Aula 03 fermentação ruminal

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Fermentação Ruminal

FERMENTAÇÃO RUMINAL

Prof. Flávio Moreno SalvadorZootecnista, D.Sc.


1. Definição bioquímica

Fermentação é uma rota bioquímica onde o aceptor de elétrons (NADH) gerado pelas reações de oxidação deste rota é re-oxidado (NAD) por metabólitos produzidos por esta mesma rota

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Exemplo de oxidação de NADH+H+ durante a síntese de butirato no rúmen


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2. Respiração x Fermentação

C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP (resultaria em ausência de energia e excesso de proteína para o animal)

5 C6H12O6 + NH3 6 CH3COOH + 2 CH3CH2COOH + 1 CH3(CH2)2COOH + 3 CH4 + 5 CO2 + 6 H2O + calor + massa microbiana

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ALIMENTO

DEGRADAÇÃO

MASSAMICROBIANA AGV

PASSAGEM PASSAGEMABSORÇÃO

Rúmen

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3. Vantagens da fermentação pré-gástrica

Tempo de fermentação prolongado - Relativa estase de grande volume de digesta propicia adequado crescimento microbiano

Ambiente tamponado - propicia diversidade microbiana

Detoxificação de compostos secundários das plantasMassa microbiana é nutricionalmente significativa para

o animal (compõe proteína metabolizável)Permite existir a RuminaçãoReciclagem de N via salivaSíntese de vitamina B

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4. Desvantagens da fermentação pré-gástrica

Perda de parte da energia em carboidratos como calor e metano

Proteína de alta qualidade pode sofrer redução no valor protéico (apesar da proteína microbiana ser de alta qualidade)

Fibra pode restringir consumo

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5. Produtos da fermentação ruminal

Ácidos graxos voláteis

Gases

Massa microbiana

Calor

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6. Ácidos graxos voláteis

Principal fonte de energia para os ruminantes: aproximadamente 90% da energia disponibilizada aos tecidos é obtida por intermédio dos AGVS

Não são produzidos exclusivamente no rúmen: no ceco também se dá a produção de AGV (animais adultos e jovens)

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Ácidos orgânicos (lineares ou ramificados)1-7 carbonosVoláteis à temperatura ambienteImportantes:

fórmicoacéticopropiônicobutírico isobutírico

valérico isovalérico2-metilbutíricohexanóicoheptanóico

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Diversos microrganismos envolvidos na produção dos AGVs

PRODUTO DE FERMENTAÇÃO NÚMERO DE ESPÉCIES QUE PRODUZEM

Fórmico 16 Acetato 21

Propionato 6 Buritato 7 Lactato 13

Succinato 12 Etanol 8

CO2 9 Hidrogênio 10

Metano 1 H2S 9

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São ácidos 'fracos' (pK ≤ 4,8) x pH rúmen próximo neutralidade +90% na forma aniônica (não protonada)

CH3-COOH CH3-COO-

(ÁCIDO ACÉTICO) (ACETATO)

CH3-CH2-COOH CH3-CH2-COO-

(ÁCIDO PROPIÔNICO) (PROPIONATO)

CH3-(CH2)2-COOH CH3-(CH2)2-COO-

(ÁCIDO BUTÍRICO) (BUTIRATO)


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Relação molar entre acetato, propionato e butirato (Ac:Pr:Bu) é relativamente constante entre espécies para um mesmo padrão dietético

Varia entre 75:15:10 a 40:40:20 ou... Ac: 54 - 74% Pr: 16 - 27% Bu: 6 a 15%

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Animal DietaAGV total % Molar

(Mol/mL) Acet Prop Butir Valer OutrosOvino Pastagem 114 65 18 12 1 4Bos taurus Pastagem 128 61 18 12 1,7 3,5Bubalino Pastagem 117 62 23 15 - -Ovino Concentrado 120 57 29 12 2 -Antílope Folhas 117 70 17 9 4 -Bos indicus Pastagem 94 60 19 14 - -


Quantidades típicas e percentagens de ácidos graxos voláteis encontrados no rúmen de diferentes espécies de ruminantes

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6.1. Substratos e rotas na produção de AGV

Carboidratos = principais substratos para fermentação e produção de AGVs

CHO diferentes velocidades e/ou proporções de AGV diferentes

Fermentação RuminalPectina

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Fermentação RuminalPectina

Ácidos urônicos

Xilulose Ciclo das pentoses

GLICOSE

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose

Ácidos urônicos

Xilulose Ciclo das pentoses

GLICOSE

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

GLICOSE

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

GLICOSE

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

Celobiose

GLICOSE

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

Celobiose

GLICOSE

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

Celobiose Dextrinas

GLICOSE

Maltose

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Oligossacarídeos

(Frutosanas)Sacarose

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

Celobiose Dextrinas

GLICOSE

Maltose

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Oligossacarídeos

(Frutosanas)Sacarose

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

Celobiose Dextrinas

GLICOSE

Maltose

Frutose

Amilose + amilopectina microbiana

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Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Sacarose

