Fisiología Digestiva: Herramientas para optimización de ...

Dr. Emyr Saúl Peña MarínCONACyT-UJAT

Fisiología Digestiva:

Herramientas para optimización de cultivo

Peces

Moluscos

crustáceos

Diversidad

Alimentación: Proceso de captura e ingestión del material de origen

biológico necesario para el funcionamiento de los organismos vivos,

compuesto de cantidades variables de agua, proteínas, lípidos, vitaminas,

minerales y otros compuestos.

Definiciones

Nutrición: Proceso por el que los organismos utilizan el alimento para laobtención de la energía necesaria para el crecimiento, mantenimiento yreparación de los tejidos.

•Diversificado

•Requerimientos nutricionales específicos

•Diversidad de estudios para optimizar rendimiento

•Necesidad de dietas especificas

Cultivo de peces

La producción acuícola es simplemente un proceso de

transformación energética:

La energía almacenada en algunos productos es transferida a

otros que presentan distinto aspecto y cualidades

organolépticas

El desempeño de cualquier organismo, entre ellos peces

engloba varios aspectos

Comportamiento

Toma alimentaria

Digestión y absorción (fase digestiva)

Fase metabólica (metabolismo de nutrientes)

Excreción

(Lazo et al., 2007; Bakke et al., 2011).

Digestión conjunto de procesos físicos, químicos y

enzimáticos, que comienzan en la boca y termina en

excreción por el ano.

Alimentos complejos se trasforman en moléculas menos

complejas

Pueden ser absorbidas a través del epitelio intestinal

(Guillaume et al., 2001; Rust, 2002; Bakke et al., 2011).

La digestibilidad de una dieta depende de la composición química y la

capacidad digestiva de la especie de interés.

Digestibilidad aparente (in vivo) Contempla tanto la digestión como

absorción de nutrientes.

Requiere de la colecta de heces.

Digestibilidad in vitro

Ácidas, Alcalinas, enzimáticas.

Pueden ser más sencillas.

Entendimiento de procesos digestivos.

Método automático pH-Stat.

(Lemos et al., 2009; Yasumaru y Lemos, 2014)

Alimentos BalanceadosDietas específicas

Caracterización de eficiencia de alimento (validación de ingredientes)Ensayos Dosis- Respuesta

Proteínas, Lípidos, Carbohidratos, suplementos, etc

Entrada Salida

• Digestión• Absorción

• Metabolismo intermediarioIncorporación

ReposiciónManutención

Intenta descubrir cómo maximizar la ganancia neta de nutrientes y

energía

NUTRICIONISTAANIMAL

Reacciones químicasLimitantes físicas y

químicas de un digestivo concreto

La modelización del digestivo en teoría y en la

práctica

¿Cómo se digieren los alimentos?

¿Hay diferencias en la digestión de distintos alimentos?

¿Qué factores afectan al proceso digestivo?

¿Cómo afecta a una sustancia su paso por el digestivo?

• Simplificar ensayos nutricionales o farmacológicos

• Comprender su funcionamiento, al intentar reproducirlo

• Optimizar su funcionalidad en el organismo vivo

La modelización in vitro del digestivo

tiene 3 líneas principales de aplicación:

En un biorreactor complejo en el que tienen lugar los procesos de

hidrólisis y absorción

El aparato digestivo del pez juega un papel crucial en dicha

transformación ya que:

Hg, Pb

Es la interfase entre el medio acuático externo (iones, patógenos,

compuestos tóxicos) y el organismo del pez

Es el medio natural donde habitan las poblaciones microbianas

simbiontes

ESTOMAGOPrimera cámaraHidrólisis ácida

DUODENOSegunda cámara

Hidrólisis alcalina

YEYUNO/ILEONTercera cámara

Hidrólisis+

Absorción

COLONCuarta cámaraFermentación

+Absorción

El aparato digestivo es un biorreactor anatómica

y funcionalmente:

Diferentes compartimentos

Flujos continuos de sustratos y eliminación de productos

Influenciado por factores (Tª, pH, E:S, inhibidores, etc)

Factores que afectan a viabilidad y composición de microbiota

(sustancias químicas, nutrientes, pre- y probióticos)

