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ENFOQUES ATUAIS SOBRE A BIOQUÍMICA RUMINAL*
Introdução. O principal objetivo da produção de bovinos de corte é a eficiente conversão de alimentos em carne, produzida com o mínimo impacto ambiental possível e disponibilizando um produto com as características de qualidade exigidas pelo consumidor (rico em proteínas e com pouca gordura saturada) de carne bovina. Uma das características principais do ruminante é seu potencial para transformar alimentos ricos em fibra, que não podem ser eficientemente aproveitados por animais não ruminantes (entre eles o homem), em produtos de altos valores nutricionais, apreciados e bem pagos pela população humana. Isto é possível graças ao fato de que os processos evolutivos equiparam os ruminantes domésticos com uma série de adaptações de fisiológicas que lhes permitiram lidar com alimentos fibrosos, como as pastagens. Esta transformação é feita graças intensa atividade da flora microbiana presente no rúmen que permite a digestão de carboidratos, a hidrólize e biohidrogenação dos lipídeos da dieta e a produção de proteínas (proteína microbiana) posteriormente utilizada nos processos de síntese pelo animal. Para atingir produções desejáveis, com o mínimo de impacto ambiental, este fantástico ambiente deve ser otimizado. Este ajuste fino da bioquímica ruminal tem sido perseguido nos últimos anos pelos nutricionistas através do conhecimento de alguns mecanismos de funcionamento das adaptações que regulam os processos de digestão e metabolismo, as estratégias reprodutivas e os hábitos de pastejo. O presente trabalho visa apresentar alguns enfoques de como a otimização do ambiente ruminal pode ajudar a reduzir o impacto ambiental, melhorar a eficiência na conversão de alimentos em produtos como carne e leite e ainda e alguns efeitos da alimentação dos animais sobre a qualidade destes produtos.
- (^) Seminário apresentado na disciplina Bioquímica do Tecido Animal (VET00036) do Programa de Pós-Graduação em Ciências Veterinárias da UFRGS, pelo aluno FÁBIO SCHULER MEDEIROS, no primeiro semestre de 2002. Professor da disciplina: Félix H.D. González.
A fermentação ruminal. Os ruminantes apresentam como principal característica a presença de um estômago composto, formado por quatro compartimentos: rúmen, retículo, omaso e abomaso; nos quais a digestão fermentativa precede a digestão enzimática. A estrutura do aparelho digestivo dos ruminantes os capacita a aproveitar com maior eficiência os alimentos ricos em fibra, permitindo sua adaptação a variados ambientes ecológicos.
Carboidratos. A maior fonte de energia para os ruminantes são os carboidratos contidos nas pastagens, sendo os mais importantes a celulose, hemicelulose e frutose. O rúmen é responsável por 90 a 100% da digestão dos carboidratos solúveis e ácidos orgânicos, entre 60 e 90% da digestão da celulose e hemicelulose, dependendo do grau de lignificação da forragem. Dentro do rúmen, os carboidratos são fragmentados em açúcares simples (hexoses) mediante a atividade das enzimas secretadas pelas bactérias celulolíticas (celulases). Estes açúcares resultantes são utilizados intracelularmente pelos microrganismos para produzir energia e outros substratos necessários a sua mantença e crescimento. Como resultado desta atividade metabólica são geradas grandes quantidades de CO 2 , CH 4 e AGV. Em ruminantes consumindo apenas volumoso, a fermentação ruminal origina misturas de AGV que molarmente apresentam as seguintes proporções: 60 a 72% de ácido acético, 15 a 23% de ácido propiônico e 12 a18% de ácido butírico, sendo que as variações observadas nestas proporções são decorrentes do tipo e qualidade de dieta. Dietas ricas em carboidratos estruturais, como as consumidas por ruminantes em pastejo, tendem a apresentar uma fermentação na qual a relação acético:propiônico é maior do que a observada com dietas ricas em amido e açúcares simples, como as utilizadas para animais em confinamento. As alterações na proporção molar dos AGV no líquido ruminal, decorrentes de práticas de manejo alimentar tais como a suplementação, tem sérias implicações sobre o ambiente ruminal (pH e amônia) e conseqüentemente sobre as bactérias que digerem a fibra contida nas forragens. Aproximadamente 90% dos AGV produzidos são absorvidos por difusão através do rúmen-retículo e os 10% restantes são produzidos e absorvidos no ceco e intestinogrosso. Dos AGV, acético e propiônico são absorvidos sem sofrem
dieta que não foi digerida no rúmen (escape). Esta mistura sofre a ação das enzimas proteolíticas do abomaso e duodeno liberando os aminoácidos para absorção no íleo. Pequenas quantidades de proteína passam sem serem digeridas ao ceco onde sofrem fermentação microbiana e liberam amônia que pode ser absorvida e reciclada, através da circulação enterohepática, na forma de uréia salivar. O restante da proteína (microbiana e alimentar) é excretado junto com as fezes.
