Aula 03 fermentação-ruminal

Fermentação Ruminal

1


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

2


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

3


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

4


ALIMENTO

DEGRADAÇÃO

MASSA
AGV
MICROBIANA
Rúmen

PASSAGEM ABSORÇÃO PASSAGEM

5


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 plantas
 Massa microbiana é nutricionalmente significativa para
o animal (compõe proteína metabolizável)
 Permite existir a Ruminação
 Reciclagem de N via saliva
 Síntese de vitamina B
6


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

7


5. Produtos da fermentação ruminal

 Ácidos graxos voláteis

 Gases

 Massa microbiana

 Calor

8


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)

9



 Ácidos orgânicos (lineares ou ramificados)
 1-7 carbonos
 Voláteis à temperatura ambiente
 Importantes:
 fórmico  valérico
 acético  isovalérico
 propiônico  2-metilbutírico
 butírico  hexanóico
 isobutírico  heptanóico
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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
H2 S 9
11


 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)

12



 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%

13



Quantidades típicas e percentagens de ácidos graxos voláteis
encontrados no rúmen de diferentes espécies de ruminantes
AGV
% Molar
Animal Dieta total
(Mol/mL) Acet Prop Butir Valer Outros
Ovino Pastagem 114 65 18 12 1 4
Bos taurus Pastagem 128 61 18 12 1,7 3,5
Bubalino 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 - -

14


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

15

Pectina

16

Pectina

Ácidos
urônicos

Xilulose Ciclo das GLICOSE
pentoses

17

Pectina Hemicelulose

Ácidos
urônicos

pentoses

18

Pectina Hemicelulose

Ácidos Xilobiose
urônicos

Pentoses Hexoses

pentoses

19

Pectina Hemicelulose Celulose

Ácidos Xilobiose
urônicos

Pentoses Hexoses

pentoses

20

Pectina Hemicelulose Celulose

Ácidos Xilobiose Celobiose
urônicos

Pentoses Hexoses

pentoses

21

Pectina Hemicelulose Celulose Amido

Ácidos Xilobiose Celobiose
urônicos

Pentoses Hexoses

pentoses

22

Pectina Hemicelulose Celulose Amido

Ácidos Xilobiose Celobiose Dextrinas
urônicos

Pentoses Hexoses Maltose

pentoses

23

Pectina Hemicelulose Celulose Amido Oligossacarídeos Sacarose
(Frutosanas)

Ácidos Xilobiose Celobiose Dextrinas
urônicos

Pentoses Hexoses Maltose

pentoses

24

(Frutosanas)

Ácidos Xilobiose Celobiose Dextrinas Frutose
urônicos

Pentoses Hexoses Maltose Amilose +
amilopectina
Xilulose Ciclo das GLICOSE microbiana
pentoses

25

(Frutosanas)

urônicos

amilopectina
pentoses

Piruvato

26

(Frutosanas)

urônicos

amilopectina
pentoses

Piruvato Lactato

Oxaloacetato Acrilato
Formato Acetil-CoA

Propionato
CO2 + H2
Acetato Etanol Butirato

CH4

27


AGV
Efeito do carboidrato ou substrato ácido sobre o total e
distribuição de ácidos graxos voláteis produzidos
SUBSTRATO MOL DE ÁCIDOS GRAXOS VOLÁTEIS
(155 moles) 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
28


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

29


6.2. Fatores interferentes na produção de
AGVS
 'Padrão' da dieta:
 Proporção de fontes de carboidratos diferentes
 Tempo após alimentação
 Frequência de alimentação

30


31


6.2. Fatores interferentes na produção de
AGVS

Dieta Dieta
Faixa
volumosa concentrada
Acetato, % 54 – 74 70 50
Propionato, % 16 – 27 20 40
Butirato, % 6 – 15 10 10
AGV total (mM) 90 150
Fonte: Lana, 2005.

32


6.2. Fatores interferentes na produção de AGVS
FENO DE ALFAFA FENO DE TRIGO (GRANADO)
TEMPO APÓS A
ALIMEN TAÇÃO TOTAL %MOLAR TOTAL % MOLAR
(horas) AGV AGV
mol/mL Acético Propiônico Butírico mol/mL Acético Propiônico Butírico
0 93 70 15 15  Aumento18
87 68 da 14
0,5 125 71 17 12 94 65 20 15
1 158 71 18 12 112
concentração de
62 22 16
2 210 70 19 11 141 AGV com 25
59 o 16
3 252 69 19 11 144 passar do tempo
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  Sem alteração 14
136 60 26
12 228 73 17 10 152
das64proporções 13
23
16 183 73 16 11 132 67 21 12
20 135 71 16 13 114 entre os 19
68 13
24 100 69 17 14 90 diferentes AGVs
70 17 13

70 19 11 33


6.2. Fatores interferentes na produção de AGVS
FENO DE ALFAFA FENO DE TRIGO (GRANADO)
TEMPO APÓS A
ALIMEN TAÇÃO TOTAL %MOLAR TOTAL % MOLAR
(horas) AGV AGV
mol/mL Acético Propiônico Butírico mol/mL 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 34


6.3. Produção de AGV e geração de ATP

? ? ? ?
? Como se dá a produção
?
de AGVs e a geração de
ATP pelos
? microrganismos ? ?
? ?
? 35


 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


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

37


Na produção de ATP, o piruvato é
composto comum a muitas rotas!
Lactato PIRUVATO Acetyl-CoA Acetato

Propionato Butirato

38


SÍNTESE DO ACETATO
(E FORMATO)
(reações fosforoclásticas)

 Rendimento de 1 ATP (Piruvato a Acetato)
39


SÍNTESE DO ACETATO
(reações fosforoclásticas)

 Rendimento de 1 ATP (Piruvato a Acetato)

40


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)

42


SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Acrilato

 Rendimento de NENHUM ATP (Piruvato a Propionato)
43


SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Aleatória

 Rendimento de NENHUM ATP (Piruvato a Propionato)
44


SÍNTESE DO PROPIONATO – Via Aleatória (PEP)

 Rendimento de 01 GTP (PEP a Propionato)
45


RESUMO DA SÍNTESE DE AGVs

ATP

2 ATP
ATP

2 ATP

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

46


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)

47



 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!

48



% DO TOTAL C 14 EM CADA ÁCIDO
ÁCIDO INFUNDIDO
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%
49



 Propionato:
 Também utilizado pelas células das paredes
dos pré-estômagos
 Grandemente captado pelo fígado (principal
precursor de glicose no metabolismo de
ruminantes)
Gliconeogênese

Propionato Succinil-CoA Oxaloacetato
Ciclo de Krebs

50


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)

51


6. Gases produzidos

COMPOSIÇÃO PERCENTUAL DO VOLUME
ANIMAL DIETA
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 --- ---

 Predominância é de gás carbônico, seguido pelo
metano

52


CONTRIBUIÇÃO RELATIVA DE GASES PARA O EFEITO
ESTUFA DE ORIGEM ANTRÓPICA
Ozônio
8%
CFCs
12%

Óxido nitroso
5%

CO2
Metano 60%
15%

IPCC, 1996
53


MONITORAMENTO DA EMISSÃO DE METANO

54


Prof. Flávio Moreno Salvador - Inst. Federal do Triângulo Mineiro (fmoreno@iftm.edu.br) 55

Aula 03 fermentação-ruminal

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