ANATOMIA

FISIOLOGIA

ALIMENTOS

OTROS AGENTES

Presencia/ausencia estómago

Presencia/ausencia glándulas

Longitud del digestivo

Grado de desarrollo

Motilidad

Secreciones enzimáticas

Regulación funcionamiento

Procesos de absorción

Tipo de nutrientes

Presentación de los nutrientes

Interacciones entre nutrientes

Factores modificadores

Flora intestinal

Temperatura

pH y salinidad

DIGESTION

Factores que afectan la digestión

SEGÚN LA UBICACIÓN GENERAL: GASTRICA, ILEAL, CECAL, TOTAL...SEGÚN EL NUTRIENTE CONSIDERADO: PROTEICA, LIPÍDICA, ENERGETICA,...SEGÚN LA MUESTRA UTILIZADA: REAL, APARENTESEGÚN LA METODOLOGIA: IN VIVO, IN VITRO

Peces clasificados por sus hábitos alimenticios en detritívoros, herbívoros, omnívoros y carnívoros (Rust, 2002).

Alimentación y fisiología en juveniles y adultos

carnívoro

omnívoro

(p.animal)

omnívoro

(p.vegetal)

micrófago

ANATOMIA DIGESTIVA Morfologia general

LONGITUD RELATIVA

MENOR EN PECES

Enzimas Digestivas

TIPOS DE ENZIMAS – DIGESTION LUMINAL

GRUPO ENZIMA ACTIVIDAD PROTEASAS

PEPTIDASAS

GLUCOSIDASAS

LIPASAS

NUCLEASAS

Pepsina

Tripsina Quimotripsina

Elastasa Colagenasa

Carboxipeptidasas A y B

Carboxilesterasa Amilasa

Quitinasa

Lipasa pancreática+ Colipasa

Lipasa dependiente de sales biliares Fosfolipasa

Ribonucleasa

Hidrólisis de enlaces internos

“ “

“ “

Hidrólisis de enlaces externos

Hidrólisis de péptidos Hidrólisis del alimidón

(enlaces 1-4)

Hidrólisis de la quitina Hidrólisis de triacilgliceroles

(principalmente en posición )

Hidrólisis de triacilgliceroles y otros lípidos

Hidrólisis de fosfolípidos

Hidrólisis de ácidos nucleicos

GRUPO ENZIMA PEPTIDADASAS Dipeptidil peptidasa IV

Leucina aminopeptidasa Fenilalanin-glicin peptidasa -glutamil transferasa

GLUCOSIDASAS -glucosidasa (maltasa)

isomaltasa quitobiasa

otras

LIPASAS Esterasas

DIVERSAS Fosfatasa ácida Fosfatasa alcalina

NUCLEASAS Localización incierta

TIPOS DE ENZIMAS

DIGESTION PARIETAL

Bioquímica Digestiva

Rust, 2002; Buddington y Krogdahl, 2004; Bakke et al., 2011

Páncreas

Ciegos

Pilóricos

ESTOMAGO

•pH Bajo (2-4)

•Pepsinas

INTESTINO

pH 7-9

Proteasas Alcalinas

( Tripsinas, Quimotropsinas

Aminopeptidasas, Carboxipeptidasas,

Collagenasas, Elastasas)

INTESTINO

pH 7-9

Proteasas Alcalinas

( Tripsinas, Quimotropsinas

Aminopeptidasas, Carboxipeptidasas,

Collagenasas, Elastasas)

• Los peces son el grupo de vertebrados más diverso: representa la diversidad de ontogenias.

• Esta gama de ontogenias encontrada en los peces es clasificada en tres patrones generales: ontogenia indirecta, transitoria y directa (Balon, 2002).

ontogenia directa

Desarrollo embrionario culmina directamente en un juvenil (maduración similar al de los adultos)

ontogenia de transiciónDespués del desarrollo embrionario aparece el alevín, estado de

desarrollo similar al juvenil pero que mantiene algunas estructuras embrionarias (p. ej. el pliegue de la aleta).

ontogenia indirectaDesarrollo embrionario concluye con una larva, entidad que mantiene

un desarrollo incipiente de órganos y que requerirá de recursos exógenos para llegar a transformase en un juvenil.

1) La transición de la alimentación endógena a exógena.

