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Ciencia

De regreso a la vida

La producción anticipada de enzimas lleva a una disminución de los peligros propios del final de la hibernación

Biólogos de Brasilia han logrado explicar de qué forma los reptiles y los anfibios resisten a la abrupta transformación por la que pasan al salir de la hibernación, tras muchas semanas de vivir congelados. He allí un momento delicado. Los animales se descongelan en pocas horas, como consecuencia del incremento de la temperatura, que se eleva de algunos grado bajo cero a alrededor de 20ºC. El oxígeno vuelve a circular por el cuerpo y en cantidades elevadas, y con ello genera formas muy reactivas que son los radicales libres, prejudiciales al organismo.

Marcelo Hermes-Lima y su equipo de la Universidad de Brasilia (UnB) descubrieron que los animales se preparan durante la hibernación de manera tal de reducir los perjuicios ocasionados por el exceso momentáneo de radicales libres. Aun estando congelados y funcionando a un ritmo lento, los organismos de algunas especies de sapos, tortugas, serpientes y moluscos producen y almacenan enzimas antioxidantes, en especial la catalasa, el superóxido dismutasa y la glutationa peroxidasa, que deshacen compuestos tales como el peróxido de hidrógeno (H2O2), formados en abundancia como consecuencia del aluvión de oxígeno.

Las investigaciones que explican la tolerancia al frío extremo o a la falta de oxígeno están ayudando a perfeccionar las técnicas de conservación de órganos que deben ser transplantados en pocas horas luego de su ablación de los donadores, para evitar la muerte de los tejidos.Los seres humanos pasan por una situación similar a la de un sapo que se descongela al final de su hibernación cuando la circulación sanguínea del corazón o del cerebro se obstruye momentáneamente. Con la vuelta del oxígeno, existe un alto riesgo de que surjan radicales libres en exceso y los consiguientes daños graves durante un infarto o un derrame.

“El organismo humano hace lo posible para defenderse de los radicales libres, pero no contamos con una respuesta anticipada como otros animales”, dice Hermes-Lima.

La nieve y el desierto
Reptiles, anfibios y moluscos producen enzimas con antelación cuando pasan con regularidad por tres tipos de situaciones extremas, de acuerdo con Hermes-Lima. La primera situación está ligada al frío intenso, que lleva a los animales, en especial a los del Hemisferio Norte, a hibernar como una forma de ahorrar energía. La otra es el calor exagerado, en la llamada estivación o hibernación de verano: ante la falta de agua, los caracoles de las tierras semiáridas del norte de África, entre éstos algunas especies comestibles, se esconden en su caparazón y allí pueden permanecer hasta dos años con el organismo parcialmente reseco, hasta que vuelvan las lluvias.

Por último, algunos vertebrados, como las tortuga de orejas rojas (Trachemys scripta elegans ) o la rana leopardo (Rana pipiens ) enfrentan la escasez o incluso la falta completa de oxígeno, juntamente con el invierno y la hibernación en lagunas congeladas. Reptiles como los yacarés, e incluso mamíferos, como las focas y los leones marinos, pasan por una situación más corriente la falta de oxígeno en los músculos y en órganos como los riñones y el hígado cuando se sumergen y permanecen hasta una hora sin respirar debajo del agua.

Como respuesta a las temperaturas extremas y a la falta de oxígeno, el organismo comienza a funcionar a ritmo lento, un estado conocido como depresión metabólica. A esas horas, la síntesis de proteínas, la quema de azúcares, la frecuencia de los latidos cardíacos y el ritmo de la respiración decaen bastante: en casos extremos, el metabolismo de la ardilla del Ártico (Spermophilus parryii ) permanece en un 5% y el consumo de oxígeno en un 2% del habitual durante el invierno. “Aun cuando casi todo esté parado, las enzimas antioxidantes son una prioridad y continúan siendo producidas”, dice Hermes-Lima. Esta capacidad es el resultado de la evolución: solamente sobrevivieron los animales que lograron almacenar enzimas capaces de detener la inundación de oxígeno.

“Descubrimos una tendencia en la naturaleza”, dice Hermes-Lima. Sus estudios, llevados a cabo conjuntamente con el grupo de Kenneth Storey, experto en depresión metabólica de la Universidad Carleton de Canadá, demostraron que la enzima producida con mayor intensidad antes de que el oxígeno vuelva es la glutationa peroxidasa. Esta conclusión se basa en el análisis de los mecanismos de defensa antioxidantes desarrollados por animales como la serpiente de jarretera de flancos rojos (Thamnophis sirtalis parietalis ), la rana leopardo y la rana de la madera (Rana sylvatica ), el pez rojo (Carassius auratus ) y en dos tipos de caracoles terrestres: el Otala latea y el Helix aspersa .