Impacto ambiental na produção de ruminantes: produção de metano. Desde o período pré-industrial até nossos dias, a concentração atmosférica de metano aumentou cerca de 140% e agora está em cerca de 1800ppb. Os ruminantes globalmente produzem entre 80-103 milhões de toneladas de metano por ano, o que representa 25% do metano produzido pela humanidade (Manning et al., 1996 apud Howden e Reyenga, 1999). O crescente aumento da emissão de poluentes na atmosfera tem produzido evidentes alterações no clima do planeta. Preocupados com estes acontecimentos, popularmente conhecidos como efeito estufa, muitas nações do mundo redigiram e assinaram um polêmico protocolo de intenções (Protocolo de Kyoto) nos quais comprometiam-se a reduzir as emissões de poluentes na atmosfera. Pelas deliberações assinadas no Protocolo de Kyoto, as emissões de metano deverão ser controladas e reduzidas a valores não superiores a 108% dos níveis que eram emitidos na década de 1990 até o ano de 2008. Howden (1999) citando suas publicações anteriores afirma que em níveis ótimos, poderiam ser produzidos, a pasto, 2 kg de peso vivo para cada kg de metano emitido do sistema como um todo, equivalendo este valor a 7 kg de CO 2 por dólar produzido como ganho de peso vivo. O autor afirma ainda sua preocupação de que em um mercado livre onde existam cotas de emissão de metano e CO 2 por unidade produtiva, a eficiência dos sistemas pecuários não seja capaz de viabilizar economicamente o uso destas cotas, sendo estas facilmente adquiridas pelas industrias, as quais são capazes de gerar uma maior receita por unidade de poluente produzido. Ademais das preocupações e pressões ecológicas, a produção de metano consiste em uma forma de perda de energia digestível no sistema ruminal, a qual
pode ser reduzida, levando a melhores resultados econômicos dos sistemas pecuários.
Origem do metano na fermentação ruminal.
O metano é um produto final normal da fermentação ruminal e por constituir uma perda no potencial produtivo energético tem sido estudado por décadas (Howden e Reyenga, 1999). Os microorganismos do rúmen metabolizam os carboidratos convertendo- os principalmente em glicose ou glicose-1-P a qual é posteriormente oxidada até piruvato mediante o ciclo de Embden-Meyerhof (Figura 1) e posteriormente até acetato mediante a ação da enzima piruvato-liase. A energia metabólica para as bactérias é liberada mediante a fosforilação do substrato em duas reações. A primeira consiste na desidrogenação do gliceraldeido-3-P ligado a NAD. A segunda, as reações da piruvato liase produzem acetil-CoA que é convertido em acetato+ATP. Na primeira reação, os elétrons e prótons são transferidos ao NAD e na segunda, à ferredoxina ou compostos relacionados, e posteriormente prótons ou H e CO 2 , obtendo-se formato, o qual é ativamente convertido a metano(Church,
- por bactérias dos gêneros Methanobrevibacter, Methanobacterium, Metanomicrobium e Methanosarcina. (Baker, 1999). A Figura 2 ilustra o processo de metanogênese a partir da glicose, a qual é originada da digestão extracelular pelas enzimas bacterianas.
Figura 3. Alteração na eficiência de ganho de peso vivo em função da emissão de metano.
Pode-se inferir a partir do gráfico que a medida que melhoremos as produções animais (aumento da eficiência), estaremos diminuindo as emissões de metano por unidade kg produzido.
Redução dos níveis de produção de metano.
