Los peces están expuestos a grandes fluctuaciones de oxígeno en su entorno acuático, ya que las propiedades inherentes del agua pueden dar lugar a marcadas diferencias espaciales y temporales en la concentración de oxígeno (véase 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 entorno con escasez de 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 que consumen 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 entorno empobrecido 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 O2 (P crit ) , que es la tensión de O2 en el agua más baja ( P O 2 ) a la que un pez puede mantener una tasa de consumo de O2 estable ( M O 2 ). [2] Por lo tanto, se cree que un pez con una P crit más baja es más tolerante a la hipoxia que un pez con una P crit más alta . Pero si bien la P crit se usa a menudo para representar la tolerancia a la hipoxia, representa con mayor precisión la capacidad de absorber O2 ambiental en P O 2 hipóxicos y no incorpora las contribuciones significativas de la glucólisis anaeróbica y la supresión metabólica a la tolerancia a la hipoxia (ver a continuación). Sin embargo, la P crit está estrechamente vinculada a 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 determinada P O 2 hipóxica antes de perder el equilibrio dorsoventral (llamado tiempo hasta el LOE), o la P O 2 en la que pierde el equilibrio cuando la P O 2 disminuye de la normoxia a la anoxia a una tasa determinada (llamada P O 2 -de LOE). Por lo tanto, un valor de tiempo hasta el LOE más alto o un valor de P O 2 -de LOE más bajo implican tolerancias a la hipoxia mejoradas. En cualquier caso, el LOE es una representación más holística de la tolerancia a la hipoxia general 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 de detección de oxígeno; sin embargo, todas estas estructuras están situadas para detectar hipoxia aórtica o interna ya que los mamíferos rara vez se encuentran con hipoxia ambiental. Estas estructuras incluyen las células de tipo I del cuerpo carotídeo , [6] los cuerpos neuroepiteliales de los pulmones [7] así como algunas neuronas centrales y periféricas y células musculares lisas vasculares . En los peces, las células neuroepiteliales (ECN) han sido implicadas como las principales células de detección de oxígeno. [8] Las ECN se han encontrado en todos los peces teleósteos estudiados hasta la fecha, y es probable que sean una estructura altamente 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 branquiespinas y en todas las láminas. Se han identificado dos vías neuronales 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 están distribuidas a lo largo de las branquias, suelen estar situadas idealmente para detectar tanto el oxígeno arterial como el ambiental. [10]
Se cree que las células neuroepiteliales (CNE) son células quimiorreceptoras similares a las 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 las CNE de las branquias del pez cebra entran en contacto con la hipoxia ambiental o aórtica , se inhibe un canal de "fuga" de K + hacia el exterior. Sigue sin estar claro cómo estos canales de K + se inhiben por la escasez de oxígeno porque todavía no se conocen sitios de unión directa para la "falta de oxígeno", solo respuestas de toda la célula y del canal iónico a la hipoxia. Los canales de "fuga" de K + son canales iónicos de dos dominios de poro 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 de equilibrio 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 de las CNE aumenta; la célula se despolariza. Esta despolarización hace que los canales de Ca 2+ dependientes del voltaje se abran y que el Ca 2+ extracelular fluya a favor de su gradiente de concentración hacia la célula, lo que hace que la concentración intracelular de Ca 2+ 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 en la vesícula al complejo s-snare en la membrana celular de la célula NEC, lo que inicia la liberación de neurotransmisores en la hendidura sináptica .
Si la célula postsináptica es una neurona sensorial, entonces una mayor tasa 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 se reclutarán láminas no utilizadas previamente mediante el reclutamiento de más lechos capilares , y aumentará la superficie total para el intercambio de gases por lámina. [12]
En los peces, la señal hipóxica se transmite al cerebro para su procesamiento por los nervios glosofaríngeo (par craneal IX) y vago (par craneal X). El primer arco branquial está inervado por el nervio glosofaríngeo (par 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.
A través de estudios realizados con organismos modelo 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 de 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 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 la oxidasa de H 2 O 2 y NADPH [14] . Existe evidencia para 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 existe evidencia que contradiga la existencia de sitios múltiples para la detección de oxígeno en los organismos.
