BIOCHIMICA DEL RUMINE

APPARATO DIGERENTE DI VARIE SPECIE

APPARATO DIGERENTE DEI RUMINANTI

STOMACO DEI RUMINANTI

RUMINE E RETICOLO i contenuti del reticolo sono continuamente mescolati con il rumine densa popolazione di microrganismi (batteri, protozoi e funghi) fermentazioni La fermentazione microbica produce acidi grassi volatili dalla degradazione della cellulosa ed altri carboidrati Gli acidi grassi volatili rappresentano la maggiore risorsa di energia per il ruminante

RUMINE Condizioni di anaerobiosi Temperatura nel rumine: 38-40°C pH: 5.8-6.8

OMASO Terzo stomaco arrotondato piccolo organo con grande capacità assorbente riciclo di H2O e minerali organo di transizione tra rumine e abomaso è assente negli pseudoruminanti (cammello, lama, alpaca)

ABOMASO Quarto stomaco simile allo stomaco dei non ruminanti (secerne acidi forti e molti enzimi digestivi) materiale che si trova nell’abomaso - particelle di cibo non fermentate - alcuni prodotti finali delle fermentazioni microbiche - microrganismi che crescono nel rumine

(Digestione e assorbimento) CIECO (fermentazione) E GRANDE INTESTINO PICCOLO INTESTINO (Digestione e assorbimento) digestione enzimatica di carboidrati, proteine e lipidi assorbimento di H2O, minerali e prodotti della digestione (glucosio, amminoacidi ed acidi grassi) CIECO (fermentazione) E GRANDE INTESTINO piccola popolazione microbica fermenta i prodotti di digestione non assorbiti assorbimento di H2O e formazione di feci

BIOCHIMICA DEI RUMINANTI Adattati ad utilizzare fibre e azoto non proteico (NPN) Fibre Zuccheri complessi (cellulosa, emicellulosa) - immobilizzati nelle pareti cellulari Popolazione di microrganismi (rumine e reticolo)

CARBOIDRATI CONTENUTI NEI VEGETALI Zuccheri semplici (glucosio, fruttosio) Carboidrati con funzione di riserva (amido) Carboidrati con funzione strutturale (cellulosa ed emicellulosa)

POLISACCARIDI VEGETALI AMIDO: principale forma di riserva di glucosio nei vegetali. Costituito da amilosio (a -1,4 glicosidici) e amilopectina (a -1,6 glicosidici). Costituente delle graminacee. CELLULOSA: omopolisaccaride a catena lineare di glucopiranosio (b-1,4 glicosidici). Sostanza di struttura della parete cellulare dei tessuti vegetali. EMICELLULOSA: eteropolisaccaride di elevato peso molecolare, costituito da glucosio, galattosio, mannosio.

BATTERI DEL RUMINE Cellulosolitici: idrolizzano la cellulosa Emicellulosolitici: idrolizzano l’emicellulosa Amilolitici: idrolizzano l’amido Batteri che fermentano gli zuccheri: numerosi lattobacilli Produttori di acidi organici: producono acido lattico, acetico e butirrico Metanogenici: producono metano Lipolitici: idrolizzano i trigliceridi Proteolitici: idrolizzano le proteine

BATTERI DEL RUMINE Ambiente adatto alla crescita microbica assenza di ossigeno - permette ai microrganismi di degradare la cellulosa in glucosio - i microrganismi fermentano il glucosio per ottenere energia e producono acidi grassi volatili (VFA) - i VFA attraversano il rumine e diventano le maggiori risorse di energia per il ruminante

BATTERI DEL RUMINE Crescita microbica ruminale Usano ammoniaca o urea come risorsa di N per sintetizzare gli amminoacidi Le proteine sintetizzate nel rumine vengono digerite nel piccolo intestino

PROTOZOI DEL RUMINE CILIATI Olotrichi: assimilano i glucidi solubili trasformandoli in amido, degradano le pectine, producono acido acetico, butirrico e lattico Entodiniomorfi: utilizzano amido, cellulosa ed altri polisaccaridi

PROTOZOI DEL RUMINE Compaiono nel rumine non prima della II settimana di vita e persistono nel rumine in dipendenza della disponibilità di batteri e funghi La densità varia in funzione della: - dieta - tempo d ritenzione del cibo nel rumine - tipo e numero di pasti giornalieri - condizioni fisico-chimiche del rumine Il numero massimo si raggiunge con una dieta ricca di fibre

