Factores Limitantes De La Gluconeogenesis En El Periodo De Transición De La Vaca Lechera.
Wilmer Alfonso Cuervo Vivas
Zootecnista, Especialista en Nutrición Animal, Magister en Ciencias Agrarias
Docente Bioquímica Metabólica, Líder Nacional Especialización en Nutrición Animal Sostenible
Escuela de Ciencias Agricolas, Pecuarias y del Medio Ambiente ECAPMA, UNAD
wilmer.cuervo@unad.edu.co
RESUMEN
El periodo de transición representa un conjunto de cambios drásticos en la anatomía, fisiología y metabolismo de la vaca lechera, especialmente en animales de alta producción. Se ha reportado una evidente reducción en el consumo de materia seca durante el posparto temprano del ganado lechero especializado, razón por la cual mecanismos importantes de regulación fisiológica se ven alterados (Molina et al., 2016).
Este tipo de retos metabólicos y fisiológicos en la vida productiva de una vaca lechera ocurren durante la tercera a cuarta semana antes del parto y la tercera o cuarta posparto (Stalling, 1999; Drackley, 2001; Correa, 2002). Los cambios fisiológicos constituidos por adaptaciones endocrinas y cambios en niveles hormonales durante la preñez tardía y la lactancia temprana, esto sumado a cambios nutricionales caracterizados por disminución en la ingestión de materia seca, generan una cascada de cambios metabólicos que posteriormente se verán evidenciados en movilización de reservas energéticas a partir del tejido adiposo y de glicógeno hepático (NCR,2011). Estos fenómenos se adicionan al aumento drástico en los requerimientos nutricionales, especialmente de energía, que producen un fenómeno conocido como balance energético negativo (BEN), el cual es más profundo en vacas de alta producción, toda vez que el volumen de leche producida acentúa el fenómeno de feedback negativo ejercido sobre la capacidad de ingestión de materia seca.
El volumen de leche secretada por las hembras bovinas está controlado a nivel de la glándula mamaria por la cantidad de lactosa sintetizada en sus células especializadas. Debido a que la cantidad de este disacárido depende de la cantidad de glucosa disponible a nivel intestinal y la cantidad de glucosa que abandona el rumen y es disponible a nivel intestinal es casi nula (menos del 5%), se torna importante la acción de la gluconeogenesis hepática, como vía metabólica que permite sintetizar glucosa a partir de substratos carbonados de menor tamaño molecular como el glicerol, el propionato, el lactato y aminoácidos como la alanina
ABSTRACT
The transition period represent a drastic group of events in the dairy cow anatomy, physiology and metabolism, especially in animals with a high production level. Has been reported a evident reduction in the dry matter intake within the early postpartum in the dairy cattle, that is the reason why the main mechanisms of physiological regulation are altered.
This kind of physiological and metabolic challenges of productive life in dairy cattle occur between the third and the fourth prepartum weeks (Stalling, 1999; Drackley, 2001; Correa, 2002). These changes occur specifically during late pregnancy and early lactation; combined with nutritional changes characterized by decreased dry matter intake (DMI), generate a cascade of metabolic changes that will be evidenced later in the mobilization of energy reserves from fat and liver glycogen (NCR,2011). These phenomena are added to the drastic increase in nutritional requirements, especially energy, producing a phenomenon known as negative energy balance (NEB), which is deeper in high producing dairy cows, since the volume of milk produced increase the phenomenon of negative feedback exerted by the DMI.
The milk volume secreted by the female cattle is controlled in the mammary gland by the amount of lactose synthetized in the specialized cells. Because the amount of this disaccharide depends on the glucose level in the small intestine and this level at the same time depends on the ruminal bypass glucose which is almost none (less than 5% of glucose produced in the rumen) becomes important the role of the hepatic gluconeogenesis, like a glucose producer pathway by using smaller carbon substrates such as glycerol, propionate, lactate and amino acids like alanine.