A produção ruminal de metano é diretamente proporcional a concentração de H 2 dissolvida (Czerkawski, 1972 apud Hegarty, 1999), portanto, tem-se neste ponto da metanogênese uma janela a ser trabalhada a fim de utilizar este H 2 dissolvido para processos produtivos, evitando assim a perda energética e o acesso a estes prótons por parte dos organismos metanogênicos. A disponibilidade de hidrogênio para estes microorganismos pode ser alterada, reduzindo a liberação fosforoclástica de H 2 , promovendo a oxidação do NAD(P)H em reações que não transfiram elétrons para as hidrogenases e promovendo reações não metanogênicas que utilizem H 2 (Hegarty, 1999).
Inibição das reações de liberação de H2. A diminuição da liberação de H 2 pode ser obtida diminuindo-se o fluxo total da matéria orgânica através da fermentação ruminal, ou pela manipulação do balanço da relação acetato:propionato:butirato, conduzindo-se a fermentações que sejam consumidoras líquidas de prótons (Hegarty, 1999).
Figura 4. Principais reações de fermentação ruminal que geram ou utilizam hidrogênio. (Fonte: Hegary, 1999).
Na Figura 4 pode-se ver que a produção de acetil-CoA a partir da descarboxilação do piruvato é o processo que liga a via glicolítica a produção de acetato e butirato, sendo que esta é a fonte primária de CO 2 no rúmen e também do H 2 fosforoclástico. Este processo de descarboxilação pode ocorrer por duas vias. A primeira catalizada pela enzima piruvato-oxiredutase transfere prótons e elétrons a ferredoxina a qual libera H 2 pela ação da enzima hidrogenase. A segunda, por ação da piruvato-formato-liase gera acetil-CoA e formato, sendo este último rapidamente degradado pela enzima formato-hidrogênio-liase, liberando H 2 e dióxido de carbono (Hungate, 1970 e Gottschalk, 1986; apud Hegarty, 1999). Aumentando-se a quantidade de carboidratos solúveis na dieta, altera-se a proporção acetato/propionato e portanto a produção de H 2 , devido a baixa produção deste pelas bactérias amilolíticas e também devido a baixa tolerância das bactérias metanogênicas a diminuição do pH produzida por esta alteração na dieta.
Estimulação de reações alternativas que utilizem H2. A biohidrogenação de ácidos graxos poliinsaturados é uma reação que demanda grandes quantidades de elétrons do NADH, necessitando que os ácidos graxos sejam absorvidos pela célula bacteriana. Muitos microorganismos, assim como o Butyrivibrio são capazes de hidrogenar os ácidos graxos fornecidos na dieta. O efeito supressivo do fornecimento dietético de gorduras insaturadas sobre a metanogênese é maior do que o explicado pela hidrogenação das duplas ligações destes ácidos graxos. Hegarty (1999) cita que as gorduras insaturadas exercem ainda um efeito tóxico sobre os microorganismos ruminais, incluindo os metanogênicos sendo este efeito mais importante na redução da metanogênese do que a simples competição pelos hidrogênios.
Manipulação da qualidade do produto. No final da década de 1980, foi identificado um ácido graxo de origem animal com propriedades anticarcinogênicas denominado ácido linoléico conjugado (CLA). Santos et al.(2002) citando diversos autores afirmam que o CLA tem sido estudado em modelos animais, com respostas positivas, como uma substancia que diminue a incidencia de células carcinogênicas de melanomas, cólon, próstata, pulmão, ovários e tecido mamário. O ácido linoléico conjugado pode ser definido como um conjunto de isômeros geométricos do ácido linoléico (18:2) com distintas propriedades bioativas , sendo sua forma mais comum (80-90%) nos alimenos o isômero cis-9, trans 11 (Staples et al., s/d) A gordura do leite e seus derivados são as fontes naturais mais ricas em CLA dos alimentos, embora ele também esteja presente na carne bovina. A Tabela 1 mostra as concentrações de CLA em alguns alimentos. Vários estudos sugerem diferentes mecanismos pelos quais os CLA poderiam atuar como anticarcinogênicos: como antioxidantes, inibindo a síntese de nucleotídeos, reduzindo a atividade proliferativa das células tumorais, inibindo a formação de DNA tumoral e inibindo a carcinogenese. O consumo diário de CLA de um homem ocidental adulto é de cerca de 1g por dia, sendo recomendada a ingestão de cerca de 3,5g/dia. Surge então a
necessidade de se aumentar os níveis de CLA nos alimentos de origem animal, constituindo um possível diferencial competitivo para a cadeia da carne bovina.