FERMENTAZIONE DEI CARBOIDRATI Azione degli enzimi idrolitici sugli oligo- e polisaccaridi Metabolismo dei monosaccaridi che, a secondo del tipo di batteri, avviene attraverso: - VIA DI EMBDEN, MAYERHOF E PARNAS - VIA DEL PENTOSO-FOSFATO - VIA DI ENTNER-DOUDOROFF - VIA FOSFOCHETOLASICA Destino del piruvato, da cui si può formare acido formico, acido acetico, acido propionico, acido butirrico, etanolo e acido lattico

Degradazione dei polisaccaridi ad acido piruvico nel rumine

GLICOLISI Glucosio esochinasi 1 6-fosfato glucosio 6P isomerasi 2 Fruttosio 1,6-bisfosfato Diidrossiacetone fosfato(DHAP) Gliceraldeide 3-fosfato (GP) 1 2 3 4 5 esochinasi glucosio 6P isomerasi fosfofruttochinasi aldolasi triosofosfato isomerasi

GLICOLISI Glicolisi anaerobia produzione netta di 2 ATP 3-acido fosfoglicerico 2-acido fosfoglicerico Acido fosfoenolpiruvato (PEP) 6 7 8 9 10 Acido piruvico gliceraldeide 3P deidrogenasi 1,3-acido difosfoglicerico fosfoglicerato chinasi fosfogliceromutasi enolasi piruvato chinasi Glicolisi anaerobia produzione netta di 2 ATP

VIA DEL PENTOSO-FOSFATO glucosio 6P deidrogenasi esochinasi lattonasi fosfogluconato deidrogenasi ribosio fosfato isomerasi ribulosio fosfato epimerasi transchetolasi transaldolasi

1. Fase ossidativa Equazione complessiva: Glucosio-6-fosfato Glucosio-6-fosfato deidrogenasi 6-Fosfo-glucono-d-lattone Lattonasi 6-Fosfogluconato 6-Fosfogluconato deidrogenasi D-Ribulosio-5-fosfato Fosfopentosio isomerasi D-Ribosio-5-fosfato Equazione complessiva: Glucosio-6-fosfato + NADP+ + H2O Ribosio-5-fosfato + CO2 + 2 NADPH

2. Fase non ossidativa TPP TPP

VIA DEL PENTOSO-FOSFATO Produzione di NADPH, necessario per le biosintesi riduttive Produzione di intermedi necessari alla sintesi di coenzimi e nucleotidi

enzimi della via del pentoso-fosfato fosfogluconato deidratasi VIA DI ENTNER-DOUDOROFF esochinasi enzimi della via del pentoso-fosfato fosfogluconato deidratasi aldolasi Produzione netta di 1 molecola di ATP

VIA FOSFOCHETOLASICA Fosfochetolasi Acetato chinasi Acetato + ATP

VIA FOSFOCHETOLASICA I batteri che utilizzano questa via non hanno la fosfofruttochinasi, l’aldolasi e la triosofosfato isomerasi Possiedono la fruttosio 6-fosfato fosfochetolasi e la fosfochetolasi L’acetilfosfato mediante l’acetato chinasi forma acetato ed ATP L’acetilfosfato in presenza di NAD(P)H può ridursi ad acetaldeide e poi etanolo

DESTINO DEL PIRUVATO

ACIDI GRASSI VOLATILI PRODOTTI DALLE FERMENTAZIONI RUMINALI Acetico CH3-COOH Propionico CH3-CH2-COOH Butirrico CH3-CH2-CH2-COOH

ACIDI GRASSI VOLATILI La percentuale di acidi grassi volatili formati: acido acetico (55-65%) acido propionico (25-30%) acido butirrico (10-15%) acido acetico foraggi (ricchi di fibra lentamente fermentata) acido propionico concentrati (ricchi di amido rapidamente fermentato) acido butirrico zuccheri solubili

UTILIZZAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI VOLATILI DA PARTE DEI RUMINANTI Acetato e propionato trasportati al fegato Acetato in acetil-CoA Propionato in glucosio nel fegato Butirrato trasformato nella parete ruminale in corpi chetonici

PRODUZIONE DI ACIDO ACETICO 1) Sistema clostridiale fosforoclastico 2) Sistema formiato fosforoclastico

PRODUZIONE DI ACIDO ACETICO 1) Sistema clostridiale fosforoclastico

PRODUZIONE DI ACIDO ACETICO 2) Sistema formiato fosforoclastico

PRODUZIONE DI ACIDO PROPIONICO VIA DELL’ACRILATO 1 2 3 1 1. CoA-transferasi 2. Lattil-CoA-deidratasi 3. Acrilil-CoA-deidrogenasi

