Carbohydrate Metabolism in Ruminant

อาจารย ์อานนท ์ปะเสระกงั

anoncp@hotmail.com

Facebook: อานนท ์ปะเสระกงั

Tel. 081-5460757

Ruminant Digestive System

Rumen Ecology (นเิวศวทิยาในกระเพาะรเูมน)

สตัวเ์คีย้วเอือ้งสามารถเปลีย่นอาหารทีม่คีณุภาพต า่เป็นเนือ้และนมซึง่มคีณุคา่สงู

Microbial in The rumen

Bacteria Protozoa Fungi

สภาวะแวดลอ้มในรเูมน

pH: 6.5 – 6.8, Temperature: 39.5 oC

VFA: acetate, propionate, butyrate, branch-chain VFA

CO2, CH4, H2, N2, O2, H2S

Amino acid NH3

Soluble sugar

Cellulose, Hemicelluloses,

lignin

Vitamin, Growth factor

Rumen Bacteria

Cellulolytic bacteria: - Fibrobacter succinogenes - Butyrivibrio fibrisolvens - Ruminococcus albus - Ruminococcus flavefaciens : เกาะกบัชิน้อาหาร,ไมท่น pH ต า่

Amylolytic bacteria: - Streptococcus bovis - Selenomonas ruminantium - Prevotella ruminicola - Ruminobacter amylophilus - Succinomonas amylolytica

Pectin degraders:

-Lachnospira multiparus - Succinovibrio dextrinosolvens

Lactate utilizers: - Megasphaera elsdenii

Proteolytic bacteria

H2 using bacteria:

- Methanobrevibacter ruminantium

:Neocallimastrix frontalis, Piromonas cummunis

Rumen fungi

- มบีทบาทในการยอ่ยเยือ่ใย ท าให ้bacteria เขา้ยอ่ยไดง้า่ยขึน้

วงจรชวีติของเชือ้รา

Rumen protozoa

Ciliates

Flagellates

ขอ้ด ี- โปรโตซวัเก็บกกัแบง่ในเซลล ์ท าใหอ้ตัราการหมกัยอ่ยชา้ลง ลด acidosis - เป็นแหลง่โปรตนีทีม่คีณุภาพ

ขอ้ดอ้ย - กนิแบคทเีรยี - แบคทเีรยีอาจไดร้บัแหลง่พลงังานไมเ่พยีงพอ - เป็นทีย่ดึเกาะของ methanogenic bacteria

Carbohydrate metabolism

Structural Carbohydrate (SC)

Non - Structural Carbohydrate (NSC)

Carbohydrate metabolism

Non – fibrous carbohydrate

NFC = 100 – (%NDF + %CP + %Fat + % Ash )

NDF (Neutral detergent fiber): เยือ่ใยทีไ่มล่ะลายในสารฟอกทีเ่ป็นกลาง ประกอบดว้ย cellulose, hemicelluloses, lignin

ADF (Acid detergent fiber): เยือ่ใยทีไ่มล่ะลายในสารฟอกที่เป็นกรด ประกอบดว้ย cellulose, lignin

Carbohydrate metabolism

Cellulose : โมเลกลุของกลโูคสเชือ่มตอ่กนัดว้ย β – 1, 4 glycosidic linkage

Carbohydrate metabolism

Hemicelluloses

Complex polymers: Xylans, Mannans, Galactans, Arabinans

Starch

:โมเลกลุกลโูคสเชือ่มตอ่กนัดว้ย α – 1, 4 และ α – 1, 6 glycosidic linkage

Carbohydrate metabolism

Carbohydrate metabolism

Pectin เป็นสารเชือ่มระหวา่งผนงัเ ซ ล ล์ พื ช ส่ ว น ใ ห ญ่ประกอบดว้ย galacturonic acid จบักนัดว้ย β – 1,4 linked, non – linearity และมีบางส่วนถูกทดแทนดว้ย araban และ galactin เป็น side chain แกนกลางที่ เ ป็ น polygalacturonic acid จะถกูแทรกดว้ยน า้ตาล rohamnose ท า ใ ห้โครงสรา้งโมเลกลุเปลีย่นหกัเหทศิทางออกไป

Starch Digestion in the rumen

Amylose Amylopectin

Alpha – amylase (alpha-1, 4)

Debranching enzymes (alpha – 1,6)

Alpha – Glucosidase (alpha – 1,4 and 1,6

Dextrin Maltose Glucose Sucrose

α – glucosidase, maltase

Invertase, β - fructosidase

2glucose

Glucose +

Fructose

Cellulose digestion in the rumen

เอนไซม์ที่เกี่ยวข้อง: Endoglucanase, Exoglucanase, β - glucosidase

Cellulose Cellobiose Endoglucanase

Exoglucanase

Cellobiose 2glucose β - glucosidase

Hemicellulose digestion in the rumen

Endo (1,4) β – D – xylanase ยอ่ย Xylans เป็น Xylodextrins Endo (1,4) β – D – mannase ยอ่ย mannans เป็น mannodextrins

