Los peces están expuestos a grandes fluctuaciones de oxígeno en su entorno acuático, ya que las propiedades inherentes del agua pueden provocar marcadas diferencias espaciales y temporales en la concentración de oxígeno (ver oxigenación y bajo el agua ). Los peces responden a la hipoxia con diversas respuestas conductuales, fisiológicas y celulares para mantener la homeostasis y la función del organismo en un ambiente sin oxígeno. El mayor desafío que enfrentan los peces cuando se exponen a condiciones bajas de 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 de los nutrientes a través de la cadena de transporte de electrones mitocondrial . [1] Por lo tanto, la supervivencia a la hipoxia requiere una respuesta coordinada para asegurar más oxígeno del ambiente agotado y contrarrestar las consecuencias metabólicas de la disminución de la producción de ATP en las mitocondrias.
La tolerancia a la hipoxia de un pez se puede representar de diferentes maneras. Una representación comúnmente utilizada es la tensión crítica de O 2 (Pcrit ) , que es la tensión de O 2 del agua más baja (P O 2 ) a la que un pez puede mantener una tasa de consumo de O 2 estable (M O 2 ). [2] Por lo tanto, se cree que un pez con una P crítica más baja es más tolerante a la hipoxia que un pez con una P crítica más alta . Pero si bien P crit se utiliza 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). . Sin embargo, la P crítica está estrechamente relacionada con la tolerancia a la hipoxia de un pez, [3] en parte porque algunos peces priorizan el uso del metabolismo aeróbico sobre el metabolismo anaeróbico y la supresión metabólica. [4] Por lo tanto, sigue siendo una métrica de tolerancia a la hipoxia ampliamente utilizada. [5]
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 perder el equilibrio dorsal-ventral (llamado tiempo hasta LOE), o la P O 2 en la que pierde el equilibrio cuando La P O 2 disminuye de normoxia a anoxia a un ritmo determinado (llamado P O 2 de LOE). Por lo tanto , un valor más alto de tiempo hasta LOE o un valor más bajo de P O 2 de LOE implican tolerancias mejoradas a la hipoxia. En cualquier caso, LOE es una representación más holística de la tolerancia general a la hipoxia porque incorpora todos los contribuyentes a la tolerancia a la hipoxia, incluido el metabolismo aeróbico, el metabolismo anaeróbico y la supresión metabólica.
En los mamíferos hay varias estructuras que han sido implicadas como estructuras detectoras de 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 tipo I del cuerpo carotídeo , [6] los cuerpos neuroepiteliales de los pulmones [7] , así como algunas neuronas centrales y periféricas y células del músculo liso vascular . En los peces, las células neuroepiteliales (ECN) han sido implicadas como las principales células detectoras de oxígeno. [8] Se han encontrado NEC en todos los peces teleósteos estudiados hasta la fecha y probablemente sean una estructura altamente conservada dentro de muchos taxones de peces. Los NEC 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 branquiespinas y a lo largo de las laminillas. Se han identificado dos vías neurales separadas dentro de los arcos branquiales del pez cebra , tanto las vías de las fibras nerviosas motoras como las sensoriales . [9] Dado que las células neuroepiteliales se distribuyen por las branquias, a menudo están en una posición ideal para detectar oxígeno tanto arterial como ambiental. [10]
Se cree que las células neuroepiteliales (ECN) son células quimiorreceptoras similares a las neuronas porque dependen de los cambios del potencial de la membrana para la liberación de neurotransmisores y la transmisión de señales a las células cercanas. Una vez que el 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 afuera. Aún no está claro cómo estos canales de K + son inhibidos por la escasez de oxígeno porque todavía no se conocen sitios de unión directa para la "falta de oxígeno", sólo respuestas de células completas y canales iónicos a la hipoxia. Los canales de "fuga" de K + son canales iónicos con 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 equilibrio del potencial de membrana en reposo de la célula. [11] Una vez que este canal de "fuga" se cierra, el K + ya no puede fluir libremente fuera de la célula y el potencial de membrana del NEC aumenta; la célula se despolariza. Esta despolarización hace que se abran canales de Ca 2+ dependientes de voltaje y que el Ca 2+ extracelular fluya a favor de su gradiente de concentración hacia el interior de la célula, lo que provoca que la concentración de Ca 2+ intracelular aumente considerablemente. 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 de la vesícula al complejo s-snare de la membrana celular NEC, que inicia la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica. .
