MATABOLISMO DE HIDRATOS DE CARBONO

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UNIDAD XIII: MICROBIOLOGÍA RUMINAL
El estómago de los rumiantes se caracteriza por encontrarse dividido en
cuatro cavidades diferentes: retículo, rumen, omaso y abomaso. El abomaso es el
único que se caracteriza por ser glandular y es análogo al estómago de los no
rumiantes.
La degradación del alimento en los rumiantes se realiza principalmente por
digestión fermentativa y no por digestión enzimática. Este proceso de digestión
fermentativa (realizada por microorganismos que se ubican en los divertículos
estomacales) le permite al rumiante la degradación de los hidratos de carbono
estructurales, como así también de los demás componentes de la dieta.
El ternero nace con el aparato digestivo adaptado a una dieta láctea, en
ese momento la gotera esofágica se cierra y conecta el esófago con el abomaso,
evitando de esa manera el efecto desfavorable que generaría el paso del alimento
por el rumen. La etapa de transición entre el lactante y el rumiante, implica en el
ternero una serie de cambios en la morfología, función del aparato digestivo,
desarrollo de microorganismos y procesos metabólicos.
Al nacimiento el ternero nace con una flora bacteriana que se desarrolla a
medida que se van desarrollando los divertículos estomacales, la primer semana
se encuentran bacterias celulolíticas, durante las primeras tres semanas aumenta
la flora productora de lactato (debido al escape esporádico de leche desde la
gotera esofágica que produce un descenso de pH en el rumen) y recién a la sexta
semana se encuentran presentes todas las especies propias del animal adulto.
2
3
1
4
Estomago de los rumiantes (1) retículo, (2) rumen, (3) omaso, (4) abomaso
Ecosistema microbiano responsable de la digestión fermentativa
Dentro de los microorganismos responsables de la digestión fermentativa
se encuentran bacterias, protozoos y hongos.
Las bacterias son adquiridas por el animal por contacto directo con otros
bovinos o por contacto indirecto con elementos contaminados, como ser el
alimento o el agua de consumo.
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Las bacterias se pueden clasificar en función de los sustratos que utilizan y
a los productos finales de su fermentación (se debe tener en cuenta que una
misma bacteria puede cumplir más de una función metabólica):
a) Bacterias celulolíticas: fermentan hidratos de carbono estructurales de la pared
celular (celulosa, hemicelulosa y sustancias pécticas), siendo el producto de la
fermentación ácidos grasos volátiles (AGV) (principalmente acetato).
b) Bacterias amilolíticas: fermentan hidratos de carbono de reserva de granos
(almidón), generando principalmente propionato (AGV).
c) Bacterias sacarolíticas: fermentan hidratos de carbono simples y el producto de la
fermentación es butirato (AGV).
d) Bacterias lactolíticas: metabolizan el lactato y producen AGV, especialmente
propionato.
e) Bacterias lipolíticas: metabolizan las grasas y producen ácidos grasos libres y
AGV principalmente propionato.
f) Bacterias proteolíticas: degradan proteínas, resultando de la misma la liberación
de AGV y amoníaco.
g) Bacterias metanógenas: producen metano.
h) Bacterias ureolíticas: hidrolizan la urea produciendo CO2 y amoníaco.
Los microorganismos ruminales actúan en sistemas cooperativos dentro de
un ecosistema muy complejo, donde simplemente sobresale la actividad de
alguna especie, pero la misma depende de las condiciones que establecen en
conjunto toda la biomasa.
Un factor muy importante que regula el desarrollo bacteriano es el pH
ruminal, dentro del rango fisiológico, las bacterias celulolíticas se desarrollan
mejor a pH entre 6,0 y 6,9 mientras que las amilolíticas lo hace a valores de pH
más ácidos (5,5 a 6,0).
La gran importancia que presenta la actividad bacteriana en el rumen es
que son responsables de la mayor parte de la actividad celulolítica y además son
capaces de sintetizar sus proteínas a partir de compuesto nitrogenados no
proteicos, principalmente amoníaco.
