Bioquimica

Generalidades

El rumiante provee los nutrientes que permiten el crecimiento y desarrollo de los microorganismos ruminales. Todo el C, N, P, S y elementos trazas necesarios son aportados por el alimento que consume el animal. También el rumiante contribuye sustancialmente a mantener las condiciones fisicoquímicas apropiadas para este medio fermentativo, por ejemplo; contribuye al control de la temperatura y pH y al control de la dinámica de reciclaje de los compuestos en el rumen.

En respuesta a la entrega de este excelente habitat, los microorganismos proveen de actividades y productos que son esenciales para el animal. El principal aporte son las celulasas microbianas. La celulosa es la más importante fuente de carbono y energía en la dieta del rumiante, pero el animal por sí mismo no produce las enzimas necesarias para digerir la celulosa. Como los microorganismos usan celulosa y otros carbohidratos presentes en las plantas como sus propias fuentes de energía y carbono, ellos aportan gran cantidad de productos (AGV y otros), los cuales son usados por el animal como fuente de carbono y energía.

La planta contiene un 75% de un carbohidrato u otro, la cantidad y distribución dependen de la edad del vegetal, factores del medio y agronómicos y de la especie vegetal en cuestión. Los carbohidratos que se encuentran en los tejidos vegetales son, en su gran mayoría, aptos para ser fermentados en el rumen. Estos son principalmente polisacáridos -celulosa, hemicelulosa, pectinas y almidón- y cantidades menores de una gran variedad de compuestos carbohidratados y sus derivados -glucosa, sucrosa, sacarosa, propilenglicol, xilosa, celobiosa, arabinosa, galactosa, manosa, lactato, glucurunato, piruvato, succinato, citrato, etc.-. De estos carbohidratos, la celulosa es lejos la más abundante, sólo en unas pocas plantas hay una apreciable concentración de disacáridos como la sucrosa.

Degradación de los Carbohidratos en el Rumen

El catabolismo de los polisacáridos implica la degradación extracelular hasta monosacáridos u oligosacáridos de cadena corta, en tanto que el catabolismo intracelular supone la hidrólisis o demolición fosforilativa de los polisacáridos a monosacáridos y ulterior catabolismo del piruvato producido por glicólisis hasta AGV, lactato, succinato, formiato, etanol, CO2, metano e hidrógeno

Figura 4. Vías del metabolismo de los carbohidratos en el rumen.

La habilidad de un microorganismo ruminal para fermentar algún carbohidrato específico es dependiente de la presencia de la enzima requerida para poder utilizar este carbohidrato. Numerosas enzimas han sido aisladas a partir de varias especies bacterianas del rumen, entre ellas, hemicelulasas, celulosas, amilasas, isomaltodextrinasas, alfa galactosidasas, sucrasas, fosforilasas, isomaltasas, etc. Existen algunas enzimas hidrolíticas extracelulares di fusibles, que ejercen su acción a cierta distancia de las colonias bacterianas que las produjeron.

La mayoría de las bacterias, utilizan uno o más tipos de los principales carbohidratos dietéticos de los rumiantes como fuente de energía para su crecimiento. Las que no utilizan estos carbohidratos, utilizan los productos carbohidratados más simples de aquellos o los principales productos finales del metabolismo. Por lo tanto es corriente que exista una considerable superposición de funciones entre las diversas especies bacterianas (también entre especies bacterianas y protozoarias).

Otro punto de interés al respecto, es el grado de versatilidad que presentan las bacterias en cuanto a los compuestos utilizados como fuente de energía. Por ejemplo, el Bacteroides amylophilus obtiene energía únicamente del almidón, sin embargo, varias de las especies más numerosas e importantes son muy versátiles, es el caso de Butyrivibrio y especialmente Selenomonas, que fermentan muchos carbohidratos e incluso algunas cepas además fermentan glicerol y lactato.

Formación de Productos Finales

El metabolismo de las hexosas hasta piruvato por la microflora ruminal, se realiza principalmente por la vía glicolítica, mientras que el de las pentosas presentes en las hemicelulosas ocurre vía síntesis de hexosas por la ruta ciclo de las pentosas.

Del punto de vista del rumiante, los productos finales más importantes son los AGV, los que son absorbidos a través de la pared ruminal a una velocidad similar a su velocidad de producción. Alrededor de un 80% de la energía fermentada en el rumen es convertida en AGV, el resto es perdida como calor y metano.

