Lección 6. Digestión, absorción y metabolismo de las materias nitrogenadas en monogástricos y rumiantes. Introducción. Las proteínas son compuestos altamente polimerizados, que están formados por aminoácidos. También se unen a componentes no proteicos. Las proteínas se encuentran entre los nutrientes más importantes, junto con los lípidos y los carbohidratos. Además de su función energética (1 g de proteína proporciona 4,1 Kcal al organismo), dada su naturaleza nitrogenada, son necesarias para la síntesis de compuestos propios del organismo implicados en la estructura de las membranas junto con los lípidos, como glicoproteidos en funciones de lubrificación y como nucleidos que posibilitan la síntesis de las proteínas propias del organismo, así como la formación de los cromosomas y la división celular. El valor nutritivo de las proteínas depende de su digestibilidad, que depende a su vez de la estructura, es decir, de su composición aminoacídica. El contenido de aminoácidos esenciales determina el valor biológico, es decir, el mayor aprovechamiento fisiológico de una proteína por parte del organismo. Rige la ley del mínimo, esto es, si la oferta de aminoácidos esenciales es demasiado limitada, el conjunto del rendimiento de las reacciones de síntesis dependerá del aminoácido que esté presente en menor cantidad (aminoácido limitante). Los aminoácidos limitantes más importantes son la lisina (cereales y patatas) y la metionina (carne y leche). Para el análisis de la proteína, el método de Kjeldahl que data de 1883 es el que ha alcanzado mayor importancia. Como consecuencia de su estructura a base de aminoácidos individuales, el contenido de nitrógeno de las proteínas varía sólo entre unos límites muy estrechos (15 a 18% y como promedio 16%). Para el cálculo de la proteína total o “proteína bruta” de un alimento, se determina en principio el contenido de nitrógeno tras eliminar la materia orgánica con ácido sulfúrico, calculándose finalmente el contenido de proteína con ayuda de un factor (en general 6,25). La degradación oxidativa de compuestos orgánicos con ácido sulfúrico a temperaturas comprendidas entre 360 y 410C es la base del tratamiento Kjeldahl en el que no se determinan sólo proteínas o aminoácidos libres, sino también ácidos nucleicos y sales de amonio. También se determina el nitrógeno ligado de compuestos aromáticos, como pirazina, ciclopentapirazina, pirrol y oxazol, así como el nitrógeno orgánico ligado de las vitaminas, tales como la B1 (tiamina), la B2 (riboflavina) y la nicotinamida. No obstante, como por lo general los alimentos sólo contienen cantidades traza de compuestosaromáticos nitrogenados y de vitaminas, el error así cometido se considera despreciable. Además, por este método no se determinan el nitrógeno nítrico, el cianhídrico, el de la hidracina, ni el del grupo azo, por lo cual el método es particularmente interesante y relativamente específico para la determinación de las proteínas. Las proteínas constituyen la fracción más importante de la ración. Son componentes fundamentales en los tejidos animales y requeridas para el mantenimiento de las funciones vitales como renovación de tejidos, reproducción, crecimiento y lactación. En los vegetales se encuentran en cantidades discretas salvo en algunos casos como en las semillas de leguminosas que tiene una riqueza aproximada del 20%. Los granos de cereal contienen aproximadamente un 10% de proteína y otro fruto importante en la alimentación del porcino como es la bellota tiene alrededor del 6% lo que puede considerarse como una tasa proteica pobre. Químicamente son compuestos orgánicos complejos con peso molecular entre 5000 y 1000000. Constituidas por aminoácidos cuya presencia en la dieta en algunas ocasiones es indispensable. En este sentido, los monogástricos necesitan aminoácidos pre-formados en su dieta para fabricar con ellos sus proteínas corporales, mientras que los rumiantes pueden utilizar otras fuentes de nitrógeno porque tienen la habilidad especial de sintetizar aminoácidos y de formar proteína a partir de nitrógeno no proteico. Esta capacidad depende de los microorganismos ruminales. Además los rumiantes posean un mecanismo para ahorrar