Introducción.
El periodo de transición en la vaca lechera comprende el tiempo transcurrido entre aproximadamente la tercera semana pre-parto y la tercera semana pos-parto (Aiello & Armentano, 1987; Correa, 2009). Es un periodo crítico tanto para la productividad posterior del animal como para la rentabilidad del sistema de producción lechero, explicado en gran parte por su estrecha relación con la aparición de desórdenes metabólicos, endocrinos y reproductivos en las lactancias posteriores (Van Soest, 1994; Bell, 1995; Bradford & Phlorizin, 2004).
Se ha identificado a la disminución del consumo de materia seca como el fenómeno que desencadena gran parte de estos cambios (Bradford & Phlorizin, 2004), toda vez que el consumo de materia seca está altamente relacionado con la cantidad de insulina presente en plasma, y esta hormona pancreática a su vez regula el balance de glucosa (Correa, 2002; Correa, 2004). La mayor parte de los azucares que son consumidos por el bovino en pastoreo están representados por celulosa, Hemicelulosa y bajas cantidades de otros azucares sencillos contenidos en el interior celular (Relling & Mattioli, 2003; Van Soest, 1994), dichos azucares son degradados por una gran variedad de microorganismos alojados en el rumen hasta formar piruvato y posteriormente ácidos grasos volátiles (Annison & Bryden, 1999; Pabon, 2004). Esta es la razón por la cual una baja o casi nula cantidad de glucosa alcanza el intestino delgado, siendo muy baja su absorción (Correa, 2004), es por ello que la glucosa necesaria para los procesos metabólicos y fisiológicos de los tejidos periféricos está a cargo de vías anabólicas en hígado y en riñón (Relling & Mattioli, 2003).
Debido a la disminución en la habilidad para consumir materia seca, el animal se ve forzado a movilizar reservas principalmente desde el tejido adiposo hacia el hígado para obtener energía por medio de su oxidación (USDA, 1993)). No obstante, las grasas no representan una fuente de energía a largo plazo, toda vez que pueden llegar a acumularse a nivel hepático generando problemas relacionados con el síndrome de hígado graso (Veenhuizen et al., 1991). De allí la importancia de la gluconeogenesis (GNG) como vía metabólica para la obtención de glucosa como principal fuente de energía para el animal y única fuente del azúcar de la leche (lactosa). La molécula de la glucosa es de vital importancia para el bovino, no solo por ser el metabolito clave en el metabolismo nutricional de la vaca lechera (Correa, 2002; Correa, 2004) sino porque se requiere para la síntesis de nutrientes vitales para la vida productiva y reproductiva del animal como los carbohidratos, los lípidos y las proteínas (Cunningham, 2003).
Caracterización periodo de transición.
Numerosos autores (Stalling,1999; Drackley, 2001; Correa, 2002; NCR,2001; Drackley, 2009) han coincidido en dividir el periodo de transición en tres etapas importantes, el periodo seco fresco, el periodo seco preparto y el periodo de posparto temprano. Es precisamente durante este último periodo en donde convergen los desórdenes hormonales, metabólicos y por tanto alimenticios, produciendo un fenómeno denominado balance energético negativo (BEN). El BEN es el resultado (entre otros efectos) de una disminución en el consumo de materia seca (CMS) típico en la mayoría de mamíferos. Una de las últimas teorías explicativas acerca de este fenómeno, apunta a la intensificación de la producción de ganado lechero como posible causa, asociado a la utilización de alimentos concentrados y el aumento de peso en la época del parto (Veenhuizen et al., 1991; Drackley, 2009).
