במאמר זה נסקור את השלבים החשובים בעיכול וספיגת המזון, מאפיינים אנטומיים חשובים של מערכת העיכול והתאמתם לתפקוד, מערכות בקרה והשפעה של אבות מזון שונים על העיכול והספיגה.

מערכת העיכול היא למעשה צינור ארוך שתחילתו בפה וסופו בפי הטבעת. תפקידה של מערכת העיכול הוא לספוג מזון ומים אל הדם ולהפטר מתוצרי לוואי מסוימים (דרך הפרשות המרה). התהליכים הפיזיולוגיים החשובים של המערכת הם תנועתיות, הפרשה, עיכול וספיגה ובהם נעסוק. למערכת העיכול בתור איבר שפתוח אל הסביבה החיצונית יש גם תפקיד חיסוני , ולמעשה היא מהווה את האיבר החיסוני הגדול בגוף.

פרטי האנטומיה של מערכת העיכול הם רבים ולא נעסוק בהם, נזכיר רק את המאפיינים האנטומיים החשובים מבחינה תפקודית.

מערכת העיכול היא צינור חלול שמחולק לאזורים השונים זה מזה במבנה ובתפקוד. המבנים העיקריים הם: פה, לוע, ושט, קיבה, מעי דק (שכולל גם הוא מספר חלקים), מעי גס, רקטום ופי הטבעת. בנוסף, אל חלל מערכת העיכול מופרשים חומרים שונים מבלוטות. בין אזורים שונים של מערכת העיכול מפרידים סוגרים – שריריים טבעתיים שבהתכווצותם מונעים מעבר של המזון מאזור לאזור במערכת העיכול.

אספקת הדם למעי מיוחדת בכך שהדם הורידי לא חוזר היישר אל הלב אלא ראשית נכנס למערכת הפורטלית שמובילה אל הכבד. ישנה בקרה דינמית על זרימת הדם אל מערכת העיכול וזרימת הדם משתנה על פי הדרישה – לאחר ארוחה זרימת הדם למערכת העיכול גדלה משמעותית על מנת לעמוד בדרישה האנרגטית של תהליכי העיכול ועל מנת להעביר את המזון שנספג אל שאר הגוף. מערכת הלימפה מפנה חומרים מסיסים-בשומן אל מערכת כלי הדם, כפי שנראה בהמשך.

במערכת העיכול ישנם מספר סוגים של תאים בעלי התמחויות שונות ונתאר אותם מהחלק המרכזי של הצינור אל החלק ההיקפי. המוקוזה מורכבת ממספר סוגים של תאים שתפקידם לספוג חומרי מזון, להפריש פפטידים שמווסתים את פעילות מערכת העיכול ולהגן על מערכת העיכול מהסביבה החצונית. תא שחשוב להזכיר בהקשר זה הוא תא האפיתל, דרכו מתרחשים תהליכי הספיגה. הייחוד של תאי האפיתל הוא בכיווניות שלהם – יש להם צד שפונה אל חלל מערכת העיכול (למעשה, חלל מערכת העיכול הוא חשוף לחוץ ונחשב חיצוני לגוף) וצד שפונה אל פנים הגוף ושני הצדדים של התא שונים מאוד אחד מהשני. אחרי המוקוזה נמצאת הסאב-מוקוזה שמכילה עצבים, כלי דם, כלי לימפה ובלוטות. לאחר מכן, מופיעות שתי שכבות שריר – שכבה בסידור היקפי (טבעתי) ובסידור אורכי – התכווצות השכבות האלה יוצרת את תנועתיות מערכת העיכול והעברת האוכל לאורך המערכת. גם בין שכבות השריר נמצאים עצבים. השכבה החיצונית ביותר היא הסרוזה ותפקידה לספק חומרי סיכוך ולשמור על מיקום של האיברים השונים בבטן. 