Endo (1,4) β – D – galactanase ยอ่ย galactans เป็น galactodextrins

β – D –xylosidase ยอ่ย xylosdextrins เป็น xylose

β – D – galactanase ยอ่ย galactodextrins เป็น galactose

Pectin digestion in the rumen

Polygalacturonase Pectinlyase Pectin esterase

Pectin

Galacturonic acid

Xylose/other pentose

Carbohydrate metabolism in the rumen

Cellulose Starch

Hemicelluloses

Glucose

Pentose

β-1,4 glucosidase

α-amylases

Cellobiose

Glucose – 1 - Phosphate

Glucose – 6 - Phosphate

Fructose – 6 - Phosphate

Fructose – 1, 6 - diphosphate

Endo, Exo - glucanase

Pyruvate

Maltose Isomaltose

maltase

Uronic acid

Pectin

Sucrose

Fructose

Stage I

Nutrient transport in rumen bacteria cell

Passive diffusion: อาศัยความแตกต่างของความเข็มข้นภายในกับภายนอกเซลล์ เช่นการขนส่งน า้

Facilitated system: ความแตกต่างของความเข้มข้น + specific membrane carrier เช่นการขนส่ง VFA, NH3

Active transport: ตัวกลางโปรตีนในการน าพาสารอาหารเข้าเซลล์ + ATP เช่นการขนส่งน า้ตาล กรดอะมโิน เปบไทด์ และกรดอนิทรีย์ เป็นต้น

Phosphotransferase system: พบในกรณีขาดสารอาหารและพบเฉพาะบางชนิด อาศัย PEP เป็นตัวให้พลังงาน

Stage II

Lactate production in the rumen

1. NAD ร่วมกบั lactate dehydrogenase (LDH)

Pyruvate + NADH2 <--------------> Lactate + NAD LDH

2. FMN ร่วมกบั lactate dehydrogenase

Lactate + FMN -------------------> Pyruvate + FMNH2 LDH

FMN = Flavin mononucleotide

Acetate production in the rumen

Acetyl - CoA

Acetate

1) Phosphotransacetylase:

Phosphotransacetylase Acetate kinase

2) Acetyle – CoA kinase

Butyrate production in the rumen

Acetyle acetyle CoA thiolase

B – hydroxybutyrate dehydrogenase

Crotonase

Butyryl - coA

Butyrate kinase

Propionate production in the rumen

Succinate – propionate pathway

Acrylate Pathway

Factors affecting ruminal carbohydrate metabolism

1. สดัสว่นของอาหารขน้อาหารหยาบ: อาหารหยาบสงู C2 สงูขึน้ อาหารขน้สงู C3 สงูขึน้

2. อายกุารเก็บเกีย่ว: พชืแกม่เียือ่ใยสงู การผลติ C2 จะสงูขึน้

3. ขนาดชิน้อาหารหยาบ: ขนาดชิน้อาหารหยาบส ัน้ C2 ลดลง C3 เพิม่ข ึน้

4. การอดัเม็ดอาหารหรอืการใหค้วามรอ้นเมล็ดธญัพชื: C3 เพิม่ข ึน้

5. การเสรมิไขมนัในอาหาร: C3 เพิม่ข ึน้ (glycerol propionate)

Effect of Roughage to Concentrate Ratio

Effect of forage particle size

Effect of energy source and processing

VFA: สว่นใหญจ่ะถกูดดูซมึผา่นผนงักระเพาะรเูมน recticulum และ omasum อตัราการดดูซมึขึน้กบั pH ในกระเพาะหมกั pH 6.5 การดดูซมึ butyrate > propionate > acetate pH < 5 การดดูซมึ acetate > propionate > butyrate

- แป้งสว่นทีเ่หลอืจากการยอ่ยจะถกูเอนไซม ์α – amylase และ maltase ยอ่ยไดผ้ลผลติสดุทา้ยเป็น glucose - การยอ่ยไดข้องเยือ่ใยแทบจะไมเ่กดิขึน้เลยในล าไสเ้ล็ก

Carbohydrate absorption

Carbohydrate metabolism in animal tissue

ผลผลติหลกัจากการยอ่ยคารโ์บไฮเดรต

- Acetate (C2) - Propionate (C3) - Butyrate (C4) - Glucose

Carbohydrate metabolism in animal tissue

Q & A

เนือ้เย ือ่แตล่ะ่เนือ้เย ือ่ตอ้งการ glucose แตผ่ลผลติของ glucose จากการยอ่ยอาหารไมเ่พยีงพอ ค าถามคอื glucose ทีใ่ชใ้นสตัวเ์คีย้วเอือ้งไดม้าอยา่งไร ?

??????????????????????????????????????????????

Carbohydrate metabolism in liver tissue

Carbohydrate metabolism in liver tissue

Propionate

Carbohydrate metabolism

-สตัวท์ ีก่ าลงัเจรญิเตบิโต 70% ของ glucose มาจาก gluconeogenesis - สตัวโ์ตเต็มวยั 90% ของ glucose มาจาก gluconeogenesis

-ในโคนม 60% ของ glucose ไดจ้ากการสงัเคราะหจ์าก propionate - โคตอ้งการ glucose ประมาณ 70% ของ glucose ท ัง้หมดในรา่งกายเพือ่ใชใ้นการสงัเคราะหน์ า้นม และองคป์ระกอบน า้นม - โคใหผ้ลผลติ 90 กโิลกรมั ตอ้งการ glucose 7.4 กโิลกรมั ซึง่ glucose 6.6 กโิลกรมั มาจากกระบวนการ gluconeogenesis

Carbohydrate metabolism in animal tissue

Carbohydrate metabolism in animal tissue

Electron transport system

Electron transport system

Oxydative-phosphorylation