Además de las bacterias en el rumen encontramos los protozoos que
constituyen la microfauna ruminal, se desarrollan preferentemente a pH superior a
6 y si bien están siempre presentes no son indispensables para la función ruminal,
ni para la supervivencia del animal. Se adquieren por contacto directo con otros
rumiantes y metabólicamente se diferencian de las bacterias en que poseen
menor actividad celulolítica y son incapaces de sintetizar proteínas a partir de
nitrógeno no proteico (NNP). Una función importante de los protozoos es la de
moderar la fermentación amilolítica, debido a que consumen preferentemente
bacterias amilolíticas y además engloban trozos de almidón, que pasan con el
protozoo al intestino, evitando la fermentación ruminal
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Interacción entre los factores que afectan el pH ruminal
Ración rica en forraje
grosero (alto contenido de
hidratos de carbono
estructurales
Ración rica en concentrado
(alto contenido de almidón)
Largo tiempo de rumia
Corto tiempo de rumia
Alta producción de saliva
Baja producción de saliva
pH ruminal elevado (6 – 6.8)
pH ruminal bajo (5.5 - 6)
Concentración y velocidad
de absorción de AGV bajas
Concentración y velocidad
de absorción de AGV altas
Metabolismo ruminal de los hidratos de carbono
Los hidratos de carbono representan el componente más abundante en la
dieta de los rumiantes. Los principales hidratos de carbono presentes en la dieta
se pueden clasificar en polisacáridos de reserva como el almidón o estructurales
como la celulosa, hemicelulosa y pectinas. El tipo de carbohidrato predominante
va a determinar el desarrollo de los microorganismos adecuados para su
fermentación y el ajuste del pH a su rango ideal.
Los factores que participan en la modificación del pH ruminal son:
a) la saliva (posee un pH de 8,1 a 8,3 que tiende a elevar el pH ruminal), por eso
ante dietas ricas en hidratos de carbono estructurales, aumenta el tiempo de
rumia, con ello aumenta la producción de saliva y por ende el pH ruminal,
alcanzando el valor óptimo para el desarrollo de las bacterias celulolíticas.
b) producción de AGV, cuanto mayor es la producción de AGV más bajo es el pH
ruminal, cuanto más rica es la dieta en concentrados energéticos mayor es la
producción de AGV.
c) absorción de los AGV, la velocidad de absorción de la AGV tiene una relación
directa con su producción y una relación inversa con el pH, con la finalidad de
evitar su acumulación en el rumen.
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El pH ruminal está relacionado al tipo de dieta y al tipo de microorganismos
que se desarrollen, estando también asociado al tipo de AGV producido,
aumentando la proporción de acetato cuando el pH se aproxima a 6,9 y de
propionato cuando se acerca a 5,5. Cuando el pH se aleja de valores fisiológicos
se desarrollan especies bacterianas anormales que alteran el patrón fermentativo,
cuando el pH baja de 5,5 se desarrolla bacterias lactogénicas (generadoras de
lactato) y se produce una acidosis ruminal y por encima de pH 7 el rumen es
colonizado por la flora de putrefacción como Escherichia coli y Proteus spp.
El almidón, presente principalmente en los granos, que son considerados
un alimento concentrado energético debido a que poseen baja concentración de
agua, aportan mucha energía en poco volumen. Al ingresar el almidón con la dieta
es atacado principalmente por bacterias amilolíticas que lo desdoblan para
producir glucosa y AGV (principalmente propionato). La digestibilidad del almidón
en el rumen es elevada y la fracción que pasa al intestino es atacada por la
amilasa pancreática y se absorbe como glucosa.
Almidón
G1P
G6P
Succinato
Fumarato
Succinil CoA
MetilmalonilCoA
Glucólisis
Malato
PropionilCoA
Piruvato
Oxalacetato
Propionato
La digestibilidad del almidón depende de la facilidad con que pueden
acceder a él las bacterias amilolíticas. El almidón se ubica en el grano en el
endosperma y está protegido por dos barreras, por un lado el pericarpo (cubierta
que recubre al grano y prácticamente indigestible para los microorganismos
ruminales) y por una capa proteica gruesa y dura que rodea y aísla
completamente al almidón en el endosperma corneo y es laxa e incompleta en el
endosperma harinoso. Por ello para aumentar la digestibilidad del almidón se
utiliza en la dieta granos partidos, molidos o bien se eligen aquellos granos con
mayor proporción de endosperma harinoso.