בניגוד למערכות אחרות בגוף, מערכת העיכול לעיתים "שקטה" ולעיתים פעילה מאוד (לאחר ארוחה). לכן, על מערכת העיכול לזהות ולהגיב בצורה מתאימה לצריכת אוכל. בנוסף, הרכב הארוחה יכול להשתנות בצורה נכרת ועל מערכת העיכול לזהות זאת ולהגיב בהתאם. מאחר ומערכת העיכול היא צינור ארוך, צריכים להיות מנגנונים שיוכלו "ליידע" את חלקיה השונים על המתרחש בחלקים אחרים. ישנם שלושה מנגנוני בקרה עיקריים: אנדוקריני, פאראקריני ונוירולוגי (עצבי).
הבקרה האנדוקרינית מבוצעת על ידי תאים בעלי תפקיד אנדוקריני בדופן מערכת העיכול. אלו תאים בעלי יכולת חישה שמגיבים לגירויים השונים שהם חשים על ידי הפרשת פפטידים/הורמונים שמווסתים את פעילות מערכת העיכול אל זרם הדם. הורמונים אלו משפיעים על עוד רקמות מלבד מערכת העיכול, למשל על המח (ובכך משפיעים על תחושת שובע למשל) ועוד. תאים אלו יכולים להפריש חומרים גם בתגובה לגירוי נוירולוגי או אחר ללא קשר לארוחה.

הבקרה הפאראקרינית דומה לאנדוקרינית, אך במקרה זה החומרים לא מופרשים אל הדם אלא פועלים על תאים סמוכים במערכת העיכול. נציין שחומר יכול להיות הן בעל פעילות אנדוקרינית והן בעל פעילות פאראקרינית.

הבקרה העצבית מתווכת על ידי שתי מערכות: מערכת עצבים פנימית של מערכת העיכול (Enteric Nervous System – ENS) שמסוגלת לווסת מספר תפקודים בסיסיים של מערכת העיכול, כך שיש פעילויות של מערכת העיכול שיכולות להמשיך להתבצע גם כשהיא מנותקת מהגוף (אם נותנים לה תנאים מתאימים). את פעילות הENS מבקרת מערכת העצבים האוטונומית (ANS). מערכת העצבים האוטונומית היא מערכת לא רצונית שמורכבת מחלק סימפתטי ומחלק פאראסימפתטי. באופן כללי, המערכת הסימפתטית מורידה את פעילות מערכת העיכול והמערכת הפאראסימפתטית מגבירה אותה. למערכת העצבים האוטונומית יש גם תפקיד תחושתי והיא מדווחת למח על מאפיינים של המזון שנאכל, על דרגת המתיחה של איברי מערכת העיכול ועוד – היא גם מעבירה תחושת כאב.

ישנם שלושה אבות מזון – פחמימות, שומנים וחלבונים. במזון הם יכולים להופיע בצורת מולקולות גדולות ומורכבות. הפחמימות מופיעות כשרשראות של סוכרים (פוליסכרידים/אוליגוסכרידים), השומנים מופיעים כטריגליצרידים (מולקולת גליצרול שאליה מחוברות 3 חומצות שומן) והחלבונים הם שרשראות של חומצות אמינו. על מערכת העיכול לפרק את המזון שנצרך לאבני היסוד שלו על מנת שתתאפשר ספיגה.

כעת נסקור את שלבי העיכול השונים על פי האזורים של מערכת העיכול.

פעילות מערכת העיכול מתחילה עוד לפני שאנחנו אוכלים. עצם הציפייה לארוחה גורם לתחילת פעילותה של המערכת. מחשבה על אוכל, ריח, ראייה ואפילו שמיעה גורמים לעליה בהשפעה הפאראסימפתטית על מערכת העיכול – יש עליה בהפרשת הרוק, חומצות הקיבה, אנזימי עיכול ועוד – במטרה להכין את מערכת העיכול לעיכול וספיגת המזון.

ההבדל היחיד בין השלב שלפני האכילה לבין השלב שבו המזון נמצא בפה הוא הופעת גירוי נוסף עם אכילת המזון – טעם. שאר התגובות דומות (הפרשת רוק מוגברת וכו'). לפה יש תפקיד חשוב בפירוק מכני של המזון וערבוב שלו. הספיגה בפה היא מינימלית (אך ספיגה של אלכוהול ותרופות מסויימות כן מתרחשת שם). לרוק יש תפקיד חשוב בסיכוך, הוא מכיל אנזימי פירוק – ליפאזות שמפרקות שומנים ועמילזות שמפרקות פחמימות, אך אנזימים אלו אינם חיוניים לפירוק המזון. הרוק ממוסס חומרים במזון ובכך מגביר את תחושת הטעם. הרוק המופרש הוא מעט בסיסי וכך הוא סותר חומצות שהגיעו אל הוושט ברפלוקס (גורם לצרבת). תפקיד נוסף חשוב של הרוק הוא פעילות נגד מיקרואורגניזמים (למשל חיידקים).

