Digestão em herbívoros: Fermentação

O digestão fermentativa que ocorre no trato digestivo dos animais herbívoros é realizada por enzimas microbianas, não enzimas dos animais. Dessa forma, é possível observar uma relação simbiótica entre as bactérias fermentativas e os animais herbívoros, pois ambos os organismos são beneficiados e um depende do outro para viver.

A fermentação, que ocorre em câmaras específicas do trato gastrintestinal, tem a capacidade de metabolizar proteínas, lipídios, carboidratos e nucleotídeos e transformá-los em ácidos graxos voláteis (AGV) e aminoácidos (gerando também a amônia NH₃).

A digestão fermentativa ocorre de maneira muito mais lenta do que a digestão dos mamíferos que produzem suas próprias enzimas digestivas. Apesar de terem a digestão mais rápida, estes animais precisam ter um arcabouço de preparação enzimática muito grande e secreção a todo momento, o que acaba sendo contado nos gastos energéticos.

Os animais herbívoros são aqueles que obtêm seu maior volume energético a partir da ingestão de vegetais, alimentos ricos em celulose.

De acordo com a organização de seu trato digestivo, eles podem ser subdivididos em dois grupos:

1) Monogástricos (coelhos, capivaras, equídeos)

Nestes animais, a fermentação bacteriana ocorre principalmente no ceco (primeira porção do intestino grosso) e no cólon. O ceco dos monogástricos costuma ser bem desenvolvido, para que possa exercer a função de câmara fermentativa, fornecendo ambiente adequado para a proliferação das bactérias.

2) Poligástricos (ruminantes: bovídeos, veados, girafas, camelos, lhamas)

Nestes animais, o estômago é subdividido em quatro porções: rúmen, retículo, omaso e abomaso. Alguns autores consideram que apenas o abomaso é o "estômago verdadeiro" e, por isso, as outras porções são chamadas "pré-estômagos". O rúmen é, na verdade, uma grande câmara fermentativa.

Condições básicas para a fermentação:

1- Estase: parada do alimento. É necessário que o alimento fique tempo suficiente nas câmaras sendo remexido, homogeneizado, para que o processo de digestão fermentativa seja eficiente.

2- Anaerobiose: é preciso que o ambiente seja restrito de oxigênio, pois a maioria das bactérias que trabalham na digestão fermentativa são anaeróbicas, e na presença de oxigênio elas acabam esporulando e se tornando inativas.

3- pH próximo ao neutro (numa faixa entre 6,5-7,5). É importante frisar que o processo fermentativo não é oxidativo, mas sim redutivo. Dessa forma, há sempre uma tendência à acidose em ambientes redutivos. Em ruminantes, a ruminação é essencial para a manutenção do pH, pois o bicarbonato presente na saliva terá ação tamponante no estômago, já que o alimento será regurgitado, re-salivado, remastigado e re-deglutido. Em herbívoros não ruminantes, existem glândulas no intestino que auxiliam na manutenção do pH através de secreções de ação tamponante, que contém bicarbonato.

4- Fornecimento adequado e regular de substratos: o pasto novo é altamente fibroso, rico em celulose. Quando o pasto começa a envelhecer, uma mudança no metabolismo da planta promove o processo de lignificação, em que há produção e deposição de lignina e outras substâncias nas paredes celulares dos vegetais, dando aos tecidos a consistência mais firme, semelhante à lascas de madeira. A lignina é um polímero orgânico complexo não digerível pelas enzimas bacterianas do trato digestivo, não é fermentada e, por isso, não é adequada para a alimentação. 

5- Remoção regular e eficiente de substâncias tóxicas e/ou nocivas ao sistema fermentativo, como oxigênio, excesso de CO2, excesso de amônia, metano e outros gases. Eventualmente, os animais não conseguem retirar esses excessos de gases, devido à movimentação, processos inflamatórios, e nesses casos o animal pode desenvolver um quadro clínico de cólica e vir a óbito. A degradação da colônia microbiana pode levar à morte do animal. Esses gases normalmente são removidos através da eructação e das flatulências.

Micro-organismos envolvidos na fermentação: Fungos, protozoários e bactérias. 

