Grundmechanismen des Stoffwechsels und der Energieumwandlung

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Monika Vogel
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1 Grundmechanismen des Stoffwechsels und der Energieumwandlung SONNE [H] C 6 H 12 O 6 [H] ENTROPIE Strahlungsenergie und andere organ. Verbindungen CO 2 Biochemische Energie und Wärme H 2 O O 2 O 2 H 2 O O 2 -produzierende phototrophe Organismen organotrophe aerob atmende Organismen (SCHLEGEL 1992)

2 Stoffwechselplan von Hexosen abbauenden, aerob atmenden Zellen KATABOLISMUS ANABOLISMUS Hexosen CO [H] Monomere (Bausteine) Aminosäuren Zucker 9 Polymere (Makromoleküle) Proteine Polysaccaride 8 Nucleotide Polynucleotide 6 ATP CO 2 4 [H] CO 2 CO 2 H 2 O O Fructose-1,6-bisphosphat-Weg Pentosephosphat-Weg 2-Keto-3-desoxy-6-phosphogluconat-Weg Tricarbonsäure-Cyclus Atmungskette Substratphosphorylierung Atmungskettenphosphorylierung Monomeren-Synthese Polymeren-Synthese (SCHLEGEL 1992)

3 Kreislauf des Stickstoffs N 2 NH 3 + HNO 3 N 2 Niederschläge biologische N 2 -Bindung nicht symbiontische symbiontische Proteine Pflanzen Tiere Proteine Pflanzen Mikroorganismen Proteolyse Proteolyse assimilatorische Nitratreduktion Spaltprodukte NH 4 + NO 3 Nitrifikation Denitrifikation N 2 O NO (SCHLEGEL 1992) Humus

4 Chemische Zusammensetzung der Futtermittel (nach Kirchgeßner 1997, verändert) 100 % Weender Analyse Rohasche Erweiterte Analyse - Gerüstsubstanzen Rohasche 50 % Kohlenhydrate Rohprotein Rohfett N-freie Extrakt-Stoffe Rohfaser Rohprotein Rohfett Stärke - Zucker - organischer Rest Pektin Hemizellulose Zellulose Zellinhalt Zellwand (NDF*) NFC ADF** 0 % Lignin NDF = Neutral-Detergenzien-Faser ADF = Säure-Detergenzien-Faser NFC = Non-Fiber Carbohydrates (Nicht-Faser-Kohlenhydrate) = Trockenmasse - (NDF + Rohprotein + Rohfett + Rohasche) NfE = N-freie Extraktstoffe = Trockenmasse - (Rohprotein + Rohfett + Rohfaser + Rohasche) * = ohne Pektin plus geschädigtes Protein ** = plus unlösliche Asche

5 Chemischer Aufbau der Zellwand b c a (NULTSCH 2001) a = Zellulose b = Hemizellulose c = Zellwandprotein

6 Verdaulichkeit der Trockenmasse verschiedener Pflanzenteile in Abhängigkeit vom Alter der Pflanzen (aus MINSON 1990, adaptiert nach TERRY und TILLEY 1964) 90 Verdaulichkeit der TM (%) Blattspreite Blattscheide Blütenstand Aufwuchstage Stängel

7 Nährstoffabbau im Pansen Kohlenhydrate Protein Fett CH 4 / CO 2 Aminosäuren Glycerin FFS NH 4 Ungesättigte Fettsäuren Flüchtige Fettsäuren BIOMASSE Bakterien Protozoen Gesättigte Fettsäuren FFS (VAN VUUREN & SÜDEKUM 2001)

8 Verdauung der Kohlenhydrate Milchmenge, Energie Körperfett NFC Futter FC Pansen Glucose, Fructose Darm Kot Glucose Energie Milchmenge Körperfett Leber Essigsäure Propionsäure Buttersäure Energie Milchfett

9 N-Umsetzungen in den Vormägen der Wiederkäuer (DREPPER & ROHR 1984) nicht abgebautes Protein Protein Futter Mikroben Peptide Aminosäuren absorbiert NPN Speichel NH 3 Pansen Darm Kot Blut Leber Mikroben Energie absorbiert Energie Harnstoff Mikrobenprotein Harn

10 Digestion of dietary carbohydrates Dietary Non-structural Carbohydrates (NSC) Dietary Cell-wall Carbohydrates (CW) Rumen Fermentation VFA Microbial biomass Fermentation Rumen Undegraded NSC Microbial polysaccharides Undegraded CW Small Intestine Digestion Glucose Small Intestine Undigested NSC Undigested CW Large Intestine Fermentation VFA Microbial biomass (not used by the animal) Fermentation Large Intestine Faeces (LOPEZ et al. 2000)

11 Digestion of nitrogenous compounds Dietary Protein Non-protein Nitrogen Degraded Protein NH 3 Urea Undegraded Protein Microbial Protein RUMEN Small Intestine Digestion Amino acids Undigested Protein NH 3 Urea Undigested Protein Microbial Protein Large Intestine Faeces (LOPEZ et al. 2000)

12 Digestion of long-chain fatty acids (LCFA) Dietary LCFA Rumen Microbial biomass Hydrogenated LCFA Small Intestine Microbial lipids Absorption LCFA Undigested LCFA Large Intestine Faeces (LOPEZ et al. 2000)