לאחר הלעיסה, מתחיל תהליך הבליעה. תחילתו של התהליך יכולה להיות רצונית אך לאחר מכן הוא רפלקסיבי. כאשר מתחילים לבלוע, המזון נוגע בחיישני מגע בכניסה ללוע. החיישנים האלו מפעילים בתגובה סדרה של פעולות שמטרתה לאפשר את כניסת המזון לוושט, מניעת חזרה של מזון שנבלע אל הפה ולמנוע מהמזון להכנס אל קנה הנשימה (הנשימה מעוכבת באופן רפלקסיבי בזמן בליעה).

תפקידו של הושט להעביר את המזון מהפה אל הקיבה. לושט יש שני סוגרים, עליון ותחתון, שתפקידם להגן על דרכי הנשימה בזמן הבליעה ולמנוע כניסה של הפרשות קיבה חומציות אל הושט. פעילותו של הושט מתחילה בתגובה לגירוי מכני מהלוע בזמן הבליעה ומהרחבת הושט לאחריה. הפעילות מבוקרת באופן בלעדי על ידי מנגנונים נוירולוגיים. בזמן האכילה הסוגר התחתון נפתח על מנת לאפשר את מעבר המזון אל הקיבה. השריר בהיקף הקיבה נעשה רפוי יותר על מנת לאפשר למזון להיכנס בקלות.

אנו נחלק את הקיבה לשניים מבחינה תפקודית: החלק הפרוקסימלי (שקרוב לושט) והחלק הדיסטלי (שרחוק מהושט).

הנוזל שמופרש לתוך הקיבה נקרא "מיץ הקיבה" (gastric juice) והוא מהווה תערובת של ההפרשות השונות מתאי הקיבה ומהבלוטות שלה.אחת ההפרשות החשובות ביותר היא החומצה. תפקידה של החומצה הוא להפעיל פרוטאזות – אנזימים מפרקי חלבון, ולמנוע התיישבות והתרבות של חיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים שנמצאים באוכל. בנוסף, מופרשים חומרים שתפקידם להגן על תאי הקיבה מההפרשות האחרות שעשויות לפגוע בהם. ההפרשה החיונית היחידה של הקיבה היא ה-Intrinsic Factor – חלבון שחיוני לספיגה נורמלית של ויטמין B12. הבקרה על הפרשות הקיבה היא בעיקר נוירולוגית על ידי המערכת הפאראסימפתטית שמעודדת אותן – המערכת מופעלת על ידי חישה של גירויים שונים, כמו מתיחה (עקב נוכחות המזון) או גירוי כימי (למשל חומצות אמינו מסוימות במזון). ישנו מנגנון משוב-שלילי שמונע הפרשת חומצה מהחלק הפרוקסימלי של הקיבה כאשר הסביבה בחלק הדיסטלי שלה נעשית חומצית מדי.

חלק מתהליכי העיכול מתחילים בקיבה, אך הם אינם חיוניים לעיכול המלא של המזון – תהליכי העיכול במעי מספיקים לשם כך. למשל, עד 20% מהחלבון בארוחה יכול להתפרק בקיבה, אך הפירוק בקיבה אינו חיוני ויכול להתבצע בהמשך על ידי פרוטאזות במעי. ישנו פירוק קטן מאוד של פחמימות על ידי עמילז, למרות שהוא מפסיק להיות פעיל בסביבה החומצית של הקיבה – אם העמילז קשור לפחמימה, הוא לא מפורק וכך מתאפשרת פעילות מינימלית שלו. בקיבה מופרשות ליפאזות שמתחילות את פירוק השומנים ויכולות לפרק עד 10% מהשומן בארוחה – גם במקרה זה, הפעילות אינה חיונית לעיכול מלא.

החלק הפרוקסימלי של הקיבה משמש כמאגר זמני למזון ונעשה בו ערבוב ראשוני של המזון עם מיצי הקיבה. בתור מאגר, השרירים בו רפויים יחסית -  כאשר הם מתכווצים המזון נדחף הלאה וריקון הקיבה מזורז. החלק הדיסטלי של הקיבה חשוב בערבוב וגריסת תכולת הקיבה והעברת המזון דרך סוגר הקיבה אל התריסריון – החלק הראשון של המעי הדק.