Os fungos são encontrados em menor quantidade, e teoricamente ainda não apresentam função específica na digestão fermentativa. Estudos mais recentes, entretanto, mostram que esses fungos apresentam pequena capacidade de degradar a lignina, mas o aproveitamento energético dessa degradação é desprezível.

A massa de protozoários e bactérias presentes no suco fermentativo é praticamente a mesma, pois os protozoários são maiores e mais "pesados", entretanto, a quantidade de bactérias é muito maior do que a de protozoários. A presença dessas bactérias é o fator mais importante para a digestão fermentativa.

Classificação das bactérias segundo sua função metabólica e secreção enzimática de acordo com o substrato:

Existem bactérias celulolíticas, que contêm a enzima celulase e são capazes de digerir a celulose, hemicelulolíticas, pectinolíticas, amilolíticas, lipolíticas, proteolíticas, ureolíticas, utilizadoras de ácidos.

Classificação das bactérias segundo o produto gerado:

As bactérias podem ser amoniogênicas, metanogênicas ou sintetizadoras de vitaminas.

Glicídeos importantes encontrados em vegetais:

Celulose

Hemiceluloses

Pectina

Todas essas grandes moléculas que são digeridas e absorvidas são convertidas em piruvato, e posteriormente formarão três ácidos graxos principais: Acetato, Butirato e Propionato.

Digestão e Absorção de Proteínas

As proteínas têm como principal função a constituição estrutural/plástica das células organismo, mas também são moléculas que podem ser usadas como fonte de energia. A síntese dessas moléculas ocorre por um processo de expressão gênica, em que o DNA é transcrito em RNA e, posteriormente, traduzido em proteínas específicas nos ribossomos, organelas onde ocorre a síntese proteica. As proteínas formadas podem sofrer mudanças pós-traducionais após a síntese, alterando sua conformação.

As proteínas possuem diferentes níveis de estruturação. Na hora da síntese, elas são formadas em suas estruturas primárias, como uma "fita" composta por vários aminoácidos ligados entre si. Entretanto, quando a molécula de proteína já está pronta, ela pode alterar sua conformação por meio de ligações de hidrogênio formando uma estrutura secundária, em forma de α-hélice. Quando essas estruturas de enovelam, elas podem assumir uma conformação terciária, e a conformação quaternária envolve ligação com outras cadeias polipeptídicas já enoveladas.

Dos 20 aminoácidos diferentes que constituem o organismo, nem todos são produzidos de forma satisfatória pelo corpo. Alguns deles, os chamados aminoácidos essenciais, precisam ser inseridos através da dieta para formar as proteínas que regulam as funções do organismo, permitindo um funcionamento adequado.

As proteínas possuem valores biológicos diferentes. O conceito de "valor biológico" tem a ver com a questão nutricional da proteína, considerando os diferentes aminoácidos que compõem a mesma e permitem melhor aproveitamento. Por exemplo, a caseína, proteína do leite, possui grande variedade de aminoácidos em sua estrutura. Já o colágeno é de menor valor biológico, pois possui menos variedade de aminoácidos em sua estrutura, tendo principalmente glicina e prolina em sua composição.

O processo de digestão das proteínas envolve principalmente mecanismos químicos, mas também há importância de mecanismos físicos, como a mastigação e os movimentos peristálticos do estômago, que promovem a dilaceração física do alimento.

A digestão começa de fato no estômago, pois a saliva não contém enzimas específicas para digerir proteínas. A produção do suco gástrico pelas fossetas/glândulas gástricas é essencial no processo digestivo das proteínas.

A secreção do suco gástrico é feita por diferentes tipos celulares:

As células mucosas secretam mucoproteínas (mucina) para proteger a mucosa gástrica contra condições ácidas e atividade trituradora. As células principais secretam o pepsinogênio, forma inativa da enzima pepsina. As células parietais são encarregadas pela pela produção do ácido clorídrico (HCL). As células G são secretoras da gastrina, um hormônio secretado pela mucosa gástrica e que induz a liberação de ácido clorídrico pelo estômago.

