Monografia quimica organica-Influencia de Biomoléculas en el Crecimiento Microbiano Ruminal

Influencia de Biomoléculas en el Crecimiento Microbiano Ruminal
Silvia F. Campos Hernández, Naomy A. Sánchez Núñez, Martin Millán Ardila
Facultad de Medicina Veterinaria y Zootecnia, Universidad del Tolima
0101: Medicina Veterinaria y Zootecnia
Dr. Giann Carlos Peñaloza Atuesta
24 de marzo de 2022
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Índice
1. Introducción .............................................................................................................. 3
2. El Rumen Y Su Ecosistema Microbiano ................................................................... 4
2.1.
Bacterias ............................................................................................................ 4
2.2.
Protozoos ........................................................................................................... 5
2.3.
Hongos ............................................................................................................... 5
2.4.
Arqueas .............................................................................................................. 5
3. Las Biomoléculas: Carbohidratos, Lípidos y Proteínas............................................. 6
3.1.
Carbohidratos..................................................................................................... 6
3.2.
Lípidos ............................................................................................................... 7
3.3.
Proteínas ............................................................................................................ 8
4. Conclusiones ............................................................................................................ 9
5. Referencias ............................................................................................................ 10
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1. Introducción
La proteína microbiana representa la principal fuente de suministro de proteína
metabolizable (Danielsson R., et. al., 2017). Esta proteína, es absorbida por la dinámica
ruminal para el mantenimiento, crecimiento, reproducción y lactancia en el organismo
ruminal (Castillo L., E. & Domínguez O., M. G., 2019). Es de vital importancia mantener
un equilibrio de la población microbiana ruminal compuesto por, hongos, bacterias,
arqueas y protozoarios, esto con el objetivo de mejorar la taza de fermentación,
degradación y postulo absorción de los nutrientes de los alimentos.
Existen factores que afectan en gran medida el desarrollo óptimo del tracto digestivo de
los animales poligástricos, manifestando eficiencia en la absorción de nutrientes como
carbohidratos, proteínas, lípidos y minerales, si y solo si se tiene un balance en la
concentración de la micro flora ruminal.
Los estudios han comparado el uso de marcadores microbianos convencionales, o
factores que afectan el crecimiento microbiano ruminal (Castillo L., E. & Domínguez O.,
M. G., 2019). Además, informes recientes han evaluado las ecuaciones para predecir el
flujo post-ruminal de proteína microbiana. Sin embargo, hasta donde saben los autores,
no existen estudios que integren los avances recientes y los hallazgos derivados del uso
de técnicas moleculares en la microbiología ruminal, ni que mejoren la comprensión de
los factores que afectan la síntesis de proteína microbiana y su aportación a la proteína
metabolizable, o de los procedimientos adecuados para cuantificarla ruminal (Castillo L.,
E. & Domínguez O., M. G., 2019).
El objetivo de esta investigación, es el de identificar cómo los compuestos de los
alimentos (biomoléculas) pueden afectar esta micro fauna ruminal.
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2. El Rumen Y Su Ecosistema Microbiano
El sistema digestivo de los poligástricos se caracteriza por la cantidad de
cavidades gástricas, en donde se realiza todo un proceso metabólico que pasa por
diferentes fases. Uno de los grupos de animales que son objeto de estudio, son los
rumiantes, en donde encontramos las vacas u ovejas, quienes destacan por su
capacidad de alimentarse de gramíneas (pastos y forrajes), esto puesto que cuentan con
la posibilidad de degradar carbohidratos estructurales (CE) como lo son los que
componen las células vegetales (celulosa, hemicelulosa y pectina), que por el contrario
los monogástricos no pueden degradar ya que su digestión es desarrollada por una sola
cavidad de tipo enzimática, sin las enzimas necesarias para este proceso. Por otra parte,
los rumiantes además de contar con una cavidad enzimática, primeramente, deben
digerir los alimentos por acción fermentativa (Relling, A. E. & Mattioli, G. A., 2003).
Figura 1. Nota. Adaptado de “Principios básicos de la fisiología digestiva en rumiantes” (p.102), por Segura
Canizales, F., 1989. Servicio Nacional de Aprendizaje [SENA].