Entre los hidratos de carbono estructurales tenemos la celulosa,
hemicelulosa y pectinas. Las uniones glicosídicas de tipo beta no pueden ser
atacadas por las enzimas digestivas, solo pueden ser degradadas por las enzimas
microbianas liberadas por los microorganismos ruminales, lo que representa la
base de la simbiosis entre las bacterias y el rumiante en los procesos
fermentativos.
Los pasos a seguir para la degradación de los hidratos de carbono
estructurales son: a) los microorganismos celulolíticos se adhieren a la superficie
de los fragmentos de fibra vegetal, que ha sido cortada durante la masticación,
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mezclado y rumia, con la finalidad de exponer la pared celular, b) los
microorganismos liberan al medio las celulasas que realizan la digestión
extracelular de la celulosa, produciendo residuos más pequeños, principalmente
celobiosa (glucosa-glucosa con enlaces glicosídicos beta 1-4), c) la celobiosa es
incorporada por la bacteria y atacada por la celobiasa que la desdobla en dos
glucosas, d) la glucosa es utilizada por la bacteria para la producción de energía y
AGV (principalmente acetato) que se libera de la bacteria.
La variabilidad en la digestibilidad de la celulosa y de la hemicelulosa
depende de la cantidad de lignina (estructura muy compleja y de alto peso
molecular). La lignina representa menos del 3% de materia seca en un forraje
tierno y alcanza valores superiores al 15 % en el forraje y no es degradada ni por
las enzimas digestivas del animal ni por las microbianas del rumen, bloqueando
de esa manera el acceso de los microorganismos a los hidratos de carbono de la
pared. Aquí se manifiesta la importancia de los hongos presentes en el rumen,
quienes son capaces de degradar celulosa unida a lignina, debido a la invasión de
las hifas en el interior la cutícula y paredes celulares lignificadas, rompen las
paredes celulares exponiendo los hidratos de carbono estructurales.
Celulosa
Celobiosa
Glucosa
Glucolisis
CO2
Acetato
Acetaldehido
Piruvato
NADH NAD+
Cuando un animal consume forrajes tiernos (por ejemplo un rebrote de
primavera), la relación contenido celular:pared celular es suficientemente alta, se
crean condiciones de fermentación muy diferentes a cuando un animal consume
forrajes maduros con alto contenido de pared celular. En este último caso, el
predominio de hidratos de carbono no solubles (celulosa y hemicelulosa),
conduce al desarrollo de un ambiente celulolítico (pH mayor a 6 y baja producción
y absorción de AGV, con predominio en la formación de acetato). Por el contrario,
cuando el contenido celular es de alta disponibilidad, aun en el caso en que el
animal se alimente de forraje, el aporte de fibra es bajo y las condiciones
ruminales serán semejantes a aquellas de dietas suplementadas con almidón (pH
menor a 6, mayor producción de AGV, con predominio de propionato).
Al ser el ambiente ruminal fuertemente anaeróbico, los microorganismos
para la producción de energía disponen solamente de la glucólisis, produciendo
AGV, ATP y NADH. Los microorganismos utilizan el ATP como fuente de energía
y eliminan los AGV como productos de deshecho. Con la finalidad de oxidar la
segunda glucosa a través de la glucólisis necesitan que el NADH sea nuevamente
oxidado a NAD+. Debido como se dijo anteriormente que el metabolismo
microbiano es anaerobio y por ende no existe una cadena respiratoria como
aceptora de H+, los microorganismos los transfieren a distintos aceptores de H +,
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uno de los aceptores más importantes es el C, dando lugar a la formación de
metano (CH4). Si bien este compuesto es rico en energía, esta no puede ser
utilizada por el rumiante, dado que no poseen una ruta metabólica para su
degradación y se pierde por la vía del eructo, lo que reduce la eficiencia en la
utilización de los hidratos de carbono (la pérdida puede llegar a ser del 18% de la
energía aportada por la dieta).
