Cuando llega el invierno y las temperaturas bajan al punto de congelamiento, nosotros los humanos nos abrigamos, nos refugiamos en nuestras casas y nos calentamos al fuego o prendemos la calefacción. Pero ¿Cómo se las arreglan los animales, que desaparecen de nuestra vista en el invierno? Los que permanecen son como nosotros, de sangre caliente, como los pájaros, conejos y otros. Pero ¿Qué hacen los de sangre fría, como los sapos, lagartijas, tortugas, insectos y arañas? ¿Adónde van y cómo se las arreglan para soportar las temperaturas de congelamiento si no tienen control sobre la temperatura de sus cuerpos y no tienen defensas contra la congelación del agua en sus tejidos? ¿Cómo se las arreglan para sobrevivir?

La primera línea de defensa contra el congelamiento es de comportamiento, y por eso tienen que refugiarse en sitios de hibernación. Para ello deben buscar aquellos lugares en que la temperatura no cae bajo el punto de congelación (-05 a -07 °C para la mayor parte de los animales, y -1.9° para los invertebrados marinos). Frente a esta eventualidad se refugian bajo tierra. Tal lo hacen las culebras y los sapos que cavan hasta un metro debajo de la tierra para protegerse. Lo mismo hacen otros pequeños animales como las salamandras, lagartijas, ciempiés, que se refugian en túneles creados por los roedores o las raíces de los árboles.

Otros animales pasan el invierno bajo el agua, ya que debajo de los hielos el agua no se congela. Otros insectos durante este tiempo se mantienen en estado de larvas acuáticas, esperando la primavera para emerger de nuevo a la vida terrestre. Muchas tortugas y sapos también pasan el invierno bajo el agua, pero allí deben enfrentar un nuevo dilema: ¿cómo respiran? ; debajo del agua no les sirven los pulmones. Los sapos, por su parte, se las arreglan absorbiendo el oxígeno a través de su piel, en lugar de sus pulmones. Además deben bajar su metabolismo y conformarse con el oxígeno que contiene el agua fría.

Pero la mayor parte de la piel de los reptiles no es permeable al oxígeno, aunque algunas tortugas pueden absorber oxígeno a través del epitelio de sus gargantas. En todo caso éstas tienen a propiedad de disminuir su metabolismo hasta en un 90%, y durante esta fase obtienen su energía por un catabolismo anaeróbico, degradando hidratos de carbono (glicógeno). En este proceso producen una gran cantidad de ácido láctico, que es neutralizado y almacenado en su concha.


Hace mucho frío aquí

Mientras todos estos animales pueden soportar el invierno por estos mecanismos, otros no tienen esta opción. Sin embargo, también pueden protegerse del congelamiento a través de drásticas adaptaciones metabólicas. Deben impedir el congelamiento de los líquidos de su organismo, ya que esto les provocaría la muerte. Tanto porque los cristales de hielo son agudos, como porque el agua al congelarse se expande, par la que el hielo en sus tejidas produce daños físicos. Se rompen las membranas celulares y se destruye la arquitectura intra y extracelular, incluyendo la ruptura de micro capilares, todo lo cual lleva a la destrucción de células y órganos. El congelamiento del plasma impide la distribución de oxígeno y nutrientes a los diferentes órganos, lo cual lleva necesariamente a la muerte. El congelamiento extracelular también conduce a una deshidratación de las células. Ello porque los cristales son de agua pura, y los solutos originalmente disueltos en ella aumentan la presión osmótica extracelular facilitando la salida de agua de la célula, la que disminuye su volumen. En condiciones normales las células tienen una capacidad de resistencia a la deshidratación o al hinchamiento de ellas, pero el mecanismo tiene sus límites.

Cuando las células deshidratadas se comprimen hasta un volumen mínimo crítico, la membrana bilipídica externa y la de los organelos internos también se comprimen y se colapsan irreversiblemente en un estado de gel. Esto compromete sus funciones: las membranas ya no son capaces de actuar como barreras frente al medio externo, ni tampoco pueden soportar la estructura de proteínas insertadas en ellas, con lo que no pueden ejercer la selectividad para controlar la entrada de iones o nutrientes al interior de las células.