2) El inflado de la vejiga gaseosa.

3) La transición de la respiración cutánea a branquial.

4) La osteogénesis.

5) El desarrollo Sistema digestivo funcional

6) La transición de la vida pelágica a la demersal

(asentamiento).

(Blaxter, 1988)

Tubo recto cerrado en la boca, hasta agotar

saco vitelino

Segmentación en buco-faringe, intestino

anterior, medio y posterior.

Periodo larval termina con el estomago y

ciegos pilóricos.

Hígado y el páncreas son funcionales desde

la primera alimentación

Presencia de enzimas digestivas

(Zambonino-infante y Cahu, 2001; Kolkovski, 2001, Lazo et al., 2007; Galaviz et al., 2011; Galaviz et al., 2012; Salze et al., 2012).

Leucina aminopeptidasa y alaninaaminopeptidasas, fosfatasas acidas y

catepsinas

Alimentación y Procesos Digestivo en Larvas

Treviño et al., 2011

Alimentación y procesos Digestivo en Larvas

Digestive enzyme ontogeny Microparticulate diets In vitro digestibility Live food enrichement

State of art Larval rearing

Lipids/Fatty acids Cartilage and bone structure Digestive system development

AA profile Morfological development

Egg quality Feeding behavior Feeding regimen Food deprivation

Weaning Metabolic enzyme activities Isotopic composition RNA : DNA Ratios

Digestive Endocronology Energetics and metabolism

(Moyano et al., 1996)

PA: actividad proteasa.

MO: apertura de la boca.

YA: absorción del vitelo.

FS: estómago funcional.

Ontogenia Enzimática

0 DPH 2 DPH

Galaviz et al., 2012

10 DPH

18 DPH

25 DPH

Ma et al., 2014

Mata-Sotres et al., 2015Galaviz et al., 201X

Galaviz et al., 2012; Moguel-Hernández et al., 2013; Moguel-Hernández et al., 2016

Frías-Quintana et al., 2010

Zacarias-Soto et al., 2011

Garrido-Pereira et al., 2014

Siembra

Cosecha

Juveniles (Antes de su

madurez sexual)

No se consideran variaciones en capacidad digestiva

Parámetros biométricos para tres estadios juveniles de pargo flamenco

Lutjanus guttatus.

DSI: (Digestive tract weight (g) / fish weight (g))*100

Actividad de proteasas en estómago (ST), ciegos pilóricos (PC), intestino proximal (PI), medio (MI)

y distal (DI) en tres estadios juveniles de pargo flamenco Lutjanus guttatus.

Peña et al., 2015

Fase acida

Fase alcalina

Efecto del pH sobre la actividad relativa de

proteasas acidas (a) y alcalinas (b)

Efecto de la temperatura (°C) sobre la

actividad relativa de proteasas acidas (a) y

alcalinas (b)

Peña et al., 2015

Tripsina- Fase alcalina

Pepstatin A

Efecto de la temperatura y el pH en la

actividad relativa de enzimas tipo tripsina.

Porcentaje de actividad residual en extracto

estomacal después de incubación con

pepstatin A

Peña et al., 2015

Porcentaje de inhibición de actividad en ciegos pilóricos después de incubación con inhibidores

específicos en tres estadios juveniles de pargo flamenco Lutjanus guttatus.

** TPCK (N-tosyl-L-phenyl-chloromethyl ketone), TLCK (Nα-tosyl-L-lysine chloromethyl ketone hydrochloride), PMSF

(phenylmethylsulfonyl fluoride), SBTI (soybean trypsin inhibitor), Phen (1,10-Phenanthroline), Ovo (Type II-T: Turkey egg Ovomucoid)

Peña et al., 2015

Composición de nutrientes de las fuentes proteicas utilizadas para ensayos.

