Los peces están expuestos a grandes fluctuaciones de oxígeno en su medio acuático, ya que las propiedades inherentes del agua pueden dar lugar a marcadas diferencias espaciales y temporales en la concentración de oxígeno (ver oxigenación y bajo el agua ). Los peces responden a la hipoxia con respuestas conductuales, fisiológicas y celulares variadas para mantener la homeostasis y la función del organismo en un ambiente sin oxígeno. El mayor desafío al que se enfrentan los peces cuando se exponen a condiciones de bajo oxígeno es mantener el equilibrio energético metabólico, ya que el 95% del oxígeno consumido por los peces se utiliza para la producción de ATP , liberando la energía química del O 2 a través de las mitocondrias. cadena de transporte de electrones . [1] [2] Por lo tanto, la supervivencia a la hipoxia requiere una respuesta coordinada para asegurar más oxígeno del ambiente empobrecido y contrarrestar las consecuencias metabólicas de la disminución de la producción de ATP en las mitocondrias. Este artículo es una revisión de los efectos de la hipoxia en todos los aspectos de los peces, desde el comportamiento hasta los genes.
Tolerancia a la hipoxia
La tolerancia a la hipoxia de un pez se puede representar de diferentes formas. Una representación comúnmente utilizada es la tensión crítica de O 2 (P crit ), que es la tensión más baja de O 2 en el agua (P O 2 ) a la que un pez puede mantener una tasa estable de consumo de O 2 (M O 2 ). [3] Un pescado con un P inferior crit por lo tanto se piensa que es más hipoxia tolerantes que un pez con un mayor P crit . Pero mientras que Pcrit se usa a menudo para representar la tolerancia a la hipoxia, representa con mayor precisión la capacidad de absorber O 2 ambiental en P O 2 s hipóxicas y no incorpora las contribuciones significativas de la glucólisis anaeróbica y la supresión metabólica a la tolerancia a la hipoxia (ver más abajo). . No obstante, el pcrit está estrechamente relacionado con la tolerancia a la hipoxia de un pez, [4] en parte porque algunos peces priorizan el uso del metabolismo aeróbico sobre el metabolismo anaeróbico y la supresión metabólica. [5] Por lo tanto, sigue siendo una métrica de tolerancia a la hipoxia ampliamente utilizada. [6]
La tolerancia a la hipoxia de un pez también se puede representar como la cantidad de tiempo que puede pasar en una P O 2 hipóxica particular antes de que pierda el equilibrio dorsal-ventral (llamado tiempo de LOE), o la P O 2 en la que pierde el equilibrio cuando La P O 2 se reduce de la normoxia a la anoxia a una velocidad determinada (denominada P O 2 -of-LOE). Por lo tanto, un valor de tiempo hasta LOE más alto o un valor de P O 2 de LOE más bajo implican mayores tolerancias a la hipoxia. En cualquier caso, LOE es una representación más holística de la tolerancia general a la hipoxia porque incorpora todos los factores que contribuyen a la tolerancia a la hipoxia, incluido el metabolismo aeróbico, el metabolismo anaeróbico y la supresión metabólica.
Detección de oxígeno
Estructuras de detección de oxígeno
En los mamíferos hay varias estructuras que se han implicado como estructuras sensibles al oxígeno; sin embargo, todas estas estructuras están situadas para detectar hipoxia aórtica o interna, ya que los mamíferos rara vez sufren hipoxia ambiental. Estas estructuras incluyen las células de tipo I del cuerpo carotídeo , [7] los cuerpos neuroepiteliales de los pulmones [8] , así como algunas neuronas centrales y periféricas y células del músculo liso vascular . En los peces, las células neuroepiteliales (NEC) han sido implicadas como las principales células sensibles al oxígeno. [9] Se han encontrado NEC en todos los peces teleósteos estudiados hasta la fecha, y es probable que sean una estructura muy conservada dentro de muchos taxones de peces. Las ECN también se encuentran en los cuatro arcos branquiales dentro de varias estructuras diferentes, como a lo largo de los filamentos, en los extremos de las branquias y en todas las laminillas. Se han identificado dos vías neurales separadas dentro de los arcos branquiales del pez cebra, tanto las vías motoras como las sensoriales de las fibras nerviosas . [10] Dado que las células neuroepiteliales se distribuyen a lo largo de las branquias, a menudo se encuentran en una ubicación ideal para detectar tanto oxígeno arterial como ambiental. [11]
Mecanismos de liberación de neurotransmisores en células neuroepiteliales.