Produzione di acido propionico - via del succinato 1 1 1 1 2 3 1. Enzimi del ciclo di Krebs 2. Enzima B12-dipendente 3. Metilmalonil CoA transcarbossilasi

PRODUZIONE DI ACIDO PROPIONICO Con diete a sufficiente contenuto di fibre, entrambe le vie di formazione del propionato sono operative Diete carenti di Co (costituente della vitamina B12) fanno prevalere la via dell’acrilato

PRODUZIONE DI ACIDO BUTIRRICO

Fermentazione lattica Piruvato Acido lattico lattato deidrogenasi

Fermentazione alcolica Piruvato Etanolo Acetaldeide alcool deidrogenasi piruvato decarbossilasi

LIPIDI Idrolisi Catabolimo costituenti lipidici i lipidi vengono idrolizzati nel rumine da specifici enzimi, in grado di metabolizzare sia i lipidi polari che apolari acidi grassi liberi bioidrogenazione Catabolimo costituenti lipidici Il glicerolo ed il galattosio provenienti dalle strutture lipidiche vengono catabolizzati ad acidi grassi volatili

METABOLISMO DEGLI ACIDI GRASSI A CATENA LUNGA i batteri del rumine sintetizzano gli acidi grassi saturi ed effettuano la bioidrogenazione degli insaturi i protozoi sintetizzano gli acidi grassi poliinsaturi

Nel rumine i lipidi introdotti con la dieta vengono rapidamente idrolizzati producendo acidi grassi insaturi che possono subire bioidrogenazione ad opera dei microrganismi presenti nel rumine. In questo modo i ruminanti assorbono soprattutto acidi grassi saturi e gli alimenti derivanti da questi animali contengono acidi grassi saturi.

PROTEINE Proteolisi Catabolismo degli amminoacidi i microrganismi ruminali possiedono enzimi che compiono l’idrolisi delle proteine della dieta Catabolismo degli amminoacidi l’azoto derivato dal catabolismo degli amminoacidi rientra nel “pool” dell’ammoniaca, mentre la catena carboniosa appartiene al “pool” degli acidi grassi volatili Degradazione dell’azoto non amminoacidico - Amminozuccheri, basi puriniche e pirimidiniche, urea, nitrati, etc. - L’urea dà luogo alla produzione di NH3 - Altri composti organici con N possono formare acidi grassi volatili, CO2 e NH3. Xantina, acido urico e guanina sono completamente demoliti; adenina ed ipoxantina sono più resistenti

DIGESTIONE RUMINALE DELLE SOSTANZE AZOTATE

METABOLISMO DELLE SOSTANZE AZOTATE

METABOLISMO DELLE SOSTANZE AZOTATE

ASSIMILAZIONE DELL’AMMONIACA Le proteine al rumine sono demolite dai microrganismi in peptidi, amminoacidi ed ammoniaca L’azoto non proteico e l’ammoniaca del rumine sono utilizzati per la sintesi di proteine ed amminoacidi I processi di organicazione dell’ammoniaca avvengono tramite la L-glutammicodeidrogenasi (per sintetizzare acido glutammico), la glutamminasintetasi (per formare glutammina) e la carbamil fosfato sintetasi (per formare pirimidina)

ASSIMILAZIONE DELL’AMMONIACA Glutammico-deidrogenasi NAD+ (o NADP+)-dipendente Glutammina sintetasi Carbamil fosfato sintetasi Aspartasi

SINTESI “DE NOVO” DI AMMINOACIDI gli amminoacidi nel rumine provengono o dall’alimentazione o dalla sintesi de novo solo i batteri ruminali e non i protozoi sono capaci di sintetizzare gli amminoacidi essenziali

SINTESI DI POLISACCARIDI i microrganismi presenti nel rumine sintetizzano o conservano glucidi utilizzabili nella digestione intestinale i microrganismi presenti nel rumine sintetizzano amidi somiglianti all’amilopectina

SINTESI DI VITAMINE i batteri del rumine sintetizzano le vitamine idrosolubili, in particolare la biotina, la vitamina B12, l’acido folico, l’acido nicotinico, l’acido pantotenico, la piridossina, la riboflavina, la tiamina i batteri del rumine sintetizzano tra le vitamine liposolubili la vitamina K

PROCESSI DI DETOSSIFICAZIONE NEL RUMINE I microrganismi del rumine: metabolizzano alcune sostanze tossiche naturali o artificiali sono in grado di detossificare i pesticidi effettuano la dealogenazione del DDT a DDD detossificano gli insetticidi organofosforici come il Parathion