Como se puede observar en la figura (1), el sistema digestivo de los rumiantes se
compone de rumen-retículo, en donde ocurre el proceso de fermentación; omaso y
abomaso. El rumen es la primera cavidad, un ambiente anaerobio en donde encontramos
un gran ecosistema microbiano con los actores principales de la fermentación como lo
son protozoos, hongos, archeas y bacterias.
2.1.
Bacterias
Estas representan el mayor porcentaje de biomasa en el rumen, con una densidad
de entre 107 – 1010 células/ml de líquido ruminal (Castillo L., E. & Domínguez O., M. G.,
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2019). Se estima que en el rumen hay una variedad de unas 7.000 especies, pero sólo
se tienen registros del 30% de estas (Alvarado V., D., 2020). Dentro de las bacterias
encontramos las celulolíticas, hemicelulolíticas, aminolíticas, bacterias que usan
azúcares, bacterias que utilizan ácidos, bacterias proteolíticas, bacterias productoras de
amonio, bacterias que producen metano, bacterias lipolíticas y bacterias sintetizadoras
de vitaminas. Dentro de estas encontramos que su fuente de energía se basa en
diferentes compuestos orgánicos, como lo son la celulosa, glucosa, xilosa, almidón,
lactato, glicerol y formiato, en donde algunos de estos compuestos son fermentados por
acción enzimática de las mismas, liberando AGV, gracias a las deshidrogenización (DH)
(Grudsky P. R. & Arias B., J., L. 1983).
2.2.
Protozoos
En el rumen se puede encontrar según Del Rosario Blanco, M.- s.f., entre “104 a
106 células/ml de contenido ruminal” (p. 3). Todos los protozoos son anaerobios
estrictos. En su mayoría se encuentran especies ciliadas y flageladas. Una característica
de los protozoos es que no sintetizan proteínas a partir de nitrógeno (N) no proteico y
tampoco degradan celulosa. Sin embargo, estos microorganismos tienen la capacidad
de almacenar hidratos de carbono en forma de polisacáridos somáticos (Del Rosario
Blanco, M.- s.f.).
2.3.
Hongos
Son organismos pequeños flagelados, asociados a las fracciones más lentamente
digeridas de las plantas, ejerciendo como colonizadores iniciales de la lignocelulosa y su
favoreciendo en el incremento de la velocidad en que las bacterias pueden digerir la fibra.
(Castillo L., E. & Dominguez O., M. G., 2019) Se han diferenciado 55 géneros de hongos
en donde los que más predominan según Castillo L., E. & Domínguez O., M. G., (2019),
son “Ascomycota (27%)”, “Basidiomycota (3 %)” y “Neocallimastigomycota (1 %)”.
2.4.
Arqueas
Castillo L., E. & Domínguez O., M. G. (2019) afirma que
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“La población de arquea incluye microorganismos que se creía eran bacterias. Sin
embargo, el análisis molecular de su ADN ha revelado que pertenecen a un dominio
diferente. La densidad de las arqueas en el rumen no ha sido determinada con precisión.
Estos microorganismos desempeñan un papel especial en la eficiencia alimenticia
porque participan en la formación de metano, la cual utiliza dióxido de carbono e
hidrógeno” (párr. 11).
3. Las Biomoléculas: Carbohidratos, Lípidos y Proteínas
Habiendo entendido el rumen y cada uno de los microorganismos, se puede
proceder a identificar las alteraciones que pueden provocar diferentes biomoléculas a
este ambiente microbiano ruminal.
3.1.
Carbohidratos
También conocidos como hidratos (agua) de carbono, se componen de átomos
de carbono, hidrógeno y oxígeno, en una proporción (CH2O)
n.
Los carbohidratos se
dividen en monosacáridos, disacáridos y polisacáridos (Solomon et al., 2013, Parte 3).