Se cree que las células neuroepiteliales (NEC) son células quimiorreceptoras similares a neuronas porque dependen de los cambios del potencial de membrana para la liberación de neurotransmisores y la transmisión de señales a las células cercanas. Una vez que la NEC de las branquias del pez cebra entra en contacto con la hipoxia ambiental o aórtica , se inhibe un canal de "fuga" de K + hacia el exterior . No está claro cómo estos canales de K + son inhibidos por una escasez de oxígeno porque todavía no se conocen sitios de unión directa para "falta de oxígeno", sólo respuestas de células completas y canales iónicos a la hipoxia. Los canales de "fuga" de K + son canales iónicos de dominio de dos poros que están abiertos en el potencial de membrana en reposo de la célula y desempeñan un papel importante en el establecimiento del potencial de membrana en reposo en equilibrio de la célula. [12] Una vez que se cierra este canal de "fuga", el K + ya no puede fluir libremente fuera de la celda y el potencial de membrana del NEC aumenta; la célula se despolariza. Esta despolarización hace que se abran los canales de Ca 2+ dependientes de voltaje y que el Ca 2+ extracelular fluya por su gradiente de concentración hacia la célula, lo que hace que la concentración de Ca 2+ intracelular aumente en gran medida. Una vez que el Ca 2+ está dentro de la célula, se une a la maquinaria de liberación de vesículas y facilita la unión del complejo t-snare en la vesícula al complejo s-snare en la membrana celular NEC que inicia la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica .
Transducción de señales hasta centros cerebrales superiores
Si la célula postsináptica es una neurona sensorial, entonces una mayor velocidad de activación en esa neurona transmitirá la señal al sistema nervioso central para su integración. Considerando que, si la célula postsináptica es una célula del pilar conectivo o una célula del músculo liso vascular , entonces la serotonina causará vasoconstricción y las laminillas no utilizadas previamente serán reclutadas a través del reclutamiento de más lechos capilares , y el área de superficie total para el intercambio de gases por laminilla. será incrementado. [13]
En los peces, la señal hipóxica se transporta al cerebro para que la procesen los nervios glosofaríngeo (IX par craneal) y vago (X par craneal). El primer arco branquial está inervado por el nervio glosofaríngeo (nervio craneal IX); sin embargo, los cuatro arcos están inervados por el nervio vago (par craneal X). Tanto el nervio glosofaríngeo como el vago transportan fibras nerviosas sensoriales al cerebro y al sistema nervioso central.
Ubicaciones de sensores de oxígeno
A través de estudios que utilizan organismos modelo de mamíferos, existen dos hipótesis principales para la ubicación de la detección de oxígeno en las células quimiorreceptoras: la hipótesis de la membrana y la hipótesis mitocondrial . La hipótesis de la membrana se propuso para el cuerpo carotídeo en ratones, [14] y predice que la detección de oxígeno es un proceso iniciado por el equilibrio iónico. La hipótesis mitocondrial también se propuso para el cuerpo carotídeo de los ratones, pero se basa en los niveles de fosforilación oxidativa y / o producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) como señal de hipoxia. Específicamente, las corrientes de K + sensibles al oxígeno son inhibidas por la activación de H 2 O 2 y NADPH oxidasa . [15] Existe evidencia para ambas hipótesis dependiendo de la especie utilizada para el estudio. Para las células neuroepiteliales en las branquias del pez cebra, existe una fuerte evidencia que apoya la "hipótesis de la membrana" debido a su capacidad para responder a la hipoxia después de la eliminación del contenido de la célula. Sin embargo, no hay evidencia en contra de múltiples sitios para la detección de oxígeno en organismos.
Respuestas agudas a la hipoxia
Muchos ambientes hipóxicos nunca alcanzan el nivel de anoxia y la mayoría de los peces pueden hacer frente a este estrés utilizando diferentes estrategias fisiológicas y de comportamiento. Los peces que utilizan órganos de respiración de aire (ABO) tienden a vivir en entornos con contenido de oxígeno muy variable y dependen de la respiración aérea durante los momentos en que no hay suficiente oxígeno para soportar la respiración de agua. [16] Aunque todos los teleósteos tienen alguna forma de vejiga natatoria , muchos de ellos no son capaces de respirar aire y dependen de la respiración de la superficie acuática como un suministro de agua más oxigenada en la superficie del agua. Sin embargo, muchas especies de peces teleósteos son respiradores de agua obligados y no muestran ninguno de estos comportamientos respiratorios superficiales.
Por lo general, la hipoxia aguda causa hiperventilación , bradicardia y una elevación de la resistencia vascular branquial en los teleósteos. [17] Sin embargo, el beneficio de estos cambios en la presión arterial para la absorción de oxígeno no ha sido respaldado en un estudio reciente de la trucha arco iris . [18] Es posible que la respuesta de hipoxia aguda sea simplemente una respuesta al estrés, y las ventajas encontradas en los primeros estudios pueden resultar sólo después de la aclimatación al medio ambiente.
