Metabolismo ruminal de las proteínas

Introducción

Los modelos nutricionales para la alimentación de rumiantes en base a proteínas, han evolucionado desde los elementales, basados en proteína cruda, a sistemas más complejos basados en proteínas degradables y no-degradables en el rumen. La estructura básica de todos los modelos es similar con el nitrógeno presente en la dieta, el nitrógeno reciclado y el nitrógeno endógeno.

Las proteínas de la dieta se dividen en proteína degradable en el rumen (PDR) y aquellas no degradables, con PDR compuestos por nitrógeno no-proteico y proteína verdadera. La proteína verdadera se degrada a péptidos y aminoácidos (AA) y, eventualmente, se desaminan en amoníaco o son utilizadas para la síntesis de proteína microbiana. El nitrógeno no-proteíco se compone de nitrógeno presentes en el ADN, ARN, AA, péptidos, y amoníaco utilizado para el crecimiento microbiano. En el rumen el resultante se compone de amoníaco, de la proteína no degradable (de la dieta o endógena) y la proteína microbiana. Cuando la PDR dietaria excede la cantidad requerida por los microorganismos ruminales, se degrada a amoníaco, es absorbida y se metaboliza en urea en el hígado para posteriormente ser eliminada por la orina. La estrategia más eficaz para reducir las pérdidas de nitrógeno dietario, bajo condiciones típicas de alimentación para el ganado vacuno, es la manipulación de la degradación de la proteína ruminal o la eficiencia del uso de nitrógeno (ENU) en el rumen. Las pérdidas de nitrógeno pueden reducirse disminuyendo la degradación de proteínas en el rumen y/o aumentando la utilización de nitrógeno por los microorganismos del rumen.

La proteína microbiana sintetizada en el rumen provee la mayor parte de la proteína suministrada al intestino delgado de los rumiantes, lo que representa entre el 50 y el 80% del total de proteína absorbible. La cantidad total de proteína microbiana que fluye al intestino delgado depende de la disponibilidad de nutrientes y de la eficiencia del uso de estos nutrientes por las bacterias del rumen. Por lo tanto, el metabolismo de nitrógeno en el rumen puede ser dividido en 2 eventos claros: la degradación de proteínas (que ofrece fuentes de nitrógeno para las bacterias), y la síntesis de proteína microbial.

Degradación ruminal de la proteína

El primer paso de la degradación de las proteínas en el rumen implica la unión de bacterias a las partículas alimenticias, seguida por la actividad de proteasas microbianas. Aproximadamente entre el 70 y el 80% de los microorganismos ruminales están adosados a las partículas de alimento no digeridos en el rumen, y de ellos entre 30 a un 50% tienen actividad proteolítica. Un gran número de diferentes especies microbianas forman consorcios que se adosan a partículas de alimentos y actúan simbióticamente para degradar y fermentar los nutrientes, incluyendo las proteínas. Los productos resultantes de este proceso son péptidos y AA. Debido a que el número de diferentes uniones en una sola proteína es grande, se necesita la acción sinérgica de diferentes proteasas para completar la degradación de proteínas.

La tasa y la magnitud en que se produce la degradación de las proteínas dependerán de la actividad proteolítica de la microflora ruminal y del tipo de proteína (la susceptibilidad y la accesibilidad a la unión de péptidos). Los péptidos y AA, derivados de la actividad proteolítica extracelular de las bacterias del rumen, se transportan dentro de las células microbianas. Los péptidos pueden ser más degradados hasta AA, por las peptidasas, y pueden ser incorporados como proteína microbiana o bien desaminada a ATP, CO₂ y amoníaco.

El destino de los péptidos absorbidos y AA una vez dentro de la célula microbiana, dependerá de la disponibilidad de energía otorgada por los hidratos de carbono (HCO). Si la energía está disponible los AA se transaminarán o serán utilizados directamente para la síntesis de proteína microbiana. Sin embargo, si la energía es limitada los AA se desaminan, y su esqueleto de carbono se utilizará para la síntesis de ácidos grasos volátiles (AGVs).

La mayoría de los estudios de evaluación de la degradación de proteínas en el rumen se han llevado a cabo utilizando la técnica in situ, la que solamente mide la degradación de proteínas, pero no el uso de los péptidos y AA por las bacterias del rumen. Se ha observado que los péptidos y AA no se acumulan después de la alimentación con proteínas más allá de las primeras horas de incubación, sugiriendo que la proteólisis es clave en el control de la degradación de proteínas. Sin embargo, investigaciones posteriores demostraron que para que ocurra la desaparición de los péptidos y los AA, un papel importante deberá jugar la degradación de los péptidos y la desaminación de los en rumen. Por lo tanto, la manipulación de la degradación de proteínas puede lograrse no sólo por la modulación de proteólisis, sino también a través de cambios en la peptidólisis y la desaminación de AA en el medio ruminal. Por ejemplo, la monensina redujo la concentración de N amoniacal a través de la inhibición de las bacterias productoras de hiper-amoníco, un pequeño grupo de bacterias ruminales que son responsables de la producción de la mayor parte del amoníaco.