A nivel ruminal este compuesto representa para la microbiota una fuente de
energía, se encuentra en la alimentación como carbohidratos estructurales (CE) y no
estructurales (CNE). Para el caso de los CE, como lo son la celulosa y hemicelulosa, se
les considera de difícil degradación, por lo que se requiere de los microorganismos del
rumen para este proceso junto a un proceso de fermentación. Como se muestra en la
siguiente figura (2), debido a la naturaleza de enlace beta 1-4 en la celulosa este
compuesto sólo puede ser degradado a uno más simple con la ayuda de la acción
enzimática de determinados m.o. El objetivo de la degradación es convertir estos
compuestos a unos más simples, como lo son los ácidos grasos volátiles (AGV). Durante
este proceso por acción de la fermentación se genera un medio ácido en el rumen, que
no sólo va a afectar los microorganismos intraruminales, sino que también puede afectar
a el animal. Este cambio a nivel ruminal, se origina cuando la cantidad de materia
orgánica en proceso de fermentación es alta y mayor a la microbiota ruminal, por otra
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parte, se observa que puede desarrollarse un aumento de los AGV que afectan
directamente en el pH. (Van Lier, E., & Regueiro, M., 2008).
Figura 2. Nota Adaptado de “DIGESTIÓN EN RETICULO-RUMEN” (p.7), por Van Lier, E., & Regueiro, M. (2008).
Facultad de Agronomía, Universidad de la República
3.2.
Lípidos
Aunque los lípidos también contienen carbono, difieren con los carbohidratos ya
que su estructura es heterogénea, y se caracterizan por ser solubles en solventes no
polares. Esta propiedad se debe a que en su estructura cuenta con pocos grupos
funcionales que contengan oxígeno, y ya que los grupos funcionales con presencia de
oxígeno se consideran hidrofílicos, en este caso al contar con menos oxígeno se le
confiere su calidad hidrofóbica. Entre los grupos de lípidos biológicamente importantes
están las grasas, los fosfolípidos, los carotenoides (pigmentos vegetales amarillo y
naranja), esteroides y ceras (Solomon et al., 2013, Parte 3).
Los lípidos hacen parte la dieta de los rumiantes, aunque en menor proporción,
estos se encuentran como ácidos grasos insaturados (AGIS) en las plantas. Para la
metabolización de los lípidos entran los m.o. como las bacterias lipolíticas, un ejemplo es
la A. Lypolítica realizando la lipolisis de triglicéridos y usando ribosa, fructosa, glicerol y
lactato como fuente de carbono y energía (Alvarado V., D., 2020).
Alvarado V., D. (2020) afirma que
“la lipólisis da como resultado la liberación de ácido grasos libres (AGL) de los
ésteres para permitir la BH, que es la reducción del número de dobles enlaces en
la cadena de carbono de los AG. Dado que la hidrogenación posterior solo puede
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ocurrir si el resto carboxilo está libre, conociendo que la lipolisis es un paso
necesario dentro de la BH” (p. 12).
Sin embargo, aunque la inclusión de lípidos en la dieta para los rumiantes sea de
ayuda en la proliferación de bacterias lipolíticas y la posibilidad de generar AGL para que
otras bacterias puedan metabolizar, se observa que el exceso de lípidos mayormente los
AGIS pueden, según Alvarado V., D. (2020) “reducir la adhesión y multiplicación de la
población bacteriana celulolíticas, las cuales son responsables de la fermentación de la
fibra y al mismo tiempo afecta la permeabilidad de la membrana microbiana”(p. 4), de
este modo se inhibe la actividad ruminal de bacterias Gram-positivas y también de los
protozoos (Alvarado V., D., 2020).
3.3.
Proteínas
Las proteínas son moléculas compuestas por aminoácidos, los cuales son su
unidad estructural. Comprenden funciones estructurales, de señalización, enzimáticas,
metabólicas y muchas más; lo que las involucra en la gran mayoría de procesos físicos
y químicos de los organismos. En las proteínas se encuentran normalmente unos 20
aminoácidos, cada uno de ellos se identifica por una cadena lateral variable (grupo R)
unida a un carbono alfa, este carbono se caracteriza por ser un carbono asimétrico unido
a un grupo carboxilo (-COOH) y un grupo amino (-NH2) (Solomon et al., 2013, Parte 3).