Respuestas conductuales
La hipoxia puede modificar el comportamiento normal. [19] El comportamiento de los padres destinado a proporcionar oxígeno a los huevos a menudo se ve afectado por la hipoxia. Por ejemplo, el comportamiento de abanico (nadar en el lugar cerca de los huevos para crear un flujo de agua sobre ellos y, por lo tanto, un suministro constante de oxígeno) a menudo aumenta cuando hay menos oxígeno disponible. Esto ha sido documentado en espinosos, [20] [21] gobios, [22] [23] y peces payaso, [24] entre otros. Los gobios también pueden aumentar el tamaño de las aberturas en el nido que construyen, aunque esto puede aumentar el riesgo de depredación de los huevos. [25] [26] Los cíclidos arco iris a menudo mueven a sus crías más cerca de la superficie del agua, donde hay más oxígeno disponible, durante los episodios hipóxicos. [27]
Las adaptaciones de comportamiento destinadas a sobrevivir cuando el oxígeno es escaso incluyen niveles de actividad reducidos, respiración de superficie acuática y respiración de aire.
Niveles de actividad reducidos
A medida que disminuyen los niveles de oxígeno, los peces pueden al principio aumentar los movimientos en un intento de escapar de la zona hipóxica, pero eventualmente reducen en gran medida sus niveles de actividad, reduciendo así sus demandas energéticas (y por lo tanto de oxígeno). El arenque del Atlántico muestra este patrón exacto. [28] Otros ejemplos de peces que reducen sus niveles de actividad bajo hipoxia incluyen el lenguado común , [29] el guppy , [30] el tiburón gato de manchas pequeñas , [31] y el eelpout vivíparo . [32] Algunos tiburones que ventilan sus branquias, comprensiblemente, pueden aumentar su velocidad de natación bajo hipoxia, para llevar más agua a las branquias. [33]
Respiración de superficie acuática
En respuesta a la disminución del nivel de oxígeno disuelto en el medio ambiente, los peces nadan hasta la superficie de la columna de agua y ventilan en la capa superior del agua donde contiene un nivel relativamente más alto de oxígeno disuelto, un comportamiento llamado respiración superficial acuática (ASR). [34] El oxígeno se difunde en el agua desde el aire y, por lo tanto, la capa superior de agua en contacto con el aire contiene más oxígeno. Esto es cierto solo en agua estancada; en el agua corriente, todas las capas se mezclan y los niveles de oxígeno son los mismos en toda la columna de agua. Un entorno en el que a menudo tiene lugar la ASR son los charcos de marea, especialmente durante la noche. [35] La separación del mar durante la marea baja significa que el agua no se renueva, la acumulación de peces dentro de la piscina significa que el oxígeno se agota rápidamente y la ausencia de luz durante la noche significa que no hay fotosíntesis para reponer el oxígeno. Ejemplos de tidepool especies que realizan ASR incluyen la tidepool sculpin , Oligocottus maculosus , [36] [37] el tres espinas stickleback , [38] y el Fundulus heteroclitus . [39] [40]
Pero ASR no se limita al entorno intermareal. La mayoría de las especies de peces tropicales y templadas que viven en aguas estancadas se involucran en ASR durante la hipoxia. [41] Un estudio examinó 26 especies que representan a ocho familias de peces que no respiran aire de las grandes llanuras de América del Norte, y encontró que todos menos cuatro de ellos realizaron ASR durante la hipoxia. [42] Otro estudio examinó 24 especies de peces tropicales comunes en el comercio de mascotas, desde tetras hasta púas y cíclidos, y descubrió que todos realizaban ASR. [43] Una situación inusual en la que se realiza la ASR es durante el invierno, en lagos cubiertos de hielo, en la interfaz entre el agua y el hielo o cerca de las burbujas de aire atrapadas debajo del hielo. [44] [45] [46]
Algunas especies pueden mostrar adaptaciones morfológicas, como cabeza plana y boca hacia arriba, que les permiten realizar ASR sin romper la superficie del agua (lo que las haría más visibles para los depredadores aéreos). [47] Un ejemplo es el mummichog , cuya boca hacia arriba sugiere alimentación en la superficie, pero cuyos hábitos de alimentación no se limitan particularmente a la superficie. En el tambaqui , una especie de América del Sur, la exposición a la hipoxia induce en cuestión de horas el desarrollo de vasos sanguíneos adicionales dentro del labio inferior, lo que mejora su capacidad para absorber oxígeno durante la ASR. [48] Nadar boca abajo también puede ayudar a los peces a realizar ASR, como ocurre con algunos bagres boca abajo . [49]
Algunas especies pueden tener una burbuja de aire dentro de la boca durante la ASR. Esto puede ayudar a la flotabilidad y aumentar el contenido de oxígeno del agua que pasa sobre la burbuja en su camino hacia las branquias. [50] Otra forma de reducir los costos de flotabilidad es realizar ASR en rocas o plantas que brindan soporte cerca de la superficie del agua.
