DIGESTÃO FERMENTATIVA

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1 1 DIGESTÃO FERMENTATIVA Professoras Ana Cláudia Campos e Carla Renata Gadelha - UFC O estômago do ruminante é um estômago único modificado pela expansão marcante da região esofágica em três divertículos distintos e volumosos, o rúmen, o retículo, e o omaso. Estes são revestidos por epitélio escamoso estratificado aglandular e compreende uma série de câmaras onde o alimento é sujeito a digestão microbiana antes de passar através do tubo digestivo para a porção glandular menor do estômago no ruminante, o abomaso. Benefícios e custos da digestão dos ruminantes O sucesso ecológico dos ruminantes deve-se aos benefícios da fermentação prégástrica nos pré-estômagos. Isto (1) permite o uso de dietas que podem ser muito fibrosas para outros animais (não-ruminantes); (2) confere a capacidade de desdobrar a celulose, liberando assim o conteúdo intracelular, mas, ainda mais importante, permite que a própria celulose, a forma mais abundante de carboidrato nas plantas, torne-se o maior nutriente; (3) permite a síntese de proteína microbiana de alto valor biológico a partir proteínas vegetais de baixo valor biológico, de nitrogênio não-protéico da dieta e de produtos metabólicos nitrogenados reciclados e produtos finais (por ex., ureia); e (4) garante todos os componentes das vitaminas do complexo B e que cobalto adequado esteja disponível para síntese de vitamina B 12. Cada espécie de ruminante pode ser colocada em um espectro ecológico. Num extremo estão os comedores seletivos, representados pelos antílopes e girafas, que ingerem as partes mais nutritivas das plantas. No outro extremo do espectro estão os relativamente não seletivos, pastejadores grosseiros, tais como os bovinos. Entre esses extremos estaria um grupo intermediário, como os caprinos. Os ovinos estão na fronteira entre os intermediários e os pastejadores grosseiros. Os comedores seletivos tendem a comer mais frequentemente, ruminam com mais frequência por curtos períodos e tem um pré-estomago relativamente menor (omaso). Já os pastejadores grosseiros tendem a comer mais intensivamente em curtos períodos a cada dia, ruminam pouco frequentemente por longos turnos e tem pré-estômagos volumosos com um omaso particularmente grande. A fermentação é lenta e o tempo de transito é longo. As desvantagens da digestão nos ruminantes são que (1) os ruminantes necessitam gastar grande parte do tempo mastigando ou ruminando; (2) os ruminantes necessitam de mecanismos complicados para manter o processo fermentativo, ou seja, (a) receber quantidades regulares de saliva alcalina, (b) movimentos misturadores fortes, (c) mecanismos de eliminação de gases (eructação) para regurgitação do bolo alimentar (ruminação) para absorção dos produtos finais e para passagem do produto fermentado para o omaso; e (3) vias do metabolismo intermediário devem ser equipadas para uso dos produtos finais típicos da fermentação. Colaboração: Antonio Fernando Vasconcelos e Arilson Loureiro Saraiva (alunos da agronomia de )

