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

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 ( -1,4 glicosidici) e amilopectina ( -1,6 glicosidici). Costituente

delle graminacee.

• CELLULOSA: omopolisaccaride a catena lineare di glucopiranosio (-

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

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

BATTERI DEL RUMINE

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

• 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

PROTOZOI DEL RUMINE

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

Glucosio6-fosfato

Fruttosio6-fosfato

Fruttosio1,6-bisfosfato

Diidrossiacetonefosfato(DHAP)

Gliceraldeide 3-fosfato(GP)

1

2

3

4

5

esochinasi

glucosio 6P isomerasi

fosfofruttochinasi

aldolasi

triosofosfato isomerasi

3-acido fosfoglicerico

2-acido fosfoglicerico

Acido fosfoenolpiruvato (PEP)

6

7

8

9

10

Acido piruvico

1,3-acido difosfoglicerico

gliceraldeide 3P deidrogenasi

fosfoglicerato chinasi

fosfogliceromutasi

enolasi

piruvato chinasi

• Glicolisi anaerobia produzione netta di 2 ATP

GLICOLISI

VIA DEL PENTOSO-FOSFATO

glucosio 6P deidrogenasiesochinasi

lattonasi

fosfogluconato deidrogenasi

ribosio fosfato isomerasi

ribulosio fosfato epimerasi

transchetolasi

transaldolasi

1. Fase ossidativa

Equazione complessiva:

Glucosio-6-fosfato + NADP+ + H2O Ribosio-5-fosfato + CO2 + 2 NADPH

Glucosio-6-fosfato deidrogenasi

Lattonasi

6-Fosfogluconato deidrogenasi

Fosfopentosio isomerasi

Glucosio-6-fosfato

6-Fosfo-glucono--lattone

6-Fosfogluconato

D-Ribulosio-5-fosfato

D-Ribosio-5-fosfato

2. Fase non ossidativa

TPP

TPP

• Produzione di NADPH, necessario per le biosintesi

riduttive

• Produzione di intermedi necessari alla sintesi di

coenzimi e nucleotidi

VIA DEL PENTOSO-FOSFATO

VIA DI

ENTNER-DOUDOROFFesochinasi

enzimi della via del pentoso-fosfato

fosfogluconato deidratasi

aldolasi

Produzione netta di 1 molecola di ATP

VIA FOSFOCHETOLASICA

FosfochetolasiAcetato chinasi Acetato + ATP

• 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

VIA FOSFOCHETOLASICA

DESTINO DEL PIRUVATO

ACIDI GRASSI VOLATILI PRODOTTI DALLE

FERMENTAZIONI RUMINALI

Acetico CH3-COOH

Propionico CH3-CH2-COOH

Butirrico CH3-CH2-CH2-COOH

• acido acetico foraggi (ricchi di fibra lentamente fermentata)

• acido propionico concentrati (ricchi di amido rapidamente fermentato)

• acido butirrico zuccheri solubili

La percentuale di acidi grassi volatili formati:

• acido acetico (55-65%)

• acido propionico (25-30%)

• acido butirrico (10-15%)

ACIDI GRASSI VOLATILI

• Acetato e propionato trasportati al fegato

• Acetato in acetil-CoA

• Propionato in glucosio nel fegato

UTILIZZAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI VOLATILI DA PARTE DEI RUMINANTI

• 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. CoA-transferasi

2. Lattil-CoA-deidratasi

3. Acrilil-CoA-deidrogenasi

1

1

2

3

Produzione di acido propionico - via del succinato

1. Enzimi del ciclo di Krebs

2. Enzima B12-dipendente

3. Metilmalonil CoA transcarbossilasi

1 1

1

1

23

• 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 PROPIONICO

PRODUZIONE DI ACIDO BUTIRRICO

Fermentazione lattica

Piruvato

Acido lattico

lattato deidrogenasi

Fermentazione alcolica

Piruvato

Etanolo

Acetaldeide

alcool deidrogenasi

piruvatodecarbossilasi

LIPIDI

Idrolisi

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

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)

1. Glutammico-deidrogenasi NAD+ (o NADP+)-dipendente

2. Glutammina sintetasi

3. Carbamil fosfato sintetasi

4. Aspartasi

ASSIMILAZIONE DELL’AMMONIACA

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