MAMMIFERI ARTIODATTILI DALLA DIETA TIPICAMENTE ERBIVORA Ruminanti: - GIRAFFIDAE - CERVIDAE - ANTILOCAPRIDAE - BOVIDAE - TRAGULIDAE Pseudoruminanti (3 compartimenti) - CAMELIDAE 1 Stomaco monogastrico La maggior parte dei carnirvori e degli onniveri hanno uno stomaco relativamente semplice 2 L’apparato digerente si distingue da quello dei monogastrici per la presenza di uno stomaco di grandi dimensioni Il rumine ed il reticolo sono divisi da una piega di tessuto e l’ingesto può passare d a u n a valvola a l’altra l’abomaso è assimilabile allo stomaco d e i monogastrici I vertebrati non hanno la capacità di idrolizzare i legami β, 1-4 glicosidici della cellulosa mentre molti batteri, protozoi e funghi che abitano il rumine dei ruminanti lo fanno. Grazie a questi abitanti del rumine i ruminanti possono digerire i polisaccaridi vegetali in cambio forniscono a questi microrganismi un ambiente particolare compatibile con la loro fisiologia cellulare dal quale sono escluse altre specie Il termine rumine può essere utilizzato per indicare (impropriamente) lo stomaco dei ruminanti o per indicare il contenuto della cavità reticolo-ruminale costituito da sospensione di frammenti alimentari, microrganismi e sostanze disciolte in cui si verificano i PROCESSI FERMENTATIVI 3 Sedimentazione differenziale delle parti del digesto nelle cavità ruminali esso è costituito da: Fase liquida in cui si trovano sospesi detriti alimentari derivanti dalla digestione, specie cellulari caratteristiche di questo ambiente, sostanze che derivano dalla digestione microbica dell’alimento, acqua, saliva, prodotti di rifiuto della digestione microbica e i costituenti che si liberano dalla loro morte cellulare. Caratteristiche chimico-fisiche: ACQUA 85-95% TEMPERATURA 39-40°C pH 5.5-7.0 Atmosfera gassosa (bolla gastrica): 60-70% CO2 30-40% CH4 0.25 mM O2 La composizione gassosa della bolla gastrica è tale da garantire condizioni di ANAREOBIOSI Varia in funzione dell’alimento Quantità trascurabile proveniente dall’aria ingerita con l’alimento LE CARATTERISTICHE FISICHE dipendono dalle attività metaboliche delle numerose specie cellulari 4 Fermentazione ruminale Il pH assume valori più elevati maggiore è il tempo di disponibilità dei substrati fermentativi L’apporto continuo di saliva, nel corso del processo di ruminazione, si oppone alle variazioni eccessive di pH grazie all’apporto costante di bicarbonati e fosfati. Acidità e fibra grezza 5 L’apporto continuo di saliva, nel processo di ruminazione, si oppone a variazioni eccesive di pH ruminale grazie all’apporto di bicarbonati e fosfati Produzione di saliva (fino a 200 l/die) Il “sistema ruminale” è un ambiente anaerobio perennemente abitato da - BATTERI - PROTOZOI - MICETI Le popolazioni cellulari ruminali svolgono molteplici attività metaboliche in ragione delle proprie caratteristiche cellulari, tuttavia risentono degli effetti esercitati dalle altre specie presenti 6 Relazioni reciproche esistenti tra singole specie nel rumine - COMPETIZIONE - NEUTRALISMO - COMMENSALISMO - PARASSITISMO - SINTROPISMO - PREDAZIONE COMPETIZIONE Due specie microbiche dipendenti dallo stesso substrato 7 NEUTRALISMO Due specie microbiche coesistono senza influenzarsi reciprocamente COMMENSALISMO La crescita di una specie dipende dall’altra senza che quest’ultima sia influenzata dalla prima 8 PARASSITISMO Una specie cellulare sfrutta risorse rese disponibili da un’altra specie senza fornire a questa nessun corrispettivo SINTROPISMO Attività metaboliche indipendenti concorrono ad un risultato utile per le specie interessate 9 PREDAZIONE Attività di fagocitosi cellulare da parte di una specie ai danni di una o più specie 10 I microrganismi ruminali a loro volta sono fonte nutritiva per l’animale ospite. L’attività metabolica ruminale fornisce, in oltre, una