2 2 A fermentação e a atividade microbiana Neste tipo de digestão os substratos moleculares são quebrados pela ação de bactérias e outros microrganismos. A hidrólise enzimática de grandes moléculas é parte essencial da digestão fermentativa, assim como parte da digestão glandular. A diferença entre esses dois processos estão: na origem das enzimas, que na fermentativa é de origem microbiana, e na glandular de origem do próprio animal; na fermentativa a digestão é muito lenta e os resultados são mais alterados, já a digestão glandular é rápida. A digestão fermentativa ocorre em compartimento especializado que estão localizados antes do estômago glandular (pré-estômago) ou após o intestino delgado (intestino grosso) com grande variedade no tamanho e no desenvolvimento. Os préestômago e o intestino grosso, devido suas condições de ph próximo ao neutro, umidade, força iônica e oxidorredução são mantidos dentro uma faixa adequada ao crescimento dos microrganismos. Os microrganismos responsáveis pela digestão fermentativa são uma população mistas de bactérias interdependentes, mas também fungos (semelhantes a leveduras) e protozoários. Cerca de 28 espécies de bactérias são encontradas no rúmen e destas a maior parte são anaeróbicos estritos e alguns facultativa. Além da presença de fungos no rúmen existe também grande população de protozoários anaeróbicos. E embora em número menor do que às bactérias, o tamanho maior resulta em massa total de célula aproximadamente igual às de bactérias. Tantos as bactérias quanto os protozoários possuem capacidade digestiva são semelhantes. Muito embora os protozoários ingiram grande quantidade de bactérias mantendo sua população controlada, outro fato relacionado ao protozoário é que eles podem retardar ou prolongar a digestão de substrato especialmente o amido. As bactérias podem ser classificadas em celulolíticas, pectinolíticas, hemicelulolíticas (digerem componentes da parede celular), amidolíticas, ureolíticas, metanogênicas, utilizadoras de açucares, de ácidos (quando tem muito ácido o rúmen enche e fica com pouca motilidade, com isso estas bactérias consomem o ácido e a motilidade volta ao normal), proteolíticas, produtoras de amônia, utilizadoras de lipídeos (sobra do metabolismo da outra).

3 3 O ecossistema da digestão fermentativa é extremamente complexo, com os resíduos de uma espécie microbiana servindo de substrato para outra espécie e assim passam a existir de forma sinérgica. É muito importante que o ph do rúmen seja mantido na faixa entre 5,5 e 6,9 para o desenvolvimento ótimo dos microrganismos. A constante produção de ácidos graxos no rúmen tende a tornar o ph mais ácido, sendo o ph controlado pela absorção dos ácidos graxos e pela enorme produção de saliva que é rica em tampão bicarbonato e fosfato. O valor do ph indica que microrganismo irá predominar no ambiente ruminal, se o ph estiver mais ácido predominará microrganismos amidolíticos enquanto que o ph mais alto é mais seletivo para microrganismos celulolíticos. Como o ph varia em função da quantidade de saliva produzida e a produção de saliva é diretamente proporcional à intensidade da mastigação, pode-se concluir que o alimento ingerido pelo ruminante influenciará no microrganismo predominante no rúmen. Alguns fatores fisiológicos são importantes para manter um ambiente favorável aos padrões de fermentação que são benéficos ao hospedeiro: 1- O substrato deve ser fornecido; 2- A temperatura deve ser mantida em 37 C, ou próxima a isto; 3- A força iônica (osmolaridade) do líquido ruminal deve ser mantida dentro de uma faixa ótima (próxima a 300mOsm); 4- O potencial de óxido-redução negativo deve ser mantido (-250 a -450mV); 5- Os resíduos não digeridos devem ser removidos; 6- A taxa de remoção dos microrganismos deve ser compatível com o tempo de regeneração da maior parte dos microrganismos favoráveis; 7- Os produtos ácidos da fermentação anaeróbica (AGV) devem ser tamponados ou removidos. Estas funções especializadas incluem os padrões de motilidade característicos do ruminoretículo, a absorção direta de AGV e a produção de enormes quantidades de saliva. Para que a fermentação do rúmen seja mantida é preciso que o material a ser fermentado seja ativamente retido e que seja permitida a passagem do resíduo não fermentável para o abomaso. Esses padrões de motilidade são altamente complexos e coordenados. Ressalta-se ainda que os AGV s representem 60 a 80% das necessidades energéticas do animal e são absorvidos diretamente do epitélio dos pré-estômagos. Além disso, o desenvolvimento do epitélio dos pré-estômagos ocorre paralelamente ao desenvolvimento geral do órgão e sua exposição aos AGV parece estimular o desenvolvimento das papilas bem como todo o órgão.

