消化管生理学

これらの収縮の刺激は、おそらくカハール間質細胞と呼ばれる修飾された平滑筋細胞に由来する。これらの細胞は、平滑筋細胞に活動電位を引き起こす可能性のある自発的な徐波電位サイクルを引き起こす。これらはギャップ結合を介して収縮性平滑筋と関連している。これらの徐波電位は活動電位が発生するための閾値レベルに達する必要があり、その時点で平滑筋上のCa ²⁺チャネルが開いて活動電位が発生する。収縮は細胞内に入るCa ^2+の量に基づいて段階的に変化するため、徐波の持続時間が長いほど、より多くの活動電位が発生する。その結果、平滑筋からの収縮力が大きくなる。徐波の振幅と持続時間は、神経伝達物質、ホルモン、またはその他のパラクリンシグナルの存在に基づいて変化する可能性がある。1分あたりの徐波電位の数は、消化管内の位置によって異なる。この数は、胃では3波/分から腸では12波/分までである。^{[ 4 ]}

蠕動運動と分節運動（以下に詳述）および振り子運動は、消化管収縮の明確なパターンの有名な例です。^{[ 5 ]}食事の合間に起こる移動性運動複合体は、弛緩から始まり、活動レベルが上昇して蠕動活動のピークレベルに達し、5～15分間続く明確なフェーズを持つ一連の蠕動波サイクルです。^{[ 6 ]} このサイクルは1.5～2時間ごとに繰り返されますが、食物摂取によって中断されます。このプロセスの役割は、消化器系から余分な細菌や食物を取り除くことであると考えられます。^{[ 7 ]}

蠕動

蠕動運動は、食事中および食後すぐに起こる運動パターンの1つです。収縮は波状パターンで発生し、消化管の短い区間をあるセクションから次のセクションへと伝わります。収縮は、消化管内にある食物塊のすぐ後ろで発生し、食物塊を肛門に向かって次の弛緩した平滑筋セクションへと押し込みます。この弛緩したセクションが収縮し、食物塊を2～25cm  /秒の速度でスムーズに前進させます。この収縮パターンは、ホルモン、パラクリンシグナル、および自律神経系によって適切に調節されます。^{[ 4 ]}

分泌液の主要成分はイオンと水であり、これらはまず分泌され、その後消化管に沿って再吸収されます。分泌されるイオンは主にH⁺、K⁺、Cl⁻、HCO₃⁻ 、^Na⁺から^構成され^ます。水はこれらのイオンの動きに追随します。消化管は、能動輸送、促進拡散、および開チャネルイオン移動が可能なタンパク質のシステムを用いて、このイオンポンプ作用を実現しています。上皮の頂^端側と基底側におけるこれらのタンパク質の配置が、消化管におけるイオンと水の正味の移動を決定します。

H ⁺とCl−^は壁細胞から胃の内腔に分泌され、pH1という低い酸性環境を作り出します。H ^{+はK +}と交換されることで胃に送り込まれます。この過程にもエネルギー源としてATPが必要ですが、Cl−^はH ⁺の正電荷に続いて、開口した頂端チャネルタンパク質を通って胃に流入します。

HCO − 3 の分泌は、小腸の十二指腸に流れ込む酸性分泌物を中和するために起こります。HCO − 3の大部分は、膵腺房細胞から水溶液中のNaHCO ₃の形で供給されます。 ^{[ 6 ]}これは、管内に存在する HCO − 3 と Na + の両方の高濃度によって浸透圧勾配が形成され、水がそれに従って^移動するためです。^{[ 4 ]}

消化管の2番目に重要な分泌物は、口、胃、腸で分泌される消化酵素です。これらの酵素の一部は補助消化器官から分泌され、その他は胃と腸の上皮細胞から分泌されます。これらの酵素の一部は消化管の壁に埋め込まれたままですが、その他は不活性なプロ酵素の形で分泌されます。^{[ 4 ]}これらのプロ酵素が消化管の内腔に到達すると、特定のプロ酵素に特有の因子がそれを活性化します。その代表的な例がペプシンで、胃の主細胞から分泌されます。分泌されたペプシンは不活性（ペプシノーゲン）ですが、胃の内腔に到達すると、高濃度のH+によってペプシンに活性化され、消化に不可欠な酵素となります。酵素の放出は、神経、ホルモン、またはパラクリンシグナルによって調節されます。しかし一般的に、副交感神経の刺激はすべての消化酵素の分泌を増加させる。

粘液は胃と腸で分泌され、消化管の内側の粘膜を潤滑し保護する役割を果たします。粘液はムチンと呼ばれる特定の糖タンパク質ファミリーで構成され、一般的に非常に粘稠です。粘液は、胃の粘液細胞と腸の杯細胞と呼ばれる2種類の特殊な細胞によって作られます。粘液分泌増加のシグナルには、副交感神経支配、免疫系の反応、腸管神経系の伝達物質などがあります。^{[ 4 ]}

胆汁は総胆管を通って小腸の十二指腸に分泌されます。胆汁は肝細胞で生成され、食事中に放出されるまで胆嚢に貯蔵されます。胆汁は胆汁酸塩、ビリルビン、コレステロールの3つの成分から構成されています。ビリルビンはヘモグロビンの分解産物です。コレステロールは糞便とともに排泄されます。胆汁酸塩は、両性物質であるため水と乳化して脂肪の吸収を促進する活性非酵素物質です。これらの塩は、肝細胞で胆汁酸とアミノ酸が結合して生成されます。胆汁には、薬物分解の老廃物などの他の化合物も含まれています。^{[ 6 ]}

消化器系への長い反射では、感覚ニューロンが脳に情報を送り、脳が信号を統合して消化器系にメッセージを送ります。感覚情報は消化管自体から来る場合もあれば、消化管以外の情報源から受け取る場合もあります。後者の場合、これらの反射はフィードフォワード反射と呼ばれます。このタイプの反射には、食物や危険に対する反応が消化管に引き起こす効果が含まれます。感情的な反応も、緊張したときに胃がムカムカするなどの消化管の反応を引き起こすことがあります。消化管のフィードフォワード反射と感情反射は、頭部反射と考えられています。^{[ 4 ]}

消化器系の制御も腸神経系（ENS）によって維持されており、ENSは運動、分泌、成長の調節に役立つ消化器系の脳と考えることができます。消化器系からの感覚情報は、腸神経系のみによって受信、統合、および作用されることがあります。この場合、反射は短反射と呼ばれます。^{[ 4 ]}いくつかの状況ではそうかもしれませんが、ENSは中枢神経系（CNS）と連携して働くこともできます。内臓からの迷走神経求心性線維は延髄で受信され、遠心性線維は迷走神経によって影響を受けます。この場合、反射は迷走神経反射と呼ばれます。筋層間神経叢と粘膜下神経叢はどちらも腸壁に位置し、腸管腔または中枢神経系からの感覚信号を受け取ります。^{[ 6 ]}

GIペプチドは、GI細胞自身から血液中に放出されるシグナル分子です。これらは、脳、消化器付属器官、消化管など、さまざまな組織に作用します。その効果は、運動や分泌に対する興奮作用や抑制作用から、脳に作用して満腹感や空腹感をもたらすことまで多岐にわたります。これらのホルモンは、ガストリンファミリーとセクレチンファミリーの3つの主要なカテゴリーに分類され、3番目のカテゴリーは、他の2つのファミリーとは異なるすべてのホルモンで構成されています。GIペプチドに関する詳細情報は、以下の表にまとめられています。^{[ 8 ]}