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Metabolismo Ruminal Palacios A, Zeinsteger P.

Realizado por: Dr. Alejandro Palacios Dr. Pedro Zeinsteger CURSO DE BIOQUÏMICA

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Metabolismo Ruminal Generalidades En los animales policavitarios (bovinos, ovinos, caprinos, camélidos, etc.) el estómago ocupa las tres cuartas partes de la cavidad abdominal y se encuentra dividido de la siguiente manera: 1. Rumen, también conocido como panza o herbario 2. Retículo, redecilla, bonete o red 3. Librillo, salterio u omaso 4. Estómago verdadero, cuajo o abomaso

El rumen, retículo y librillo se denominan proventrículos o preestómagos, debido a que en sus paredes no existe una mucosa glandular (no secretan sustancias digestivas) sino un epitelio escamoso estratificado aglandular. Por el contrario, el cuajo posee una mucosa glandular.

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La disposición de los preestómagos y el cuajo adquieren proporciones definitivas (en el caso de los bovinos) a los 2 años de edad, debido a que el ternero al nacer se comporta como un animal monocavitario, puesto que la leche pasa directamente del esófago al cuajo por medio de la gotera o escotadura esofágica, evitando así a los preestómagos que en el animal lactante no presentan funcionalidad. La gotera esofágica se cierra por el reflejo de succión, el cual se va perdiendo a medida que el animal crece, lo que permite que los alimentos comiencen a ingresar a los preestómagos y de esta manera comienzan a tomar funcionalidad. Cuando el ternero nace, el cuajo representa el doble del tamaño que tienen el retículo y el rumen juntos; a los tres meses, retículo y rumen son el doble del cuajo; y ya a los cuatro meses estos dos proventrículos son el cuádruple del librillo y el cuajo juntos. En un animal adulto y cuando su desarrollo ha finalizado, el volumen del rumen en los bovinos es de 80 a 120 litros (dependiendo de la raza), mientras que en los ovinos alcanza un término medio de 15 litros. Así, en el animal adulto el rumen representa un 80% de las cavidades, la red un 5%, el librillo 7% y el cuajo 8%.

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El principal glúcido de la ingesta de los policavitarios es la celulosa y para poder aprovecharla recurre a una simbiosis con microorganismos a nivel ruminal, ya que el rumiante carece de un mecanismo enzimático capaz de degradar este homopolisacárido. Estos microorganismos (bacterias, protozoarios y hongos) son adquiridos por contagio cuando el animal comienza a pastorear, ingiriendo vegetales que tuvieron o con la materia fecal de animales adultos. Debido a la acción de estos microorganismos, en el rumen se digieren más del 90% de los vegetales ingeridos. 8

El número de bacterias oscila entre 10 y 10

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por gramo de contenido ruminal,

representando el 98% del total de los microorganismos ruminales, pero volumétricamente se equiparan con los protozoos porque éstos miden de 20 a 200 μm y las bacterias tan solo 2 μm. Considerante que en peso seco la cantidad de bacterias ruminales alcanza en término medio 4 Kg. Existen diferentes especies bacterianas ruminales que dirigen específicamente distintos nutrientes, esto debe ser tenido en cuenta ya que no se puede cambiar abruptamente la dieta de un policavitario debido a que se necesita un período determinado para que los microorganismos se adapten al nuevo alimento. Para que los microorganismos se desarrollen en el rumen deben existir las siguientes condiciones: - Temperatura: 39 – 40ºC - Humedad: 75 – 80% - pH: 5,5 – 7,0 (llegando a extremos de 4,5 y 7,5 se produce la parálisis ruminal y meteorismo o timpanismo secundario debido al acumulo de gas) - Medio anaeróbico - Rápida eliminación de los productos metabólicos formados por la acción de los microorganismos ya sea por absorción ruminal o por pasaje de la ingesta a través del tubo digestivo

El pH ruminal fisiológico varía según el tipo de alimento ingerido y del tiempo en el cual se realizó la última ingesta; algunos de los factores que intervienen son: - Bajan el pH: ácidos grasos volátiles (AGV) y CO . 2

- Suben el pH: NH3 y la saliva.