Por naturaleza los bovinos salvajes presentan su temporada de partos al final del invierno (Varst et al., 2004; Wattiaux & Armentano, 2000) , época a la que llegan con escasas reservas de tejido adiposo, debido a que prácticamente en todas las hembras mamíferas existen mecanismos de regulación que reducen el CMS a medida que se incrementan las reservas para prevenir un engorde excesivo (Wattiaux & Armentano, 2000). De tal forma que en vida salvaje el CMS de los bovinos, aumentaría durante la lactancia a medida que se almacenan reservas grasas y disminuiría a medida que se acerca la llegada al parto y debido a la especialización en la producción y a las exigencias productivas en las ganaderías lecheras especializadas, el hombre ha sobre-alimentado al ganado durante la lactancia, generando una alteración en la movilización de reservas lipídicas, aumentándolas (Grummer, 1993).
El consumo de energía durante el periodo de posparto temprano se encuentra por debajo de los niveles normales explicado en gran parte por la disminución en el CMS (Bauman & Currie , 1980; Bell,1995). Este fenómeno se presenta incluso desde antes del parto y genera mermas de hasta el 2% del peso corporal en el preparto y de hasta 1.4% del peso corporal en la primera semana posparto y puede alcanzar tasas de disminución de 2.5kg/día por semana (Block & Sanchez, 2000). Adicionalmente la alta incidencia de alteraciones sanitarias en este periodo puede contribuir a la acentuada variación del CMS al principio de la lactancia (Drackley, 2001).
Sumado a la disminución del CMS en el posparto temprano, las demandas de nutrientes incrementan debido al creciente volumen de producción de leche en las explotaciones ganaderas especializadas (Correa, 2004) razón por la cual la energía que es depositada en la leche supera de manera importante la energía que ingresa al animal por medio del alimento (Blaxter, 1962) generando el BEN.
El menor nivel del CMS puede exacerbar el efecto del balance energético negativo (BEN) durante las primeras semanas posparto en el animal. A pesar que en este periodo existen diversos factores que alteran el equilibrio hormonal, metabólico y nutricional del animal en el posparto, el fenómeno que está relacionado con un buena parte de los desbalances y problemas en el posparto es la aparición del BEN, no obstante, algunos autores (Kunz et al., 1985) afirman que este balance negativo no se trata únicamente de energía sino también de proteína y de minerales, ya que en este periodo los requerimientos nutricionales envuelven dichas macromoléculas, aumentando drásticamente debido al inicio de la lactancia.
Efecto del BEN y la disminución del CMS en la gluconeogenesis.
La principal fuente de energía en los bovinos son los ácidos grasos volátiles (AGV) proveniente de la fermentación ruminal de los carbohidratos (Church, 1988) generando para el animal al menos el 50% de la energía digerida (Sutton , 1985). La principal fuente de carbohidratos (CHOS) en bovinos en el trópico proviene de gramíneas forrajeras (Fulkerson , 1999) en donde el principal CHO es la celulosa, la fermentación de la celulosa en el rumen, produce principalmente ácido acético, un AGV compuesto por 2 moléculas de carbono (Cunningham, 2003).
Una gran parte del acetato (70%), así como de propionato (50%) alcanzan la circulación vía vena porta (Seal & Reynolds, 1993). En el hígado las vías metabólicas que toman dichos AGV son diversas, en el caso del acetato una de las principales es la síntesis de Acetil CoA y por consiguiente de ácidos grasos de cadena media y larga (Gómez & Campos, 2016). Mientras que el ácido Propiónico tiene como principal destino la formación de glucosa (Annison & Bryden,1999) por medio de una vía anabólica realizada en el hígado, denominada gluconeogenesis (GNG). Se ha descubierto (Hartwell et al., 2001) que esta ruta metabolica cuenta con varios mecanismos de control. Cuervo (2008) describe al control hormonal como uno de los principales, específicamente el ejercido por la Insulina y el glucagon.
La formación y secreción de hormonas que ejercen control metabólico están fuertemente influenciadas por el aumento de sustancias indicadoras a nivel sanguíneo, como la glucosa. En el momento mismo en que la glucosa proveniente al sistema sanguíneo, se produce a nivel pancreático la insulina (I2) (Correa, 2004). La I2 es una hormona de origen proteico compuesta por 31 aminoácidos (AA), es sintetizada específicamente en el retículo endoplásmico de las células denominadas islotes de Langerhans tipo β (Gómez & Campos, 2016).