nitrógeno. Cuando el contenido de nitrógeno en la dieta es bajo, la urea, un producto final del metabolismo proteico puede ser reciclada al rumen en grandes cantidades. En cambio en los monogástricos, la urea siempre se pierde en la orina. Considerando estas adaptaciones del metabolismo de nitrógeno, es posible alimentar rumiantes con fuentes de nitrógeno no proteico y obtener una proteína de alta calidad. Aminoácidos. Los aminoácidos son moléculas orgánicas pequeñas con un grupo amino (NH2) y un grupo carboxilo (COOH). La gran cantidad de proteínas que se conocen están formadas únicamente por 20 aminoácidos diferentes. Se conocen otros 150 que no forman parte de las proteínas. Generalmente, el número de aminoácidos que forman una proteína oscila entre 100 y 300. Los enlaces que participan en la estructura primaria de una proteína son los enlaces peptídicos que es un enlace amida que se forma entre el grupo carboxilo de una aminoácido con el grupo amino de otro y la eliminación de una molécula de agua. Independientemente de la longitud de la cadena polipeptídica, siempre hay un extremo amino terminal y un extremo carboxilo terminal que permanecen intactos. Para cada proteína, la secuencia, es decir el orden en que van ordenados los aminoácidos, es diferente. El número de secuencias posibles es tan grande que se explica la gran cantidad de proteínas diferentes. Al tener un átomo de carbono asimétrico pueden presentar isomería. Los de la serie L son los que utilizan los animales. Los sintéticos se encuentran en las dos formas mezcladas (series L y D), por lo que adicionados a la ración no son tan eficaces como los naturales. Cada especie animal puede sintetizar sólo algunos de los aminoácidos que necesita para formar proteínas y, por lo tanto, depende de la dieta para incorporar aquellos que no puede sintetizar. Esos aminoácidos se los considera esenciales y no porque sean los únicos necesarios para la vida de la especie, sino porque deben estar incluidos en la dieta. Cada especie, tiene su grupo de aminoácidos esenciales propios. Los organismos heterótrofos pueden sintetizar la mayoría de los aminoácidos esenciales.Todos los aminoácidos tiene la misma formula general:Los aminoácidos esenciales son: 

Proteínas. 

Son las sustancias que componen las estructuras celulares y las herramientas que hacen posible las reacciones químicas del metabolismo celular. En la mayoría de los seres vivos (a excepción de las plantas que tienen más celulosa) representan más de un 50% de su peso en seco. Una bacteria puede tener cerca de 1000 proteínas diferentes, en una célula humana puede haber 10.000 clases de proteínas distintas.

Químicamente son macromoléculas, polímeros de aminoácidos (más de 100) dispuestos en una secuencia lineal, sin ramificaciones. Una secuencia de menos de 100 aminoácidos se considera péptido.

 Clasificación de las proteínas.

 

Digestión y absorción de proteínas. Los animales no precisan las proteínas como tales sino los aminoácidos que las componen para sintetizar sus propias proteínas. La mayoría de los aminoácidos se ingieren en forma de proteínas, y sólo ellos pueden incorporarse a las diferentes rutas metabólicas. Para ello, las proteínas y péptidos ingeridos sufren un proceso de degradación hidrolítica por medio de enzimas proteolíticas (secretadas por el estómago, páncreas e intestino delgado) en el tracto gastrointestinal. Después de la acción de las enzimas los aminoácidos quedan libres y son absorbidos y transportados a la corriente sanguínea por medio de la que llegan al hígado donde transcurre parte de su metabolismo y luego se distribuyen. Las proteínas endógenas también se degradan después de un tiempo y adquieren unas señales que van a indicar a las enzimas de degradación cuando deben comenzar su proceso.Los aminoácidos libres que provienen de este proceso de digestión de las proteínas son absorbidos por las paredes del intestino y conducidos por medio del sistema porta-hepático. Una vez que llegan al hígado, a través de la corriente sanguínea, son distribuidos por las células para su posterior utilización.  

Proteínas vegetalesTejidosAMINOACIDOSPROTEINAS ANIMALESenzimasMucosaSangre 

Esquema de transformación de la proteína vegetal en proteína animal

 

Las enzimas que intervienen en la digestión proteica están presentes en los respectivos órganos en forma de unos precursores inactivos denominados zimógenos que por acción del ácido clorhídrico estomacal pierden parte de su molécula transformándose en la enzima propiamente activa. Así, por ejemplo el pepsinogéno, precursor de la pepsina es un péptido con un peso molecular aproximado de 42000, que por la acción del ClH se transforma en pepsina que tiene un peso molecular de 34000.