El aspecto más importante de los protozoos es su capacidad para absorber grandes moléculas, proteínas, CHO, o incluso las bacterias del rumen. Además, los protozoos desempeñan un papel en la regulación de la producción bacterial nitrógeno en el rumen, y proveen proteína para sostener el crecimiento microbiano. Dado que los protozoos no son capaces de utilizar amoníaco, una fracción de proteína insoluble previamente absorbida es más tarde devuelta al líquido del rumen en forma de proteína soluble. Esta es una de las principales razones por que la defaunación disminuye la concentración de nitrógeno amoniacal en el rumen.

Factores que afectan la degradación de la proteína ruminal

Los factores más importantes que afectan a la degradación de proteína microbiana incluyen el tipo de proteína, las interacciones con otros nutrientes (principalmente CHO dentro de un mismo alimento y en el contenido ruminal), y la población microbiana predominante (depende del tipo de ración, la tasa de pasaje ruminal, y pH ruminal).

Tipo de proteína. La solubilidad de las proteínas es un factor clave para determinar su susceptibilidad a las proteasas microbianas y, por tanto, su degradabilidad. Por ejemplo, las prolaminas y las glutelinas son insolubles y se degradan lentamente, pero las globulinas son solubles y altamente degradable en el rumen. Sin embargo, la estructura de la proteína también es importante. Algunas albúminas son solubles, pero contienen enlaces de bisulfuro, lo que hace que se degraden lentamente en el rumen, lo que demuestra que otros factores y no sólo la solubilidad afecta a de degradabilidad ruminal de las proteínas. Además, algunas uniones específicas de péptido son más resistentes a la degradación ruminal que otras. También se ha sugerido que las peptidasas y deaminasas (diaminazas) pueden estar reguladas por procesos de inhibición del producto final.

Tasa de pasaje ruminal, pH rumen y su relación con el sustrato disponible. La degradación de las proteínas está inversamente relacionada con la tasa de pasaje a través del rumen. El NRC (2001) desarrolló ecuaciones de tasa de pasaje para forrajes húmedos, secos y concentrados basados en el consumo de materia seca, contenido de fibra, y la proporción forraje:concentrado de la dieta. Según el NRC (2001), la tasa de pasaje de la digesta de una vaca que consume 18 kg de MS de una ración de forraje:concentrado 70:30 aumentaría de 0,049 a 0,057/h con forrajes húmedos, de 0,040 a 0,046/h con forrajes secos y de 0,056 a 0,068/h con concentrados. Si la misma vaca consumiera 26 kg de MS de una ración cuya proporción forraje:concentrado fuera 40:60, estos cambios son pequeños y representan sólo un modesto aumento en el flujo hacia el intestino delgado, del suministro de proteínas no degradada en la dieta.

El pH óptimo para las enzimas proteolíticas del rumen oscila entre 5,5 a 7,0; sin embargo, la degradación de la proteína se reduce en el extremo inferior del pH ruminal. Se han realizado estudios de fermentación en cultivos de flujo continuos en los que comparó raciones altas en forrajes v/s. raciones ricas en concentrado con pH de 4,9 a 7,0 y demostrándose que la degradación de proteínas se redujo al disminuir el pH con ambos tipos de raciones. Además, se ha informado que una disminución en el pH ruminal de 6,5 a 5,7 redujo la concentración de amoníaco ruminal, sólo cuando las bacterias se obtuvieron de bovinos alimentados en un 100% de la ración con forraje, mientras que las bacterias de bovinos alimentados con 90% de concentrado tenían menor concentración de amoníaco independientemente de su pH. Estos resultados indican que la degradación de la proteína se ve afectada por el pH y el tipo de ración, lo que puede estar definido por el tipo de población microbiana predominante en el rumen.

Interacciones de nutrientes. El efecto combinado de pH y sustrato en la degradación de la proteína ruminal puede explicarse por medio de la población microbiana predominante. Es evidente que la degradación de la proteína se produce por la acción de enzimas proteolíticas, pero hay evidencia que apoya la importancia de otras actividades enzimáticas en la degradación de proteínas. Muchas proteínas vegetales se encuentran atrapadas en una matriz de fibra que necesita ser degradada antes que las proteasas puedan acceder a las proteínas para su degradación. Por lo tanto, parece que la degradación de proteínas en el rumen requiere la presencia de varias enzimas proteolíticas y no-proteolíticas, y que se necesita la combinación de varias actividades microbianas y enzimáticas para obtener la máxima degradación de las proteínas.