13 Grundfutter vor und nach Fermentation Blatt von Bermudagras (Cynodon dactylon) Rasterelektronenmikroskop - Vergrößerung ca. 240 (Wattiaux 1998, nach Akin 1986)

14 Ruminale Fermentation als Folge der Anpassung an die ph-regulation Essigsäure Milchsäure Mol (%) Zellulose abbauende Flora Stärke abbauende Flora Propionsäure Buttersäure ph-wert im Pansen (nach KAUFMANN et al. 1980)

15 Mindestgehalte 1 an NDF und Höchstgehalte 1 an NFC von Milchviehrationen 2 (NRC 2001) Min. Gehalt an NDF aus GF Min. Gehalt an NDF Max. Gehalt an NFC Min. Gehalt an ADF Gehalte in % der TM 2 Bedingungen: Totale Mischration ausreichende Partikelgröße vorwiegend Mais als Kraftfutter

16 Nichtfaser- und Nichtstruktur-Kohlenhydrate ausgewählter Futtermittel (NRC 2001, nach Miller & Hoover 1998) NDF NFC a NSC b Futtermittel % der TM Grobfutter Heu (vorwiegend Gras) 60,9 16,6 13,6 Luzerne-Silage 51,4 18,4 7,5 Luzerne-Heu 43,1 22,0 12,5 Maissilage 44,2 41,0 34,7 Kraftfutter Sojabohnen-Schalen 66,6 14,1 5,3 Baumwoll-Samen 48,3 10,0 6,4 Trockenschnitzel 47,3 36,2 19,5 Gerste 23,2 60,7 62,0 Maiskorn-Silage 13,5 71,8 70,6 Maiskorn 13,1 67,5 68,7 Sojabohnen-Extraktionsschrot 9,6 34,4 17,2 Maiskleberfutter 7,0 17,3 12,0 a NFC = (NDF + XP + XL + XA) [Nicht-Faserkohlenhydrate] b NSC = Analyse mit enzymat. Methode (Smith 1981) [Nicht-Strukturkohlenhydrate]

17 Zusammensetzung der NFC-Fraktion a ausgewählter Futtermittel (NRC 2001, nach Miller & Hoover 1998) Zucker Stärke Pektin flücht. Fettsäuren Futtermittel % der NFC Grobfutter Heu (vorwiegend Gras) 35,4 15,2 49,4 0 Luzerne-Silage 0 24,5 33,0 42,5 Maissilage 0 71,3 0 28,7 Kraftfutter Sojabohnen-Schalen 18,8 18,8 62,4 0 Trockenschnitzel 33,7 1,8 64,5 0 Gerste 9,1 81,7 9,2 0 Maiskorn 20,9 80,0 0 0 Sojabohnen-Extraktionsschrot 28,2 28,2 43,6 0 a NFC = (NDF + XP + XL + XA)

18 Chemische Zusammensetzung der Pansenmikroben Bakterien 1 Protozoen 1 Mikroben 2 Inhaltsstoffe Mittelwert Range Range Mittelwert Gesamt-N 10,0 5,0-12,4 3,8-7,9 - Rohprotein ,5 Echtes Protein 47, RNA 24, DNA 3, ,4 Fett 7, ,0 Polysaccharide 11, Kohlenhydrate 21,1 Peptidoglykan 3 2,0-0 - Rohasche ,4 N-Verdaulichkeit 71, Van Soest Fox et al (CNCPS) 3 Peptidoglykan = Zellwandmembran der Bakterien

19 Stickstoff-Fraktionen im CORNELL-System Gesamt-Stickstoff Phosphat-Borat-Puffer Detergenzien-Lösungen Löslicher N Unlöslicher N NDF ADF NPN Echtes Protein Trichlor-Essigsäure ND unlöslicher N (NDIN) AD unlöslicher N (ADIN) SolXP B 1 XP (A + B 1 + B 3 + C) NDIN ADIN A B 1 B 2 B 3 C Gruber (2001) (nach KRISHNAMOORTHY et al. 1982)

20 Passage- und Fermentationsraten im Pansen 0,20-0,70 (pro h) Flüssigkeit k Fermentation k Passage 0,08-0,20 (pro h) Futter Feststoffe k Passage 0,03-0,20 (pro h) k Fermentation 0,03-0,15 (pro h) (nach RUSSELL 2002)

21 Stoffwechsel der Ketonkörper, Fettsäuren und Glukoneogenese (Kirchgeßner 1997) Azetat und Aminosäuren Fettsäuren Glyzerin Glukose Azetyl- CoA Azet- Azetyl-CoA Triglyzeride Oxalazetat Malat Zitrat Zyklus Azetazetat Propionat Laktat Aminosäuren CO 2 2 CO 2 Azeton ß-OH-Butyrat

22 Gluconeogenese in der Leber des Wiederkäuers (nach Rohr 1984) Glucose Hexosephosphat Triosephosphat Glycerin Alanin Serin Cystein Pyruvat Phosphoenolpyruvat Oxalacetat Laktat Propionat (aus der Pansenfermentation) Succinat Succinat α-ketoglutarat Propionat Glutamat iso-butyrat Valeriat Valin Isoleucin Prolin Hydroxyprolin Ornithin Histidin Arginin

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