Formação do ácido clorídrico:

O CO2 é hidratado, formando H2CO3, que é transformado em HCO3- e H+. O HCO3- entra em contato com um "trocador" de Cl-, enquanto que o H+ passa pela Bomba de Prótons, junto com íons de K+. Dessa forma, o H+ e o Cl- passam da célula parietal e se encontram no lúmen estomacal, formando o HCl-.

A produção excessiva de ácido clorídrico pode causar problemas à mucosa estomacal, podendo causar gastrite ou até mesmo desenvolvendo úlceras. Esses problemas podem ser tratados com medicamentos específicos que agem ou inibindo o estímulo para a produção do HCl (estes são bloqueadores dos receptores H2 que competem com a histamina pelo receptor) ou agem inibindo as bombas de prótons, impedindo que tenha H+ no lúmen para formar o ácido.

Ações do HCl:

1. Desnaturação das proteínas - perda da estrutura tridimencional enovelada, que acarreta em perda da função da proteína.

- As primeiras enzimas que agem na digestão de proteínas após o processo de desnaturação são endopeptidases, enzimas que clivam as ligações no interior da cadeia. Essas enzimas só conseguem trabalhar após a desnaturação proteica.

2. Anti-séptico gástrico - o pH ácido mata várias bactérias que poderiam ser prejudiciais ao nosso organismo.

3. Ativação do pepsinogênio - o pepsinogênio é ativado em pepsina.

- Zimogênios: proteínas sintetizadas na sua forma inativa que, ao sofrerem hidrólise parcial limitada, tornam-se ativas. Elas são produzidas na forma inativa para que não ocorra a digestão das próprias células que a produziram e células adjacentes. Ex: Se o pâncreas produzisse tripsina ao invés de tripsinogênio, ele iria "se digerir".

4. Controle da motilidade e esvaziamento gástrico.
5. Estimulação do suco pancreático - por ser básico, rico em bicarbonato, tampona/neutraliza o ácido.

Enzimas que atuam na digestão das proteínas:

Existe uma especificidade em relação à atuação das proteínas, pois cada uma atua clivando ligações específicas de aminoácidos espefíficos.

As membranas da borda em escova e basolateral são atravessadas por proteínas transportadores de aminoácidos e proteínas transportadoras de di-tripeptídeos. Esses transportes ocorrem passivamente (por difusão simples ou facilitada) ou ativamente (por co-transportadores de Na+ ou H+). Os aminoácidos livres utilizam o Na+ dependente e os di-tripeptídios usam o H+ dependente. Os peptídios que não são absorvidos são fermentados pelas bactérias intestinais, resultando em ácidos graxos de cadeia curta, ácidos dicarboxílicos, compostos fenólicos e amônia. Os ácidos graxos e a amônia servem para produção de energia e aminoácidos, respectivamente.

Digestão e Absorção dos Lipídios

Os lipídios são substâncias anfipáticas, que tem regiões hidrofóbicas e hidrofílicas. Eles são caracterizados pela baixa solubilidade em água e outros solventes polares e alta solubilidade em solventes apolares. Por esse motivo, a digestão é um pouco mais complicada, pois todos os "sucos" do corpo que auxiliam na digestão tem como base a água, e grande parte das enzimas digestivas trabalham em meio aquoso.

Os lipídios simples são ésteres de ácidos graxos com polialcoóis, sendo o principal poliálcool o glicerol. Unindo uma molécula de glicerol a três moléculas de ácidos graxos, forma-se um triacilglicerol (ou triglicerídeo), que é o principal lipídio da dieta.

Os lipídios complexos (como fosfolipídios, glicolipídios, etc) surgem da possibilidade de um dos grupamentos hidroxila (OH) da molécula de glicerol se ligarem à outros grupamentos.

Principais funções dos lipídios:

- Reserva energética: os lipídios são moléculas altamente energéticas, com o dobro (ou mais) de calorias do que os glicídios. Quando ocorre a “queima” de um grama de carboidrato ou de proteínas, são produzidos aproximadamente 4 kcal de energia. Já um grama de lipídio libera aproximadamente 9 kcal.

