Hibernación de los mamíferos, origen evolutivo y ajustes metabólicos

En este artículo hablamos de la hibernación de los mamíferos, los cambios generados por estos animales durante su proceso de letargo.

Hibernar se refiere al inicio de un estado de letargo o adormecimiento en una temporada fría que genera cambios fisiológicos y metabólicos en las especies. La hibernación se puede dar en diferentes grupos de animales como reptiles, anfibios, peces, algunos invertebrados e incluso algunas plantas pueden entrar en estados de letargo. En las especies que hibernan y principalmente en mamíferos, los diferentes tejidos presentan adaptaciones fisiológicas que permiten tolerar las condiciones extremas.

Cuando los mamíferos entran en letargo, se reduce drásticamente la temperatura corporal debido a una disminución significativa del metabolismo, cambios en el ritmo cardiaco y diferencias en el consumo de oxígeno. A su vez, aunque las temperaturas corporales puedan descender hasta -2,9°C, los mamíferos pueden reactivarse y recuperar la homeostasis corporal.

En los mamíferos, tres grupos significativos (marsupiales, monotremas y placentados) utilizan procesos de hibernación para tolerar las condiciones ambientales. Debido a la gran cantidad de cambios fisiológicos y biológicos que están relacionados con la hibernación de los mamíferos, el objetivo de esta revisión es presentar algunas características importantes de dicho proceso.

Origen evolutivo de la hibernación de los mamíferos

La hibernación es un mecanismo que persiste en varios grupos de animales con historias evolutivas diferentes. A su vez en los mamíferos, se considera que el mecanismo de hibernación ha sido conservado durante el tiempo y que permanece en los representantes actuales. Así mismo, la distribución global de los mamíferos, sugiere que todos en su genoma son portadores del pool génico que enmarca el mecanismo de hibernación. Sin embargo, es probable que el mecanismo haya atravesado un estado de selección, que ajustó características necesarias para algunas especies, principalmente las de sangre caliente, que no migran y están expuestas a una presión ambiental extrema. Posiblemente, la evolución del mecanismo se dio a partir de organismos más basales que pueden tener letargos leves (diarios) que solamente están representados por bajas en la tasa metabólica.

Ajustes metabólicos durante el proceso de hibernación

El reajuste metabólico en la hibernación de los mamíferos es posible debido a que antes de hibernar, se genera una acumulación de grasa que funciona como combustible celular durante el estado de letargo. En términos metabólicos, se reajusta el tipo de sustrato energético mayoritariamente utilizado y pasa de ser carbohidratos a ser grasa, actualmente, se generan investigaciones que buscan elucidar la razón de dicha adaptación celular.

Las células para utilizar la grasa como sustrato energético activan la maquinaria de expresión de una enzima inhibidora (cinasa-4-piruvato deshidrogenasa) de la Piruvato deshidrogenasa, limitando la formación de intermediarios glicolíticos y asegurando la utilización de los lípidos para la producción de ATP. La expresión de la enzima inhibidora en algunos roedores, depende de la oscuridad, condición lumínica que se ha demostrado es común en sitios de hibernación. Así mismo, algunos autores consideran que la expresión genética de la enzima inhibidora se debe a un aumento de la circulación lipídica y la disminución de la insulina sérica.

Disminución de la temperatura corporal

El estado de hipotermia se induce inmediatamente después de la reducción en la tasa metabólica y se dirige directamente a la glándula tiroides, que modifica la síntesis de la tiroxina T4 que pasa a 3-ioditironamina (T1AM). Dicha hormona en bioensayos con ratones, ha demostrado una disminución significativa en la temperatura corporal y el ritmo cardiaco de dichos roedores. La globulina de unión a tiroxina permite direccionar la formación de T1AM para iniciar el proceso de hipotermia, en donde al finalizar el tiempo de letargo, se inactiva por un proceso de sulfatación, mediado por enzimas sulfotransferasas. Actualmente, se considera que el mecanismo de hipotermia está direccionado principalmente por concentraciones hormonales.

Conservación funcional de los órganos

Durante la hibernación de los mamíferos los organismos alcanzan el extremo fisiológico de su temperatura corporal, pero pueden reactivarse rápidamente y evadir la temperatura de congelamiento en la que se encontraban.

Se considera que la rápida reactivación se debe a varios factores, entre estos la plasticidad neuronal que durante las bajas temperaturas induce una contracción neuronal que se revierte pocas horas después de terminar la hibernación. Las contracciones de las neuronas son dependientes de la temperatura y generan en el organismo un letargo mediado por una leve actividad sináptica y bajas concentraciones de proteínas mediadoras de la sinapsis.

La reactivación neuronal y la rápida recuperación se deben a la colonización de vesículas neuronales que reestructuran las neuronas e inducen la sinapsis nuevamente. A su vez, el ritmo cardíaco se ve afectado durante la hibernación de los mamíferos y el corazón de ciertas especies en procesos de ritmo lento (bradicardia) podrían sufrir complicaciones severas o mortalidad; sin embargo, el mecanismo propuesto para la contracción a bajas temperaturas está dado por una regulación, reutilización y dosificación del calcio en las células cardíacas direccionada por canales de calcio tipo L. El calcio, se almacena en el citoplasma de las células cardíacas e induce la apertura de receptores que son intermediaros en la contracción del corazón.

Resumen de la hibernación de los mamíferos

La hibernación es un proceso de letargo llevado a cabo por diferentes organismos en temporadas de frío extremo. Evolutivamente, se considera que este mecanismo fue adquiriendo características necesarias para la supervivencia de organismos más derivados, que son considerados como portadores de una porción genómica, encargada de mediar dicho mecanismo. A su vez, el proceso inicia con un consumo calórico bastante elevado antes de iniciar la temporada fría, que garantiza la acumulación lipídica, posteriormente, se genera una reestructuración metabólica determinada por el uso de los lípidos como sustrato energético para la producción de ATP.

La reducción del metabolismo y el consumo de oxígeno tienen un efecto inmediato sobre la temperatura corporal, que disminuye debido, a la presencia de hormonas tiroideas, consideradas intermediarias determinantes en el proceso de termorregulación y homeostasis. Dada la disminución de la temperatura corporal, los órganos podrían verse afectados, pero fisiológicamente se da una reestructuración neuronal, enmarcada por la compactación neuronal y reducción en la concentración de proteínas sinápticas, que bloquean el proceso sináptico, por ende, disminuye el consumo energético y se induce un estado de bradicardia, mediado por la dosificación y reutilización del calcio en las células cardiacas.

Bibliografía

– Andrews, M. T. (2007). Advances in molecular biology of hibernation in mammals. Bioessays, 29(5), 431-440.

– Carey, H. V., Andrews, M. T., & Martin, S. L. (2003). Mammalian hibernation: cellular and molecular responses to depressed metabolism and low temperature. Physiological reviews, 83(4), 1153-1181.

– Lyman, C. (1982). Hibernation and Torpor in Mammals and Birds (1st ed., p. 323). Saint Louis: Elsevier Science.