חלק זה של מערכת העיכול מהווה את אתר הספיגה המרכזי. באתר זה הארוחה מעורבבת עם מגוון הפרשות שמאפשרות עיכול וספיגה, ותנועתיות המעי משמשת כדי לוודא ערבוב מספיק וחשיפה של תכולת המעי לאיזור הספיגה. מאפיין חשוב של המעי בהקשר הספיגה הוא שטח הפנים שלו – זהו צינור ארוך ומפותל שבתוכו ישנן שלוחות בצורת אצבעות שמורכבות מתאים והתאים עצמם בעלי שלוחות. מטרתן של השלוחות להגדיל את שטח הפנים, כך ששטח הפנים שמשמש לספיגה הוא עצום.

קצב ריקון תכולת הקיבה (gastric emptying) אל המעי נמצא תחת בקרה ותלוי בהרכב המזון וכמות המוצקים במזון. נוזלים עוברים אל המעי מהר יותר ממוצקים. למוצקים יש פרק זמן שבו כמעט ואין מעבר למעי ורק לאחריו המזון עובר הלאה – זמן זה נדרש על מנת לגרוס את המזון לחלקיקים קטנים.

כזכור, החלק הפרוקסימלי של הקיבה רפוי יחסית בתחילת העיכול. כך, גם אם סוגר הקיבה יפתח במקרה, לא יעבור מזון רב הלאה אל המעי. על מנת לרוקן את תכולת הקיבה אל המעי יש צורך בכיווץ של החלק הפרוקסימלי, התכווצויות חזקות יותר בחלק הדיסטלי ופתיחה של הסוגר. כאשר מזון מתחיל להכנס למעי הדק, הוא מבקר את מעבר שאר המזון מהקיבה אל המעי במנגנונים הורמונליים ונוירולוגיים על פי מאפיינים כימיים ופיסיקליים של המזון (למשל, סביבה חומצית בתריסריון תוביל לעיכוב ריקון הקיבה). כאשר המזון נדחף הלאה אל המשך המעי, העיכוב על ריקון הקיבה מפסיק וכך משתחרר מזון נוסף והתהליך חוזר על עצמו. מטרת התהליך היא לאפשר עיכול וספיגה מקסימליים של המזון.

רוב המזון שאנו אוכלים מורכב ממולקולות גדולות שלא ניתן לספוג. לכן, יש לשבור את המולקולות האלה למרכיבים קטנים יותר שיוכלו להיספג על ידי אנזימים. מקורם של רוב האנזימים הללו הפועלים במעי הוא הלבלב. הלבלב מפריש חומרים נוספים שחיוניים לעיכול נורמלי, למשל חומרים שמנטרלים את חומצות הקיבה ויוצרים סביבה ניטרלית במעי – האנזימים יכולים לפעול רק בסביבה ניטרלית, וסביבה חומצית עשויה לפגוע בתאים בדופן המעי. הפרשה חשובה נוספת אל חלל המעי היא המרה. המרה מופקת על ידי הכבד ומאוחסנת בכיס המראה, משם היא מופרשת בתגובה לארוחה. יש לה תפקיד חשוב בעיכול וספיגת שומנים, כפי שנראה בהמשך.

חלק ניכר מפירוק הפחמימות מתבצע במעי. גם כאן יש עמילז ובמקרה זה מקורו בלבלב. בנוסף, ישנם מספר אנזימים על דופן המעי שמפרקים את העמילנים והדו-סוכרים ליחידות הבסיסיות: לקטוז מפורק לגלקטוז וגלוקוז על ידי האנזים לקטאז, סוכרוז מפורק לגלוקוז ופרוקטוז על ידי האנזים סוכראז ועוד. תהליכי הפירוק במעי מתרחשים בקצב מהיר למדי ודורשים דקות ספורות.

