Señales, carotenoides y estrés oxidativo

POR LORENZO PEREZ-RODRIGUEZ

Los carotenoides son una familia de más de 700 moléculas de naturaleza lipídica compuestas por una larga cadena de unos 40 átomos de carbono unidos entre sí por dobles enlaces alternos y que a menudo forma anillos en ambos extremos. Esta estructura química, así como la presencia y localización de diversos grupos funcionales, es la responsable de la coloración amarilla, anaranjada o roja de los carotenoides y determina las funciones de estas moléculas en los organismos autótrofos (los únicos capaces de sintetizarlos).

Los carotenoides se acumulan en los tejidos encargados de realizar la fotosíntesis, actuando como “antenas” que expanden el rango de absorción de energía de la clorofila al tiempo que desempeñan un papel importante en la fotoprotección de ciertas estructuras celulares. Aunque suelen pasar desapercibidos mientras desarrollan su función en las plantas, cuando la clorofila se degrada en las hojas que marchitan, los carotenoides quedan al descubierto y generan los colores cálidos característicos del otoño.

Aunque no pueden sintetizarlos, los animales pueden acumular (y, hasta cierto punto, modificar) los carotenoides que ingieren. De este modo, los carotenoides se convierten en responsables de las llamativas coloraciones externas de muchas especies, lo que ha llamado poderosamente la atención de los ecólogos del comportamiento en las últimas dos décadas. Los trabajos pioneros de John Endler en guppis Poecilia reticulata (p. ej. Endler 1983) y de Geoffrey E. Hill en camachuelo mejicano Carpodacus mexicanus (p. ej. Hill 1990) pusieron de manifiesto el potencial de estas coloraciones ornamentales como señales de calidad individual. En un principio, la hipótesis propuesta defendía un mecanismo relativamente sencillo y directo para explicar la fiabilidad de las coloraciones basadas en carotenoides: si los carotenoides son un recurso limitado, los individuos más hábiles en la búsqueda de recursos serán capaces de conseguir más carotenoides y mostrar una coloración más intensa. Los ornamentos basados en carotenoides funcionarían así como señales honestas dependientes de la condición-física del portador.

La ecofisiología entra en escena

Esta hipótesis permaneció como única vía para explicar el funcionamiento y evolución de los caracteres externos basados en carotenoides hasta que en 1994 George. A. Lozano (Lozano 1994), seguido de von Schantz y colaboradores (von Schantz et al 1999),  propusieran un posible mecanismo alternativo (aunque compatible con el anterior) para explicar la honestidad de estas señales. Esta nueva forma de honestidad se fundamenta en que los carotenoides, más allá de la pigmentación, pueden tener otras en las funciones y propiedades. Así, estas moléculas podrían tener un papel destacado como antioxidantes y como inmunoestimulantes, de tal manera que el organismo debe hacer frente a un compromiso entre usar los carotenoides de que dispone para ornamentación o bien emplearlos en dichas funciones fisiológicas. De esta forma, los individuos parasitados, enfermos o sufriendo elevados niveles de estrés oxidativo dispondrán de menos carotenoides para pigmentarse, de forma que la palidez de sus ornamentos acabaría señalizando su pobre estado de salud (Pérez-Rodríguez 2009). 