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 conductuales. Los peces que utilizan órganos de respiración aérea (ABO) tienden a vivir en entornos con un contenido de oxígeno muy variable y dependen de la respiración aérea durante los momentos en que no hay suficiente oxígeno para sustentar la respiración acuática. [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 superficial acuática como suministro de agua más oxigenada en la superficie del agua. Sin embargo, muchas especies de peces teleósteos son respiradores acuáticos obligados y no muestran ninguno de estos comportamientos respiratorios superficiales.
Por lo general, la hipoxia aguda causa hiperventilación , bradicardia y un aumento de la resistencia vascular branquial en los teleósteos. [16] 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 arcoíris . [17] Es posible que la respuesta a la hipoxia aguda sea simplemente una respuesta al estrés, y las ventajas encontradas en los primeros estudios solo puedan resultar después de la aclimatación al medio ambiente.
La hipoxia puede modificar el comportamiento normal. [18] El comportamiento parental destinado a proporcionar oxígeno a los huevos a menudo se ve afectado por la hipoxia. Por ejemplo, el comportamiento de abanicarse (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 el oxígeno está menos disponible. Esto se ha documentado en espinosos, [19] [20] gobios, [21] [22] y peces payaso, [23] 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. [24] [25] Los cíclidos arco iris a menudo mueven a sus alevines más cerca de la superficie del agua, donde el oxígeno está más disponible, durante los episodios hipóxicos. [26]
Las adaptaciones conductuales necesarias para sobrevivir cuando el oxígeno escasea incluyen niveles reducidos de actividad, respiración superficial acuática y respiración aérea.
A medida que los niveles de oxígeno disminuyen, los peces pueden aumentar al principio sus movimientos en un intento de escapar de la zona hipóxica, pero finalmente 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. [27] Otros ejemplos de peces que reducen sus niveles de actividad en condiciones de hipoxia incluyen el lenguado común , [28] el guppy , [29] el tiburón gato moteado pequeño , [30] y la anguila vivípara . [31] Algunos tiburones que ram-ventilan sus branquias pueden comprensiblemente aumentar sus velocidades 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 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 del agua en contacto con el aire contiene más oxígeno. Esto es cierto solo en agua estancada; en agua corriente, todas las capas están mezcladas y los niveles de oxígeno son los mismos en toda la columna de agua. Un entorno donde la ASR a menudo tiene lugar son las pozas de marea, particularmente por la noche. [34] La separación del mar durante la marea baja significa que el agua no se renueva, la aglomeración de peces dentro de la poza significa que el oxígeno se agota rápidamente y la ausencia de luz por la noche significa que no hay fotosíntesis para reponer el oxígeno. Los ejemplos de especies de pozas de marea que realizan ASR incluyen el escorpión de pozas 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 realizan ASR durante la hipoxia. [40] Un estudio examinó 26 especies que representan ocho familias de peces que no respiran aire de las grandes llanuras de América del Norte, y descubrió que todas ellas, excepto cuatro, realizaban ASR durante la hipoxia. [41] Otro estudio examinó 24 especies de peces tropicales comunes en el comercio de mascotas, desde tetras hasta barbos y cíclidos, y descubrió que todas ellas 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 el agua y el 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 hacia arriba, que les permiten realizar ASR sin romper la superficie del agua (lo que los haría más visibles para los depredadores aéreos). [46] Un ejemplo es el mummichog , cuya boca hacia arriba sugiere alimentación en la superficie, pero cuyos hábitos alimentarios no están particularmente restringidos 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 ASR. [47] Nadar boca abajo también puede ayudar a los peces a realizar ASR, como en algunos bagres boca abajo . [48]
Algunas especies pueden mantener una burbuja de aire dentro de la boca durante la ASR. Esto puede ayudar a la flotabilidad, así como a 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 la ASR en rocas o plantas que brinden soporte cerca de la superficie del agua.