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. Mientras que, si la célula postsináptica es una célula pilar conectiva o una célula de músculo liso vascular , entonces la serotonina causará vasoconstricción y las laminillas no utilizadas previamente se reclutarán mediante el reclutamiento de más lechos capilares y el área de superficie total para el intercambio de gases por laminilla será incrementado. [12]
En los peces, la señal hipóxica se transporta al cerebro para ser procesada por los nervios glosofaríngeo (par craneal IX) y vago (par craneal X). El primer arco branquial está inervado por el nervio glosofaríngeo (IX par craneal); sin embargo, los cuatro arcos están inervados por el nervio vago (nervio craneal X). Tanto el nervio glosofaríngeo como el vago transportan fibras nerviosas sensoriales al cerebro y al sistema nervioso central.
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 [13] 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 la producción de especies reactivas de oxígeno (ROS) como señal de hipoxia. Específicamente, las corrientes de K+ sensibles al oxígeno son inhibidas por la activación del H2O2 y la NADPH oxidasa . [14] Hay evidencia de ambas hipótesis dependiendo de la especie utilizada para el estudio. Para las células neuroepiteliales en las branquias del pez cebra, existe evidencia sólida que respalda 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 contra múltiples sitios para la detección de oxígeno en los organismos.
Muchos ambientes hipóxicos nunca alcanzan el nivel de anoxia y la mayoría de los peces son capaces de afrontar este estrés utilizando diferentes estrategias fisiológicas y de comportamiento. Los peces que utilizan órganos respiratorios aéreos (ABO) tienden a vivir en ambientes con un contenido de oxígeno muy variable y dependen de la respiración aérea en momentos en que no hay suficiente oxígeno para respirar en el agua. [15] Aunque todos los teleósteos tienen algún tipo de vejiga natatoria , muchos de ellos no son capaces de respirar aire y dependen de la respiración de la superficie acuática como suministro de agua más oxigenada en la superficie del agua. Sin embargo, muchas especies de peces teleósteos respiran agua de forma obligada y no muestran ninguno de estos comportamientos respiratorios superficiales.
Normalmente, la hipoxia aguda provoca hiperventilación , bradicardia y elevación de la resistencia vascular branquial en los teleósteos. [16] Sin embargo, el beneficio de estos cambios en la presión arterial para el consumo de oxígeno no ha sido respaldado en un estudio reciente de la trucha arco iris . [17] Es posible que la respuesta a la hipoxia aguda sea simplemente una respuesta al estrés, y las ventajas encontradas en los primeros estudios pueden resultar solo después de la aclimatación al medio ambiente.
La hipoxia puede modificar el comportamiento normal. [18] 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 cercano a 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, [19] [20] gobios, [21] [22] y peces payaso, [23] entre otros. Los gobios también pueden aumentar el tamaño de las aberturas del nido que construyen, aunque esto puede aumentar el riesgo de depredación de los huevos. [24] [25] 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. [26]
Las adaptaciones de comportamiento destinadas a sobrevivir cuando el oxígeno es escaso incluyen niveles reducidos de actividad, respiración en la superficie acuática y respiración de aire.
A medida que disminuyen los niveles de oxígeno, los peces pueden al principio aumentar sus 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 exactamente este patrón. [27] Otros ejemplos de peces que reducen sus niveles de actividad bajo hipoxia incluyen el lenguado común , [28] el guppy , [29] el tiburón gato , [30] y el eelpout vivíparo . [31] Es comprensible que algunos tiburones que ventilan sus branquias aumenten su velocidad de nado en condiciones de hipoxia, para llevar más agua a las branquias. [32]
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 se ventilan en la capa superior del agua, donde contiene un nivel relativamente más alto de oxígeno disuelto, un comportamiento llamado respiración superficial acuática (ASR). [33] 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 sólo 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 donde a menudo se produce la ASR son las pozas de marea, especialmente de noche. [34] 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 especies de pozas de marea que realizan ASR incluyen el escultor de poza de marea , [35] [36] el espinoso de tres espinas , [37] y el mummichog . [38] [39]
Pero la ASR no se limita al entorno intermareal. La mayoría de las especies de peces tropicales y templados que viven en aguas estancadas sufren ASR durante la hipoxia. [40] Un estudio analizó 26 especies que representan ocho familias de peces que no respiran aire de las grandes llanuras de América del Norte y encontró que todas menos cuatro realizaron ASR durante la hipoxia. [41] Otro estudio analizó 24 especies de peces tropicales comunes en el comercio de mascotas, desde tetras hasta púas y cíclidos, y descubrió que todos realizaban ASR. [42] Una situación inusual en la que se realiza ASR es durante el invierno, en lagos cubiertos de hielo, en la interfaz entre agua y hielo o cerca de burbujas de aire atrapadas debajo del hielo. [43] [44] [45]
Algunas especies pueden mostrar adaptaciones morfológicas, como una cabeza plana y una boca respingona, que les permiten realizar ASR sin romper la superficie del agua (lo que las haría más visibles para los depredadores aéreos). [46] Un ejemplo es el mummichog , cuya boca hacia arriba sugiere una alimentación superficial, pero cuyos hábitos alimentarios no se limitan particularmente a la superficie. En el tambaqui , una especie sudamericana, la exposición a la hipoxia induce en cuestión de horas el desarrollo de vasos sanguíneos adicionales dentro del labio inferior, mejorando su capacidad para absorber oxígeno durante la ASR. [47] Nadar boca abajo también puede ayudar a los peces a realizar ASR, como en algunos bagres al revés . [48]
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. [49] Otra forma de reducir los costos de flotabilidad es realizar ASR en rocas o plantas que brindan soporte cerca de la superficie del agua.