notevole quantità di prodotti solubili, che sfuggendo al metabolismo dei microrganismi diventano disponibili per l’assorbimento intestinale dell’animale. Le specie microbiche del rumine, che sono specializzate in funzioni metaboliche spesso limitate, con la loro diversità cellulare e metabolica determinano una CATENA TROFICA completa. Spesso ciò che rappresenta il prodotto metabolico di una specie diventa substrato di una altra. Il metabolismo ruminale può essere descritto seguendo l’andamento termodinamico del processo indipendentemente dalla sede in cui avviene, in una cellula microbica o un’altra. In particolare nel rumine gli elettroni sottratti alle catene carboniose sono ceduti al carbonio di altre specie organiche più semplici che rappresentano il prodotto finale di rifiuto del rumine. L’energia ricavata dalle fermentazioni ruminali può essere adoperata per: 1. Sintesi di amminoacidi da azoto inorganico e a m m o n i a c a e c a t e n e carboniose provenienti da altre classi di prodotti organici 2. Sintesi di vitamine i batteri posseggono enzimi per la sintesi di tutte le vitamine 3. A ttività detossificante nei confronti di sostanze Xenobiotiche che si trovano nell’ambiente 11 Micropopolazione ruminale batterica I giovani ruminanti ricevono la microflora e la microfauna nei primi giorni di vita dalla madre che li lambisce. La popolazione cellulare si completa quando il giovane animale inghiotte foraggio parzialmente masticato da un animale adulto I batteri sono i maggiori responsabili della formazione di acidi grassi volatili che rappresentano il principale prodotto di assorbimento dei prestomaci e di amminoacidi essenziali e vitamine. Classificazione “metabolica” dei batteri del rumine - CELLULOSOLITICI - AMILOLITICI - PRODUTTORI DI ACIDO - METANOGENI - LIPOLITICI - PROTEOLITICI - PRODUTTORI DI VITAMINE 12 Classificazione “funzionale” - DEGRADATIVI - FERMENTATIVI - AZOTO-FISSATORI - METANOGENETICI PROTOZOI - TRICHOSTOMATIDA o HOLOTRICHA - ISOTRICHIDAE - ENTODINOMORPHIDA o OLIGOTRICHA - ENTODININAE - DIPLODININAE - EPIDININAE - OPISTROTRICHINAE - OPHRYOSCOLECINAE MICETI - NEOCALIMASTIX PATRICIARUM - ANAEROMYCES MICRONATUS - ORPINOMYCES BOVIS 13 Fermentazione dei polisaccaridi Idrolisi a esosi fosfato fermentazione Gli intermedi non sono disponibili per l’assorbimento nell’animale ospite ma servono per le sintesi di altre molecole per l’accrescimento e riproduzione cellulare Componenti della parete cellulare dei vegetali 14 I polisaccaridi vegetali vengono idrolizzati ad intermedi della glicolisi che rappresenta la via comune a tutte le specie cellulari presenti nel rumine. Il destino del piruvato nel rumine è variabile fra le diverse popolazioni e tra le singole specie di una stessa popolazione. Nei batteri e nei protozoi può essere fermentato a formiato, acetato, propionato e butirrato ma anche lattato. Nei funghi ad acetato lattato ed etanolo 15 Produzione di energia in anaerobiosi nel rumine Via dell’acrilato per la sintesi ruminale di propionato 16 Via del succinato per la sintesi ruminale di propionato Predomina in diete ricche di cellulosa Sintesi ruminale di acetato CO2 + H2 L’acetil-CoA rappresenta anche il composto di partenza per la sintesi del butirrato 17 Sintesi ruminale di butirrato Gli aminoacidi che lasciano il rumine per porzioni più caudali del tratto intestinale sono, in composizione, diversa da quella introdotta con gli alimenti. La sintesi aminoacidica batterica rende disponibile al ruminante l’intero gruppo di a.a. essenziali Gli alimenti proteici introdotti con l’alimentazione sono prontamente deamminati ossidativamente nel rumine dai batteri. L’ammoniaca viene in parte utilizzata dagli stessi per la sintesi di composti azotati in parte viene assorbita dalle pareti del rumine ed in parte dai distretti sub-ruminali 