ASR afecta significativamente la supervivencia de los peces durante la hipoxia severa. [51] En el molly dientuso, por ejemplo, la supervivencia fue aproximadamente cuatro veces mayor en individuos capaces de realizar ASR en comparación con los peces a los que no se les permitió realizar ASR durante su exposición a hipoxia extrema. [52]
La ASR se puede realizar con más frecuencia cuando la necesidad de oxígeno es mayor. En el molly sailfin , las hembras en gestación (esta especie es portadora de vida) pasan aproximadamente el 50% de su tiempo en ASR en comparación con solo el 15% en las hembras no gestantes bajo los mismos niveles bajos de oxígeno. [53]
Respiración aérea (respiración de aire)
La respiración aérea es el "tragar" de aire en la superficie del agua para extraer directamente oxígeno de la atmósfera. La respiración aérea evolucionó en los peces expuestos a hipoxia más frecuente; además, las especies que realizan respiración aérea tienden a ser más tolerantes a la hipoxia que aquellas que no respiran aire durante la hipoxia. [54]
Hay dos tipos principales de peces que respiran aire: facultativos y no facultativos. En condiciones normóxicas, los peces facultativos pueden sobrevivir sin tener que respirar el aire de la superficie del agua. Sin embargo, los peces no facultativos deben respirar en la superficie incluso en niveles normales de oxígeno disuelto porque sus branquias no pueden extraer suficiente oxígeno del agua.
Muchos teleósteos de agua dulce que respiran aire utilizan ABO para extraer eficazmente el oxígeno del aire mientras mantienen las funciones de las branquias. Los ABO son tractos gastrointestinales modificados , vejigas de gas y órganos laberínticos ; [55] están muy vascularizados y proporcionan un método adicional para extraer oxígeno del aire. [56] Los peces también utilizan ABO para almacenar el oxígeno retenido.
Riesgo de depredación asociado con ASR y respiración aérea
Tanto la ASR como la respiración aérea requieren que los peces viajen a la parte superior de la columna de agua y este comportamiento aumenta los riesgos de depredación por depredadores aéreos u otros piscívoros que habitan cerca de la superficie del agua. [56] Para hacer frente al mayor riesgo de depredación al salir a la superficie, algunos peces realizan ASR o respiración aérea en los cardúmenes [55] [57] para "diluir" el riesgo de depredación. Cuando los peces pueden detectar visualmente la presencia de sus depredadores aéreos, simplemente se abstienen de salir a la superficie o prefieren salir a la superficie en áreas donde pueden detectarse con menos facilidad (es decir, áreas turbias y sombreadas). [58]
Remodelación branquial en hipoxia
La remodelación de las branquias ocurre solo en unas pocas especies de peces e implica la acumulación o eliminación de una masa celular interlaminar (ILCM). Como respuesta a la hipoxia, algunos peces pueden remodelar sus branquias para aumentar el área de la superficie respiratoria , y algunas especies, como los peces de colores, duplican su superficie laminar en tan solo 8 horas. [59] El aumento de la superficie respiratoria se compensa con el aumento de los costos metabólicos porque las branquias son un sitio muy importante para muchos procesos importantes, como el intercambio de gases respiratorios , la regulación ácido-base , la excreción de nitrógeno , la osmorregulación , la regulación hormonal , el metabolismo , y detección ambiental. [60]
La carpa cruciana es una especie capaz de remodelar sus filamentos branquiales en respuesta a la hipoxia. Sus células interlaminares tienen altas tasas de actividad mitótica que están influenciadas tanto por la hipoxia como por la temperatura. [61] En agua fría (15 ° C), la carpa cruciana tiene más ILCM, pero cuando la temperatura aumenta a 25 ° C, el ILCM se elimina, tal como lo haría en condiciones hipóxicas. Esta misma transición en la morfología de las branquias se produce en los peces de colores cuando la temperatura se eleva de 7,5 ° C a 15 ° C. [62] Esta diferencia puede deberse a los regímenes de temperatura en los que se encuentran típicamente estos peces, o podría haber un mecanismo de protección subyacente para evitar la pérdida del equilibrio iónico en temperaturas estresantes. La temperatura también afecta la velocidad a la que se pueden remodelar las branquias: por ejemplo, a 20 ° C en hipoxia, la carpa cruciana puede eliminar completamente su ILCM en 6 horas, mientras que a 8 ° C, el mismo proceso toma de 3 a 7 días. [61] Es probable que el ILCM se elimine por apoptosis , pero es posible que cuando el pez se enfrente al doble estrés de la hipoxia a alta temperatura, las laminillas se pierdan por degradación física. Cubrir las laminillas branquiales puede proteger especies como la carpa cruciana de parásitos y toxinas ambientales durante la normoxia al limitar su área de superficie para la difusión hacia adentro mientras se mantiene el transporte de oxígeno debido a una afinidad de unión de oxígeno de hemoglobina extremadamente alta . [61]
La carpa desnuda , una especie estrechamente relacionada nativa del lago Qinghai a gran altitud , también puede remodelar sus branquias en respuesta a condiciones hipóxicas. En respuesta a niveles de oxígeno 95% más bajos que las condiciones normóxicas, la apoptosis de ILCM aumenta el área de superficie laminar hasta en un 60% después de solo 24 horas. [63] Sin embargo, esto tiene un costo osmorregulador significativo, reduciendo los niveles de sodio y cloruro en el citoplasma en más del 10%. [63] La respuesta morfológica a la hipoxia por la carpa sin escamas es la remodelación de la superficie respiratoria más rápida reportada en vertebrados hasta el momento. [64]
Consumo de oxígeno
Los peces exhiben una amplia gama de tácticas para contrarrestar la hipoxia acuática, pero cuando no es posible escapar del estrés hipóxico, mantener la extracción y el suministro de oxígeno se convierte en un componente esencial para la supervivencia. [65] A excepción del pez de hielo antártico que no lo hace, la mayoría de los peces usan hemoglobina (Hb) dentro de sus glóbulos rojos para unirse químicamente y entregar el 95% del oxígeno extraído del ambiente a los tejidos en funcionamiento. Mantener la extracción y el suministro de oxígeno a los tejidos permite una actividad continua bajo estrés hipóxico y está determinado en parte por modificaciones en dos parámetros sanguíneos diferentes: el hematocrito y las propiedades de unión de la hemoglobina.