- Funcionam como isolante térmico sobre a epiderme de muitos animais. Por serem moléculas não hidratadas (sem água) e serem apolares, os lipídios evitam a perda de calor. Existe ainda um tipo de lipídio conhecido como cerídeos ou simplesmente ceras. Os cerídeos são constituídos por álcoois mais complexos do que o glicerol (monoálcoois superiores) e ajudam a evitar a desidratação de folhas e frutos.

- Isolantes elétricos (os lipídeos compõem a bainha de mielina).

- Carreadores de vitaminas lipossolúveis (A, D, E e K).

- Precursores de hormônios (prostaglandinas, substâncias sinalizadoras)

Alguns ácidos graxos essenciais devem ser inseridos na dieta, pois o corpo não é capaz de produzir, como o ácido aracdônico.

DIGESTÃO

Como dito acima, o fato de os lipídios serem hidrofóbicos dificulta o encontro com as enzimas digestivas, que trabalham em meio aquoso. Primeiro, há necessidade de diminuição do tamanho das partículas de lipídios. Essa diminuição inicial acontece por meio de fatores físico-químicos, como a mastigação, o peristaltismo, o ataque ácido no estômago, e nesses momentos os lipídios são separados das demais substâncias ingeridas no alimento (glicídeos, proteínas).

É importante citar uma fase importante na digestão chamada fase cefálica, que ocorre antes que a comida chegue ao estômago, e envolve a preparação do organismo para a alimentação e a digestão. Os estímulos do pensamento, da visão e do cheiro estimulam o córtex cerebral e, a partir disso, há a preparação dos tecidos anexos (fígado, pâncreas) e estimulação da secreção dos sucos gástricos.

Na boca, durante a mastigação, existem enzimas que iniciam o processo digestivo: a amilase salivar (como visto na publicação sobre digestão e absorção de carboidratos) e a lipase lingual. A lipase lingual "ataca" os triacilgliceróis, entretanto, não tem muita eficiência na digestão de lipídios em indivíduos adultos. Sua atividade é mais importante em neonatos (recém nascidos), auxiliando na digestão das gorduras do leite.

No estômago, há ação do suco gástrico e peristaltismo. A lipase gástrica também auxilia o processo de digestão, porém só consegue catalisar em torno de 10% dos lipídios ingeridos, por isso, é uma enzima pouco eficiente.

As células do duodeno (porção inicial do intestino delgado) detectam a presença do alimento e produzem a secretina em resposta ao pH baixo (devido ao H+ do HCl secretado no estômago) e à presença dos ácidos graxos. Esse hormônio induz a secreção de um suco rico em bicarbonato (HCO₃⁻) pelo pâncreas, com o objetivo de neutralizar/tamponar o intestino, devido à presença de ácido.

As células intestinais também produzem um outro hormônio, a colecistocinina (CKK), que induzem a secreção e ejeção da bile pelo fígado. A CKK também atua no pâncreas, induzindo a produção de um suco enzimático que também auxiliará na digestão dos lipídios.

Ocorre, então, uma hidrossolubilização parcial dos lipídios pela ação da bile no intestino. As gotículas de gordura vão sendo desfeitas por ácidos e sais biliares de "ação detergente", que são surfactantes/tensuativos, com capacidade de alterar a tensão superficial da água. Por isso, as células são hidrossolubilizadas aos poucos. Nesse momento, as gotículas de gordura vão sendo quebradas, formando pequenas micelas, mais fáceis de ser digeridas por ação enzimática.

Apenas após esse processo de hidrossolubilização parcial que os lipídios estarão prontos para sofrer hidrólise enzimática, feita por enzimas pancreáticas do suco pancreático. A lipase pancreática, por exemplo, age junto com a co-lipase na digestão dos triacilgliceróis. A co-lipase auxilia a lipase pancreática a se fixar à micela. As enzimas fosfolipases "atacam" os fosfolipídios. A colesterol-esterase cliva e separa o ácido graxo do colesterol.

O processo de absorção é feita por difusão simples por a membrana ter a mesma propriedade físico-química dos lipídeos. A partir dos monoglicerídeos, os ácidos graxos livres são absorvidos e podem se difundir para o enterócito.