La ASR afecta significativamente la supervivencia de los peces durante la hipoxia severa. [50] En el molly de aleta corta , por ejemplo, la supervivencia fue aproximadamente cuatro veces mayor en los 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. [51]
La ASR se puede realizar con más frecuencia cuando la necesidad de oxígeno es mayor. En el molly de aleta vela , las hembras gestantes (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. [52]
La respiración aérea consiste en "tragar" aire en la superficie del agua para extraer directamente oxígeno de la atmósfera. La respiración aérea evolucionó en peces que estuvieron expuestos a hipoxia más frecuente; Además, las especies que practican la respiración aérea tienden a ser más tolerantes a la hipoxia que aquellas que no respiran aire durante la hipoxia. [53]
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 aire de la superficie del agua. Sin embargo, los peces no facultativos deben respirar en la superficie incluso con 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 oxígeno del aire mientras mantienen las funciones de las branquias. Los ABO son tractos gastrointestinales , vejigas de gas y órganos laberínticos modificados ; [54] están altamente vascularizados y proporcionan un método adicional para extraer oxígeno del aire. [55] Los peces también utilizan ABO para almacenar el oxígeno retenido.
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 parte de depredadores aéreos u otros piscívoros que habitan cerca de la superficie del agua. [55] Para hacer frente al mayor riesgo de depredación al salir a la superficie, algunos peces realizan ASR o respiración aérea en bancos [54] [56] 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 hacerlo en áreas donde pueden ser detectados con menor facilidad (es decir, áreas turbias y sombreadas). [57]
La remodelación de las branquias ocurre sólo en unas pocas especies de peces e implica la acumulación o eliminación de una masa de células interlaminares (ILCM). Como respuesta a la hipoxia, algunos peces pueden remodelar sus branquias para aumentar la superficie respiratoria , y algunas especies, como los peces de colores, duplican su superficie laminar en tan solo 8 horas. [58] El aumento de la superficie respiratoria se produce como compensación con mayores costos metabólicos porque las branquias son un sitio muy importante para muchos procesos importantes, incluido el intercambio de gases respiratorios , la regulación ácido-base , la excreción de nitrógeno , la osmorregulación , la regulación hormonal , el metabolismo , y detección ambiental. [59]
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. [60] En agua fría (15 °C), la carpa cruciana tiene más ILCM, pero cuando la temperatura aumenta a 25 °C, la ILCM se elimina, tal como sería en condiciones hipóxicas. Esta misma transición en la morfología de las branquias ocurre en el pez dorado cuando la temperatura se eleva de 7,5 °C a 15 °C. [61] Esta diferencia puede deberse a los regímenes de temperatura en los que normalmente se encuentran 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 tarda de 3 a 7 días. [60] Es probable que el ILCM se elimine por apoptosis , pero es posible que cuando el pez se enfrenta al doble estrés de la hipoxia a alta temperatura, las laminillas se pierdan por degradación física. Cubrir las laminillas branquiales puede proteger a especies como la carpa cruciana de parásitos y toxinas ambientales durante la normoxia al limitar su área de superficie para la difusión hacia adentro y al mismo tiempo mantener el transporte de oxígeno debido a una afinidad extremadamente alta de unión al oxígeno de la hemoglobina . [60]
La carpa desnuda , una especie estrechamente relacionada nativa del lago Qinghai, de gran altitud , también es capaz de remodelar sus branquias en respuesta a condiciones hipóxicas. En respuesta a niveles de oxígeno un 95% más bajos que en condiciones normóxicas, la apoptosis de ILCM aumenta la superficie laminar hasta en un 60% después de solo 24 horas. [62] Sin embargo, esto tiene un costo osmorregulador significativo, ya que reduce los niveles de sodio y cloruro en el citoplasma en más del 10%. [62] 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. [63]
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. [64] A excepción del pez de hielo antártico que no lo hace, la mayoría de los peces utilizan la hemoglobina (Hb) dentro de sus glóbulos rojos para unirse químicamente y entregar el 95% del oxígeno extraído del medio ambiente a los tejidos de trabajo. 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.