Hematocrito
En general, el hematocrito es el número de glóbulos rojos (RBC) en circulación y es muy variable entre las especies de peces. Los peces activos, como la aguja azul , tienden a tener hematocritos más altos, [66] mientras que los peces menos activos, como la platija estrellada, presentan hematocritos más bajos. [67] El hematocrito puede aumentar en respuesta a la exposición a hipoxia tanto a corto plazo (aguda) como a largo plazo (crónica) y da como resultado un aumento en la cantidad total de oxígeno que la sangre puede transportar, también conocida como la capacidad de transporte de oxígeno de la sangre. [68] Los cambios agudos en el hematocrito son el resultado de las hormonas del estrés circulantes (ver - catecolaminas ) que activan los receptores en el bazo que causan la liberación de glóbulos rojos a la circulación. [69] Durante la exposición a hipoxia crónica, el mecanismo utilizado para aumentar el hematocrito es independiente del bazo y es el resultado de la estimulación hormonal del riñón por la eritropoyetina (EPO) . Se observa un aumento del hematocrito en respuesta a la eritropoyetina después de aproximadamente una semana y, por lo tanto, es probable que esté bajo control genético del factor inducible por hipoxia, factor inducible por hipoxia (HIF) . [70] Si bien el aumento del hematocrito significa que la sangre puede transportar una mayor cantidad total de oxígeno, una posible ventaja durante la hipoxia, aumentar la cantidad de glóbulos rojos en la sangre también puede conducir a ciertas desventajas. Primero, un hematocrito más alto da como resultado sangre más viscosa (especialmente en agua fría) aumentando la cantidad de energía que el sistema cardíaco requiere para bombear la sangre a través del sistema y, en segundo lugar, dependiendo del tiempo de tránsito de la sangre a través del arco branquial y la velocidad de difusión. de oxígeno, un aumento del hematocrito puede resultar en una transferencia menos eficiente de oxígeno del medio ambiente a la sangre. [66]
Cambiar la afinidad de unión de la hemoglobina
Un mecanismo alternativo para preservar el suministro de O 2 frente a un bajo nivel de oxígeno ambiental es aumentar la afinidad de la sangre. El contenido de oxígeno de la sangre está relacionado con la PaO 2 y se ilustra mediante una curva de equilibrio de oxígeno (OEC). Las hemoglobinas de pescado, con la excepción de los agnathans , son tetrámeros que exhiben cooperatividad de unión de O 2 y tienen OEC sigmoideas.
La afinidad de unión de la hemoglobina al oxígeno se estima mediante una medición llamada P50 (la presión parcial de oxígeno a la que la hemoglobina está unida en un 50% al oxígeno) y puede ser extremadamente variable. [71] Si la hemoglobina tiene una afinidad débil por el oxígeno, se dice que tiene una P50 alta y, por lo tanto, limita el entorno en el que un pez puede habitar a aquellos con una PO 2 ambiental relativamente alta . Por el contrario, las hemoglobinas de los peces con un P50 bajo se unen fuertemente al oxígeno y, por lo tanto, son una ventaja obvia cuando se intenta extraer oxígeno de ambientes con PO 2 hipóxicos o variables . El uso de hemoglobinas de alta afinidad (baja P50) da como resultado una reducción de los requisitos ventilatorios y, por lo tanto, energéticos cuando se enfrenta una agresión hipóxica. [66] La afinidad de unión al oxígeno de la hemoglobina (Hb-O 2 ) se regula a través de un conjunto de moduladores alostéricos ; Los principales moduladores utilizados para controlar la afinidad de Hb-O 2 bajo agresión hipóxica son:
- Aumento del pH de los glóbulos rojos
- Reducir las interacciones de fosfato inorgánico
pH y fosfatos inorgánicos (Pi)
En la trucha arco iris , así como en una variedad de otros teleósteos, el aumento del pH de los glóbulos rojos se debe a la activación de Na B-andrenérgico.+/ H+proteína de intercambio (BNHE) en la membrana de los glóbulos rojos a través de catelcolaminas circulantes. [72] Este proceso hace que el pH interno de los glóbulos rojos aumente a través del movimiento hacia afuera de H+
y el movimiento hacia adentro de Na+
. [73] La consecuencia neta de alcalinizar los glóbulos rojos es un aumento en la afinidad de Hb-O 2 a través del efecto Bohr . La afluencia neta de Na+
iones y la activación compensatoria de Na+/ K+-ATPasa para mantener el equilibrio iónico dentro de los glóbulos rojos da como resultado una disminución constante del ATP celular, lo que también sirve para aumentar la afinidad de la Hb-O 2 . [74] Como resultado adicional de la entrada de Na+
