устроенные желудки жвачных животных. Они рассчитаны на долгую и сложную ферментацию пищи, которой животное помогает, дополнительно пережевывая отрыгнутую массу. Тем не менее и для нас целлюлоза полезна: во-первых, она стимулирует перистальтику, а во-вторых, занимает место в желудке. Наш организм оценивает сытость по разным параметрам, среди которых растяжение стенок желудка.

С калом выделяются не только непереваренные остатки пищи, но и вещества, от которых нужно активно избавляться, например билирубин — токсичный продукт распада гемоглобина. Он выбрасывается в кишечник с желчью и покидает организм вместе со всем, что не усвоила пищеварительная система.

Так съеденная пища поставляет нам материалы для обновления тела и энергию для поиска новых радостей жизни. Не последние из которых — это любимые и новые блюда.

_{Иллюстрации: Андрей Дорохин}