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La saliva es muy importante en el control del pH ruminal, un bovino produce al día aproximadamente 140 litros y un ovino unos 11 litros en promedio. Los mecanismos de la función salival son los siguientes: a. Regula el pH: el pH de la saliva varía entre 8,1 y 8,5 (contiene especialmente bicarbonato de sodio y fosfatos) por lo tanto es un factor alcalinizante ruminal b. Mantiene la humedad: la glándula parótida en los rumiantes es de secreción continua, de tal manera que además de controlar el pH, mantiene la humedad óptima para el desarrollo de los microorganismos. c. Vehiculiza urea al interior el rumen, factor muy importante en el metabolismo proteico ruminal d. Factor antiespumante: evita que se forme espuma (si esto ocurre se desarrolla un timpanismo primario) cuando se producen ondas de mezclado ruminal, favoreciendo de esta forma la eliminación de los gases por medio del eructo.

Metabolismo ruminal de glúcidos Los glúcidos que son ingeridos por el animal policavitario sufren en el rumen una degradación bacteriana que los transforma en ácidos grasos volátiles (AGV), siendo estos productos de desecho de los microorganismos. Estos AGV serán luego la principal fuente energética de los rumiantes y entre los más importantes se encuentran el ácido acético, propiónico y butírico.

El ácido propiónico (entra al Ciclo de Krebs como Succinil-CoA) es utilizado para formar glucosa mediante la vía de la gluconeogénesis y el ácido acético (se transforma en Acetil-CoA a nivel celular) es derivado para la síntesis de las grasas de la leche.

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El componente glucídico fundamental de los vegetales es la celulosa (también la hemicelulosa) variando su concentración entre un 43% y 80%, dependiendo de la especie forrajera y de la época del año. A medida que el vegetal envejece se va endureciendo (“encañando”) por el depósito de lignina en su superficie (proceso de lignificación), lo que hace que sea menos digestible ya que esta capa no puede ser atacada por los microorganismos ruminales. Como se mencionó anteriormente, los animales policavitarios no poseen un mecanismo enzimático propio para degradar la celulosa, debido a esto aprovechan la simbiosis ruminal con los microorganismos. A las cepas bacterianas capaces de degradar a la celulosa se las denomina celulolíticas. El sistema celulolítico que poseen estas bacterias está constituido por las siguientes enzimas: Celulasas: son enzimas extracelulares que atacan las uniones glucosídicas β 1-4 de la celulosa; encontramos las siguientes: a) Celulasas C1: estas se encargan de atacar las fibras de celulosa nativa variando sus estructuras espaciales, haciendo perder la tensión que tenía la fibra, facilitando así la acción de otras enzimas. b) Celulasas C : cortan en forma desordenada las cadenas y dan como producto x

final celodextrinas de diversos pesos moleculares. c) β-glucosidasas: hidrolizan a los glúcidos de bajo peso molecular (celohexosas, celopentosas, celotriosas). Finalmente, dentro de la bacteria la celulosa (compuesta por dos moléculas de β-Dglucosa) es hidrolizada por la enzima celobiasa a glucosa, siendo esta utilizada por el microorganismo y dando como producto final de esta metabolización bacteriana los AGV citados anteriormente. Cuando un rumiante toma el pienso, este sufre una primera masticación rápida y grosera y luego es deglutido al rumen; es humedecido en la panza, vuelve a la boca por movimientos antiperistálticos para ser delicadamente triturado, proceso llamado rumia o masticación merícica. Ácido acético (67%) Ácido propiónico(19%) Ácido butírico (14%)

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En el rumen las bacterias celulolíticas excavan canales en las paredes fibrosas de los vegetales ingeridos con sus exoenzimas (celulasas) a productos de menor peso molecular. Los microorganismos que cumplen estas funciones son anaeróbicos o anaerobios facultativos. Los fragmentos menores obtenidos por acción de las celulasas son tomados por β-glucosidasas, dando celobiosa y moléculas de glucosa. Por último una endoenzima, las celobiasa, degrada su sustrato (la celobiosa) a dos moléculas de glucosa. Esta hexosa en las bacterias es fosforilada a glucosa-6-fosfato por una hexoquinasa. La glucosa obtenida en el rumen puede ser absorbida en este mismo órgano pero en muy pequeñas cantidades, ya que la mayor parte es tomada por las bacterias, las que la usan para seguir las vías metabólicas ya nombradas, y excretan finalmente productos de su metabolismo que resultan irreversibles para los microorganismos.