Las vías terminales que intervienen en la formación de los productos finales de la fermentación de los carbohidratos son muy complejas y entrañan distintos mecanismos de reacción, los cuales conducen desde el piruvato o el fosfoenelpiruvato (productos de la glicólisis), al CO2, metano y ácidos acético, propiónico, butírico y valeriánico. El acetato y el CO2 son producidos, a partir de los carbohidratos, por numerosas especies individuales de microorganismos del rumen, mientras que otras especies los producen a partir de los ácidos propiónico, butírico y valeriánico. Sin embargo, muchas de estas especies individuales también tienen uno o más productos finales tales como succinato, lactato, fermiato, hidrógeno y etanol, que no son productos finales de la fermentación. Es evidente que estos compuestos, con la posible excepción del etanol, son metabolizados ulteriormente por otras especies que dan lugar a los productos finales típicos

La mayor parte del acetato del rumen se produce vía piruvato por dos reacciones generales: 1) descarboxilación oxidativa, que suministra acetato, CO2 e hidrógeno. 2) una reacción que suministra acetato y formiato. En este último caso, el formiato es metabolizado a dióxido de carbono e hidrógeno dentro de las células que lo producen o excretado al líquido ruminal, donde otros microorganismos pueden catabolizar el formiato con producción de CO2 e hidrógeno

Se conocen dos vías generales de producción de propionato en el rumen: descarboxilación del succinato (éste es el principal precursor del propionato) y reducción del lactato, vía acrilato. Los mayores productores de propionato en el rumen son Selenomonas ruminantium y Megasphaera elsdenii

La producción del butirato procede de forma principal vía producción de Acetil CoA a partir del piruvato y del acetato extracelular

El metano del rumen se produce principalmente por reducción de CO2 mediante hidrógeno gaseoso. El formiato también es un muy buen sustrato para la producción de metano por parte de las bacterias metanogénicas.

La contribución de los AGV al metabolismo del rumiante es considerable. Así, el acetato producido en la fermentación ruminal proporciona el mayor porcentaje de la energía requerida por el rumiante, constituye alrededor del 90% de la concentración de AGV en la sangre periférica.

Con respecto al propionato ruminal, sólo un 5%.de este es metabolizado por el epitelio ruminal a lactato, de esta manera la mayor parte del propionato, es transportado al hígado, donde junto a los aminoácidos no esenciales es' la principal fuente de glucosa para el rumiante (vía gluconeogénesis).

El 50% del butirato es metabolizado por el epitelio ruminal. La pequeña cantidad que pasa a sangre periférica es metabolizada en el hígado, dando principalmente Acetil CoA, este compuesto regula la utilización de energía por el rumiante, dado que por su concentración puede limitar la oxidación del propionato hacia Acetil CoA, reservando propionato para gluconeogénesis.

Los Protozoos y el Metabolismo de los Carbohidratos en el Rumen

Holotricos: Estos protozoos metabolizan preferentemente carbohidratos solubles como fuente de energía y carbono.

Los Isotricha fermentan rápidamente glucosa, fructosa, sucrosa, rafinosa, pectina y además ingieren pequeños gránulos de almidón intacto. Sus principales productos son el almacenamiento de amilopectina (como polisacárido de reserva), acetato, butirato, lactato, CO2, hidrógeno y trazas de propionato.

Los Dasitricha son más versátiles en cuanto al metabolismo de los carbohidratos y aparecen fermentando celobiosa, galactosa, maltosa, rafinosa, glucosa, fructosa y sucrosa a gran velocidad y en forma más lenta pectina. Como resultado de este metabolismo, ellos acumulan amilopectina y producen acetato, butirato, lactato, CO2 e hidrógeno. Además, bajo ciertas condiciones aparecen produciendo formiato y metano.

Particularmente son Holotricos los que almacenan polisacáridos de reserva en forma de amilopectina. Durante la fermentación de los carbohidratos exógenos, este material es catabolizado a los mismos productos que los carbohidratos exógenos, pero a menor velocidad. Además, estos protozoos producen mayor cantidad de lactato y menos AG V que los Entodiniomorfos.

Algunos protozoos ingieren tal cantidad de azúcares, que en un momento dado estallan. Al respecto hay dos teorías: Una de ellas afirma que el protozoo sintetiza una cantidad máxima de amilopectina y que sería la acumulación de lactato la causa de que la célula protozoaria reventara. La segunda teoría sugiere que existiría una síntesis incontrolada de amilopectina y esto llevaría a la ruptura de la célula.

Entodiniomorfos: Utilizan muy poco los carbohidratos solubles, sólo en caso de no disponer de alimento particulado. Principalmente ingieren alimento particulado como células bacterianas y vegetales, siendo el almidón su principal fuente de carbono y energía.

Sus productos de fermentación son acetato, butirato, CO2, hidrógeno y pequeñas cantidades de lactato y propionato.

Algunas especies son capaces

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