Ya liberada en el torrente sanguíneo la insulina (I2) puede cumplir funciones como; transporte (específicamente aumentarlo) de glucosa al interior de las células produciendo una disminución de los valores de glucosa en sangre, aumento en la actividad de enzimas como la glucógeno-sintetasa (disminuyendo el proceso de glucógenolisis), además de funciones importantes en el metabolismo de ácidos grasos y aminoácidos (Chase, 1996). En general la I2 tiene varios efectos a nivel hepático, adiposo y muscular que diferencia su tipo de acción, dentro del metabolismo de los CHOS cumple una de sus principales funciones controlando vías metabólicas de importancia como la glicolisis y la GNG (Govorko et al., 2007)
No obstante, bajo ciertas circunstancias especiales, la producción de I2se ve disminuida, como por ejemplo con ejercicio prolongado, que en el caso de las vacas en producción, correspondería a desplazamientos largos (principalmente al momento del ordeño) o en momentos de ayuno o disminución en el CMS como el que ocurre en el periodo de transición, específicamente entre la preñez tardía y la lactancia temprana (Drackley, 2001). Es en esos momentos en los que el nivel de glucosa en sangre es bajo, es decir tendiente a 50mg/dl o menos (límite inferior del valor de referencia de glucemia en bovinos) se genera un aumento en la síntesis de glucagon, en las células α pancreáticas (Harkin, 1973).
Por tanto en el periodo de posparto temprano, la disminución de CMS acentúa la importancia de la GNG como mecanismo principal para la obtención de glucosa para los tejidos de importancia productiva y reproductiva en dicho estado fisiológico. En vacas de alta producción esta situación presenta un agravante importante, la gran cantidad de leche que debe producir un animal, que en Colombia incluso ha alcanzado niveles de hasta 57lt/d (Correa, 2004). El volumen de producción láctea está determinado entre otras causas por el nivel de glucosa en circulación, teniendo en cuenta que este monosacárido es el precursor del azúcar de la leche, la lactosa, quien a su vez regula la presión osmótica de la leche por medio del aumento en la toma de agua por parte de la glándula mamaria, incrementando el volumen de leche producido.
El alto nivel de producción se suma al bajo CMS en la lactancia temprana, el cual no ha alcanzado su nivel óptimo, además la mayoría de los CHOS han sido fermentado en el rumen y una baja proporción de la glucosa (menos del 5%) producida en el rumen es digerida a nivel intestinal, por tanto las vacas lecheras dependen en esencia de la GNG hepática a partir del ácido Propiónico para satisfacer sus requerimientos de glucosa (Drackley, 2001).
Infortunadamente para el status nutricional del animal durante el periodo de transición, los principales procesos homeorréticos que se desencadenan durante el mismo, privilegian la utilización de glucosa para tejidos como al útero en el periodo seco del final de la preñez, y a la glándula mamaria, en el posparto temprano, al inicio de la lactancia (Bauman & Currie, 1980). De esta forma se puede afirmar que la mayoría de alteraciones nutricionales y metabólicas que se presentan en el periodo de transición corresponden a factores que limitan la GNG.
Adicionalmente, la característica del tejido mamario de ser insulinico-independiente, permite que con las bajas concentraciones plasmáticas de I2 que pueden observarse en el periodo de transición, la glándula mamaria tome la poca glucosa disponible en la sangre que queda luego de la fermentación ruminal (Relling & Mattioli, 2003; Cunningham, 2003) aumentando asi el déficit de glucosa del sistema y forzando al hígado a tomar sustratos gluconeogenicos diferentes al propionato (disminuido por el bajo CMS).
Control Hormonal y enzimático.