En general, el hematocrito es la cantidad de glóbulos rojos (RBC) en circulación y es muy variable entre las especies de peces. Los peces activos, como el marlín azul , tienden a tener hematocritos más altos, [65] mientras que los peces menos activos, como la platija estrellada, exhiben hematocritos más bajos. [66] El hematocrito puede aumentar en respuesta a la exposición a la hipoxia a corto plazo (aguda) o a largo plazo (crónica) y da como resultado un aumento en la cantidad total de oxígeno que la sangre puede transportar, también conocida como capacidad de transporte de oxígeno de la sangre. la sangre. [67] Los cambios agudos en el hematocrito son el resultado de que las hormonas del estrés circulantes (ver - catecolaminas ) activan receptores en el bazo que provocan la liberación de glóbulos rojos en la circulación. [68] Durante la exposición crónica a la hipoxia, el mecanismo utilizado para aumentar el hematocrito es independiente del bazo y resulta 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 el control genético del factor inducible por hipoxia (HIF) . [69] Si bien el aumento del hematocrito significa que la sangre puede transportar una mayor cantidad total de oxígeno, una posible ventaja durante la hipoxia, el aumento del número de glóbulos rojos en la sangre también puede generar ciertas desventajas. En primer lugar, un hematocrito más alto da como resultado una sangre más viscosa (especialmente en agua fría), lo que aumenta la cantidad de energía que el sistema cardíaco requiere para bombear la sangre a través del sistema y, en segundo lugar, depende 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. [sesenta y cinco]
Un mecanismo alternativo para preservar el suministro de O 2 ante niveles bajos 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 excepción de los agnatanos , son tetrámeros que exhiben cooperatividad en la 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 al 50% del oxígeno) y puede ser extremadamente variable. [70] Si la hemoglobina tiene una afinidad débil por el oxígeno, se dice que tiene un P50 alto y, por lo tanto, limita el entorno en el que un pez puede habitar a aquellos con PO 2 ambiental relativamente alto . Por el contrario, las hemoglobinas de 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 hipóxicos o de PO2 variable . 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 a una agresión hipóxica. [65] 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 la Hb-O 2 en situaciones de agresión hipóxica son:
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 del Na B-andrenérgico.+
/H+
Proteína de intercambio (BNHE) en la membrana de los glóbulos rojos a través de catelcolaminas circulantes. [71] Este proceso hace que el pH interno de los glóbulos rojos aumente a través del movimiento hacia afuera de H+
y movimiento hacia adentro de Na+
. [72] La consecuencia neta de alcalinizar los glóbulos rojos es un aumento en la afinidad de la Hb-O 2 a través del efecto Bohr . La entrada neta de Na+
iones y la activación compensatoria de Na+
/K+
-La 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 . [73] Como resultado adicional de la entrada de Na+
Con el movimiento, la osmolaridad de los glóbulos rojos aumenta provocando un influjo osmótico de agua e inflamación celular. La dilución del contenido celular provoca una mayor separación espacial de la hemoglobina de los fosfatos inorgánicos y sirve nuevamente para aumentar la afinidad de la Hb-O 2 . [65] Las especies
de peces de triple aleta intermareales tolerantes a la hipoxia (Familia Tripterygiidae ) parecen aprovechar la acidosis intracelular y parecen "evitar" la fosforilación oxidativa tradicional e impulsan directamente la síntesis de ATP mitocondrial utilizando el grupo citosólico de protones que probablemente se acumula en la hipoxia (a través de acidosis láctica e hidrólisis de ATP). [74]
Casi todos los animales tienen más de un tipo de Hb presente en los glóbulos rojos. Las múltiples isoformas de Hb (ver isoformas ) son particularmente comunes en los ectotermos , pero especialmente en los peces que deben hacer frente tanto a las fluctuaciones de temperatura como a la disponibilidad de oxígeno. Las Hbs aisladas 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 significativos sobre el pH y, por lo tanto, se cree que confieren tolerancia a la hipoxia. [75] Se contrastaron varias especies de cíclidos africanos criados desde una etapa temprana de desarrollo en condiciones hipóxicas o normóxicas en un intento de comparar las isoformas de Hb. Demostraron que había isoformas de Hb específicas de los individuos criados con hipoxia. [76]
Para hacer frente a la disminución de la producción de ATP a través de la cadena de transporte de electrones, los peces deben activar 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 garantizar la supervivencia hipóxica debido a la eficiencia limitada de la producción anaeróbica de ATP.