Os ácidos graxos de cadeira longa (AGCL) assim como os monoglicerídeos, podem ser utilizados no complexo enzimático que é chamado Acil-coA sintetase, que se esterificam de novo formando um triacilglicerol dentro do enterócito. Esses triacilgliceróis serão a base para formar uma lipoproteína que é difundida para a linfa (quilomícron), e apenas os ácidos graxos de cadeira curta (AGCC) e o glicerol vão para o sangue.

OBS: O medicamento XENICAL inibe a ação da lipase pancreática e da co-lipase, impedindo a absorção de triacilgricerol (TAG).

Digestão e Absorção dos Carboidratos

Como o próprio nome já diz, os carboidratos são hidratos de carbono. De acordo com o número de carbonos, eles podem ser classificados como trioses, pentoses, hexoses (glicose e frutose são hexoses), e esses são os monossacarídeos, unidades de carboidratos.

Os monossacarídeos podem estar ligados entre si de diferentes formas, formando dissacarídeos, trissacarídeos, oligossacarídeos até polissacarídeos, com vários monossacarídeos interligados através de ligações glicosídicas. Essas moléculas maiores não são absorvidas pelo organismo, justamente por serem grandes e não terem nenhum mecanismo de absorção através da membrana. Há necessidade de que os sacarídeos sejam digeridos, até que a hidrólise das ligações glicosídicas resulte num monossacarídeo, e este sim pode passar pela membrana e ser absorvido pela mucosa intestinal.

O monossacarídeo galactose não existe livre para ser absorvido (exceto em medicamentos), mas na natureza ele é encontrado no dissacarídeo lactato, estando ligado à glicose. A glicose e a frutose são monossacarídeos que podem ser encontrados isoladamente, como em frutas e no xarope de milho, e quando ingeridos assim, não precisam sofrer hidrólise para serem absorvidos. A partir da formação de dissacarídeos (sacarose, lactose, maltose), essas moléculas já precisam sofrer processo de digestão, para resultar em monossacarídeos que possam ser absorvidos.

Os processos de digestão necessitam de enzimas específicas que quebram as ligações. A enzima sacarase hidrolisa a sacarose, gerando glicose e frutose. A enzima lactase hidrolisa o lactato, gerando glicose e galactose. 

A maltose é um açúcar resultante do processamento do amido (polissacarídeo), formado por duas glicoses ligadas através da ligação do tipo alfa-1,4. É fácil de ser encontrada em suplementos de atletas. A maltose é hidrolisada pela enzima maltase, gerando glicose livre.

A isomaltose é também formada por duas moléculas de glicose, mas nessa molécula as glicoses estão ligadas por ligação do tipo alfa-1,6, permitindo a diferenciação entre maltose e isomaltose. Esta molécula é hidrolisada pela enzima isomaltase. 

Entre os oligossacarídeos, nós temos as maltodextrinas, que assim como a maltose, também são produtos do processamento do amido, formando moléculas com, em média, 7-12 glicoses. É possível ter uma noção do tamanho dessas dextrinas corando com uma solução de iodo. Quanto maior for a dextrina, mais corada a solução ficará. Quando a molécula entre em contato com a amilase salivar, as ligações glicosídicas começam a ser hidrolisadas e, quanto mais tempo que a amilase ficar em contato com o amido, menos corada a solução ficará, pois o iodo se "ancora" ao amido entre suas cadeias poliméricas.

Ao serem digeridas pela amilase salivar e pela amilase pancreática (e pelas próprias glicosilases da mucosa), essas maltodextrinas geram como produto a glicose. A rafinose e a estaquinose são oligossacarídeos presentes nas leguminosas (grãos contidos em vagens, ricos em fibras). Os frutooligossacarídeos, presentes nas frutas e no leite, são oligossacarídeos não digeríveis. Apesar disso, sua ingestão é benéfica, pois eles induzem o momento de saciedade.

Por fim, os polissacarídeos podem ser separados em amido, o principal polissacarídeo da nossa dieta, e os polissacarídeos não-digeríveis, que são ricos em fibras alimentares (celulose) e importantes para a formação/umidificação do bolo fecal e estimulação dos movimentos peristálticos. É importante destacar que, para animais carnívoros, o glicogênio também é uma fonte importantíssima de nutrientes, armazenado no fígado e nos músculos.