El proceso de la GNG presenta etapas o reacciones irreversibles, que a su vez estan relacionados con la glicolisis (rompimiento de los CHOS) por ser su vía inversa. a la Glicolisis (rompimiento de los CHOS). La primera reaccion limitante del proceso de la glicolisis es el de la hexokinasa (HK) que cataliza la conversión de glucosa a glucosa 6 fosfato (G6P) por medio de la adición de 1 molécula de ATP (Gómez, L. & Campos, R. (2016) cuya contraparte en el proceso de la GNG es la activación de la enzima G6Pasa que esta presente en hígado y en riñon (Cunningham, 2003) . El segundo proceso es el de la PFK-1 que cataliza el paso de F6P a F1,6BP también por la adicion de una molecula de ATP (Grummer, 1993) y la contraparte en la GNG es la activación (o desinhibición) de la F1,6Bpasa que cataliza el paso de Fructosa 1,6Bi fosfato a Fructosa 6 fosfato.
Las hormonas glucagón e insulina presentan actividades opuestas, en el caso del glucagón controla la secreción de algunas enzimas específicas que a su vez regulan procesos metabólicos y sin su presencia es imposible que estos se lleven a cabo. Dichas enzimas son denominadas enzimas marcapaso (Pabon, 2004). En el caso de la GNG dichas enzimas son 3, la piruvato carboxilasa (PC), la fosfoenolpiruvato carboxikinasa (PEPCK), y la fructosa 1,6 bi-fosfatasa (F16BP) (Armentano & Donkin, 1995).
Son precisamente estas dos hormonas las que controlan el proceso tanto de la glicolisis como la GNG son la I2 y el glucagon, además se sabe que gran parte de la explicación de la importancia de este último proceso, es el tipo de digestión (post-gástrica y fermentativa) que genera que el animal tenga estrategias de producción y almacenamiento de glucosa diferentes al suministrado en la dieta para abastecer una gran mayoría de la glucosa sanguínea y con ello mantener la glicemia constante. Es importante establecer las contrapartes, a menudo denominados By-pass, (King, 1996) en el proceso de GNG que determinan los productos y efectos del mismo.
El glucagon como hormona estimulante del proceso de GNG se evidencia en un buen numero de reacciones, siendo el primero la activación de la protein-kinasa A, luego la activación de la F2,6BPasa junto con la inactivación de la PFK-2, el tercer paso es la disminución de la producción de F2,6BP, el cuarto la disminución en la actividad de PFK-1 y el quinto paso y posiblemente el más importante es el aumento en el proceso de GNG por medio de la desinhibición de la enzima F1,6BPasa.
Precursores limitantes de la GNG
Uno de los procesos que genera precursores para el proceso de la GNG es el exceso de movilización lipidia que ocurre en el periodo de transición y especialmente en la lactancia temprana por el aumento drástico en los requerimientos de nutrientes.
Dicho movimiento hacia el hígado genera metabolitos como el glicerol, proveniente del rompimiento de los triacilgliceridos (Gómez & Campos, 2016)). El glicerol al ser una molécula de tres carbonos es uno de los principales precursores para la GNG, sin embargo la movilización de grasas en el posparto temprano puede ser tan extrema que llega a generar una acumulación de triglicéridos en los hepatocitos (lipidosis hepática) (Relling & Mattioli, 2003). La ocurrencia de esta alteración metabólica se puede presentar en vacas sobre condicionadas al parto (Wattiaux & Armentano, 2000) y se ha demostrado que en este tipo de vacas (sobre condicionadas al parto y en consecuencia con hígado graso) la actividad de las enzimas gluconeogénicas es menor que en las vacas que no presentan dicha alteración (Galvis et al., 2003). Aunque recientemente algunos autores (Armentano & Donkin, 1995) han determinado que la infiltración de grasa en el hígado per se no afecta la GNG por parte de los hepatocitos bovinos.