Es probable que con una ración rica en concentrado, incluso si el pH es alto, las bacterias que degradan almidón predominen y la digestión de fibra disminuya, por reducción del número de bacterias celulolíticas lo que a su vez provoca disminución en la degradación de las proteínas. Por lo tanto, el efecto del pH y/o el sustrato en fermentación pueden afectar a la población microbiana predominante y modificar la degradación de las proteínas, causada por las interacciones entre los nutrientes. Entonces se podría hipotetizar que la reducción en el número de bacterias celulolíticas, como consecuencia del bajo pH, provoca una reducción de la degradación de fibra, lo que limita el acceso de las bacterias proteolíticas a las proteínas provocando, de manera indirecta, disminución de la degradación de las proteínas.

Síntesis de proteína microbiana

El rumen es un ambiente complejo habitado por diferentes especies microbianas, cada uno de ellas con diferentes metabolismos y necesidades de nutrientes. Por lo tanto, considerar las necesidades de nutrientes de los microorganismos del rumen es crucial para entender el metabolismo del nitrógeno en el rumen, así como los factores que pueden modificarlo. Los protozoos pueden representar aproximadamente el 40% de la biomasa microbiana del rumen y tienen una participación directa en la digestión de proteínas y CHO. Los protozoos son capaces de degradar CHO fibroso y no-fibrosos (CNF), y las bacterias son su principal suministro de proteína. La contribución de los protozoos para el suministro de proteínas hacia el intestino delgado es limitada, aproximadamente el 11% del flujo total de PC ya que son selectivamente retenidos en el rumen. La verdadera contribución de los protozoos al rendimiento animal no está clara, y no hay consenso sobre el valor de los protozoos para los rumiantes. La defaunación por lo general se traduce en disminución de la degradación de las proteínas y las concentraciones de péptidos y AA en el rumen. Asimismo, en las condiciones de bajo pH ruminal, el número de protozoos disminuiría al igual que las concentraciones de péptidos y AA en el rumen.

Las bacterias pueden utilizar CHO y proteínas como fuente de energía. Los carbohidratos son la principal fuente de energía para las bacterias, aunque también pueden ser utilizados como esqueletos de carbono para la síntesis de proteínas en combinación con amoníaco. La síntesis de proteína microbiana ruminal depende del suministro de cantidades adecuadas y el tipo adecuado de CHO como fuente de energía para la síntesis de enlaces de péptidos. El CHO fácilmente fermentable, como los azúcares o almidón, son más efectivas que otras fuentes de CHO, tales como celulosa, en la promoción del crecimiento microbiano. Sin embargo, la proporción óptima de CNF a amoníaco todavía no se ha determinado.

Además de la importancia de las cantidades en el suministro de nutrientes, la sincronía en la que los nutrientes estén disponibles también es importante. Cuando la tasa de degradación de proteínas es superior a la tasa de fermentación de CHO, grandes cantidades de nitrógeno pueden perderse como amoníaco y, por el contrario, cuando la tasa de fermentación de CHO supera la tasa de degradación de proteínas, la síntesis de proteína microbiana puede disminuir. Sin embargo, los efectos de una oferta más sincronizada de CHO y N para los microorganismos ruminales, descritos en la literatura, no son coherentes. La interpretación de este tipo de estudios es difícil, ya que la tasa de energía y/o la disponibilidad de proteína son a menudo confundidas con el importe total de energía y/o la disponibilidad de proteínas, además en un mismo estudio los ingredientes entre tratamientos son diferentes. Considerando que el concepto de sincronía entre proteína y energía tiene una sólida base teórica, es probable que en el complejo ecosistema de una mezcla de microorganismos ruminales, cuando el suministro de nutrientes se sincroniza para una subpoblación específica, tal vez no sea sincronizado para otras poblaciones. Por lo tanto, el promedio de eficiencia microbiana se mantiene bastante estable. También, el nitrógeno reciclado hacia el rumen puede contribuir a la estabilización del crecimiento microbiano, aun cuando el aporte de nitrógeno no esté bien sincronizado.

Los microorganismos que degradan los CHO estructurales (celulolíticos) tienen bajos requerimientos de mantenimiento, crecen lentamente, y usan al amoníaco como su principal fuente de nitrógeno, mientras que los que degradan los CHO no-estructurales (amilolíticos) tienen mayores necesidades para su mantenimiento, crecen rápidamente, y como fuentes de nitrógeno usan amoníaco, péptidos y AA.