movimiento, la osmolaridad de los glóbulos rojos aumenta, lo que provoca la entrada osmótica de agua y la inflamación de las células. La dilución del contenido celular provoca una mayor separación espacial de la hemoglobina de los fosfatos inorgánicos y sirve de nuevo para aumentar la afinidad de Hb-O 2 . [66] Las especies de peces de triple aleta (Familia Tripterygiidae ) tolerantes a la hipoxia intermareal parecen aprovechar la acidosis intracelular y parecen "eludir" la fosforilación oxidativa tradicional e impulsa directamente la síntesis de ATP mitocondrial utilizando la reserva citosólica de protones que probablemente se acumula en la hipoxia (a través de acidosis láctica e hidrólisis de ATP). [75]
Cambio de isoformas de Hb
Casi todos los animales tienen más de un tipo de Hb presente en los glóbulos rojos. Las isoformas de Hb múltiples (ver isoformas ) son particularmente comunes en los ectotermos , pero especialmente en los peces que deben hacer frente tanto a la temperatura fluctuante como a la disponibilidad de oxígeno. Los Hbs aislados de la anguila europea se pueden separar en isoformas anódicas y catódicas . Las isoformas anódicas tienen bajas afinidades por el oxígeno (P50 alta) y marcados efectos de Bohr, mientras que las catódicas carecen de efectos de pH significativos y, por tanto, se cree que confieren tolerancia a la hipoxia. [76] Se contrastaron varias especies de cíclidos africanos criados en etapas tempranas del desarrollo en condiciones hipóxicas o normóxicas en un intento de comparar las isoformas de Hb. Demostraron que había isoformas de Hb específicas para los individuos criados por hipoxia. [77]
Desafío metabólico
Para hacer frente a la disminución de la producción de ATP a través de la cadena de transporte de electrones, los peces deben activar los medios anaeróbicos de producción de energía (ver metabolismo anaeróbico ) mientras suprimen las demandas metabólicas. La capacidad de disminuir la demanda de energía mediante la supresión metabólica es esencial para asegurar la supervivencia hipóxica debido a la eficiencia limitada de la producción de ATP anaeróbico.
Cambiar del metabolismo aeróbico al anaeróbico
La respiración aeróbica, en la que se utiliza oxígeno como aceptor de electrones terminal, es crucial para todos los peces que respiran agua. Cuando los peces se ven privados de oxígeno, necesitan otras formas de producir ATP. Por tanto, al inicio de la hipoxia se produce un cambio del metabolismo aeróbico al anaeróbico. La glucólisis y la fosforilación a nivel de sustrato se utilizan como vías alternativas para la producción de ATP. [78] Sin embargo, estas vías son mucho menos eficientes que el metabolismo aeróbico. Por ejemplo, cuando se usa el mismo sustrato, el rendimiento total de ATP en el metabolismo anaeróbico es 15 veces menor que en el metabolismo aeróbico. Este nivel de producción de ATP no es suficiente para mantener una tasa metabólica alta, por lo tanto, la única estrategia de supervivencia de los peces es alterar sus demandas metabólicas.
Supresión metabólica
La supresión metabólica es la reducción regulada y reversible de la tasa metabólica por debajo de la tasa metabólica basal (denominada tasa metabólica estándar en animales ectotérmicos). [1] Esto reduce la tasa de uso de ATP por parte de los peces , lo que prolonga su tiempo de supervivencia a P O 2 subpcrítis gravemente hipóxicos al reducir la tasa a la que se utilizan las reservas de combustible anaeróbicas finitas del pez ( glucógeno ). La supresión metabólica también reduce la tasa de acumulación de productos finales anaeróbicos perjudiciales ( lactato y protones), lo que retrasa su impacto negativo en los peces.
Los mecanismos que utilizan los peces para suprimir la tasa metabólica ocurren a niveles conductuales, fisiológicos y bioquímicos. Desde el punto de vista del comportamiento, la tasa metabólica se puede reducir mediante la reducción de la locomoción, la alimentación, el cortejo y el apareamiento. [79] [80] [81] Fisiológicamente, la tasa metabólica se puede reducir mediante la reducción del crecimiento, la digestión, el desarrollo de gónadas y los esfuerzos de ventilación. [82] [83] Y bioquímicamente, la tasa metabólica se puede reducir aún más por debajo de la tasa metabólica estándar mediante la reducción de la gluconeogénesis, la síntesis de proteínas y las tasas de degradación y el bombeo de iones a través de las membranas celulares. [84] [85] [86] Las reducciones en estos procesos reducen las tasas de uso de ATP, pero no está claro si la supresión metabólica se induce a través de una reducción inicial en el uso de ATP o en el suministro de ATP.