Estas son las razones por las que los organismos tienen que defenderse de cualquier modo de la cristalización del hielo. Para impedir que ello ocurra disponen de tres mecanismos. Un cuarto mecanismo, ya más complejo, permite la formación de hielo en los espacios extracelulares, pero defiende rigurosamente la composición líquida del medio intracelular.


Manejando adecuadamente el agua libre

Un primer mecanismo de defensa contra la cristalización interna es el manejo adecuado del agua libre, que posiblemente puede congelarse. Esta no es una opción para los organismos mayores, pero si es muy común para los microbios (nematodes del suelo) y muchos estados de descanso de animales y plantas (quistes, huevos, esporas y semillas). Muchos organismos pasan el invierno haciendo uso de esta alternativa y esperan la llegada de la primavera para germinar. Los organismos tolerantes a la desecación pueden perder hasta el 99% de su agua original, lo que representa el contenido de toda su agua libre. Sólo permanece el agua de las conchas o el que está formando parte de sus macromoléculas que no es posible que cristalice.

Un ejemplo clásico, son los embriones enquistados de camarones, que pueden almacenarse secos por años, pero pueden hidratarse y empollar en 48 horas cuando se agrega agua. Los quistes secos son metabólicamente inactivos ya que en ellos no queda agua libre en la que los metabolitos puedan difundir. El estrés extremo a que son sometidas estas macromoléculas y estructuras celulares por la desecación requieren de estabilización, lo que se logra en la mayoría de las veces por carbohidratos. Los quistes de camarones por ejemplo, contienen 4% de glicerol (un azúcar de tres carbones y alcohol) y 14% de tetralosa (un azúcar disacarida) de su peso. El glicerol es particularmente efectivo para estabilizar estructuras proteicas, mientras que las tetralosas estabilizan las dobles capas de fosfolípidos de las membranas mediante las uniones de hidrógeno de sus cabezas polares.


Vitrificación

Un segundo mecanismo de defensa contra el congelamiento es la vitrificación. Se trata de un proceso por el cual el agua no solidifica en cristales, sino en un vidrio amorfo. La vitrificación ocurre naturalmente en varios sistemas de plantas, especialmente en la madera y algunas semillas. En estas se preservan las semillas maduras mediante la combinación de deshidratación junto a una elevación de los azúcares, con lo que se crean las condiciones necesarias para la formación de vidrio.

Aún cuando la vitrificación elimina muchos de los efectos dañinos de la cristalización del hielo, los requerimientos para que esto ocurra deben ser muy precisos: una alta concentración de solutos (soluciones al 40%, que pueden llegar a ser tóxicas) y un rápido proceso de enfriamiento y calentamiento (ritmos del orden de 30-50°C por minuto), tanto para que se produzca como para que se revierta el proceso. Más aún, una de las dificultades para usar el proceso de vitrificación para almacenar tejidos en medicina es el hecho de que la reversión del proceso, la desvitrificación, puede producir serios daños por una conversión instantánea del vidrio en cristales, si es que las condiciones del calentamiento no son perfectas. Obviamente esta dificultad restaría todos los beneficios de almacenar tejidos en estado de vitrificación.

Tanto la desecación como la vitrificación son procesos muy extremos para los grandes animales multicelulares. Con todo, son miles las especies de animales de sangre fría que se encuentran en lugares donde no se pueden impedir las temperaturas bajo cero. Así por ejemplo, los que están fijos a troncos o conchas adheridas a rocas expuestas a bajas mareas, necesariamente quedan expuestos a temperaturas bajo cero. ¿Cómo sobreviven? Tienen dos soluciones para impedir el congelamiento y aumentar la tolerancia a él.


Impedir el congelamiento

El tercer mecanismo es el mismo que se usa para impedir que se congele el agua del radiador del auto. Consiste en agregar solutos que bajan el punto de congelación del líquido. Los solutos agregados a los líquidos orgánicos bajan el punto de congelación. Ellos son de dos tipos. El primer tipo está constituido por los azúcares de bajo peso molecular y los azúcares alcohol, los que se llaman anticongelantes coligativos, porque su acción es proporcional a su concentración en la solución (propiedades coligativas se llama a aquellas que modifican el punto de fusión, de congelamiento o de ebullición en proporción a su concentración en el soluto). Estos anticongelantes se agregan en muy alta concentración a los líquidos del cuerpo y actúan del mismo modo, bajando el punto de congelación del agua, como lo hace en el radiador el etilenglicol. En realidad, este azúcar-alcohol de dos carbones se acumula en varias especies de insectos. El glicerol que es su primo de tres carbones, es el anticongelante más usado en la naturaleza. En el interior del cuerpo y durante los meses de invierno, a menudo el glicerol alcanza una concentración por sobre 2 molar, llegando a representar sobre el 20% del peso fresco del animal.