Sin embargo, se ha demostrado que el crecimiento de bacterias celulolíticas y amilolíticas aumenta con la adición de AA y/o péptidos. Del mismo modo, se conoce que la digestión de la fibra aumenta por acción de las bacterias celulolíticas puras, con el suministro de AA y péptidos. El aumento en el crecimiento microbiano observado con la adición de AA y/o péptidos puede deberse a la incorporación directa de AA en proteína microbiana y/o a una mayor disponibilidad de esqueletos de carbono (de desaminación de AA), que pueden ser usado para la producción de energía o como esqueletos de carbono para los nuevos AA bacterianos.

Es sabido que los microorganismos que fermentan los CNF derivaban hasta el 66% de sus proteínas de los péptidos o AA, y el resto de la proteína se deriva de amoníaco. Sin embargo, no se ha determinado la concentración óptima de péptidos en el rumen necesaria para maximizar la síntesis de proteína microbiana. Suponiendo que las bacterias transforman los péptidos disponible en proteína microbiana con una eficiencia del 80% y que el CNF que fermenta las bacterias pueda utilizar hasta el 66% del nitrógeno disponible en forma de péptidos, se podría concluir que para maximizar la síntesis de proteína microbiana, las bacterias necesitarían 1,2 g de péptido/kg de materia orgánica (MO) fermentada en el rumen. Estas observaciones sugieren que la acumulación de nitrógeno amoniacal en el rumen es el resultado de que los microorganismos usen preferentemente péptidos o AA, ya sea como fuente de nitrógeno o como fuente de energía. Por lo tanto, la proporción de nitrógeno bacteriano derivado de amoníaco no es un valor fijo, y el valor propuesto de 1,2 g de péptido/kg de MO fermentada, puede no ser aplicable a todas las raciones.

Recientemente, se ha estudiado el destino del nitrógeno y esqueleto de los AA en microorganismos ruminales mixtos. Los resultados mostraron que varios AA fueron sintetizados por microorganismos ruminales con mayor dificultad que otros. En general, se cree que los microorganismos del rumen no tienen un requerimiento absoluto por cualquier AA y que las bacterias del rumen tienen dificultades para sintetizar fenilalanina, leucina, isoleucina y se propone que la licina es un potencial AA que limita el crecimiento de las bacterias del rumen. Por lo tanto, garantizar un suministro generoso de AA específicos podría resultar en un mayor crecimiento microbiano. Además, de un abastecimiento adecuado de fuentes de CHO y N, así como otros factores nutricionales, tales como el suministro de azufre.

Otros factores no-nutricionales, tales como el pH ruminal y la tasa de dilución, también desempeñan un papel importante en la síntesis de proteína microbiana. Bajo condiciones prácticas, la eficiencia de la síntesis de proteína microbiana (ESPM) se mantiene relativamente constante en un amplio rango de pH.

Un bajo pH ruminal es el resultado de la fermentación de grandes cantidades MO disponibles. Cuando la cantidad de MO fermentada aumenta, la síntesis de proteína microbiana también aumenta. Como resultado, la relación negativa entre el pH y el flujo de nitrógeno bacteriano es una consecuencia de la mayor oferta de energía con raciones altamente fermentable (pH bajo). Los cambios en la tasa de dilución de las fracciones de líquidos y sólidos del contenido ruminal pueden también ejercer un efecto importante sobre la fermentación ruminal y el crecimiento microbiano. Las tasas de dilución de sólidos y líquidos dependen de varios factores, incluido el nivel de ingesta, la proporción de forraje en la ración, y el tamaño de las partículas de la ración. En general, los estudios in vitro con cultivos puros o mezclas de bacterias, indican una mayor síntesis y ESPM con aumentos en la tasa de dilución de líquidos, tasa de dilución de sólidos, o de ambos. Sin embargo, así como aumentan las tasas de dilución, disminuyen la degradación ruminal de la MO y la disponibilidad de energía para el crecimiento microbiano, lo que reduce el flujo esperado de nitrógeno bacteriano. El aumento en la síntesis de proteína microbiana y ESPM que se obtiene con altas tasas de dilución, ha sido atribuido a la selección de especies microbianas con mayores tasas de crecimiento, una mayor proporción de la población microbiana en la fase exponencial de crecimiento, y una dilución de los requerimientos de mantenimiento de los microorganismos. Además, las altas tasas de dilución se asocian con tiempos de retención de la ingesta más breves en el rumen, lo que reduce la lisis bacteriana, y la depredación bacteriana por protozoos. Los resultados in vivo han sido discordantes con las observaciones in vitro, con aumentos en las tasas dedilución de líquido ruminal resultando en un ESPM mayor, similar, o incluso inferior. La aparente contradicción entre experimentos in vivo e in vitro, puede atribuirse a problemas relacionados con la modificación de la tasa de pasaje in vivo, sin causar cambios simultáneos enotras variables y así dando lugar a efectos de confusión.

Metabolismo ruminal de las proteínas

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