Tabela 1. Concentração de ácido linoléico conjugado (CLA) em alguns alimentos. Alimento Produtos ´lácteos Total de CLA (mg/g de gordura) Leite integral 4,5-10, Queijo parmesão 1,9-8, Ricota 5,6-24, Produtos cárneos Carne bovina 1,2-8, Carne de frango 0,03-0, Carne suína 0,2-0, Fonte: Adaptado de Santos et al., 2002^ Gema de ovo^ 0,0-0,
A bioquímica dos lipídios no rúmen.
Os lipídeos dietéicos fornecidos aos ruminantes sofrem marcadas modificações no ambiente ruminal, caracterizadas basicamente por dois processos: a hidrólise e a biohidrogenação os quais serão descritos a seguir.
Figura 5. Digestão e biohidrogenação dos lipídeos da dieta (adaptado de Cuellar & Cruz, 2002).
Hidrólise dos lipídeos. Os microorganismos do rúmen modificam rápida e amplamente os lipídeos da dieta durante sua permanência no rúmen e em condições típicas, muito pouca gordura escapa ilesa do rúmen. Os microorganismos hidrolizam os lipídeos até ácidos graxos e glicerol (ou outros compostos, dempendendo da natureza do lipídeo consumido) (Church, 1988).
As razões para a biohidrogenação dos ácidos graxos pelos microorganismos ruminais não são completamente conhecidas. Tem sido sugerido por diversos autores que sua função seria de detoxificação pois os ácidos graxos insaturados seriam tóxicos para muitos microorganismos, sendo que os ácidos graxos poliinsaturados são biohidrogenados mais rapidamente que os monoinsaturados.
Suplementação dietética com gorduras para aumentar a quantidade de CLA nos produtos. As gorduras são compostos altamente energéticos encontrados na natureza em produtos de origem animal e vegetal. A composição destas varia grandemente segundo sua fonte, sendo as gorduras de origem vegetal ricas em ácidos graxos insaturados e as gorduras de origem animal ricas em ácidos graxos saturados. A Tabela 2 mostra a composição de ácidos graxos de diferentes fontes naturais de gorduras que potencialmente podem ser utilizadas na alimentação de ruminantes.
Tabela 2. Composição (%) de ácidos graxos do sebo animal, óleo de soja e óleo de peixes. Ácido graxo Sebo animal Óleo de soja Óleo de peixes C12:0 - - - C14:0 4,4 - 11, C14:1 6,6 - 0, C15:0 0,7 - 0, C16:0 26,6 11,3 26, C16:1 2,4 - 12, C17:0 1,7 - 2, C17:1 0,8 - 1, C18:0 21,0 3,9 4, C18:1 39,8 23,8 11, C18:2 2,0 53,5 1, C18:3 1,0 7,5 3, C20:0 - - 0, C20:1 - - 1, C20:4 - - 0, C20:5 - - 13, C22:5 - - - Fonte: Adaptado de Thomas et al.(1997).^ C22:6^ -^ -^ 8,
A suplementação dietética com gorduras insaturadas pode aumentar a quantidade de CLA no leite (Staples et al.,s/d). Porém, o fornecimento de grandes quantidades de gorduras (>5% do consumo total de matéria seca) na dieta dos
ruminantes pode alterar e até prejudicar a fermentação ruminal, diminuindo a digestibildade ruminal da fibra e o consumo de matéria seca. Outro efeito que é observado quando da adição de gordura a dieta é uma alteração na proporção dos AGV produzidos, em grande parte devido ao efeito negativo sobre a digestibilidade da fibra, além da redução na produção de metano. O nível de gordura que pode ser administrado ao animal também depende da forma dos alimentos dos quais ela é derivada, sendo que a quantidade máxima em todas as condições não deve exceder 5-7% do total da matéria seca. A gordura proveniente de sementes oleaginosas, por