A nivel estomacal, en un medio muy ácido (pH 1,8-2), actúa la pepsina que es eficaz en la liberación de triptófano, fenilalanina, tirosina, metionina y leucina.

 

Ya en el intestino delgado a pH alcalino (7-8-9) actúan los enzimas pancreáticos: Tripsina con actividad sobre arginina y lisina, quimiotripsina con acción sobre metionina y aminoácidos aromáticos, elastasa que libera preferentemente aminoácidos alifáticos y las carboxipeptidasas A y B que actúan a nivel de aminoácidos aromáticos y arginina y lisina respectivamente. También en el intestino actúan las aminopeptidasas sobre los aminoácidos que tienen un grupo NH2 libre.

 

La absorción se realiza a nivel de la mucosa intestinal gracias a las peptidasas que absorben péptidos y liberan aminoácidos. Colaboran activamente en el transporte a través de las membranas los iones sodio y la vitamina B6 (piridoxina). Unicamente los aminoácidos libres de la mucosa intestinal pasan a la sangre portal hasta recalar en el hígado.

 

Estos procesos se ven favorecidos por el tratamiento térmico y por la cantidad de proteína que contiene el alimento que estimula a las proteasas. Si bien un tratamiento térmico excesivo reduce el valor de las proteínas de la ración por la reacción de Maillard por la cual los grupos aldehídicos de los azúcares se unen a los grupos amino de los aminoácidos formando complejos inutilizables. También existen inhibidores de las proteasas que están presentes en las proteínas de determinadas semillas crudas como en el caso de la soja, las más importantes inhiben la actividad de la tripsina y quimotripsina. Suele tratarse de proteínas termolábiles por lo que tratamiento térmico moderado hace que desaparezcan.

 

 

Metabolismo proteico en monogástricos.

Los procesos de síntesis y degradación de proteína en el organismo animal son simultáneos. Se puede considerar que existe un pool de aminoácidos en el organismo que está en constante renovación y que responde al esquema siguiente:

  

 

 

Metabolismo proteico en rumiantes.

Así como en los monogástricos la pieza clave son los aminoácidos en los rumiantes el compuesto clave es el amoniaco. Las proteínas de los alimentos son degradadas por los microorganismos del rumen vía aminoácidos para formar amoniaco y ácidos orgánicos (ácidos grasos con cadenas múltiples). El amoniaco también viene de las fuentes de nitrógeno no proteico en los alimentos y de la urea reciclada de la saliva y a través de la pared del rumen. Niveles demasiado bajos de amoniaco causan una escasez de nitrógeno para las bacterias y reduce la digestibilidad de los alimentos. Demasiado amoniaco en el rumen produce una perdida de peso, toxicidad por amoniaco y en casos extremos, muerte del animal.

El nivel de utilización de amoniaco para sintetizar proteína microbiana depende principalmente de la disponibilidad de energía generada por la fermentación de carbohidratos. En promedio, 20 g de proteína bacteriana es sintetizada a partir de 100 g materia orgánica fermentada en el rumen. La síntesis de proteína bacteriana puede variar de 400 g/día a 1500 g/día según la digestibilidad de la dieta. El porcentaje de proteína en las bacterias varía entre el 38 y 55%. En general, las bacterias contienen más proteína cuando los animales consumen más alimentos y las bacterias pasan más rápidamente del rumen al abomaso pegadas a las partículas de alimento.

La composición de los aminoácidos en la proteína bacteriana es relativamente constante, respecto de la composición de la proteína en la dieta. Todos los aminoácidos, incluyendo los esenciales, están presentes en la proteína bacteriana en una proporción que se aproxima a las proporciones de aminoácidos requeridos por la glándula mamaria para la síntesis de leche. Así la conversión de proteína de los alimentos a proteína bacteriana es usualmente un proceso beneficioso. La excepción es cuando se alimenta con proteína de alta calidad y el amoniaco producido en el rumen no puede ser utilizado debido a una falta de energía para producir su fermención.

 Proteína en las heces. 

Casi el 80% de la proteína que alcanza el intestino delgado es digerida, el resto se excreta con las heces. Otra fuente importante de nitrógeno en las heces son las enzimas digestivas secretadas en el intestino y el reemplazo rápido de las células del intestino (proteína metabólica de las heces). En promedio, por cada incremento de 1kg de materia seca ingerida por la vaca, hay un aumento de 33g de proteína corporal perdido en el intestino y eliminado en las heces. Las heces de rumiantes son un buen fertilizante porque son ricas en materia orgánica y especialmente ricas en nitrógeno comparado con las heces de monogástricos.