La prevalencia del uso de supresión metabólica entre las especies de peces no se ha explorado a fondo. Esto se debe en parte a que las tasas metabólicas de los peces expuestos a hipoxia, incluidas las tasas metabólicas suprimidas, solo se pueden medir con precisión mediante calorimetría directa , y esta técnica rara vez se utiliza para los peces. [87] [88] Los pocos estudios que han usado calorimetría revelan que algunas especies de peces emplean supresión metabólica en hipoxia / anoxia (p. Ej., Peces de colores, tilapia, anguila europea) mientras que otras no (p. Ej. Trucha arco iris, pez cebra). [89] [90] [91] [92] [1] Las especies que emplean la supresión metabólica son más tolerantes a la hipoxia que las especies que no lo hacen, lo que sugiere que la supresión metabólica aumenta la tolerancia a la hipoxia. De acuerdo con esto, las diferencias en la tolerancia a la hipoxia entre las poblaciones aisladas de espinosos de tres espinas parecen ser el resultado de diferencias en el uso de la supresión metabólica, y el espinoso más tolerante usa la supresión metabólica. [93]
Los peces que son capaces de la supresión metabólica inducida por hipoxia reducen sus tasas metabólicas entre un 30% y un 80% en relación con las tasas metabólicas estándar. [94] [95] [96] [91] Debido a que este no es un cese completo de la tasa metabólica, la supresión metabólica solo puede prolongar la supervivencia hipóxica, no mantenerla indefinidamente. Si la exposición hipóxica dura lo suficiente, el pez sucumbirá al agotamiento de sus reservas de glucógeno y / o la acumulación excesiva de productos finales anaeróbicos perjudiciales. Además, el alcance energético severamente limitado que viene con un estado de supresión metabólica significa que el pez no puede completar tareas críticas como la evitación y reproducción de depredadores. Quizás por estas razones, los peces dorados priorizan el uso del metabolismo aeróbico en la mayoría de los ambientes hipóxicos, reservando la supresión metabólica para el caso extremo de anoxia. [91]
Conservación de energía
Además de una reducción en la tasa de síntesis de proteínas, parece que algunas especies de peces tolerantes a la hipoxia conservan energía al emplear la hipótesis de detención del canal iónico de Hochachka. Esta hipótesis hace dos predicciones:
- Los animales tolerantes a la hipoxia tienen naturalmente una baja permeabilidad de la membrana
- La permeabilidad de la membrana disminuye aún más durante condiciones hipóxicas (detención del canal iónico) [97] [98]
La primera predicción es cierta. Cuando se comparó la permeabilidad de la membrana a los iones Na + y K + entre reptiles y mamíferos, se descubrió que las membranas de los reptiles tenían cinco veces menos fugas. [99] La segunda predicción ha sido más difícil de probar experimentalmente, sin embargo, las medidas indirectas han mostrado una disminución en la actividad de Na + / K + -ATPasa en los hepatocitos de anguila y trucha durante condiciones hipóxicas. [100] [101] Los resultados parecen ser específicos de tejido, ya que la carpa cruciana expuesta a hipoxia no experimenta una reducción en la actividad de la ATPasa Na + / K + en su cerebro. [102] Aunque la evidencia es limitada, la detención del canal iónico permite a los organismos mantener los gradientes de concentración del canal iónico y los potenciales de membrana sin consumir grandes cantidades de ATP.
Reservas mejoradas de glucógeno
El factor limitante para los peces que sufren hipoxia es la disponibilidad de sustrato fermentable para el metabolismo anaeróbico; una vez que se agota el sustrato, cesa la producción de ATP. El glucógeno endógeno está presente en los tejidos como una molécula de almacenamiento de energía a largo plazo. Puede convertirse en glucosa y utilizarse posteriormente como material de partida en la glucólisis. Una adaptación clave para la supervivencia a largo plazo durante la hipoxia es la capacidad de un organismo para almacenar grandes cantidades de glucógeno. Muchas especies tolerantes a la hipoxia, como la carpa, el pez dorado, el pez killi y el oscar contienen el mayor contenido de glucógeno (300-2000 μmol unidades de glocosilo / g) en su tejido en comparación con los peces sensibles a la hipoxia, como la trucha arco iris, que contiene solo 100 μmol unidades de glocosilo / g. [103] Cuanto más glucógeno almacenado en un tejido indica la capacidad de ese tejido para someterse a glucólisis y producir ATP.
