Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Intestinale Glucoseaufnahme beim Rind: Einfluss der alimentären Stärkeversorgung beim Kalb und der Fettmobilisierung bei hochleistenden Milchkühen

Klinger, Stefanie

Over the last decades breeding efforts resulted in constantly increasing milk yields in dairy cows. Energy demands of these animals are considerably higher especially in early stages of lactation and therefore, energy balances in dairy cows achieve more negative levels. Since feed intake is a limiting factor in the energy supply in early lactation, this situation leads to enhanced mobilisation of body reserves. Therefore, higher performances are accompanied by an increased probability of appearance of several diseases (production diseases). Nevertheless, the adaptability of dairy cows to NEB-related challenges is rather variable and the mechanisms underlying this diverse adaptability are largely unknown. Among several factors, one major difference could be based on an improved capability in nutrient digestion, e.g. carbohydrates. Thereby, changes in the absorption of monosaccharides might be of relevance. Carbohydrate digestion and utilisation in ruminants is mainly based on microbial fermentation of carbohydrates to short chain fatty acids in the rumen, but under respective feeding regimes, e.g. high amounts of corn starch, the concept that substantial amount of starch may enter the small intestines to be digested by α-amylase and disaccharidases and subsequently absorbed as monosaccharides has been established. Assuming a high capacity of the small intestines for carbohydrate digestion, monosaccharide absorption from the small intestines may provide substantial benefits in energy supply. Until now, it is rather unclear, if the intestinal carbohydrate digestion or the monosaccharide absorption is limited in the bovine intestine. Therefore, the first part of the present study was focused on the influence of different carbohydrate sources on kinetic parameters of Na+-dependent glucose uptake into isolated jejunal brush border membrane vesicles from calves on different starch containing diets in order to determine to what extent intestinal glucose absorption in ruminants is influenced by diet or is a limiting factor in intestinal carbohydrate digestion. The maximal transport capacity for glucose was strongly dependent on alimentary starch supply, whereas SGLT1 (Na+-dependent glucose transporter 1) protein expression was even slightly higher in animals on a low starch diet. It could be concluded that, under the applied feeding conditions, the maximal transport capacity responded to carbohydrate availability and is thus presumably not a limiting factor in intestinal carbohydrate digestion. The independence of SGLT1 protein expression from alimentary carbohydrate supply may indicate that this effect is rather based on changes in the transporter activity than on alterations in the apical transporter amount. The second part of the study was carried out in order to find out whether changes in intestinal glucose absorption may be a factor involved in different abilities of high yielding dairy cows to adapt to negative energy balances. Samples from dairy cows with comparable milk yields differing in the extent of body fat mobilisation during the early lactation were analysed. Intestinal starch and glucose concentrations, kinetic parameters of intestinal Na+-dependent glucose absorption in isolated duodenal and jejunal brush border membrane vesicles and apical SGLT1-expression were not influenced by body fat mobilisation or stage of lactation. In addition, parameters of hepatic carbohydrate and fat metabolism did not differ between the groups. In summary, the capacity for intestinal glucose absorption in growing ruminants seems to be sensitive to alimentary starch supply. However, in this study no differences in intestinal glucose absorption could be observed in high yielding dairy cows as a function of body fat mobilisation in early lactation. Since the animals used in this study almost reached the stage of mid lactation it could not be asserted that differences in intestinal glucose absorption were of some importance during earlier stages of lactation. In addition, it might be assumed, as shown in swine, that regulation of intestinal glucose transport structures requires a minimal luminal substrate concentration which could be hardly realised in ruminants. The clarification of these questions requires further investigations including complex in-vitro- and in-vivo studies.