A veces algunas enzimas son producidas menos intensamente. En un estudio publicado el año pasado en el Canadian Journal of Zoology , Hermes-Lima y sus alumnos Marcus Ferreira y Antonieta Alencastro demostraron que en una especie de caracol de agua dulce, el Biomphalaria tenagophila , se da una producción menor de la enzima catalasa cuando los animales se quedan sin oxígeno durante 24 horas en el fondo de un frasco con agua, y de superóxido dismutasa cuanto pasan 15 días en estivación, a una temperatura continua de 26 °C. En ambos casos se registró un pequeño aumento en la cantidad de la enzima glutationa peroxidasa. “Pero nadie logra explicar muy bien por qué aumenta la producción de algunas enzimas y la de otras se reduce”, dice Hermes-Lima. “Así y todo, con que suba una de ellas debe ser bastante.”

Las serpientes del hielo
Hermes-Lima empezó a convivir con animales congelados a finales de 1990. Fue cuando visitó Storey en su laboratorio situado en Canadá, meses después de haberlo conocido en São Paulo, y le propuso que juntos buscasen mecanismos antioxidantes asociados al congelamiento y a la falta de oxígeno, algo que el biólogo canadiense no había aún estudiado. Storey se interesó en la propuesta. Al año siguiente, el investigador brasileño desembarcaba en Ottawa, capital canadiense, para pasar allí una temporada de dos años y medio. Empezó trabajando con las serpientes de jarretera de flancos rojos, encontradas en casi toda América del Norte, incluso al norte de las provincias canadienses.

Son los primeros reptiles en despertar de la hibernación al final del invierno. Pero sucede que, cuando llega la primavera, los ríos se descongelan en pocos días y muchas veces cubren los agujeros en donde las serpientes se había alojado. No obstante, éstas pueden permanecer hasta dos días sin oxígeno antes de salir de sus cubiles inundados. También soportan algunas horas congeladas.

Hermes-Lima imaginó que hubiera enzimas antioxidantes en abundancia en estos animales, como una manera de evitar los daños ocasionados por exceso de oxígeno. Pero no fue eso lo que halló. Las serpientes tenían en realidad pequeñas cantidades de enzimas antioxidantes comparadas con las de los ratones, pero esas cantidades se incrementaban de acuerdo con la situación. La glutationa peroxidasa era predominante en medio a un congelamiento de cinco horas a 2,5 °C, mientras que en el experimento siguiente, con las serpientes en ausencia de oxígeno durante diez horas a 5 °C, la enzima encontrada en mayores cantidades era el superóxido dismutasa.

Al principio Storey no podía creerlo. “Decía Too cold, it’s not possible y se la pasó meses sin prestarme atención, pues pensaba que yo había hecho todo mal”, recuerda Hermes-Lima. Una vez rehecho el experimento, emergieron los mismos resultados. Finalmente se convenció, pero aún se mostraba intrigado, pues creía que todas las células debería tener una cantidad menor de esas enzimas en esas condiciones extremas. Con todo, Storey aceptó firmar junto al brasileño el artículo narrando estos descubrimientos, publicado en 1993 en el American Journal of Physiology .

Veinte minutos sin aire
Desde 2001 el equipo de Brasilia estudia el estrés producido por la inmersión en animales de la fauna brasileña. En dos expediciones a la zona de Pantanal, los investigadores recolectaron muestras de tejidos de embriones de yacarés del pantanal (Caiman yacare ) y también de animales recién nacidos, de ejemplares jóvenes y de adultos. Cuando se zambullen y paran de respirar, estos reptiles priorizan la circulación del oxígeno, que se vuelve escaso. La sangre deja de ir hacia los músculos y órganos tales como el hígado y se dirige hacia blancos prioritarios como el corazón y el cerebro, de manera tal de maximizar el tiempo que permanecen sumergidos ?hasta 20 minutos.

Ante la imposibilidad de realizar experimentos con los yacarés en laboratorio, ya que se trata de animales un tanto mayores que las habituales lauchas, el equipo de la Universidad de Brasilia construyó un mapa de los daños ocasionados por el exceso de radicales libres en lípidos (grasas) y proteínas en el transcurso del desarrollo de estos reptiles. “Los daños son mayores en los tejidos con mayor tasa metabólica, como el cerebro, el hígado y el riñón”, informa Hermes-Lima. Su equipo trabaja también desde el año pasado con muestras de piel y de la capa adiposa de la ballenas jorobadas (Megaptera novaengliae ), que pasan una parte del año a lo largo de la costa sur del estado de Bahía y permanecen debajo del agua sin respirar hasta 20 minutos.

El Proyecto
Fisiología Molecular de Radicales Libres en Sistemas Modelo
Coordinador
Marcelo Hermes-Lima ? UnB
Inversión
R$ 97.000,00 (CNPq)

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