exemplo, pode ser administrada em doses maiores que a do óleo de soja misturado a dieta, pois a mastigação não é eficiente o suficiente para liberar simultaneamente todo o óleo das sementes e, portanto, este será liberado no rúmen mais lentamente (Williams, 2001) Uma parte dos ácidos graxos poliinsaturados (PUFA) ingeridos pode escapar da biohidrogenação ruminal e constituem uma importante fonte de energia para a produção de leite, pois podem então ser absorvidos a nível de intestino delgado. A extensão da biohidrogenação ruminal é sensível ao pH, à medida que o pH diminue, diminue também o percentual de ácidos graxos que são biohidrogenados. Isto deve-se principalmente a redução na lipólise que é um passo anterior a biohidrogenação. O fato inverso ocorre quando as gorduras são fornecidas sob a forma de sabões de cálcio e magnésio, pois a medida que o pH diminue, aumenta seu grau de biohidrogenação pois estes são mais disponíveis a baixos pH. A figura 7 mostra o efeito do pH sobre a biohidrogenação do ácido linoleico de duas fontes de gordura utilizadas na alimentação animal. A inclusão de tamponantes na dieta concomitantemente a administração de gordura protegida reduz a biohidrogenação dos sabões de cálcio e magnésio. O tratamento térmico (tostagem) dos grãos de soja também diminue a biohidrogenação de seus ácidos graxos devido a liberação mais lenta deste. Outra forma comumente utilizada para conduzir a gordura através do rúmen é sua ligação a caseína, tratada com formaldeído.
Os animais terminados em pastagens apresentaram menores níveis de colesterol por 100g de carne, maior composição de carne em relação a gordura, produzindo uma carne mais magra, e principalmene, uma melhor relação entre ácidos graxos poliinsaturados/saturados, sendo esta relação altamente significativa.
Eficiência na transformação de alimentos em proteína microbiana. O objetivo principal da produção de carne é a eficiente conversão de alimentos em carne, com um mínimo de impacto ambiental, produzindo um produto com as características desejadas pelo consumidor de maciez, suculência, baixo conteúdo de gorduras saturadas e alto teor de proteínas, o que pode ser conseguido através do uso de pastagens na alimentação animal. A manutenção de bons níveis de produção durante todo o ano não é possível somente com a utilização de pastagens, devido à conhecida estacionalidade destas que em alguns períodos apresentarem deficiências de qualidade e/ou quantidade para atingir os desempenhos desejados. Nesse contexto está inserida a suplementação em pastejo visando atingir maiores desempenhos, tanto biológicos quanto econômicos. Um dos principais problemas é a escolha do suplemento. Vários trabalhos têm citado a depressão no consumo e digestibilidade do volumoso quando é utilizada uma grande quantidade de carboidratos solúveis ou amido na suplementação (Silveira, 2002) Na avaliação de alimentos, Van Soest (1994) define como os principais componentes do valor nutritivo a digestibilidade, o consumo e o desempenho (eficiência energética). Neste ponto, a otimização do ambiente ruminal pode trazer benefícios em termos de melhora na digestibilidades dos alimentos consumidos e na otimização do consumo de forragens, produzindo assim uma maior eficiência energética.
