sábado, 3 de diciembre de 2016

La adaptación de las células animales al frío



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El principal problema al que se enfrentan las células animales a bajas temperaturas ocurre en la membrana plasmática, la cual pierde gran parte de sus características. Esto se debe a que, con la baja de temperatura, la membrana pierde su fluidez y aumenta su viscosidad, pudiendo causar consecuencias terribles. Para evitar este problema se da lo que se conoce como adaptación homeoviscosa de los lípidos de membrana.

Animales, adaptacion al frio y biologia

- Adaptación homeoviscosa de los lípidos de membrana


Las membranas cambian su fluidez (viscosidad -1) con la temperatura. Como se ha observado en diferentes estudios, a medida que disminuye la temperatura se da un aumento de la viscosidad de la membrana de forma gradual, aunque existe un punto de inflexión a 25º C donde esta se dispara y aumenta. Es por esta razón por la que las células animales deben mantenerse, generalmente, en torno a los 35º C de temperatura.

Esto se debe a que, con el frío, los lípidos pasan de fase líquida cristalina a fase gel a través de una fase de transición en la que hay filtraciones a través de la bicapa. En fase gel, los lípidos se agrupan por especies, así como las proteínas, lo que hace que la membrana pierda todas sus propiedades.

De igual manera, el frío afecta también negativamente a la actividad de las enzimas, las cuales pierden gran parte de su afinidad a medida que disminuye la temperatura, inhibiéndose así la acción de las mismas.

Cuando las membranas no son funcionales, se vuelven permeables y las células mueren. Todo ello es debido, principalmente, a la rigidez en las cadenas de ácidos grasos que pasan de isomería G a Trans.

Cuando baja la temperatura todas las moléculas se vuelven Trans, aumentando la viscosidad de las bicapas y perdiendo así la capacidad de permeabilidad de las mismas, dándose la muerte celular.

Pero los animales son capaces de mantener una viscosidad (fluidez-1) semejante a diferentes temperaturas y esto es así como una respuesta evolutiva y como una aclimatación. En ambos casos se denomina adaptación homeoviscosa.

+ Respuestas agudas y crónicas frente al frío


Se observa una adaptación de la homeoviscosidad a lo largo de diferentes temperaturas, en aquellos animales aclimatados a temperaturas frías. Los estudios observan una serie de respuestas agudas que convergen en una respuesta crónica.

Como respuesta aguda, el grado de polarización de DPH o viscosidad disminuye a medida que aumenta la temperatura (aumenta la fluidez), aunque sí observamos la respuesta crónica la viscosidad de la membrana se mantiene estable, aunque aumente la temperatura. Esto es así porque se bloquea el cambio de Gauche+ a Gauche- mediante un doble enlace en la zona de giro, manteniendo así la forma original y evitando la conformación Trans y la pérdida de funcionalidad.

Estos ácidos grasos poliinsaturados serán más abundantes en animales o tejidos que se encuentren a temperaturas muy bajas, como los animales del polo o las patas de las gaviotas.

Más concretamente, este mecanismo de adaptación homeoviscosa de lípidos se da a través de un incremento de la cantidad de etanolamina y una disminución de la de colina. Esta es la respuesta rápida en la aclimatación. La etanolamina posee una cabeza polar de menor tamaño, pero posee un mayor contenido en ácidos grasos insaturados, es decir, con dobles enlaces que impiden el giro de la molécula a otras configuraciones.

Pero también se da un incremento de la proporción de dobles enlaces en ácidos grasos por activación de la desaturasa microsomal. Esta es la respuesta más tardía y duradera en la aclimatación. El doble enlace simula la isomería gauche e impide el giro en la molécula forzado por el frío, manteniéndose la fluidez de este modo.

Esta adaptación homeoviscosa supone un cambio enzimático de enorme calibre, ya que se da un cambio en gran cantidad de fosfolípidos de membrana, dándose también en los mecanismos de síntesis de los mismos. Aparecen especies moleculares nuevas que no estaban antes con dobles enlaces nuevos, que pueden aparecer de otras especies moleculares o ex novo.