Las ecuaciones para la producción de los diferentes AGV a partir de la
glucosa son:
Glucosa
2 acetatos + 2 CO2 + 8 H+
Glucosa
butirato + 2 CO2 + 4 H+
Glucosa + 4 H+
2 propionato + 2H2O
Por cada 8 H+ generados por la oxidación de 4 NADH + H+ o 4 FADH2, se
forma 1 metano. Por lo que podemos observar que la formación de metano será
mayor con la producción de acetato, menor con la producción de butirato y la
formación de propionato consume hidrogeniones. Esto demuestra que una dieta
suplementada con almidón es más eficiente desde el punto de vista energético.
Metabolismo de compuestos nitrogenados
La degradación de proteínas a nivel intestinal no presenta diferencias entre
rumiantes y no rumiantes, las proteínas son hidrolizadas por enzimas proteolíticas
dando oligopéptidos, los que son atacados por oligopeptidasas que liberan
aminoácidos, di y tripéptidos, los que son absorbidos.
La gran diferencia se encuentra en que la proteína que llega al intestino del
rumiante es diferente a la ingerida por la dieta, dado que los microorganismos
ruminales degradan más del 50% de la proteína consumida. Debido a la
presencia de proteasas en la membrana de las bacterias, las proteínas son
degradadas a aminoácidos y pequeños péptidos que son absorbidos por el
microorganismo. Una vez absorbidos los péptidos son hidrolizados a aminoácidos
y pueden ser empleados para la síntesis de proteína microbiana, o bien pueden
ser utilizados como fuente de energía. En este caso se separa el grupo amino del
aminoácido y se libera al medio ruminal como producto de desecho y con el αcetoácido resultante lo utilizan para la producción de energía. El grupo NH2
liberado en el ambiente reductor del rumen se convierte en NH4+, por lo que la
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concentración de NH4+, puede ser utilizada como un indicador de la actividad
proteolítica. Los protozoarios tienen mayor actividad proteolítica que las bacterias,
pero debido a que se encuentran en menos cantidad son responsables solamente
del 10 al 20 % de la actividad proteolítica dentro del rumen.
Los protozoos no tienen capacidad de sintetizar proteínas a partir de NH4+ y
dependen de una fuente externa de aminoácidos, como ser la dieta u otros
microorganismos de los que se alimentan. Cuando los protozoos consumen
proteína bacteriana para sintetizar su propia proteína, elevan su valor biológico,
es decir que sintetizan una proteína con cantidad y tipo de aminoácidos más
próxima a la requerida por el rumiante (este proceso se denomina animalización
de las proteínas). Esto es beneficioso para el rumiante, quien finalmente
degradará al protozoario a nivel intestinal y aprovechará sus proteínas. Sin
embargo, los protozoos representan un pequeño porcentaje (alrededor del 10%)
de la biomasa microbiana ruminal y aportan un porcentaje menor de la proteína
microbiana que llega al intestino, dado que utilizan su motilidad para alejarse de la
zona de escape. Además, los protozoos consumen microorganismos que ya son
fuente de proteínas para el rumiante, lo que hace que entre el 30 y 50% del
nitrógeno proteico microbiano se recicle en el rumen.
Los factores que afectan la cantidad de proteína que llega al rumen son: a)
tipo de dieta, una dieta balanceada aporta mayor cantidad de energía lo que
estimula la multiplicación microbiana, aumentando su concentración en el rumen y
por ende su llegada al intestino, b) balance entre cadenas carbonadas y la fuente
de N. Si existe un exceso de nitrógeno, como por ejemplo en los forrajes durante
el otoño (mantienen la concentración de proteínas, pero disminuye
significativamente la de hidratos de carbono solubles) se produce una
acumulación ruminal de amonio (faltan cadenas carbonadas para la síntesis de
proteínas) y ese exceso de amonio produce un aumento de pH ruminal y por ende
una alteración en el funcionamiento del mismo. Además, el exceso de amonio es
absorbido por el rumen y detoxificado en hígado mediante la formación de urea,
con el correspondiente gasto energético para el rumiante.