El ácido Propiónico, es el principal precursor de la GNG hepática en bovinos (Correa, 2002) contribuyendo con cerca del 50% de la glucosa obtenida por medio de GNG. Sin embargo, en las dietas a base de forraje el AGV predominante a nivel ruminal es el acetato y no el propionato (Cunningham , 2003). Debido a esto el hígado debe servirse de nuevos sustratos como el glicerol, proveniente de la movilización de lípidos desde el tejido adiposo y los aminoácidos provenientes de la movilización de proteína y especialmente de glutamato, glutamina, aspartato y alanina. Estos dos casos típicos durante un estado de balance energético negativo (BEN) cobran mayor importancia precursores como el lactato producido por los músculos (con ejercicio o ayuno prolongado) que es sustrato gluconeogenico en especial en el riñón (Correa , 2004).
De igual forma existen algunas sustancias que generan disminución en la actividad y la eficiencia de las enzimas vitales para la GNG como el amonio hepático (González & Koenekamp , 2006). Se ha determinado en incubaciones in vitro de hepatocitos aislados con cloruro de amonio la fuerte inhibición de la GNG a partir de propionato, de tal forma que la mencionada inhibición de la función y la actividad gluconeogenica por exceso y acumulación de TG en hígado, pudiera ocurrir modulado por el aporte de amonio al hígado (Overton et al., 1998). De esta forma tenemos que el nivel de amonio en sangre y en hígado puede afectar la GNG, por ello los niveles y los tipos de proteína (en caso de tratarse de NNP) en los forrajes se pueden convertir de igual manera en factor limitante de la GNG. Zhu y Col (2000) identificaron un aumento de hasta el doble de lo normal en la concentraciones periféricas de amonio, en el momento en que las concentraciones de TG hepáticos aumentaron durante los dos primeros días posparto.
Manejo alimenticio vaca en transición.
No debe descartarse el factor cultural como limitante en el proceso de la GNG, explicado desde el punto de vista del tipo de dietas suministradas al ganado denominado horro o “vacio”, las cuales por tradición van desde los forrajes de los potreros de peor calidad o rastrojos del potrero de los demás grupos de producción del hato, hasta desechos de ensilaje (Andresen, 2008).
Tradicionalmente la dieta de este grupo de animales presenta una relación acético: propionico (C2:C3) alta al igual que la relación fibra detergente neutro: carbohidratos no estructurales (FDN: CNE) (Correa, 2004). Este manejo alimenticio genera una marcada disminución en el principal sustrato gluconeogenico, por lo que el manejo que se sigue dando a este grupo de animales no es el adecuado, teniendo en cuenta que el futuro nivel de producción dependerá del éxito con que transcurra el periodo de transición de una vaca (Drackley, 2009). Es por esto que se debe prestar especial cuidado en la formulación de sistemas de alimentación adecuados para el periodo de transición.
Una de las principales recomendaciones en lo concerniente al manejo alimenticio del grupo de vacas secas es el suministro de una dieta con mayor aporte de granos o alimentos concentrados aproximadamente 2 semanas antes del parto, generando una correcta transición de las poblaciones microbianas del rumen (Garnsworthy et al., 2008; Grummer,1993). De igual forma el aporte de CNE durante el preparto tardío permitirá una adaptación del rumen a la baja cantidad de fibra que tendrá la dieta de producción, permitiendo una adaptación que evitara desordenes metabólicos (cetosis, hígado graso, desplazamiento de abomaso) que a su vez limitaran la GNG (Drackley, 2001).
La compresión de los fenómenos extrínsecos e intrínsecos que controlan vías metabólicas de importancia para el ganado lechero como la GNG, permitirá la generación de estrategias nutricionales y alimenticias tendientes a la mitigación de fenómenos como el BEN que es exacerbado por el nivel de producción en lecherías especializadas y que ha sido ampliamente relacionado con alteraciones en los parámetros reproductivos como la tasa de concepción y el número de servicios por concepción.
Literatura Citada