La respiración aeróbica, en la que se utiliza oxígeno como aceptor terminal de electrones, es crucial para todos los peces que respiran en el 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 metabolismo anaeróbico. La glucólisis y la fosforilación a nivel de sustrato se utilizan como vías alternativas para la producción de ATP. [77] Sin embargo, estas vías son mucho menos eficientes que el metabolismo aeróbico. Por ejemplo, cuando se utiliza el mismo sustrato, la producción 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 para los peces es alterar sus demandas metabólicas.
La supresión metabólica es la reducción regulada y reversible de la tasa metabólica por debajo de la tasa metabólica basal (llamada tasa metabólica estándar en animales ectotérmicos). [1] Esto reduce la tasa de uso de ATP por parte del pez , lo que prolonga su tiempo de supervivencia en niveles de P O 2 sub-P críticos severamente hipóxicos al reducir la tasa a la que se utilizan las reservas finitas de combustible anaeróbico ( glucógeno ) del pez. La supresión metabólica también reduce la tasa de acumulación de productos finales anaeróbicos nocivos ( 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. [78] [79] [80] Fisiológicamente, la tasa metabólica se puede reducir mediante la reducción del crecimiento, la digestión, el desarrollo de las gónadas y los esfuerzos de ventilación. [81] [82] 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. [83] [84] [85] Las reducciones en estos procesos reducen las tasas de uso de ATP, pero aún no está claro si la supresión metabólica se induce a través de una reducción inicial en el uso o 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 la hipoxia, incluidas las tasas metabólicas suprimidas, sólo pueden medirse con precisión mediante calorimetría directa , y esta técnica rara vez se utiliza para los peces. [86] [87] Los pocos estudios que han utilizado calorimetría revelan que algunas especies de peces emplean la supresión metabólica en hipoxia/anoxia (p. ej., pez dorado, tilapia, anguila europea) mientras que otras no (p. ej., trucha arco iris, pez cebra). [88] [89] [90] [91] [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 mejora la tolerancia a la hipoxia. De acuerdo con esto, las diferencias en la tolerancia a la hipoxia entre poblaciones aisladas de espinosos de tres espinas parecen ser el resultado de diferencias en el uso de la supresión metabólica, siendo los espinosos más tolerantes los que utilizan la supresión metabólica. [92]
Los peces que son capaces de sufrir una supresión metabólica inducida por la hipoxia reducen sus tasas metabólicas entre un 30% y un 80% en relación con las tasas metabólicas estándar. [93] [94] [95] [90] Debido a que esto no es un cese completo de la tasa metabólica, la supresión metabólica solo puede prolongar la supervivencia hipóxica, no sostenerla indefinidamente. Si la exposición hipóxica dura lo suficiente, los peces sucumbirán al agotamiento de sus reservas de glucógeno y/o a la acumulación excesiva de productos finales anaeróbicos nocivos. Además, el alcance energético muy limitado que conlleva un estado metabólicamente suprimido significa que el pez no puede completar tareas críticas como evitar a los depredadores y reproducirse. Quizás por estas razones, los peces de colores priorizan el uso del metabolismo aeróbico en la mayoría de los ambientes hipóxicos, reservando la supresión metabólica para el caso extremo de anoxia. [90]
Además de una reducción en la tasa de síntesis de proteínas, parece que algunas especies de peces tolerantes a la hipoxia conservan energía empleando la hipótesis de detención del canal iónico de Hochachka. Esta hipótesis hace dos predicciones:
La primera predicción es cierta. Cuando se comparó la permeabilidad de las membranas a los iones Na+ y K+ entre reptiles y mamíferos, se descubrió que las membranas de los reptiles tenían cinco veces menos fugas. [98] La segunda predicción ha sido más difícil de probar experimentalmente; sin embargo, medidas indirectas han mostrado una disminución en la actividad Na+/K+-ATPasa en hepatocitos de anguila y trucha durante condiciones hipóxicas. [99] [100] Los resultados parecen ser específicos de cada tejido, ya que la carpa cruciana expuesta a hipoxia no sufre una reducción en la actividad de Na+/K+ ATPasa en su cerebro. [101] Aunque la evidencia es limitada, la detención de los canales iónicos permite a los organismos mantener los gradientes de concentración de los canales iónicos y los potenciales de membrana sin consumir grandes cantidades de ATP.