A amilase salivar, enzima que hidrolisa o amido (e também o glicogênio) pode ser secretada por três tipos de glândulas diferentes: glândula sublingual, glândula submaxilar e glândula parótida. Quando há a inflamação de uma dessas glândulas, é possível que a amilase salivar extravase e vá para o sangue, indicando um estado patológico. Uma pancreatite também pode provocar um extravasamento de amilase para o sangue (nesse caso, amilase pancreática).

O amido possui duas cadeias: amilose e amilopectina. A amilose possui apenas ligações do tipo alfa-1,4, enquanto a amilopectina possui também ligações do tipo alfa-1,6, sendo ramificada (assim como o glicogênio). A digestão do amido iniciada na boca pela amilase salivar depende do tempo em que o alimento fica em contado com a enzima. Quanto maior for o tempo de mastigação, maior será a eficácia da amilase sobre o alimento.

Ao entrar em contato com o pH ácido do estômago, que secreta ácido clorídrico, a amilase salivar engolida junto com o alimento é desnaturada, perdendo sua estrutura tridimensional e, consequentemente, perdendo suas propriedades químicas e deixando de fazer a atividade que fazia. Por esse motivo, a atividade dessa enzima é muito rápida.

No estômago não acontece nenhuma digestão de carboidratos. Quando o material estomacal passa para o intestino (esvaziamento gástrico), ocorre a secreção de um novo suco, o suco pancreático, que possui a amilase pancreática, que possui a atividade muito semelhante à da amilase salivar, rompendo as ligações alfa-1,4. As ligações alfa-1,6 não são rompidas pelas amilases, mas sim pelas isomaltases, na borda em escova intestinal.

Como produto da digestão luminal do amido e do glicogênio pelas amilases, ficam as maltoses, isomaltoses, maltotrioses, dextrinas de tamanhos diferenciados e os dissacarídeos sacarose e lactose. A borda em escova intestinal possui enzimas constitucionais que finalizam o processo de digestão, transformando os produtos da digestão pelas amilases em monossacarídeos que possam ser absorvidos pela mucosa e drenados para a corrente sanguínea (glicose, frutose e galactose).

O processo de absorção de cada um desses monossacarídeos é diferente, e na membrana luminal existem carreadores específicos para fazer o transporte de substâncias do lúmen para o enterócito.

O SGLT1 é um co-transportador que faz simporte de sódio e glicose. Ele realiza um transporte ativo secundário, pois não gasta ATP diretamente, mas gasta energia do gradiente de sódio (para entender melhor o conceito de transporte ativo secundário, é preciso um conhecimento prévio do funcionamento da bomba de sódio e potássio, que é um tipo de transporte ativo primário que gera um gradiente eletroquímico). Como o sódio é mais concentrado fora da célula do que dentro, quando ele entra através da SGLT1, ele entra a favor de seu gradiente, "carregando" a glicose, mas gastando energia eletromotriz do gradiente eletroquímico de sódio. Se a bomba de sódio e potássio for inibida por uma droga, o gradiente se desfaz e, consequentemente, o transporte de glicose para.

Quando a glicose entra, ela vai precisar de um transportador (uma permease) na membrana basal (que no caso, é o GLUT2), que permite a passagem da glicose a favor de seu gradiente, por meio de um transporte passivo facilitado. Então, a glicose vai para o sangue. A absorção da galactose ocorre com um processo muito parecido com a da glicose.

Já a absorção da frutose ocorre por meio do GLUT5. Como o glut é uma permease, o transporte é passivo, não há gasto de energia. A passagem da frutose do enterócito para o sangue se dá também pelo GLUT2. O transporte de frutose é muito mais lento do que o de glicose.

A veia porta leva esses nutrientes para o fígado, onde ocorre o direcionamento da glicose. A glicose que fica é convertida em acetil-coA, que pode ser utilizado para gerar energia ou ser utilizado como precursor para a formação de ácidos graxos.