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Algunos de dichos productos de excreción bacteriana son: - Ácido láctico - Metano - CO

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- NH3 - AVG Estos últimos, como se mencionó anteriormente, serán utilizados como fuente de energía y síntesis de moléculas por el animal policavitario. Debido a este sistema de utilización de la glucosa, existe una diferencia en la normoglucemia (concentración normal de glucosa en sangre) de los monocavitarios (100 mg%) y un rumiante (aproximadamente 50 mg%), ya que los primeros (y los terneros al nacer) absorben este monosacárido a nivel intestinal mientras que los policavitarios se nutren de los productos de desecho bacteriano ya que estos microorganismos se encargan de tomar la mayor parte de los glúcidos de la dieta. De esto último se desprende que no es posible aumentar la glucemia de un rumiante por la istración oral de glucosa. Una vez absorbidos a través pared ruminal los productos de deshecho bacteriano (ácidos grasos volátiles) llegan a los tejidos del rumiante donde se incorporan al metabolismo.

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Por ejemplo el ácido acético ingresa al Ciclo de Krebs como acetil CoA, pudiendo dar energía o precursores de la síntesis de la grasa de leche (grasa butirosa); el ácido propiónico ingresa al Ciclo de Krebs como succinil CoA pudiendo dar glucosa mediante la gluconeogénesis y también la lactosa de la leche; mientras que el ácido butírico se combustiona fundamentalmente en la pared ruminal produciendo cuerpos cetónicos. Al ingresar como acetil CoA al Ciclo de Krebs al ácido acético se lo considera cetogénico (origen de los cuerpos cetónicos) mientras que al ácido propiónico se lo considera glucogénico ya que puede dar glucosa.

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Metabolismo ruminal de lípidos El metabolismo de los lípidos en el rumiante adulto difiere notablemente de los mamíferos monocavitarios. Una de las diferencias radica en la composición de ácidos grasos de sus respectivas grasas de depósito. En los rumiantes estas grasas son bien conocidas por su dureza, que es debido principalmente al contenido relativamente elevado de ácidos grasos saturados, en comparación con las grasas de depósito de herbívoros no rumiantes como el caballo, el conejo, y demás monocavitarios. Además, la composición de ácidos grasos de las grasas de depósito y de la leche de los rumiantes es independiente de los lípidos presentes en la dieta, en tanto que en los monocavitarios, refleja la composición en ácidos grasos de los lípidos ingeridos. Por otra parte, las grasas de depósito y de la leche de los rumiantes contienen cantidades apreciables de ácidos grasos trans no saturados y pequeñas cantidades de ácidos grasos de cadena ramificada que no se encuentran normalmente en los lípidos de

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los herbívoros no rumiantes. La grasa de la leche contiene además ácidos grasos de número impar de átomos de carbono. La presencia de estos tipos de ácidos grasos, que no se encuentran en los monocavitarios, es debida a la digestión intestinal de las bacterias ruminales. Los rumiantes jóvenes alimentados con dieta láctea tienen requerimiento dietarios de ácidos grasos esenciales, sin embargo cuando se cambia la dieta de leche a alimentos secos y los microbios del rumen comienzan a establecerse, se producen ácidos grasos volátiles, disminuyen la glucosa en sangre (glucemia) y los requerimientos de ácidos grasos esenciales. Los lípidos de la dieta experimentan la hidrólisis e hidrogenación microbiana en el rumen y se produce la síntesis “de novo” de lípidos celulares microbianos. Se ha sugerido que el rumiante parece conservar sus ácidos grasos esenciales más eficazmente que el animal monocavitario. Aún cuando el aporte de ácido linoleico al rumiante sea limitado, este se concentra en mayores cantidades en fosfolípidos y ésteres del colesterol plasmáticos o de depósito. El aporte dietario de ácidos grasos esenciales es considerablemente menor que el de especies monocavitarias. Aunque las adiciones de un 2,5% de grasa en la ración de rumiantes son aceptables, debe tenerse en cuenta que adiciones por encima del 5% pueden interferir en la digestión de la celulosa. Las plantas forrajeras tienen escaso contenido lipídico (4% al 6%), la mayor parte son glicéridos (1,5% a 4%) y además contienen esteroles, ceras y fosfolípidos en baja proporción. Destino de los lípidos en el rumen Los efectos de los microorganismos sobre los lípidos de la dieta son: - Hidrólisis de los triacilgliceroles y los fosfolípidos - Hidrogenación de los ácidos grasos no saturados - Fermentación del glicerol proveniente de los glicéridos y fosfolípidos

Estos procesos ocurren simultáneamente. Los microorganismos del rumen hidrogenan una gran cantidad de ácidos grasos insaturados del tipo 18:2 ó 18:1 a 18:0. Posiblemente los microorganismos de la panza hidrogenan ácidos grasos insaturados como un procedimiento para deshacerse del exceso de H que se acumula durante la 2

fermentación anaeróbica.