4 4 Substratos e produtos da digestão microbiana Digestão dos carboidratos As forragens ou folhagens das plantas são a principal fonte de alimento dos grandes herbívoros e são importantes substratos para a digestão fermentativa. Com relação á célula, uma importante diferença entre animais e vegetais é a existência de parede celular nas plantas. Esta estrutura é um complexo de várias moléculas de carboidratos no qual podemos citar: celulose, hemicelulose, pectina e lignina, que não é carboidrato. A celulose é composta por cadeias não-ramificadas de monômeros de glicose unidos por ligações glicosídicas β, 1-4, ao contrário das ligações α, 1-4 dos amidos. A pectina e a hemicelulose são quimicamente mais heterogêneas que a celulose sendo compostas por variadas proporções de diferentes glicídeos e ácidos do açúcar. Nenhum dos constituintes da parede celular é digerido pelas enzimas existentes na digestão glandular de mamíferos, no entanto estes carboidratos são digeríveis por um complexo de enzimas microbianas conhecidas como celulases. Esse sistema de enzimas, ao digerir os carboidratos, libera os mono e polissacarídeos, porém estes sacarídeos liberados não ficam diretamente disponíveis para a absorção do animal, ao contrário, eles são disponibilizados para os microrganismos. O carboidrato que entra no rúmen ou no cólon é atacado por enzimas hidrolíticas microbianas. A ação libera glicose, outros monossacarídeos e polissacarídeos de cadeia curta na fase líquida (líquido ruminal). Embora livres em solução, estes produtos da ação enzimática microbiana são ficam disponíveis para o hospedeiro, ao invés disso são rapidamente submetidos ao metabolismo da massa microbiana. A glicose e os outros açúcares são absorvidos, entrando no corpo celular dos microrganismos. Uma vez dentro das células microbianas, a glicose entra na via glicolítica ou de Embden-Meyerhof (a mesma dos mamíferos). A energia potencial representada pelo ATP formado nesta reação não se torna diretamente disponível para o animal hospedeiro, mas é a principal fonte de energia para a manutenção e o crescimento microbiano. Como a fermentação microbiana é anaeróbica, as via utilizadas levam a formação de ácidos graxos voláteis (AGV). Os AGV primários são os ácidos acético, propiônico e butírico, que são frequentemente referidos como seus íons dissociados: acetato, propionato e butirato, respectivamente. A proporção destes ácidos pode variar conforme a dieta administrada ao animal, porém sempre a maior quantidade será de ácido acético e a menor de ácido butírico. Outros AGV ocorrem em menor proporção, mas são metabolicamente importantes, são o ácido valérico, o ácido isovalérico, ácido isobutírico e o ácido metilbutírico. A produção de metano no rúmen é facilitada por bactérias metanogênicas tais com a Methanobacterium ruminantium, que é frágil e sensível às mudanças nas condições do rúmen. Em condições desfavoráveis esta bactéria diminui e a produção de metano diminui, desviando as vias metabólicas para a produção de ácido propiônico. As condições que suprimem as espécies metanogênicas são grande quantidade de ingestão alimentar, uso de alimentos peletizados ou finamente moídos e as dietas com alta concentração de grãos. A produção de metano é necessária para gerar cofatores oxidados nas vias que levam à produção de acetato e butirato, mas não nas vias que levam á produção propionato.