18 L’idrolisi delle proteine introdotte con l’alimentazione avviene nel rumine ad opera di batteri e protozoi. La capacità digestiva delle proteine alimentari deriva dalla densità della popolazione microbica e dal tempo di ritenzione dell’alimento nel rumine. L’idrolisi delle proteine alimentari avviene in modo diverso nei batteri e nei protozoi. I batteri degradano le proteine in ambito extracellulare liberando nel fluido ruminale enzimi proteolitici. I proteozoi fagocitano le proteine, sia alimentari che batteriche, che vengono poi degradate da enzimi proteolitici lisosomiali. Nel ruminante l’ammoniaca che deriva dall’idrolisi ruminale degli amminoacidi o dall’idrolisi ruminale di urea, viene portata al fegato per essere trasformata in urea. Una parte dell’urea viene come normale eliminata con le urine dall’animale ma una parte guadagna nuovamente l’ambiente ruminale attraverso la secrezione salivare Nel rumine l’urea è trasformata in ammoniaca da ureasi batteriche che completano il CICLO RUMINO_SALIVARE 19 La maggior parte degli amminoacidi sono catabolizzati dalle specie cellulari ruminali. Pochi sono gli amminoacidi di natura alimentare che arrivano all’intestino dell’animale, la quantità dipende dalla dieta : presenza di glucidi. Una volta che le catene carboniose sono state private del loro gruppo amminico vanno incontro a reazioni c h e l e trasformeranno in intermedi del metabolismo ossidativo o biosintetico Un fattore limitante la sintesi amminoacidica è la presenza di solforati per la sintesi di cisteine e metionina. Nell’alimento troviamo sia solfato che zolfo organico (proteine ed esteri organici solforici) che può essere utilizzato dal rumine insieme a solfati di natura salivare . La quantità di solfati salivari è strettamente correlata al loro livello ematico. 20 ALIMENTAZIONE MOBILIZZAZIONE RISERVE BIOSINTESI EX-NOVO Sali biliari : azione detergente, emulsionano i lipidi e producono micelle che consentono l’attacco da parte degli enzimi digestivi, solubili in acqua; facilitano l’assorbimento del lipide attraverso la mucosa intestinale. LIPASI PANCREATICA ASSORBIMENTO 21 I grassi della dieta vengono assorbiti nell’intestino tenue Combinazioni di lipidi e proteine diverse producono particelle con differente densità: CHILOMICRONI VLDL: molto bassa IDL: intermedia LDL: bassa HDL alta VHDL: molto alta 22 Le rimanenze dei chilomicroni passano dal sangue al fegato dove vengono assunte per endocitosi, secondo un processo mediato dai recettori per le apolipoproteine. ATP e corpi chetonici fegato Triacilgliceroli Dieta ricca in acidi grassi adipociti VLDL NEI RUMINANTI UNA NOTEVOLE DIGESTIONE DI LIPIDI AVVIENE PRIMA CHE IL DIGERITO RAGGIUNGA L’INTESTINO INOLTRE IL METABOLISMO RUMINALE CONSENTE LA FORMAZIONE DI ELEVATE QUANTITA’ DI ACIDI GRASSI A NUMERO DISPARI DI CARBONIO E A CATENA RAMIFICATA. Nel ruminante sono presenti in quantità significativa acidi grassi insaturi in configurazione trans, assenti nei lipidi tessutali degli altri erbivori ed acidi grassi a numero dispari di atomi di carbonio. La ragione del fenomeno è determinata dall’attività batterica del rumine 23 I MAGGIORI PRODOTTI FINALI DELL’OSSIDAZIONE RUMINALE SONO GLI ACIDI GRASSI VOLATILI E IL METANO I responsabili della metanogenesi nel rumine sono i batteri altamente specializzati caratterizzati da uno sviluppo piuttosto lento e da stretta anareobiosi. La produzione di metano è però la sintesi finale di tre stadi di fermentazione: 1. Degradazione dei polisaccaridi vegetali ad acidi grassi volatili, idrogeno, CO2 ed alcoli 2. Produzione di idrogeno molecolare prodotto da batteri acetogeni, da protozoi e miceti 3. Metanogenesi: batteri metanogeni Metanogenesi (batterica) nel rumine 4H2 + CO2 4 HCOOH 2 CH3CH2CH2COOH + CO2 + 2H2 CH4 + 2H2O 3CO2 + CH4 + 2H2O 4 CH3COOH + CH4 24