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Los protozoos también pueden hidrolizar lípidos vegetales e hidrogenan ácidos grasos. Los microorganismos del rumen pueden hidrolizar los enlaces éster existentes en los lípidos de la alimentación, por consiguiente hidrolizan los triglicéridos hasta ácidos grasos y glicerol y los galactoacilgliceroles los hidrolizan a glicerol, ácidos grasos y galactosa. El glicerol resultante de esta hidrólisis puede ser utilizado de la siguiente manera: - Reutilizarlo para la síntesis de triacilgliceroles y fosfolípidos - Metabolizarlo a AGV (fundamentalmente propiónico)

Los ácidos grasos de cadena larga (de origen vegetal) no sufren degradación apreciable en el rumen, ni se absorben a través de su pared; ocurre lo contrario con los AGV que son rápidamente absorbidos. Los productos de la hidrólisis microbiana (ácidos grasos de cadena larga, monoacilgliceroles, diacilgliceroles) llegan hasta el intestino donde son absorbidos. Los ácidos grasos de cadena impar de átomos de carbono y los de cadena ramificada, provienen de los lípidos bacterianos. Son absorbidos de igual manera que los de cadena lineal y se los encuentra en la grase de la leche, en la piel y en las grasas de reserva. Conclusión Se puede decir que los microorganismos ruminales, además de sintetizar lípidos que luego son utilizados por el animal policavitario, le confieren al tejido adiposo de los rumiantes características particulares debido al proceso de metabolización ruminal. Con la utilización de los AGV el rumiante adquiere aproximadamente el 50% de sus necesidades energéticas. El Sistema Nervioso Central (SNC) no sigue esta regla, sino que obtiene energía a partir del metabolismo de la glucosa, esto es debido a la presencia de la barrera hematoencefálica, la que no permite a la albúmina que transporta a los ácidos grasos ingresar al SNC y poder dar como fuente de energía a los ácidos grasos. Como la mayor parte de los hidratos de carbono son tomados por los microorganismos ruminales, en los policavitarios la gluconeogénesis es más activa que en los animales monocavitarios para poder suministrar por ejemplo energía al SNC o producir lactosa para la leche.

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Metabolismo ruminal de proteínas El metabolismo nitrogenado de los animales rumiantes presenta varias particularidades en comparación con el de los monocavitarios. Esto es debido a la presencia de microorganismos ruminales que proveerán de una fuente rica de proteínas para el policavitario. Las proteínas producidas por los microorganismos son utilizadas por los rumiantes cuando llegan a su abomaso o intestino, siendo hidrolizadas de igual forma que en los monocavitarios. Dichas proteínas tienen dos orígenes: - Provienen de la alimentación (similar a monocavitarios) - Provienen de los microorganismos (característico del rumiante)

Los rumiantes incorporan a su dieta proteínas de origen vegetal, que son de bajo valor biológico y de poca concentración en las pasturas (16%), a excepción de los granos leguminosas, que poseen concentraciones proteicas mayores. El valor biológico de una proteína da idea del contenido de aminoácidos esenciales de misma. La escala de valor biológico es encabezada por la caseína, a la que se le asigna el valor de 100. Con la primera masticación grosera, seguida de la rumia o masticación merícica, el rumiante tritura en forma adecuada los tejidos vegetales ingeridos dando una mayor superficie de o para la acción enzimática de los microorganismos proteolíticos. Esta proteólisis requiere también de un pH adecuado (cercano al neutro) y de la inhibición acuosa de las fibras vegetales. Del total de proteínas ingeridas por el animal, el 60% al 80% son transformadas por los microorganismos ruminales en aminoácidos y NH 3. El amoníaco producido puede ser utilizado por las bacterias de la panza para sintetizar aminoácidos y luego proteínas bacterianas o bien puede ser absorbido a través de la pared ruminal, llegar por vía de la vena portal al hígado y transformarse en urea. La urea formada en el hígado tiene dos destinos posibles: - Ser eliminada por la orina (en forma similar a como ocurre en un animal monocavitario) - Llegar a las glándulas salivales por vía sanguínea y de allí nuevamente al rumen. Esto se denomina circulación rumino-hepático-salival.