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

Celobiose Dextrinas

GLICOSE

Maltose

Frutose


Piruvato

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Oligossacarídeos (Frutosanas)

Fermentação RuminalPectina Hemicelulose Celulose Amido Sacarose

Ácidos urônicos

Xilulose

Xilobiose

Pentoses Hexoses

Ciclo das pentoses

Celobiose Dextrinas

GLICOSE

Maltose

Frutose


Piruvato

Formato Acetil-CoA

Acetato Etanol Butirato

PropionatoCO2 + H2

CH4

Lactato

Oxaloacetato

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Oligossacarídeos (Frutosanas)

Acrilato

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SUBSTRATO (155 moles)

MOL DE ÁCIDOS GRAXOS VOLÁTEIS

TOTAL ACÉTICO PROPIÔNICO BUTÍRICO

Celobiose 180 110 40 30 Maltose 243 87 99 57 Glicose 148 86 39 23 Xilose 114 45 34 35 Piruvato 116 - - 15 Lactado - - - - Oxaloacetato 24 - - - Succinato 177 21 141 15 Fumarato 24 24 0 0 Malato 125 68 48 9 Formato 15 15 0 0

Efeito do carboidrato ou substrato ácido sobre o total e distribuição de ácidos graxos voláteis produzidos


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PRODUTO FINAL FORMADO % DE DISTRIBUIÇÃO DOS CARBONOS

MALTOSE ARABINOSE ILOSE

Ácidos graxos voláteis 34,7 41,3 48,4 Ácido lático 8,0 0,7 0 Dióxido de carbono 8,0 4,0 4,8 Metano 3,1 1,3 2,1 Proteína bacteriana 11,8 16,7 16,1 Polissacarídeos de bactéria 28,1 18,7 16,5 Carbono indeterminado 6,3 17,3 12,1

TOTAL 100,0 100,0 100,0

Destinação dos carbonos de oligossacarídeos em função da ação fermentativa no rúmen-retículo


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6.2. Fatores interferentes na produção de AGVS

'Padrão' da dieta:

Proporção de fontes de carboidratos diferentes Tempo após alimentação Frequência de alimentação

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Faixa Dieta volumosa

Dieta concentrada

Acetato, % 54 – 74 70 50

Propionato, % 16 – 27 20 40

Butirato, % 6 – 15 10 10

AGV total (mM) 90 150Fonte: Lana, 2005.

Porcentagem e concentração de ácidos graxos voláteis (AGV) em função da dieta


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TEMPO APÓS A ALIMENTAÇÃO

(horas)

FENO DE ALFAFA FENO DE TRIGO (GRANADO)

TOTAL AGV

mol/mL

%MOLAR TOTAL AGV

mol/mL

% MOLAR

Acético Propiônico Butírico Acético Propiônico Butírico

0 93 70 15 15 87 68 18 14

0,5 125 71 17 12 94 65 20 15

1 158 71 18 12 112 62 22 16

2 210 70 19 11 141 59 25 16

3 252 69 19 11 144 59 26 15

4 255 69 19 12 182 58 26 16

6 216 70 19 11 205 59 27 14

8 223 71 19 10 136 60 26 14

12 228 73 17 10 152 64 23 13

16 183 73 16 11 132 67 21 12

20 135 71 16 13 114 68 19 13

24 100 69 17 14 90 70 17 13

Aumento da concentração de AGV com o passar do tempo

Sem alteração das proporções entre os diferentes AGVs

70 19 11

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TEMPO APÓS A ALIMENTAÇÃO

(horas)

FENO DE ALFAFA FENO DE TRIGO (GRANADO)

TOTAL AGV

mol/mL

%MOLAR TOTAL AGV

mol/mL

% MOLAR

Acético Propiônico Butírico Acético Propiônico Butírico

0 93 70 15 15 87 68 18 14

0,5 125 71 17 12 94 65 20 15

1 158 71 18 12 112 62 22 16

2 210 70 19 11 141 59 25 16

3 252 69 19 11 144 59 26 15

4 255 69 19 12 182 58 26 16

6 216 70 19 11 205 59 27 14

8 223 71 19 10 136 60 26 14

12 228 73 17 10 152 64 23 13

16 183 73 16 11 132 67 21 12

20 135 71 16 13 114 68 19 13

24 100 69 17 14 90 70 17 13

70 19 11 60 25 15


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Como se dá a produção de AGVs e a geração de

ATP pelos microrganismos ?

Como se dá a produção de AGVs e a geração de

ATP pelos microrganismos ?