PROTEIN SOURCE Abbreviation %PROTEÍN %LIPIDS %ASH %NFE

Casein a Cas 90 1.2 ---- ----

Hemoglobinb Hm 90 ˂ 1 ---- ----

Fish meal c FM 70.7 9.0 12.9 7.41

Tuna by products meal d TM 59 14.9 22.4 3.61

Krill meal e KM 56.7 19.6 9.6 14.1

Squid meal e SM 68.5 2.6 11.6 17.3

Meat porcine meal f MPM 59.7 10.7 12.8 16.8

Meat and bovine meal f MBM 49 13.8 25.1 12.1

Poultry by products meal f PM 61.6 15.3 10.4 12.7

Wheat gluten meal g WGM 81.1 0.73 1.2 16.9

Corn gluten meal g CGM 72.7 3.4 1.4 22.5

Soybean meal f SBM 47.3 0.66 7.0 45.0

Canola meal f CM 42.8 2.1 7.2 47.8

Control diet h D-Control 45.5 10.5 9.9 34.1

aHammarsten quality Casein, Research Organics # Catalog 1082C, bBovine erythrocytes US Biological # Catalog H1850, cPremium

grade fish meal was obtained from Selecta de Guaymas, S.A. de C.V. Guaymas, Sonora, México, dMaz Industrial, S.A de C.V.

Mazatlán, Sinaloa, México, ePROAQUA, S.A. de C.V. Mazatlán, Sinaloa, México, fProteínas marinas y agropecuarias S.A. de C.V.,

Guadalajara, Jalisco, gDroguería Cosmopolita, S.A. de C.V. México, D.F., México, hDiet manufactured in CIAD for snapper feeding

as a reference diet. Peña et al., 2017

Grado de hidrolisis (DH) de los ingredientes proteicos utilizando extractos enzimáticos de L. guttatus

tempranos (20 g) y juveniles tardíos (400g). (A) estomago o (b) ciegos pilóricos

Fase ácida

Fase alcalina

Peña et al., 2017

(20 g)

(400 g)

Cinética d liberación de amino ácidos liberados, utilizando extractos enzimáticos

estomacales de L. guttatus a) juveniles tempranos (20 g) y b) tardíos (400g).

SBM harina de soya

CM Harina de canola

MBM harina de carne de bovino

WGM Harina gluten de trigo

SM Harina de calamar

KM Harina de krill

PM Harina de pollo

D-Control Dieta control

MPM Harina carne de puerco

TM Harina de atún

FM Harina de pescado

CGM Harina gluten maíz


CM Harina de canola

SBM harina de soya

KM Harina de krill




CGM Harina gluten maiz

PM Harina de pollo



TM Harina de atún

Hm

Hm

Juvenil tardío (400 g)

Juvenil temprano (20 g)


Fase ácida

Peña et al., 2017






TM Harina de atún

PM Harina de pollo

KM Harina de krill



CM Harina de canola

Cas Caseína

SBM harina de soya

PM Harina de pollo

Cas Caseína


TM Harina de Atún


CM Harina de canola



KM Harina de krill



SBM harina de soya


Fase alcalina

Cinética d liberación de amino ácidos liberados, utilizando extractos enzimáticos de ciegos

pilóricos de L. guttatus a) juveniles tempranos (20 g) y b) tardíos (400g).

Juvenil temprano (20 g)


Peña et al., 2017

Zimograma de proteasas acidas de extractos estomacales en juveniles tempranos

(EJ; 20g) y juveniles tardíos (LJ; 400g) de L guttatus, con la acción del inhibidor

pepstatin A (PI).

Fase acida

Juvenil temprano (20 g) Juvenil tardío (400 g)

Peña et al., 2017

PMSF: phenylmethylsulfonyl fluoride, SBT1: trypsin soybean inhibitor TPCK: Tosylphenylalanine- methyl ketone, TLCK: Tosyl-lysine-methyl ketone,

Ovo: Ovalbumin, Phen: Phenanthroline, EDTA: ethylenediaminetetraacetic acid, M: molecular weight marker (kDa): Fosforilasa b (97.4 kDa),

albumin (66.2 kDa), Ovalbumin (45 kDa), carbonic anhydrase (31 kDa), trypsin soybean inhibitor (21.5 kDa), a-Lactoalbúmin (14.4 kDa).

Fase alcalinaJuvenil temprano (20 g) Juvenil tardío (400 g)

Zimograma de proteasas alcalinas de extractos de intestinos- ciegos pilóricos en juveniles

tempranos (EJ; 20g) y juveniles tardíos (LJ; 400g) de L guttatus.

Peña et al., 2017

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