La ASR afecta significativamente la supervivencia de los peces durante una hipoxia severa. [50] En el caso del 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 una hipoxia extrema. [51]
La ASR se puede realizar con mayor frecuencia cuando la necesidad de oxígeno es mayor. En el molly de aleta de vela , las hembras gestantes (esta especie es vivípara) pasan aproximadamente el 50% de su tiempo en ASR, en comparación con solo el 15% en hembras no gestantes con los mismos niveles bajos de oxígeno. [52]
La respiración aérea es la "inhalación" de aire en la superficie del agua para extraer directamente oxígeno de la atmósfera. La respiración aérea se desarrolló en peces que estuvieron expuestos a una 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. [53]
Existen dos tipos principales de peces que respiran aire: los facultativos y los no facultativos. En condiciones de normoxia, 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 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 oxígeno del aire de manera eficaz mientras mantienen las funciones de las branquias. Los ABO son tractos gastrointestinales modificados , vejigas de gas y órganos laberínticos ; [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 respiración aérea como la respiración aeróbica requieren que los peces se desplacen hasta 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 respiración aérea o respiración aeróbica en cardúmenes [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 se los puede detectar con menos facilidad (es decir, áreas turbias y sombreadas). [57]
La remodelación de las branquias ocurre en solo unas pocas especies de peces, e implica la acumulación o eliminación de una masa celular interlamelar (ILCM). Como respuesta a la hipoxia, algunos peces pueden remodelar sus branquias para aumentar la superficie respiratoria , y algunas especies, como los peces dorados, duplican sus superficies lamelares en tan solo 8 horas. [58] El aumento de la superficie respiratoria se produce como contrapartida 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 la detección ambiental. [59]
La carpa cruciana es una especie capaz de remodelar sus filamentos branquiales en respuesta a la hipoxia. Sus células interlamelares 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 se incrementa a 25 °C, el ILCM se elimina, tal como sucedería en condiciones hipóxicas. Esta misma transición en la morfología branquial ocurre en el pez dorado cuando la temperatura se elevó de 7,5 °C a 15 °C. [61] 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 prevenir una pérdida de 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 lleva de 3 a 7 días. [60] Es probable que la ILCM se elimine por apoptosis , pero es posible que cuando el pez se enfrenta al doble estrés de la hipoxia a alta temperatura, las láminas se pierdan por degradación física. Cubrir las láminas 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 el interior mientras se mantiene el transporte de oxígeno debido a una afinidad de unión al oxígeno de la hemoglobina extremadamente alta . [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% inferiores a las condiciones normóxicas, la apoptosis de ILCM aumenta el área de superficie laminar hasta en un 60% después de solo 24 horas. [62] Sin embargo, esto tiene un costo osmorregulatorio significativo, reduciendo los niveles de sodio y cloruro en el citoplasma en más del 10%. [62] La respuesta morfológica a la hipoxia por parte de la carpa sin escamas es la remodelación de la superficie respiratoria más rápida informada en vertebrados hasta ahora. [63]
Los peces presentan 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 activos. 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 el lenguado estrellado, 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 la capacidad de transporte de oxígeno de la sangre. [67] 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 en la circulación. [68] Durante la exposición a la hipoxia crónica, el mecanismo utilizado para aumentar el hematocrito es independiente del bazo y resulta de la estimulación hormonal del riñón por la eritropoyetina (EPO) . El aumento del hematocrito en respuesta a la eritropoyetina se observa 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, aumentar el número de glóbulos rojos en la sangre también puede conducir a 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 requiere el sistema cardíaco 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 tasa de difusión del oxígeno, un hematocrito aumentado puede dar como resultado una transferencia menos eficiente de oxígeno del medio ambiente a la sangre. [65]
Un mecanismo alternativo para preservar el aporte de O2 en condiciones de bajo nivel de oxígeno ambiental es aumentar la afinidad de la sangre. El contenido de oxígeno de la sangre está relacionado con la PaO2 y se ilustra mediante una curva de equilibrio de oxígeno (OEC). Las hemoglobinas de los peces, con excepción de los agnatos , son tetrámeros que muestran cooperatividad en la unión del O2 y tienen OEC sigmoideas.