Este azúcar alcohol hace que la solución permanezca líquida, muy por debajo de su punto de congelación. Así por ejemplo, la larva del hongo "goldenrod", durante el invierno se sobre enfría hasta -38°C, lo que previene que ésta se congele, ya que la temperatura en Ottawa rara vez desciende a -30°C. Algunos insectos del Ártico lo pueden hacer aún mejor, permaneciendo líquidos hasta temperaturas de -55°C. Estos azúcares anticongelantes, que se necesitan en altas concentraciones, se sintetizan a partir del glicógeno, que se almacena en el cuerpo durante los meses de verano. Cuando la temperatura en el otoño cae a 5°C, entonces la enzima "glicógeno fosforilasa" inicia la producción del anticongelante.

El segundo tipo de anticongelante, son las llamadas proteínas anticongelantes (AFPs, o antifreeze proteins). Ellas han aparecido independientemente en varios grupos de animales, pero han sido mejor caracterizadas en peces marinos polares y en algunos insectos. Las AFPs logran desplazar el punto de congelamiento de 0.5°C (que es lo normal en la mayor parte de los vertebrados) a 1.9°C en los peces polares. En los insectos terrestres y otros artrópodos (arañas, ciempiés, etc.), las AFPs son más poderosas y pueden bajar el punto de congelamiento del cuerpo a -10 o -15°C. Esto más que suficiente para proteger a los insectos de la nieve invernal. Cuando estas AFPs se unen con los alcoholes polihídricos, la suma de ellos dos crea condiciones de supra congelamiento, con lo que pueden vivir bajo la nieve.

Se sabe como actúan tanto las proteínas como las glicoproteínas AFPs. Lo hacen absorbiendo directamente el cristal de hielo por medio de uniones de hidrógeno que se amarran al extremo polar de la cadena de aminoácidos( o el grupo hidrofílico del azúcar de la glicoproteína) a las moléculas de agua superficiales del actúan previniendo la formación de hielo, sino que adhiriéndose a las caras del prisma del cristal quebrando el piano de crecimiento de éste e impidiendo que el cristal crezca mas allá de un tamaño microscópico. Su presencia causa una histeresis térmica, una reducción del punto de congelamiento de los fluidos sin cambiar el punto de fusión. Esta misma propiedad se usa para su determinación y ensayo.

Este anticongelamiento proteico es la primera adaptación que permite a los animales impedir el congelamiento de sus líquidos cuando la temperatura desciende por debajo de 0°. Claro que además de ello, el animal necesita protegerse aislándose del contacto directo del hielo. Para ello deben buscar lugares de hibernación secos, o por último envolverse ellos mismos con una cubierta a prueba de agua. Para ello poseen diversas alternativas, como cubrirse con una cutícula aceitosa, o una concha, o con coberturas con mucus seco.


Tolerancia al congelamiento

Muchos animales logran adaptarse al frío desarrollando mecanismos especiales para soportar el congelamiento. Han desarrollado técnicas que les permiten tolerar y controlar el proceso de congelamiento del líquido extracelular, pero preservando en estado liquido el citoplasma. El desarrollo de la tolerancia al frío es menos común que los mecanismos que impiden el congelamiento, pero se ha desarrollado perfectamente en diferentes grupos de animales y plantas. Es así como se observa en insectos, invertebrados marinos, o anfibios y reptiles.

Las larvas de algunos insectos pueden permanecer congeladas por 12 semanas y soportar una temperatura de -16°C. Lo mismo que las cuncunas de la madera, pueden permanecer congeladas hasta temperaturas de -70°C.

Especialmente interesantes son las estrategias de tolerancia al frío desarrolladas por los sapos. Ellas han sido extensamente estudiadas por los especialistas en criopreservación, quienes pretenden utilizar iguales tecnologías para preservar órganos, como corazones, riñones o hígados para trasplantes.



* Traducción libre del articulo publicado en Science Spectra,Número 13, 1998. Autores Janet y Kenneth Storey. Carleton University, Ottawa.