 Metabolismo en el hígado y reciclaje de urea. 

Cuando hay falta de energía para la fermentación o cuando la proteína en la dieta es excesiva, no todo el amoniaco producido en el rumen puede ser convertido a proteína microbiana. Un exceso de amoniaco pasa la pared del rumen y es transportado al hígado. El hígado lo convierte en urea que se libera en la sangre. La urea en la sangre puede seguir dos caminos:

 Volver al rumen vía la saliva o a través de la pared del rumen.Excreción en la orina por los riñones. 

Cuando la urea vuelve al rumen reconvertida en amoniaco puede servir como una fuente de nitrógeno para el crecimiento bacteriano. La urea excretada en la orina se pierde. Cuando las raciones son bajas en proteína, la mayoría de la urea se recicla y se pierde poco en la orina. Sin embargo, cuando se incrementa el contenido de proteína de la ración, se recicla menos urea y se excreta más cantidad por la orina.

 Síntesis de la proteína de la leche. 

Durante la lactancia, la glándula mamaria tiene una alta prioridad para utilizar aminoácidos. El metabolismo de aminoácidos en la glándula mamaria es sumamente complejo. Los aminoácidos pueden ser convertidos en otros aminoácidos o bien ser oxidados para producir energía. La mayoría de los aminoácidos absorbidos por la glándula mamaria se utilizan para sintetizar las proteínas de leche. La leche contiene aproximadamente 30g de proteína por kg, pero hay diferencias importantes entre razas y dentro la misma raza. La proteína principal es la caseína que constituye el 90% de la proteína en la leche. Las caseínas contribuyen al alto valor nutritivo que tienen muchos productos lácteos. Las proteínas del suero lácteo también son sintetizadas a partir de aminoácidos en la glándula mamaria. Algunas proteínas encontradas en la leche (inmunoglobulinas) juegan un papel importante en la prevención de las enfermedades de las crías. Las inmunoglobulinas son absorbidas directamente de la sangre y al no ser sintetizadas dentro la glándula mamaria su concentración en el calostro no es alta. La leche contiene complejos de nitrógeno no proteico en cantidades muy pequeñas (por ejemplo urea: 0,08 g/kg).

 Proteínas y nitrógeno no proteico en la ración de rumiantes. 

Las recomendaciones para la concentración de proteína bruta en las raciones de vacas lecheras varía entre el 12% para una vaca seca hasta 18% para una vaca en plena lactación. Si la dieta de vacas que producen 20 a 25 kg de leche contiene aproximadamente un 16% de proteína bruta, la mayoría de forrajes y concentrados tienen la proteína adecuada. Sin embargo, si la producción de leche aumenta, la generación de proteína microbiana en el rumen puede resultar insuficiente por lo que pueden ser necesarias otras fuentes de nitrógeno para que se genere la cantidad requerida de aminoácidos.

 

El nitrógeno no proteico puede ser especialmente utilizado cuando la ración contiene menor de 12-13% de proteína bruta. La urea es probablemente la fuente más popular de nitrógeno no proteico en las raciones de rumiantes. Sin embargo debe ser utilizado con cautela porque en exceso lleva rápidamente a intoxicación con amoniaco. Los alimentos que están más indicados para ser suplementados con urea son altos en energía, bajos en proteína y bajos en fuentes naturales de nitrógeno no proteico. Una lista parcial de tales alimentos incluyen granos de cereales, melaza, pulpa de remolacha azucarera, heno maduro, pajas y ensilaje de maíz. La urea no debe ser utilizada para suplementar alimentos ricos en nitrógeno altamente disponible. Tales alimentos incluyen harinas de semillas oleaginosas, forrajes de leguminosas y gramíneas jóvenes. Además la urea debe limitarse a 150-200 g/vaca/día como máximo, bien mezclada

con otros alimentos para mejorar la palatabilidad y agregada progresivamente a la ración para permitir la adaptación.

 

Digestión y absorción de las proteínasLa digestión de las proteínas comienza en el estómago, con la intervención de su componente ácido, que tiene en este caso dos funciones. La primera es la de activar la pepsina de su forma zimógeno, la segunda , la de favorecer la desnaturalización de las proteínas.

