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 (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:
polisaccaridi
utilizzano
amido,
cellulosa
ed
altri
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
1
esochinasi
glucosio 6P
isomerasi
2
Glucosio
6-fosfato
Fruttosio
6-fosfato
3
fosfofruttochinasi
4
aldolasi
Fruttosio
1,6-bisfosfato
5
Diidrossiacetone
fosfato(DHAP)
triosofosfato
isomerasi
Gliceraldeide 3-fosfato
(GP)
GLICOLISI
6
gliceraldeide 3P
deidrogenasi
1,3-acido difosfoglicerico
7
fosfoglicerato chinasi
3-acido fosfoglicerico
8
fosfogliceromutasi
2-acido fosfoglicerico
9
enolasi
Acido fosfoenolpiruvato (PEP)
10
piruvato chinasi
Acido piruvico
• Glicolisi anaerobia
produzione netta di 2 ATP
VIA DEL PENTOSO-FOSFATO
esochinasi
glucosio 6P
deidrogenasi
lattonasi
fosfogluconato
deidrogenasi
ribulosio fosfato
epimerasi
ribosio fosfato
isomerasi
transchetolasi
transaldolasi
1. Fase ossidativa
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
VIA DI
esochinasi
ENTNER-DOUDOROFF
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
• acido propionico
• acido butirrico
foraggi (ricchi di fibra lentamente fermentata)
concentrati (ricchi di amido rapidamente fermentato)
zuccheri solubili
UTILIZZAZIONE DEGLI ACIDI GRASSI
VOLATILI DA PARTE DEI RUMINANTI
• Acetato e propionato
• Acetato
trasportati al fegato
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
3
1. Enzimi del ciclo di Krebs
2. Enzima B12-dipendente
3. Metilmalonil CoA transcarbossilasi
2
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
lattato
deidrogenasi
Acido
lattico
Fermentazione alcolica
Piruvato
piruvato
decarbossilasi
Acetaldeide
alcool
deidrogenasi
Etanolo
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 Lglutammicodeidrogenasi (per sintetizzare acido glutammico), la
glutamminasintetasi (per formare glutammina) e la carbamil fosfato
sintetasi (per formare pirimidina)
ASSIMILAZIONE DELL’AMMONIACA
1.
Glutammico-deidrogenasi NAD+ (o NADP+)-dipendente
2.
Glutammina sintetasi
3.
Carbamil fosfato sintetasi
4.
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
Parathion
gli
insetticidi
organofosforici
come
il