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 posteriormente utilizarse 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 killis 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 sólo 100 μmol de unidades de glocosilo/g. [102] Cuanto más glucógeno almacenado en un tejido indica la capacidad de ese tejido para sufrir glucólisis y producir ATP.
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 que 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 han adaptado rasgos para evitar la acumulación de lactato . Por ejemplo, la carpa cruciana, un pez muy tolerante a la hipoxia, ha evolucionado para sobrevivir meses en aguas anóxicas. Una adaptación clave es la capacidad de convertir el lactato en etanol en el músculo y excretarlo por las branquias. [103] Aunque este proceso es energéticamente costoso, es crucial para su supervivencia en aguas hipóxicas.
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 implicados en el metabolismo del hemo , como la hemopexina , la hemooxigenasa 1 y la ferritina . [104] Los cambios en el secuestro y el metabolismo del hierro pueden sugerir una eritropoyesis inducida por hipoxia y una mayor demanda de síntesis de hemoglobina, lo que lleva a una mayor captación y transporte de oxígeno. También se ha observado un aumento de la expresión de mioglobina , que normalmente sólo se encuentra en el tejido muscular, después de la exposición a la hipoxia en las branquias del pez cebra [105] y en el tejido no muscular de la carpa común [106], lo que sugiere un mayor transporte de oxígeno a través de los tejidos del pez.
Los estudios de microarrays realizados en especies de peces expuestas a hipoxia suelen mostrar un cambio metabólico, es decir, una disminución en la expresión de genes implicados en el metabolismo aeróbico y un aumento en la expresión de genes implicados en el metabolismo anaeróbico. Los embriones de pez cebra expuestos a hipoxia disminuyeron la expresión de genes implicados en el ciclo del ácido cítrico , incluidos la succinato deshidrogenasa , la malato deshidrogenasa y la citrato sintasa , y aumentaron la expresión de genes implicados en la glucólisis, como la fosfoglicerato mutasa , la enolasa , la aldolasa y la lactato deshidrogenasa . [107] Una disminución en la síntesis de proteínas es una respuesta importante a la hipoxia para disminuir la demanda de ATP para la supresión metabólica de todo el organismo. Se ha demostrado una disminución en la expresión de genes implicados en la síntesis de proteínas, como el factor de elongación 2 y varias proteínas ribosómicas , en el músculo del chupafangos [104] y en las branquias del pez cebra adulto [105] 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 genética en respuesta a la hipoxia [108] . Sin embargo, aún no se ha encontrado un vínculo directo entre los HIF de los peces y los cambios en la expresión genética en respuesta a la hipoxia. El análisis filogenético de las secuencias HIF-α y -β de peces, tetrápodos y aves disponibles muestra que las isoformas de ambas subunidades presentes en los mamíferos también están representadas en los peces. Dentro de los peces, las secuencias HIF se agrupan muy juntas y son distintas de las secuencias de tetrápodos y aves. [1] Además, el análisis de aminoácidos de las secuencias HIF-α y -β de peces disponibles revela que contienen todos los dominios funcionales que se ha demostrado que son importantes para la función HIF de los mamíferos, [1] incluido el dominio básico hélice-bucle-hélice (bHLH). , 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. [108] La similitud evolutiva entre las secuencias de HIF en peces, tetrápodos y aves, así como la conservación de dominios funcionales importantes, sugiere que la función y regulación de HIF es similar entre especies de peces y mamíferos. También hay evidencia de nuevos mecanismos HIF presentes en peces que no se encuentran en los mamíferos. En los mamíferos, la proteína HIF-α se sintetiza y regula continuamente postraduccionalmente mediante condiciones cambiantes de oxígeno, [109] 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. [110] 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 a corto y largo plazo. [111]