Tolerancia a los productos de desecho
Cuando se activan las vías anaeróbicas, las reservas de glucógeno se agotan y se produce la acumulación de productos de desecho ácidos. Esto se conoce como efecto Pasteur . Un desafío al que se enfrentan los peces tolerantes a la hipoxia es cómo producir ATP anaeróbicamente sin crear un efecto Pasteur significativo. Junto con una reducción del metabolismo, algunos peces tienen rasgos adaptados para evitar la acumulación de lactato . Por ejemplo, la carpa cruciana, un pez muy tolerante a la hipoxia, ha evolucionado para sobrevivir meses de aguas anóxicas. Una adaptación clave es la capacidad de convertir el lactato en etanol en el músculo y excretarlo por las branquias. [104] Aunque este proceso es energéticamente costoso, es crucial para su supervivencia en aguas hipóxicas.
Cambios en la expresión genética
Los estudios de microarrays de ADN realizados en diferentes especies de peces expuestas a condiciones de bajo oxígeno han demostrado que, a nivel genético, los peces responden a la hipoxia cambiando la expresión de genes implicados en el transporte de oxígeno, la producción de ATP y la síntesis de proteínas . En el hígado de chupadores de barro expuestos a hipoxia, hubo cambios en la expresión de genes involucrados en el metabolismo del hemo , como hemopexina , hemo oxigenasa 1 y ferritina . [105] Los cambios en el secuestro y metabolismo del hierro pueden sugerir eritropoyesis inducida por hipoxia y una mayor demanda de síntesis de hemoglobina, lo que lleva a un aumento de la absorción y el transporte de oxígeno. También se ha observado un aumento de la expresión de mioglobina , que normalmente solo se encuentra en el tejido muscular, después de la exposición a la hipoxia en las branquias del pez cebra [106] y en el tejido no muscular de la carpa común [107], lo que sugiere un mayor transporte de oxígeno a través de los tejidos de los peces.
Los estudios de microarrays realizados en especies de peces expuestas a hipoxia típicamente muestran un cambio metabólico, es decir, una disminución en la expresión de genes involucrados en el metabolismo aeróbico y un aumento en la expresión de genes involucrados en el metabolismo anaeróbico. Los embriones de pez cebra expuestos a hipoxia disminuyeron la expresión de genes involucrados en el ciclo del ácido cítrico, incluyendo succinato deshidrogenasa , malato deshidrogenasa y citrato sintasa , y mayor expresión de genes involucrados en la glucólisis como fosfoglicerato mutasa , enolasa , aldolasa y lactato deshidrogenasa . [108] Una disminución en la síntesis de proteínas es una respuesta importante a la hipoxia para disminuir la demanda de ATP para la supresión metabólica del organismo completo. Se ha demostrado una disminución de la expresión de genes implicados en la síntesis de proteínas, como el factor de alargamiento 2 y varias proteínas ribosómicas , en el músculo del chupasangre [105] y en las branquias del pez cebra adulto [106] después de la exposición a la hipoxia.
La investigación en mamíferos ha implicado al factor inducible por hipoxia (HIF) como un regulador clave de los cambios en la expresión génica en respuesta a la hipoxia [109]. Sin embargo, aún no se ha encontrado un vínculo directo entre los HIF de los peces y los cambios en la expresión génica en respuesta a la hipoxia. El análisis filogenético de secuencias de HIF-α y -β de peces, tetrápodos y aves disponibles muestra que las isoformas de ambas subunidades presentes en mamíferos también están representadas en peces. Dentro de los peces, las secuencias de HIF se agrupan juntas y son distintas de las secuencias de tetrápodos y aves. [1] Además, los análisis de aminoácidos de disponible peces HIF-α y las secuencias de beta revela que contienen todos los dominios funcionales que han demostrado ser importantes para la función HIF mamífero, [1] , incluyendo la hélice-bucle-hélice básico (bHLH) de dominio , El dominio Per-ARNT-Sim (PAS) y el dominio de degradación dependiente de oxígeno (ODD), que hacen que la subunidad HIF-α sea sensible a los niveles de oxígeno. [109] La similitud evolutiva entre las secuencias de HIF en peces, tetrápodos y aves, así como la conservación de importantes dominios funcionales sugiere que la función y regulación de HIF es similar entre especies de peces y mamíferos. También hay evidencia de nuevos mecanismos de HIF presentes en peces que no se encuentran en mamíferos. En los mamíferos, la proteína HIF-α se sintetiza y regula de forma continua postraduccionalmente cambiando las condiciones del oxígeno, [110] pero se ha demostrado en diferentes especies de peces que los niveles de ARNm de HIF-α también responden a la hipoxia. En la carpa herbívora tolerante a la hipoxia , se observaron aumentos sustanciales en el ARNm de HIF-1α y HIF-3α en todos los tejidos después de la exposición a la hipoxia. [111] Asimismo, los niveles de ARNm de HIF-1α y HIF-2α respondieron a la hipoxia en los ovarios de la corvina atlántica durante la hipoxia tanto a corto como a largo plazo. [112]
Ver también
- Floraciones de Algas
- Eutrofización
- Matanza de peces
- Hipoxia (ambiental)
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