La pepsina es una enzima clave que inicia el proceso de hidrólisis proteica. Las células de la mucosa segregan pepsinógeno, y el HCl del estómago estimula la conversión de pepsinógeno en pepsina. Esta enzima desdobla proteínas y péptidos, en sitios específicos de la unión peptídica, como el grupo carboxilo de algunos aminoácidos, fenilalanina, triptófano y tirosina, y quizás, leucina y otros aminoácidos acídicos.

Cuando la proteína, parcialmente fraccionada, pasa al intestino delgado, las enzimas pancreáticastripsina, quimotripsina y carboxipeptidasas A y B son las responsables de continuar su digestión. Tripsinógeno, quimotripsinógeno y procarboxipeptidasas A y B son las formas zimógeno de tripsina, quimotripsina y carboxipeptidasas A y B, respectivamente. Células de la mucosa intestinal segregan la enzima enteroquinasa, que desdoblará un hexapéptido del tripsinógeno para formar tripsina activa. Una vez formada, la tripsina puede también realizar una división hexapéptidica del tripsinógeno, proporcionando más tripsina. Esta enzima, a su vez, convierte otras formas inactivas de enzimas pancreáticas en sus formas activas. La tripsina actúa sobre las uniones de péptidos que afectan los grupos carboxilo de arginina y lisina. Es tambien una endopeptidasa puesto que escinde péptidos en el interior de la cadena proteica. Quimotripsinógeno es una endopetidasa. Carboxipeptidasas A y B son consideradas exopeptidasas en cuanto que escinden aminoácidos del carboxilo final de polipéptidos. Las aminopeptidasas, que son consideradas unas exopeptidasas, escinden los péptidos en aminoácidos y oligopéptidos. 

La hidrólisis final de los péptidos producidos por las enzimas pancreáticas tiene lugar en la superficie de las membranas de los microvilli de las células de la mucosa intestinal. Y en resumen, el resultado final de la digestión luminal de las proteinas en el intestino delgado es la obtención de fragmentos de oligopéptidos, dipéptidos y aminoácidos.

La absorción de la proteína es principalmente en forma de aminoácidos individuales, y en la parte ileal del intestino delgado. Se realiza por un mecanismo que utiliza transportadores dependientes de energía, los cuales se encuentran en la membrana de los microvilli. Estos transportadores, lo son para cuatro grupos distintos de aminoácidos: I) Neutros: a) aromáticos (tirosina, triptófano,

fenilalanina, b) alifáticos (alanina, serina, treonina, valina, leucina, isoleucina, glicina), y metionina, histidina, glutamina, asparagina, cisteína, II) Básicos (lisina, arginina, ornitina, cistina), III) Dicarboxílicos (ácidos glutámico y aspártico), IV) Aminoácidos: prolina, hidroxiprolina, glicina puede utilizar este portador además del utilizado por los aminoácidos neutros, otros aminoácidos (taurina, D-alanina, ácido gamma-aminobutírico.

Los humanos pueden absorber, también, dipéptidos, tripéptidos y tetrapéptidos, y este mecanismo puede ser más rápido que el utilizado individualmente por cada uno de los aminoácidos. Además, se han detectado, tetrapéptidasas en el borde en cepillo de la membrana de los microvilli, las cuales hidrolizan tetrapéptidos en tripéptidos y aminoácidos libres, y también, tripeptidasas y dipeptidasas en la membrana y en el citoplasma de las células de la mucosa intestinal.

En fracciones de citosol de células de la mucosa intestinal se han aislado dipeptidasas y aminopeptidasas, lo que sugiere que la parte final de la hidrolisis de los péptidos puede tener lugar en el interior de las células. 

Referencias:- BRODY T.: Nutritional Biochemistry. (2ª ed),  Academic Press, San Diego, 1999- CHESHIRE A.: Lo Esencial en Aparato Digestivo.  Ed Harcourt-Brace, , 1998- GUYTON A.C.: Tratado de Fisiologia Médica. (10ª ed),  Ed. McGraw-Hill Interamericana, , 2001- MACKENA BR, CALLANDER R.: Fisiología Ilustrada.  Ed. Churchill, , 1993- WILDMAN, REC. MEDEIROS, DM.: Advanced Human Nutrition.  Boca Ratón, , 2000