En la mayoría de las especies la urea se elimina del organismo a través de
la orina (producto de desecho del metabolismo proteico). Los rumiantes, en
cambio, aprovechan la urea como fuente de nitrógeno para los microorganismos
ruminales. La urea llega al rumen secretada con la saliva o directamente a través
de la pared ruminal (difusión simple). Una vez en el rumen es desdoblada por los
microorganismos ureolíticos en CO2 y amoniaco, cerrando el ciclo ruminohepático de la urea.
Esto es importante, cuando la proteína es un elemento costoso de
suplementar, en estos casos el metabolismo ruminal permite reemplazar parte de
las proteínas de la dieta por alguna fuente de nitrógeno no proteico (NNP), como
puede ser la urea. Sin embargo esta alternativa va perdiendo importancia a
medida que el animal aumenta su nivel de producción y por lo tanto aumentan
también sus requerimientos proteicos.
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Metabolismo de lípidos
En alimentos de origen vegetal, se encuentran bajas cantidades de lípidos,
en forrajes frescos se pueden encontrar lípidos celulares (fosfolípidos y
glicolípidos) y de superficie (ceras y cutina que carecen de valor nutritivo)
alcanzando un valor que varía entre 0,5 y 10 % de materia seca (MS). En el caso
de granos de oleaginosas (20 a 40 % de MS), tienen un elevado contenido de
triacilglicéridos. Tanto los forrajes como los granos tienen un elevado porcentaje
de ácidos grasos insaturados, de los cuáles es mínima la cantidad que llega al
intestino delgado, debido a la biohidrogenación que ocurre a nivel ruminal.
Los 4 procesos que ocurren a nivel ruminal con los lípidos son: hidrólisis,
biohidrogenación, saponificación (ocurren siempre y en forma sucesiva) y síntesis
de grasas a nivel ruminal (depende de la cantidad de ácidos grasos consumidos).
a) Hidrólisis: los microorganismos para la hidrólisis de las grasas tienen en la
superficie lipasas bacterianas, por lo cual las bacterias deben adherirse a la
superficie del alimento. Los principales productos liberados de la hidrólisis son
ácidos grasos y glicerol, además de alcoholes aminados (fosfolípidos) y galactosa
(galactolípidos), estos productos son convertidos en AGV que son absorbidos por
la pared ruminal.
b) Biohidrogenación: luego de la hidrólisis, los ácidos grasos insaturados sufren una
hidrogenación microbiana (por bacterias adheridas al alimento), esto es
importante porque los ácidos grasos insaturados alteran la tensión superficial y la
permeabilidad de las membranas bacterianas, perjudicando principalmente a los
microorganismos celulolíticos. Esta biohidrogenación afecta entre el 70 y 90 % de
los ácidos grasos quedando una pequeña proporción que pasa a formar parte del
soma bacteriano, esto constituye una fuente de ácidos grasos esenciales e
insaturados para el rumiante al ser absorbidos por el intestino.
c) Saponificación: debido al pH ácido del rumen los lípidos se saponifican formando
jabones insolubles de Ca++ y Mg++, esto representa la forma en que los lípidos
abandonan el rumen.
d) Síntesis de lípidos: los microorganismos no almacenan lípidos como triglicéridos,
pero si necesitan lípidos para sintetizar sus membranas plasmáticas, para ello
utilizan ácidos grasos que toman del rumen o bien que sintetizan en su soma,
generando una gran variedad de ácidos grasos, algunos de ellos de cadenas
impares y ramificadas, los que al reciclarse en el rumen por muerte bacteriana,
representar un factor de crecimiento importante para otros microorganismos y una
vez absorbidos pueden seguir alguna de las vías comunes a los demás ácidos
grasos (incluso contribuyen a determinar las características organolépticas de la
leche).