La afinidad de unión de la hemoglobina al oxígeno se estima utilizando una medida llamada P50 (la presión parcial de oxígeno a la que la hemoglobina está unida al oxígeno en un 50 %) 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, restringe el entorno en el que un pez puede habitar a aquellos con un PO2 ambiental relativamente alto . 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 entornos hipóxicos o con PO2 variable . El uso de hemoglobinas de alta afinidad (P50 bajo) da como resultado una reducción de los requisitos ventilatorios y, por lo tanto, energéticos cuando se enfrenta a un insulto hipóxico. [65] La afinidad de unión al oxígeno de la hemoglobina (Hb-O2 ) se regula a través de un conjunto de moduladores alostéricos ; los principales moduladores utilizados para controlar la afinidad de la Hb-O2 bajo insulto hipóxico son:
En la trucha arcoíris , así como en una variedad de otros teleósteos, el aumento del pH de los glóbulos rojos se debe a la activación del complejo B-andrenérgico Na+
/A+
proteína de intercambio iónico (BNHE) en la membrana de los glóbulos rojos a través de catecolaminas circulantes. [71] Este proceso hace que el pH interno de los glóbulos rojos aumente a través del movimiento hacia afuera de H+
y el movimiento hacia el interior de Na+
. [72] La consecuencia neta de alcalinizar los glóbulos rojos es un aumento de la afinidad por la Hb-O 2 a través del efecto Bohr . La afluencia 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+
movimiento, la osmolaridad de los glóbulos rojos aumenta provocando un influjo osmótico de agua y la hinchazón celular. La dilución del contenido celular provoca una mayor separación espacial de la hemoglobina de los fosfatos inorgánicos y nuevamente sirve para aumentar la afinidad de la Hb-O 2 . [65] Las especies de
peces de triple aleta tolerantes a la hipoxia intermareal (familia Tripterygiidae ) parecen aprovechar la acidosis intracelular y parecen "evitar" la fosforilación oxidativa tradicional e impulsar directamente la síntesis de ATP mitocondrial utilizando el grupo citosólico de protones que probablemente se acumula en la hipoxia (a través de la acidosis láctica y la hidrólisis de ATP). [74]
Casi todos los animales tienen más de un tipo de Hb presente en los glóbulos rojos. Las isoformas múltiples de Hb (ver isoformas ) son particularmente comunes en los ectotérmicos , pero especialmente en los peces que deben hacer frente tanto a las fluctuaciones de temperatura como a la disponibilidad de oxígeno. Las Hb aisladas de la anguila europea se pueden separar en isoformas anódicas y catódicas . Las isoformas anódicas tienen bajas afinidades de oxígeno (P50 alto) y marcados efectos de Bohr, mientras que las catódicas carecen de efectos de pH significativos 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 en 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 los medios anaeróbicos de producción de energía (véase metabolismo anaeróbico ) al tiempo que suprimen las demandas metabólicas. La capacidad de disminuir la demanda energética 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 el oxígeno se utiliza 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 lo tanto, se produce un cambio del metabolismo aeróbico al metabolismo anaeróbico al inicio de la hipoxia. 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, 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 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 del pez , lo que prolonga su tiempo de supervivencia en P O 2 s sub-P crit severamente hipóxicos al reducir la tasa a la que se utilizan las reservas finitas de combustible anaeróbico del pez ( glucógeno ). La supresión metabólica también reduce la tasa de acumulación de productos finales anaeróbicos nocivos ( lactato y protones), lo que retrasa su impacto negativo en el pez.