לאחר פירוק הפחמימות לסוכרים בודדים, ניתן לספוג אותם אל זרם הדם דרך תאי המעי. רוב הספיגה מתרחשת בחלקים הראשונים של המעי הדק. המונוסכרידים היחידים שנספגים בצורה טובה הם גלוקוז, גלקטוז ופרוקטוז. הסוכרים לא יכולים לעבור את ממברנות התאים ולכן על פני תאי המעי, בצד הפונה לחלל המעי, ישנם שני סוגי נשאים: נשאי GLUT5 שמאפשרים מעבר של פרוקטוז בדיפוזיה מזורזת לתוך תאי המעי ונשאי SGLT שמאפשרים מעבר של גלוקוז וגלקטוז בצימוד למעבר של מולקולות נתרן. לאחר המעבר בתאי המעי, המולקולות יוצאות אל זרם הדם באמצעות נשא GLUT2.

מונוסכרידים ודיסכרידים נספגים לגמרי במעי הדק; לעומת זאת, 6-10% מהעמילן לא נספגים במעי ומגיעים אל המעי הגס, שם הם מספקים אנרגיה לחיידקי המעיים. חיידקים המעיים יוצרים מהעמילנים חומצות שומן קצרות המזינות את תאי המעי הגס. הסיבים התזונתיים גם הם יכולים לעבור פירוק על ידי חיידקי המעי ולספק אנרגיה לתאים ולכן יש לסיבים ערך קלורי מסוים למרות שהגוף שלנו לא מפרק אותם באופן עקרוני.

פרוטאזות מהלבלב ממשיכות את פירוק החלבון והן למעשה החשובות בתהליך הפירוק – הן מאוד פעילות ומפרקות את החלבונים לפפטידים קטנים במהירות רבה. פרוטאזות אלו מופרשות בצורה לא פעילה ועוברות הפעלה על ידי אנזימים במעי.
על פני תאי המעי ישנם מספר פפטידזות – אנזימים שמפרקים פפטידים, בדומה לפרוטאזות שמפרקות חלבונים. תוצרי הפירוק של הפרוטאזות והפפטידזות הם פפטידים קצרים וחומצות אמינו. דיפפטידים (2 חומצות אמינו), טריפפטידים (3 חומצות אמינו) וחומצות אמינו בודדות נספגים לתוך תאי המעי באמצעות נשאים. די/טרי-פפטידים נספגים בצימוד לכניסת פרוטונים לתאי המעי וחומצות אמינו בודדות נספגות בדיפוזיה או בצימוד לכניסת יוני נתרן. ספיגת הדי/טרי פפטידים טובה מזו של חומצות האמינו הבודדות. בתוך תאי המעי, הפפטידים הקצרים מפורקים לחומצות אמינו בודדות. חומצות האמינו עוברות מתאי המעי אל זרם הדם ומשם יכולות להגיע אל התאים. קצב עיכול וספיגת החלבון הוא נמוך למדי ועומד על 1.3-10 גרם לשעה, כך שצריכת כמות גדולה של חלבון תגרום לספיגתו לאורך זמן.

השומן מפונה אל המעי בקצב המאפשר את פירוקו וספיגתו ולכן שומן מעכב את ריקון הקיבה – כאשר שומן נכנס למעי, המעבר מהקיבה מעוכב.

ליפאזות המעי פועלות בסביבה מימית ולכן קיימת בעיה בגישה שלהן אל השומן – הן יכולות לפרק שומן רק בנקודות המגע של טיפות השומן עם המים. הפתרון הוא הגדלת שטח הפנים של טיפות השומן עם הסביבה המימית של המעי באמצעות מלחי מרה. כמות הליפאזות גבוהה מאוד – למעשה, יש במעי מספיק ליפאזות על מנת לפרק את צריכת השומן היומי שלנו תוך 1-2 דקות.

לאחר הפירוק, חומצות שומן חופשיות או גליצרול עם חומצת שומן אחת בעמדה השניה שלו (2-מונוגליצריד) נכנסים אל תאי המעי – בעיקר בדיפוזיה כיוון שהם יכולים לחצות בקלות את הממברנה השומנית של התאים. לאחר הכניסה לתאי המעי, הם מורכבים חזרה לטריגליצרידים ועוזבים את תאי המעי דרך מערכת הלימפה ומשם חזרה אל מערכת הדם בצורת כילומיקרונים – צברי ליפידים שונים (בעיקר טריגליצרידים אך גם כולסטרול, פוספוליפידים ועוד) שעל פניהם חלבונים המכונים אפוליפופרוטאינים.