- Supervivencia al frío en ectotermos


Comencemos primero con unas aclaraciones básicas sobre la congelación del agua. No es lo mismo temperatura de congelación del agua que temperatura de fusión del hielo (0º C). El agua líquida no pasa a sólida a cero grados, sino a 40 grados bajo cero. Pero esto depende de que existan núcleos de hielo entorno a agentes nucleadores de hielo, tales como bacterias, cristales, orgánulos, polvo, partículas e alimentos, macromoléculas, etc.

En presencia de agentes nucleadores la congelación sucede a T < 0º C. El agua o medio que se mantiene líquido por debajo de cero grados se denomina sobreenfriamiento (supercooling). La diferencia entre el punto de congelación y de fusión de un medio o de los líquidos corporales se denomina histéresis térmica.

La temperatura de congelación puede disminuir aún más por la presencia de solutos según los principios de la crioscopía. Este efecto se llama efecto coligativo. Como ejemplo encontramos el agua de mar, que se enfría a -1.86º C debido a su condición salada.

Además, existen proteínas específicas que limitan el crecimiento de los cristales de hielo, evitando la congelación por un efecto no coligativo. Estas son las proteínas de histéresis térmica.

+ Estrategias para evitar la congelación intracelular


Los líquidos corporales de los animales se congelarán a diferentes temperaturas según la presencia o ausencia de agentes nucleadores y/o solutos coligativos o no coligativos.

Los animales usan estas estrategias para evitar la mortal congelación intracelular. Algunos viven permanentemente en estas condiciones o se aclimatan a ellas y están activos, mientras que otros, más bien, resisten estas condiciones en un estado parecido al letargo.

Hay, en general, dos estrategias que no son mutuamente excluyentes:

. Permitir en incluso promover la presencia de cristales pequeños en los líquidos extracelulares. Nunca de forma intracelular.

. No permitir la congelación mediante mecanismos coligativos o no coligativos.

Los cristales extracelulares aparecen por las razones mencionadas anteriormente, lo que hace que aumente la concentración en el exterior celular, como consecuencia de esto aumenta también la intracelular debido a la salida de agua de la célula. Este aumento intracelular impide que se puedan formar cristales de hielo intracelularmente debido al efecto coligativo de la alta concentración.

Esto es algo que ocurre con más frecuencia de la que creemos, y como ejemplo mencionaremos a algunos animales. Algunas ranas, como Rana sylvatica, es capaz de alcanzar en su cuerpo un 35-65% de hielo, algo que en los moluscos se ve de mayor forma (54-76%) e incluso en insectos, donde se alcanza un porcentaje mayor del 90%. Estos últimos animales entran en un estado de latencia o criptobiosis.

Hay animales que pueden encontrarse activos gracias a la síntesis de anticongelantes, que pueden ser coligativos o que inducen la histéresis térmica, aumentando la presión osmótica y disminuyendo el punto de congelación.

En estos insectos se observa un incremento de algunas hormonas importantes, como el glicerol o el sorbitol, lo que nos indica que ambos compuestos pueden actuar como anticongelantes. De igual manera se ha visto una caída del glucógeno, la cual se debe a que este se utiliza para sintetizar tanto el glicerol como el sorbitol.

Pero de igual manera, pueden existir anticongelantes no coligativos, como pueden ser las proteínas y las glicoproteínas anticongelantes que disminuyen el punto de congelación sin incrementar la presión osmótica.

De estos anticongelantes no coligativos se conocen cuatro tipos diferentes en peces, un tipo en insectos y un tipo en plantas, aunque hay varias de cada tipo. Son muy eficientes en deprimir el punto de congelación de animales que permanecen activos y viven así toda su vida.

Estos compuestos son de enorme utilidad en la clínica y en la industria. Estas glicoproteínas se unen a los cristales de hielo, si se forman, impidiendo que se dé su crecimiento. En realidad, sí tienen un efecto sobre la presión osmótica, pero este es mínimo y se desprecia.

Estas glucoproteínas anticongelantes solo existen en animales, aunque se han descubierto análogos de las mismas en insectos, que también se unen a los cristales de hielo impidiendo su avance y crecimiento.

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Artículo redactado por Pablo Rodríguez Ortíz, estudiante de Biología en la Universidad de Málaga.