La proteína digerible en el rumen se obtiene de los alimentos, los efectos que
puede presentar esta proteína en el crecimiento microbiano tiene dos variables, una
positiva y la otra negativa. Esto depende estrictamente de los balances nutricionales,
especialmente entre la fuente proteica y la de carbohidratos, pues si estos se encuentran
en equilibrio, se produce el máximo crecimiento microbiano, observándose mejoras en
la producción de ácidos grasos volátiles (AGV), gases (CH4 y CO2) y NH3. Por el
contrario, si hay un mayor aporte proteico se limita el crecimiento de microorganismos
porque al haber un déficit de energía, se verán obligados a degradar el excedente
proteico para obtenerla. De este modo se presentan altas concentraciones de NH3 en
sustrato ruminal, dando paso a una gran cantidad de urea en el hígado que
posteriormente será eliminada en la orina, lo que resulta en un proceso ineficiente
(Fernández T., G., 2016).
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4. Conclusiones
Los microrganismos que podemos encontrar en el rumen portan un rol muy importante
en la nutrición de rumiantes, en este aspecto podemos ver que las bacterias y
protozoarios aportan mayor cantidad de proteína en el rumen, no obstante, los hongos
no deben de pasar desapercibidos ya que ejercen una tarea de colonizadores
favoreciendo la velocidad con que las bacterias digieren la fibra.
La relación simbiótica-mutualista que se genera entre el animal rumiante y los
microrganismos se podría decir que es la base de toda la actividad metabólica planteada
en el texto. Sin embargo, toda esta acción simbiótica puede verse afectada si se presenta
un mal balance nutricional, por lo que conocer la microbiota ruminal es el pilar
fundamental para reconocer el tipo de alimentación ideal para estos animales
poligástricos. Teniendo todo esto en cuenta es posible identificar cómo las biomoléculas,
que hacen parte de la alimentación del animal, pueden afectar estos microorganismos.
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5. Referencias
Alvarado Vesga, D. (2020). Evaluación de los cambios en la fermentación y la población
microbiana ruminal en machos castrados Nelore alimentados con una dieta alta
en contenido lipídico [Tesis para título de Médico Veterinario, Universidad de
Santander]. Repositorio Institucional – Universidad de Santander.
Castillo López, E. & Domínguez Ordóñez, M. G., (2019). Factores que afectan la
composición microbiana ruminal y métodos para determinar el rendimiento de la
proteína microbiana. Revisión. Revista mexicana de ciencias pecuarias, 10(1),
120-148. https://doi.org/10.22319/rmcp.v10i1.4547
Danielsson R, Dicksved J, Sun L, Gonda H, Müller B, Schnürer A and Bertilsson J (2017)
Methane Production in Dairy Cows Correlates with Rumen Methanogenic and
Bacterial
Community
Structure.
Front.
Microbiol.
8:226.
doi:
10.3389/fmicb.2017.00226
Del Rosario Blanco, M. (s.f.). Bacterias ruminales [Tesina]. Sitio Argentino de Producción
Animal, Repositorio Digital de Acceso Abierto. [PDF]
Fernández Turren, G. (2016). Evaluación de un método in vitro para estimar la
degradabilidad ruminal de los compuestos nitrogenados. [Tesis de Maestría en
Nutrición de Rumiantes, Universidad de La República]. Repositorio Institucional –
Universidad de La República Uruguay.
Grudsky P. R., Arias B., J., L. (1983) Aspectos generales de la microbiología del rumen.
Monografías
de
Medicina
Veterinaria,
Vol.5(2).
-
https://web.uchile.cl/vignette/monografiasveterinaria/monografiasveterinaria.uchil
e.cl/CDA/mon_vet_completa/0,1421,SCID%253D7627%2526ISID%253D410,00.
html
Solomon, E., Berg, L., & Martin, D. (2013). Biología (9.a ed.). Cengage Learning.
Relling, A. E., & Mattioli, G. A. (2003). Fisiología digestiva y metabólica de los
rumiantes. Argentina: UNLP Editorial Edulp, 23-55.
Van Lier, E., & Regueiro, M. (2008). DIGESTIÓN EN RETÍCULO-RUMEN. Facultad de
Agronomía,
Universidad
de
la
República.
http://prodanimal.fagro.edu.uy/cursos/AFA/TEORICOS/Repartido-Digestion-enReticulo-Rumen.pdf