בנוסף, מתרחשים תהליכי ספיגה של מים ואלקטרוליטים במעי במנגנונים שלא נדון בהם כאן. הספיגה מתרחשת במנגנונים אקטיביים (שדורשים אנרגיה) ובמנגנונים פאסיביים (שפועלים על פי הפרשי ריכוזים ועל פי כוחות משיכה חשמליים).

הספיגה במעי הדק יעילה ביותר. באדם בריא, 95-97% מהמזון הנצרך נספג.

זהו האזור האחרון של מערכת העיכול. כאן מתקיימים עיכול וספיגה של חומרים שלא ניתן היה לקיים בחלקים קודמים של מערכת העיכול, ספיגה של נוזלים שנותרו במערכת העיכול ואחסון של תוצרי הלוואי של הארוחה עד לפינויים מהגוף בצואה. קיימים חיידקים רבים במעי הגס בעלי מספר תפקידים: עיכול של חומרים שאנו לא יכולים לעכל (כמו סיבים תזונתיים), תפקיד במטבוליזם של חומרים שונים כמו תרופות ומלחי מרה, הגנה על המעי הגס ממיקרואורגניזמים אחרים שיכולים לגרום למחלה. ישנן ראיות שלחיידקי המעי יש גם תפקיד בהתפתחות תקינה של תאי האפיתל במעי הגס.

לאחר שהמזון מגיע אל זרם הדם הוא יכול להגיע אל תאי הגוף השונים.

הכילומיקרונים מפונים מהדם במהירות. כאשר הם מגיעים לנימי הרקמה השומנית, הלב והשרירים הטריגליצרידים מפורקים שוב על ידי ליפאזה נוספת, עוברים דרך דופן הנים אל הרקמה ושם נאגרים מחדש כטריגליצרידים תוך-תאיים.

ההורמון העיקרי שנזכיר בהקשר זה הוא אינסולין. לאחר האכילה מופעלים בעיקר מסלולים אנבוליים (=בונים) שמטרתם לאגור אנרגיה. צריכת מזון גורמת לשחרור אינסולין – הוא לא מופרש רק בתגובה לגלוקוז, אלא גם בתגובה לחומצות שומן ולחומצות אמינו מסויימות.

פעולותיו של אינסולין משפיעות על מספר רקמות:
 *הכבד מגביר את ייצור הגליקוגן (מאגרי הפחמימות) עד שמאגריו (80-100 גרם גליקוגן) מתמלאים. שימוש בשומן לאנרגיה בכבד, פירוק גליקוגן וייצור גלוקוז כולם מדוכאים כיוון שיש מספיק גלוקוז ומקורות אנרגיה מהארוחה. עודף גלוקוז שאין לכבד צורך בו למילוי הגליקוגן או להפקת אנרגיה יכול לפנות למסלול יצירת שומן – חשוב לציין שזה מסלול מאוד יקר מבחינה אנרגטית וכמות השומן שיכולה להווצר מגלוקוז נטו ביום היא קטנה, גם בצריכת גלוקוז גבוהה.
*השריר מגביר את השימוש בגלוקוז לאנרגיה ואת ייצור הגליקוגן. היחס בין הגלוקוז בו יעשה שימוש להפקת האנרגיה לבין הגלוקוז שיאוחסן כגליקוגן תלוי בפעילות הגופנית. אינסולין גורם לנשאי גלוקוז הנקראים GLUT4 לנדוד מפנים התא אל ממברנת התא וכך מתאפשרת כניסת הגלוקוז לתא.
 *תאי השומן יכולים גם הם להשתמש בגלוקוז לאנרגיה ובדומה לכבד, יכולים לייצר שומן מהגלוקוז. אינסולין גורם לתאי השומן לקבל אליהם חומצות שומן. בנוסף, אינסולין מעכב את הליפוליזה בתאי השומן. גם כאן הגלוקוז נכנס באמצעות נשאי GLUT4 באותו המנגנון.
 *סינתזת חלבונים – אינסולין מגביר ייצור החלבונים בשריר וברקמת השומן על ידי הגברת כניסת חומצות אמינו לתאים והגברת ייצור החלבון בתאים. מעבר לכך, אינסולין מונע פירוק חלבון.