Die züchterische Realisierung sehr hoher Milchleistungen hat in den letzten Jahrzehnten dazu geführt, dass der Energiebedarf hochleistender Milchkühe vor allem in der Frühlaktation so hoch ist, dass als Folge stark ausgeprägter negativer Energiebilanzen und damit verbundener übermäßiger Mobilisierung und Metabolisierung von Körperreserven die Auftrittswahrscheinlichkeit verschiedenster Krankheitsbilder (Produktionskrankheiten) erhöht ist. Da die Futteraufnahme und damit die Energieaufnahme vor allem in der frühen Laktation bei stark ausgeprägter negativer Energiebilanz begrenzt sind, stellt sich die Frage, auf welchen Mechanismen eine durchaus unterschiedliche individuelle Anpassungsfähigkeit an hohe Milchleistung und negative Energiebilanzen beruht. Neben verschiedensten anderen Faktoren könnte eine Basis dieser unterschiedlichen Anpassungsfähigkeit eine veränderte Effizienz der Nährstoffverwertung bei ähnlicher Futteraufnahme sein. Unter diesem Gesichtspunkt könnte auch die intestinale Absorption von Monosacchariden von Bedeutung sein. Die Kohlenhydratverdauung und Nutzung beim Wiederkäuer erfolgt jedoch prinzipiell vornehmlich durch mikrobielle Fermentationsprozesse im Pansen und anschließende Verwertung kurzkettiger Fettsäuren. In Abhängigkeit von der alimentären Kohlenhydratverfügbarkeit und der Kohlenhydratquelle können aber auch beim Wiederkäuer erhebliche Mengen an Kohlenhydraten postruminale Kompartimente des Gastrointestinaltraktes erreichen, um dort nach enzymatischer Spaltung in Form von Monosacchariden absorbiert zu werden. Unter der Vorrausetzung einer hohen intestinalen Kohlenhydratverdaulichkeit ist der energetische Nutzen der intestinalen Verdauung von Kohlenhydraten höher einzustufen als der Energiegewinn durch ruminale Fermentationsprozesse. Bislang konnte nicht abschließend geklärt werden, inwieweit und durch welche Faktoren die intestinale Kohlenhydratverdauung und Monosaccharidabsorption beim Wiederkäuer begrenzt ist. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit zunächst untersucht, ob unterschiedliche Stärkegehalte in der Rationen zehn Wochen alter Kälber die intestinale Na+-abhängige Glucoseaufnahme durch SGLT1 (Na+-dependent glucose transporter 1) beeinflussen, um Hinweise darauf zu erhalten, ob die intestinale Glucoseaufnahme beim Rind in Folge hoher Substratkonzentrationen aufrecht zu erhalten bzw. zu beeinflussen ist oder einen limitierenden Faktor bei der intestinalen Kohlenhydratverdauung darstellt. Die anhand von isolierten jejunalen BSMV bestimmten maximalen Aufnahmeraten für Glucose (Vmax-Werte) zeigten deutliche Unterschiede in Abhängigkeit vom Stärkegehalt der Ration bei unveränderter Transportaffinität- und Expression. Daraus lässt sich schließen, dass unter den angewandten Fütterungsbedingungen die maximale Transportkapazität durchaus an die Kohlenhydratverfügbarkeit angepasst werden kann, also eher keinen limitierenden Faktor in der intestinalen Kohlenhydratverdauung darstellt. Es ergaben sich deutliche Hinweise, dass die zu Grunde liegenden Mechanismen eher auf einer Veränderung der SGLT1-Aktivität als in einer Erhöhung der apikalen Transporteranzahl beruhen. Um zu untersuchen, ob eine Veränderung in der intestinalen Kohlenhydratverdauung bzw. der intestinalen Glucoseaufnahme zu den unterschiedlichen Anpassungsfähigkeiten hochleistender Milchkühe an negative Energiebilanzen beitragen könnte wurden Darmproben von Milchkühen gleicher Leistung aber unterschiedlich starker Fettmobilisierung untersucht. Die intestinalen Substratkonzentrationen, die kinetischen Parameter der Glucoseaufnahme in isolierte duodenale und jejunale BSMV sowie die SGLT1-Expression waren  zwischen den Gruppen nicht verschieden. Ebenso konnten keine Unterschiede in Parametern des hepatischen Kohlenhydratstoffwechsels und der Fettoxidation bzw. -speicherung zwischen den Tieren festgestellt werden. Festzuhalten bleibt also, dass die intestinale Glucoseaufnahme prinzipiell auch beim Rind durch den Stärkegehalt der Ration beeinflussbar ist. Veränderungen der intestinalen Glucoseaufnahme in Abhängigkeit der Fettmobilisierung bei hochleistenden Milchkühen konnten unter den gegebenen Versuchsbedingungen nicht nachgewiesen werden. Es ist aber nicht auszuschließen, dass solche Unterschiede zu einem früheren Laktationszeitpunkt vorgelegen haben könnten. Des Weiteren wäre auch denkbar, dass sich die intestinal absorbierte Glucosemenge unterscheidet, ohne sich auf die gemessenen Parameter der Glucoseabsorption auszuwirken, wenn man von der Existenz einer minimal erforderlichen luminalen Glucosekonzentration zur Einleitung regulativer Mechanismen ausgeht. Zur Klärung dieser Fragen sind die in dieser Arbeit durchgeführten In-vitro-Versuche nicht ausreichend. Vielmehr erfordern diese Fragestellungen weitergehende aufwändige In-vivo- und In-vitro-Ansätze.

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Klinger, Stefanie: Intestinale Glucoseaufnahme beim Rind: Einfluss der alimentären Stärkeversorgung beim Kalb und der Fettmobilisierung bei hochleistenden Milchkühen. Hannover 2012. Tierärztliche Hochschule.

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