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?6.3. Produção de AGV e geração de

ATP


Via de Embden-Meyerhof (CLICÓLISE)

Formação de ATP do tipo FOSFORILAÇÃO AO NÍVEL DE SUBSTRATO

Geração de 2 NADH+H+ que podem ou não gerar 3 ATP por mol de NADH+H+ rendimento final possível de 8 ATP (animais superiores)

1 mol de HEXOSE 2 PIRUVATO + 2 a 5 moles ATP

A produção de piruvato produz um desequilíbrio do potencial REDOX, em razão da presença excessiva de poder redutor (NADH + H+) 36


PIRUVATE

Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!

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PIRUVATO Acetyl-CoALactato

ButiratoPropionato

Acetato

Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!Na produção de ATP, o piruvato é composto comum a muitas rotas!

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SÍNTESE DO ACETATO(E FORMATO)

(reações fosforoclásticas)

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Rendimento de 1 ATP (Piruvato a Acetato)


SÍNTESE DO ACETATO(reações fosforoclásticas)

Rendimento de 1 ATP (Piruvato a Acetato)

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SÍNTESE DO BUTIRATO

Rendimento de 1 ATP (Acetil-Coa a Butirato)41


SÍNTESE DO PROPIONATO

Pode ser em duas vias: ACRILATO ou ALEATÓRIA

A via do Acrilato é mais tolerante à condições ácidas, típicas de dietas ricas em CONCENTRADO

Dieta: forragens VIA ALEATÓRIA (90 a 95% do Propionato)

forragens VIA ACRILATO (70 a 90% do Propionato)

Dietas mistas (50-50) VIA ALEATÓRIA (60 a 90% do Propionato)

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SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Acrilato

Rendimento de NENHUM ATP (Piruvato a Propionato)43


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SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Aleatória

Rendimento de NENHUM ATP (Piruvato a Propionato)


SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Aleatória (PEP)

Rendimento de 01 GTP (PEP a Propionato)45


2 ATP

ATP

2 ATPATP

RESUMO DA SÍNTESE DE AGVsRESUMO DA SÍNTESE DE AGVs

A síntese de AGV permite um rendimento extra aos microrganismos de aproximadamente 2 ATP

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47


6.4. Destino dos principais AGVs

Acetato:

Principal AGV circulante (90-100%)

Utilizado diretamente pelas células do hospedeiro ( convertido em acetil-CoA)

Grandemente utilizado no tecido adiposo (muito pouco utilizado no fígado na síntese de gordura)

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Butirato:

Grandemente consumido pelas paredes do rúmen (principal fonte de energia das células do tecido dos pré-estômagos)

Metabolização é de caráter lipogênico

Intensa inter-conversão com acetato: cerca de 60-80% do butirato pode ser convertido em acetato!


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ÁCIDO INFUNDIDO % DO TOTAL C14 EM CADA ÁCIDO

ACÉTICO PROPIÔNICO BUTÍRICO

Acético 84 8 8

Propiônico 7 89 4

Butírico 21 3 76


Índice de metabolização nas paredes do rúmen: acetato = 45% propionato = 65% butirato = 85%

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Propionato:

Também utilizado pelas células das paredes dos pré-estômagos

Grandemente captado pelo fígado (principal precursor de glicose no metabolismo de ruminantes)


Propionato Succinil-CoA Oxaloacetato GLICOSEGLICOSE

Ciclo de Krebs

Gliconeogênese

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6. Gases produzidos

Grandes volumes!

Pico de alimentação: até 15-30 L/min Média diária é de 50 L/dia (ovinos) ou 400-

600 L/dia (bovinos)

Proporção entre os gases emitidos é variável, em função da dieta (proporções de CHO, processamentos, uso de aditivos, etc)

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ANIMAL DIETA COMPOSIÇÃO PERCENTUAL DO VOLUME

CO2 CH4 O2 N H2 N2S Vaca leiteira 47 - 52 26 - 34 2,2 - 4,1 13 - 16,7 1,1 – 3,4 --- Caprinos 40 40 1,4 13,9 4,3 --- Vaca/feno alfafa 60 --- 0,5 --- --- 0,16 Vaca/sem feno 67 22 0,4 10,4 --- 0,09 – 0,15 Ovinos 64 28 1 6,7 --- ---

6. Gases produzidos

Predominância é de gás carbônico, seguido pelo metano

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Ozônio8%

CO2

60%Metano 15%

Óxido nitroso 5%

CFCs12%

IPCC, 1996

CONTRIBUIÇÃO RELATIVA DE GASES PARA O EFEITO ESTUFA DE ORIGEM ANTRÓPICA

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The apparatus should fit snugly with the leather nose pad and filter positioned just above the nostril where the ha ir endsand the muzzle begins.

Note: The nose pad and f ilter shown in this picture are positioned slightly too far down.

MONITORAMENTO DA EMISSÃO DE METANO

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FIM...

Prof. Flávio Moreno Salvador - Inst. Federal do Triângulo Mineiro ([email protected])

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