De las proteínas alimenticias solo el 20% al 40% escapa a la acción de los microorganismos ruminales y llega al cuajo e intestino como tal para ser digerida, a

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éstas se le suman las proteínas microbianas formadas a partir de aminoácidos provenientes de la degradación de la proteína vegetal o de los aminoácidos sintetizados por las bacterias con el nitrógeno proveniente de la fijación del amoníaco. Esta síntesis bacteriana de aminoácidos es la que diferencia al animal rumiante, que no tendrá requerimientos de aminoácidos esenciales en su dieta. No obstante debe tenerse en cuenta que para la síntesis de aminoácidos azufrados (metionina y cisteina), el animal deberá incorporar compuestos azufrados en su dieta. Las bacterias proteolíticas que actúan degradando las proteínas vegetales poseen enzimas que se pueden clasificar en: - Proteinasas: ubicadas en la pared celular, catalizan la hidrólisis de las proteínas nativas a polipétidos. - Peptidasas: ubicadas también en la pared celular, catalizan la hidrólisis de péptidos de bajo peso molecular. - Dipeptidasas: hidrolizan dipéptidos.

La proteólisis depende también del grado de solubilidad de las proteínas en el líquido ruminal, también influye sobre la degradación ruminal la estructura espacial que tiene la proteína. Por ejemplo, las queratinas no son atacadas en el rumen, las mucoproteínas escasamente, las fosfoproteínas son rápidamente degradadas, la zeína (proteína del maíz) es hidrolizada en el rumen en un 40% - 50%. La acción proteolítica depende de la dieta del animal, de las pasturas y de la zona en que habita. Las bacterias pueden aprovechar los aminoácidos obtenidos de la proteólisis o bien sintetizar nuevos aminoácidos a partir de estructuras derivadas de hidratos de carbono y del amoníaco o por medio de transaminaciones; de esta forma se sintetizan proteínas microbianas que serán luego digeridas en cuajo e intestino. Los aminoácidos provenientes de la degradación de las proteínas entran en la bacteria por transporte activo. Parte de estos aminoácidos se utilizan para la síntesis de proteína bacteriana y el resto es catabolizado (transaminación, desaminación, etc.) dando NH , CO , cetoácidos y AGV que vuelven al líquido ruminal. 3

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La síntesis proteica llevada a cabo por los microorganismos ruminales requiere, además de aminoácidos, energía que es brindada por el suministro de carbohidratos. Dando almidón como fuente energética se observa que aumenta la multiplicación bacteriana y con ello la síntesis de proteínas, pero no se puede aumentar indiscriminadamente el suministro de glúcidos para incrementar la producción de proteínas debido a que se presentan grandes dificultados para regular el pH ruminal. Se ha demostrado que el pH óptico para la actividad proteolítica es de 6,6.

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La relación entre la energía (considerada como la aportada por los glúcidos) y la producción de proteínas, está directamente relacionada con la fertilidad del ganado, la producción de carne y las proteínas de la leche. Los animales con déficit proteico serán de constitución muscular pobre, lo que significará un menor rinde de kilogramos por hectárea y menor ganancia para el productor. Los protozoos ruminales son capaces de sintetizar aminoácidos esenciales como lo hacen los microorganismos que fueron mencionados anteriormente, obteniendo los aminoácidos necesarios para la síntesis de sus propias proteínas de los aminoácidos provenientes de la dieta y por la fagocitosis de bacterias ruminales. Esta fagocitosis bacteriana es importante para el proceso llamado de animalización de las proteínas, mediante el cual las proteínas sintetizadas por las bacterias son asimiladas por los protozoos aumentando su valor biológico y siendo entonces aprovechables por el rumiante. Es interesante resaltar que, si bien esa actividad protozoaria es de importancia, en la actualidad es regulada artificialmente por el suministro de antibióticos (monensina), evitando la excesiva fagocitosis bacteriana, ya que éstas son una fuente de proteínas de buen valor biológico para el animal policavitario y además aportan los diez aminoácidos esenciales requeridos por los mamíferos. Circulación rumino-hepático-salival La degradación proteica en el rumen llevada a cabo por los microorganismos genera amoníaco. Ya que las paredes bacterianas son permeables al mismo, es liberado sin dificultad hacia el líquido ruminal. Cuando el nivel de amoníaco aumenta en la panza, comienza a ser absorbido a través de la pared ruminal, pasando a la sangre y por vena porta es vehiculizado al hígado; finalmente en este órgano se sintetiza urea. Bibliografía Lewis. Fisiología digestiva y nutrición de los rumiantes. Editorial Acribia. Zaragoza, 1962. Church. Fisfiología digestiva y nutrición de los rumiantes. Vol I. Editorial Acribia. Zaragoza, 1974. Mattioli GA, Giuliodori MJ. Fisiología digestiva de los rumiantes. Cátedra Patología Médica, Facultad de Ciencias Veterinarias, Universidad Nacional de La Plata.

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