Los mecanismos que utilizan los peces para suprimir la tasa metabólica se producen a nivel conductual, fisiológico y bioquímico. En el plano conductual, la tasa metabólica puede reducirse mediante una reducción de la locomoción, la alimentación, el cortejo y el apareamiento. [78] [79] [80] En el plano fisiológico, la tasa metabólica puede reducirse mediante una reducción del crecimiento, la digestión, el desarrollo de las gónadas y los esfuerzos de ventilación. [81] [82] Y en el plano bioquímico, la tasa metabólica puede reducirse aún más por debajo de la tasa metabólica estándar mediante una reducción de la gluconeogénesis, la síntesis y las tasas de degradación de proteínas 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 no está claro si la supresión metabólica se induce mediante una reducción inicial del uso de ATP o del 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, solo se pueden medir con precisión utilizando 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 supresión metabólica en hipoxia/anoxia (p. ej., pez dorado, tilapia, anguila europea) mientras que otras no lo hacen (p. ej., trucha arcoíris, pez cebra). [88] [89] [90] [91] [1] Las especies que emplean 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. En consonancia con esto, las diferencias en la tolerancia a la hipoxia entre las poblaciones aisladas de espinosos de tres espinas parecen resultar de las diferencias en el uso de la supresión metabólica, y los espinosos más tolerantes utilizan la supresión metabólica. [92]
Los peces que son capaces de suprimir su metabolismo inducido por la hipoxia reducen su tasa metabólica entre un 30% y un 80% en relación con la tasa metabólica estándar. [93] [94] [95] [90] Como no se trata de 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, el pez sucumbirá a un agotamiento de sus reservas de glucógeno y/o a la acumulación excesiva de productos finales anaeróbicos nocivos. Además, el alcance energético severamente limitado que viene con un estado metabólico suprimido significa que el pez es incapaz de completar tareas críticas como evitar a los depredadores y reproducirse. Quizás por estas razones, los peces dorados priorizan el uso del metabolismo aeróbico en la mayoría de los entornos 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 Hochachka sobre el arresto de los canales iónicos. Esta hipótesis hace dos predicciones:
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. [98] 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. [99] [100] Los resultados parecen ser específicos del tejido, ya que la carpa cruciana expuesta a la hipoxia no experimenta una reducción en la actividad de Na+/K+ ATPasa en su cerebro. [101] Aunque la evidencia es limitada, el arresto del canal iónico permite a los organismos mantener gradientes de concentración del canal iónico y 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 el sustrato se agota, cesa la producción de ATP. El glucógeno endógeno está presente en el tejido como una molécula de almacenamiento de energía a largo plazo. Puede convertirse en glucosa y posteriormente usarse 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 óscar , contienen el mayor contenido de glucógeno (300-2000 μmol de unidades de glocosilo/g) en sus tejidos en comparación con los peces sensibles a la hipoxia, como la trucha arcoíris, que contienen solo 100 μmol de unidades de glocosilo/g. [102] Cuanto más glucógeno se almacene 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 una 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 en el metabolismo, algunos peces han adaptado rasgos para evitar la acumulación de lactato . Por ejemplo, la carpa cruciana, un pez altamente tolerante a la hipoxia, ha evolucionado para sobrevivir meses en aguas anóxicas. Una adaptación clave es la capacidad de convertir lactato en etanol en el músculo y excretarlo por sus branquias. [103] Aunque este proceso es energéticamente costoso, es crucial para su supervivencia en aguas hipóxicas.
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 modificando la expresión de genes implicados en el transporte de oxígeno, la producción de ATP y la síntesis de proteínas . En el hígado de los chupadores de lodo expuestos a la 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 metabolismo del hierro pueden sugerir eritropoyesis inducida por hipoxia y mayor demanda de síntesis de hemoglobina, lo que lleva a un aumento de la captación y 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 [105] y en el tejido no muscular de la carpa común [106], lo que sugiere un mayor transporte de oxígeno en todos los tejidos de los peces.
Los estudios de microarrays realizados en especies de peces expuestas a hipoxia muestran típicamente 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 aumentaron la expresión de genes involucrados en la glucólisis, tales como fosfoglicerato mutasa , enolasa , aldolasa y 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 han demostrado disminuciones en la expresión de genes involucrados en la síntesis de proteínas, tales como el factor de elongación-2 y varias proteínas ribosómicas , en el músculo del pez lodo [104] y 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 génica 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 génica en respuesta a la hipoxia. El análisis filogenético de las secuencias disponibles de HIF-α y -β de peces, tetrápodos y aves muestra que las isoformas de ambas subunidades presentes en los mamíferos también están representadas en los peces Dentro de los peces, las secuencias de HIF agrupan juntas y son distintas de las secuencias de tetrápodos y aves. [1] Además, el análisis de aminoácidos de las secuencias de HIF-α y -β de peces disponibles revela que contienen todos los dominios funcionales que se ha demostrado que son importantes para la función de HIF en mamíferos, [1] incluyendo el dominio básico de 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 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 mamíferos, la proteína HIF-α se sintetiza y regula continuamente postraduccionalmente al cambiar las condiciones 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 tanto a corto como a largo plazo. [111]