Fatores que influenciam a utilização da energia. Os níveis de produtividade animal são influenciados principalmente pela quantidade de nutrientes e, em particular, pela quantidade de energia consumida. Nos sistemas pastoris, a maior parte da energia consumida pelos animais é oriunda de carboidratos estruturais como a hemicelulose e a celulose, sendo o
consumo de forragem em grande parte limitado fisicamente. Neste contexto, a digestibilidade ruminal das forrageiras exerce influencia direta sobre o consumo total de energia pelo animal. Os carboidratos digeridos são utilizados pelos microorganismos ruminais para síntese de biomassa microbiana e produção de ATP para sua manutenção e crescimento. Concomitantemente são produzidos AGV os quais suprem 70-80% das exigências energéticas do animal. Os principais AGV resultantes da fermentação ruminal dos carboidratos são acetato, propionato e butirato, e sua proporção vai depender da população microbiana existente, a qual está intimamente relacionada à dieta administrada ao animal. A eficiência com que a energia metabolizável é usada para mantença e produção varia conforme a fonte desta energia, se de forragem ou de amido. A explicação para este tipo de diferença pode estar associada ao incremento de calor. Esta diferença deve-se ao imbalanço de nutrientes existente nas dietas baseadas em forragens. As dietas baseadas em forragens caracterizam-se por promover uma grande formação de acetato, e provêem pouco propionato e aminoácidos glicogenéticos. A síntese de ácidos graxos a partir de acetato requer NADPH, o qual nos ruminantes é derivado mais eficientemente do metabolismo da glicose na via das pentoses-fosfato ou na via da isocitrato desidrogenase. Portanto, é necessário um adequado suprimento de precursores da glicose. Dietas ricas em fibras podem estar limitando a síntese de precursores da glicose e conseqüentemente a incorporação de acetato em lipídeos pode ser comprometida. Se isto ocorre, para prevenir um excesso metabólico de acetato, este é convertido em calor pelo ciclo do subtrato (ciclos fúteis), possivelmente entre acetato e acetil–CoA. Em troca, o ciclo do substrato vai ajudar a dissipar o ATP produzido e sendo o principal fator que limita a oxidação do acetato e a produção de NADPH (MacRae & Lobley, 1982 apud Scollan et al., s/d).
O uso da suplementação. A técnica da suplementação é utilizada para incorporar a dieta de animais em pastejo largas quantidades de nutrientes como energia e proteinas de forma a maximizar seu desempenho ou, em um enfoque mais atual, adicionando as dietas quantidades catalíticas de nutrientes, buscando desta forma, otimizar o
resultado de seus trabalhos e mostra uma relação ótima entre meteria orgânica digestível e PDR.
Figura 8. Relação entre o consumo total de PDR (CTPD) em relação ao consumo total de matéria orgânica(CTMOD) em g/UTM (PV0,75) (Fonte: Cochran, 1995).
O autor sugere, que quando os requerimentos de proteína do animal sejam superiores a este valor, estes devam ser suplementados na forma de proteína não degradável no rúmen pois o ambiente ruminal já estará sendo suprido com uma quantidade ótima de N e este montante adicional de proteína terá um melhor aproveitamento na forma passante. Ospina et al. (2002) realizaram um experimento onde foi comparado o consumo de matéria orgânica digestível (MOD) de animais alimentados com feno de baixa qualidade, suplementados ou não com PDR. Os autores identificaram diferenças significativas entre os animais suplementados e não suplementados, sendo que este último grupo apresentou um consumo de MOD de 37, g/UTM/dia. Os animais que receberam os tratamentos apresentaram consumos de MOD da ordem de 48,03 e 44,23 g/UTM/dia, os quais não diferiram entre si. Um segundo enfoque na suplementação é a inclusão de nutrientes nas dietas a fim de maximizar a produção animal. Neste sentido, costuma-se suplementar os animais com grãos a fim de obter-se melhores desempenhos, especialmente na terminação de animais jovens. Muitos relatos encontrados na literatura afirmam que quando suplementamos animais com grãos, provoca-se uma queda no pH ruminal, a qual produz uma diminuição da digesibilidade e consumo da fibra. Em um outro trabalho, produzido no Brasil, Silveira (2002) trabalhando com dietas baseadas em feno de qualidade mediana, suplementado
com 1% do peso vivo de milho moído, mostrou que a adição de PDR a dieta foi capaz de reverter os efeitos negativos sobre o consumo de matéria orgânica, o qual tem sido atribuído à queda no pH. Semelhantes respostas foram obtidas por Bodine et al. (2000) ao aumentar os níveis de PDR em dietas baseadas em feno de baixa qualidade e suplementadas com milho a 0,75 % do PC.
Conclusões. A nutrição animal é um vasto campo para desenvolvimento e pesquisa, e ainda temos muito a aprender com os animais, visando otimizar seu desempenho, diminuir as perdas energéticas no sistema como um todo e produzir alimentos mais saudáveis e palatáveis ao consumidor. O entendimento da natureza química dos processos vitais é de fundamental importância quando se pretende obter os melhores desempenhos possíveis do animal, principalmente no caso de ruminantes, onde temos um complexo sistema bioquímico de digestão dos alimentos.
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