5 5 via glicolítica ou de Embden-Meyerhof Em dietas ricas em volumoso, a proporção é de 70:20:10 (acetato: propionato: butirato) e nas dietas ricas em grãos a proporção é de 60:30:10. O ácido acético formado será utilizado como energia pela maior parte dos tecidos dos ruminantes e também pode ser utilizado na síntese de gordura do tecido adiposo e da gordura do leite. O ácido propiônico vai originar glicose (fonte energética) a partir da neoglicogênese hepática. A glicose também pode ser precursora do açúcar do leite que é a lactose. O ácido butírico será utilizado como fonte de energia para a parede ruminal. Logo, as concentrações relativas dos AGV possuem importantes consequências nutricionais e metabólicas e o conhecimento em relação ao tipo de alimentação dada ao animal é importante para saber que tipo de retorno o animal dará ao proprietário. Estas moléculas são os produtos finais do metabolismo microbiano anaeróbico. Se fosse permitido o acúmulo de AGV suprimiria ou alterariam o processo fermentativo por diminuírem o ph no interior dos pré-estômagos. No entanto, o animal mantém as condições para a fermentação tanto por tamponamento pela ingestão da saliva quanto pela remoção dos AGV através da absorção pelo epitélio dos pré-estômagos. Os AGV são o principal combustível energético desempenhando o papel da glicose nos não-ruminantes. Durante a digestão fermentativa, são formados gases como metano e gás carbônico que serão eliminados pela eructação.

6 6 A lignina, um grupo heterogêneo de substâncias fenólicas e resistentes às enzimas microbianas e dos mamíferos, e somente uma pequena porção da lignina é digerida pelos dois processos. Sabe-se que a lignina envolve a parede celular dificultando o processo digestivo, e a concentração dela tende a aumentar com a idade da planta e com a temperatura ambiente. Digestão de proteínas Outros substratos produtores de energia também estão sujeitos ao ataque microbiano. As proteínas são altamente vulneráveis porque são formadas por compostos de carbono e podem ser reduzidos para fornecer energia aos microrganismos anaeróbicos. À medida que as proteínas vão entrando nas câmeras fermentativas são atacadas pelas proteases microbianas extracelulares (endopeptidades semelhantes à tripsina) formando os peptídeos de cadeia curta como produtos finais. Esses peptídeos de cadeia curta são absorvidos pelas células microbianas. Dentro da célula microbiana, os peptídeos são utilizados para síntese de proteínas somáticas microbianas ou são degradados para a produção de energia através da via dos AGV s. peptídeos protease Proteína PROTEASES MICROBIANAS PROTEÍNAS peptídeos aminoácidos ABOMASO proteina NH 3 NH 3 NH 3 NH 3 NH 3 AGV AGV AGV AGV Micro-organismo do rúmen Quando ocorre esvaziamento ruminal, os microrganismos com suas proteínas somáticas são levados ao abomaso e ao intestino delgado. No abomaso essas proteínas são digeridas e os aminoácidos são absorvidos no intestino, um processo idêntico aos animais não-ruminantes. Não ocorre absorção de aminoácidos no rúmen. A eficiência digestiva nos ruminantes é comprovada pela existência de condições que resultam na transferência máxima da proteína microbiana para o animal hospedeiro e essas condições são alcançadas por populações microbianas em rápida proliferação. A taxa de proliferação microbiana depende do suprimento de nutrientes e da velocidade com que os microrganismos são removidos do rúmen. Com relação ao suprimento de nutrientes, para as células microbianas se reproduzirem com uma velocidade maior, a disponibilidade de energia (glicose e

7 peptídeo, por exemplo) e nitrogênio (peptídeo) tem que estar igualada. Quando isso acontece, a energia para o crescimento celular provém da glicose, com os peptídeos direcionados para a síntese proteica somática dos microrganismos. A fermentação de glicose e ao mesmo tempo a produção de AGV é alta, com a finalidade de atender às elevadas demandas de energia necessárias para suportar a rápida proliferação da massa microbiana. Para entrar nas vias metabólicas dos AGV, os aminoácidos precisam ser desaminados originando amônia e um esqueleto de carbono. As estruturas de carbono se encaixam em vários pontos das vias dos AGV s resultando na produção dos 3 principais AGV s. A proteína pode ser sintetizada no rúmen a partir de fontes não proteicas como amônia, nitratos, ureia. Do ponto de vista nutricional e econômico isso é explorado pelos criadores porque as fontes de nitrogênio não proteicas são mais baratas do que os suplementos proteicos e mesmo assim permitem que microrganismos sintetizem proteína para satisfazer as necessidades de aminoácidos do hospedeiro. A amônia não utilizada (resultante da desaminação de aminoácidos) é absorvida pelo rúmen e vai para o fígado através do sistema porta hepático onde será transformada em ureia. Parte da ureia pode ser eliminada pela urina e parte pode voltar ao rúmen. A excreção da ureia para dentro do rúmen pode ocorrer mediante absorção direta a partir do sangue ou pela excreção de ureia na saliva. Em ambos os casos, a ureia alcança o rúmen onde se transforma rapidamente em amônia podendo ser utilizada para síntese proteica microbiana. A direção do fluxo do nitrogênio não proteico, tanto para dentro do rúmen como ureia, quanto para fora do rúmen como amônia, dependerá das concentrações ruminais de amônia. Os períodos de alta disponibilidade de nitrogênio no rúmen com relação à carboidratos terão concentrações de amônia no sangue elevadas devido à absorção pelo rúmen e com isso grande perda de nitrogênio através da excreção urinária o que torna os ruminantes nutricionalmente deficientes. Nas situações de grande quantidade de carboidratos com relação à de nitrogênio, o principal fluxo do nitrogênio é do sangue para o rúmen. Quando a concentração ruminal de amônia é baixa, a maior parte da ureia sanguínea se origina do catabolismo proteico endógeno e com isso parte dessa ureia é excretada para dentro do rúmen onde poderá ser transformada em amônia e sintetizada em proteína. Além das proteínas, as vitaminas hidrossolúveis (B e K) também são derivadas da digestão microbiana. 7

8 VFA s = AGV s 8

9 9 Utilização de nutrientes após a absorção A maior parte da digestão de carboidratos em ruminantes ocorre no pré-estômago por digestão fermentativa. O resultado é que quase nenhum carboidrato digestível entra no intestino para a digestão e absorção glandular na forma de glicose. Portanto, os ruminantes vivem em um estado constante de potencial deficiência de glicose. Entretanto, os ruminantes desenvolveram sistemas eficientes de produção e conservação de glicose. Essencialmente, toda a glicose disponível para o ruminante, na maioria das dietas, origina-se da gliconeogenese. O precursor mais importante da glicose é o propionato, que contribui para a síntese de glicose ao entrar no ciclo de Krebs no nível do succinato. Os outros ácidos graxos voláteis (acetato e butirato) também entram no ciclo de Krebs como acetil-coa que não pode levar à produção de oxaloacetato ou glicose, como o propionato. Portanto, dentre os AGV produzidos, somente o propionato leva à produção de glicose. Quase todo o propionato absorvido pelo rúmen é extraído do sangue portal pelo fígado, nunca entrando na circulação sistêmica. Assim, quase todo propionato é utilizado para a gliconeogênese. Entretanto, além do propionato, aminoácidos da absorção intestinal também podem fornecer substratos para a gliconeogênese. Além da gliconeogênese constante, os ruminantes sustentam suas necessidades de glicose conservando eficientemente a glicose. Os ácidos graxos nos ruminantes são sintetizados apenas no tecido adiposo, e não no fígado como nos não-ruminantes. Além disso, a glicose nos ruminantes não é utilizada para a síntese de ácidos graxos. Estes são sintetizados preferencialmente a partir do acetato, que é a fonte de energia mais abundante para o ruminante. A única utilização da glicose pelo tecido adiposo é para a síntese de glicerol, o principal suporte para a síntese de triglicerídeos. Em animais lactantes, os ácidos graxos produzidos no úbere para a gordura do leite são sintetizados a partir do acetato ou dos corpos cetônicos, nunca a partir de glicose. REFERÊNCIAS: Cunningham, J. G. Tratado de Fisiologia Veterinária. 3º Edição Reece, W.O. Dukes, Fisiologia dos Animais Domésticos. 12ª Edição.