La importancia del estrés oxidativo

Estas nuevas hipótesis sobre el papel de los carotenoides se enmarcan dentro del interés suscitado por el estrés oxidativo como factor de primer orden en la evolución de las estrategias vitales. Pero, ¿qué es el estrés oxidativo? El metabolismo aeróbico conlleva la generación de unas moléculas altamente reactivas denominadas genéricamente especies reactivas de oxígeno o nitrógeno (ROS/RNS), o más familiarmente, radicales libres. Los radicales libres son moléculas con electrones desapareados y por ello tienden a oxidar (robar electrones) las biomoléculas que encuentran en su entorno, provocando daño oxidativo en lípidos, proteínas o ADN (Halliwell & Gutteridge 2007). Aunque el metabolismo aeróbico es responsable de aproximadamente el 90% de los radicales libres del organismo, la respuesta inmunitaria o la exposición a diversos contaminantes también incrementan los niveles de estas moléculas. Para protegerse de los radicales libres los seres vivos disponen de un sistema antioxidante basado en todo un abanico de compuestos, tanto endógenos como exógenos, que se encargan de combatir dichos radicales o bien de revertir sus efectos. El desbalance entre radicales libres y sistema antioxidante a favor de los primeros es lo que se denomina “estrés oxidativo”, fenómeno que se encuentra implicado en numerosas enfermedades, así como en el envejecimiento y degeneración celular (Halliwell & Gutteridge 2007). Desde un punto de vista ecológico-evolutivo, el estudio del estrés oxidativo tiene gran interés porque es un coste ubicuo (y en ocasiones, nada despreciable) de casi cualquier actividad, por lo que puede suponer una limitación importante en muchos procesos biológicos (Costantini 2008, Monaghan et al. 2009, Metcalfe & Alonso-Álvarez 2010).

El polémico papel antioxidante de los carotenoides

La hipótesis del “papel antioxidante” de los carotenoides ha gozado de gran popularidad durante varios años. Sin embargo, diversos trabajos (p. ej. Hartley & Kennedy 2004, Costantini & Møller 2008) han venido a cuestionar la asunción clave de la misma: ¿realmente son tan importantes los carotenoides como antioxidantes? Lo cierto es que las evidencias empíricas de la capacidad antioxidante de los carotenoides son escasas. Además, las aproximaciones simples al sistema antioxidante y su funcionamiento tomadas hasta ahora no nos permiten responder a esta pregunta con certeza. Como alternativa se ha propuesto que los carotenoides podrían no tener gran importancia como antioxidantes, pero sin embargo podrían ser muy susceptibles a ser atacados por los radicales libres, con lo que perderían su capacidad pigmentaria. De esta forma los ornamentos carotenoides seguirían informando del estrés oxidativo que sufre el individuo aunque no jugarían un papel destacado dentro del sistema antioxidante (Hartley & Kennedy 2004). Otra posibilidad que vincularía los carotenoides al estado de salud general del individuo consiste en que jugaran un papel esencial en la respuesta inmunitaria, aunque no necesariamente actuando como antioxidantes (Pérez-Rodríguez et al. 2008, Pérez-Rodríguez 2009).

Por ello, se hace necesario abordar la cuestión desde perspectivas nuevas, analizando el papel de estos pigmentos en diferentes fases del ciclo vital y en diferentes contextos para poder determinar sus funciones fisiológicas y entender así los mecanismos que regulan la honestidad de las señales basadas en ellos.

¿Cuál es nuestra contribución?

Con el objeto de conocer mejor los mecanismos que regulan la expresión de los las coloraciones basadas en carotenoides y entender así las bases fisiológicas de su fiabilidad como señales, hemos desarrollado diversas líneas de investigación. Por un lado, y en colaboración con Carlos Alonso-Álvarez (IREC-CSIC), Francois Mougeot (EEZA-CSIC), Julio Blas (EBD-CSIC) y Javier Viñuela (IREC-CSIC), hemos demostrado que la coloración del pico y anillo periocular de la perdiz roja Alectoris rufa, caracteres basados en carotenoides, constituyen una señal fiable de la condición física del individuo y de los niveles de parásitos intestinales que presenta (Pérez-Rodríguez & Viñuela 2008, Mougeot et al. 2009). Además, dicha coloración constituye un carácter dinámico, cuya expresión se maximiza durante el periodo de emparejamiento (Pérez-Rodríguez 2008) y que parece tener un papel en la evaluación de la calidad de la pareja: las hembras emparejadas con machos cuya se manipula para hacerla más intensa realizan una mayor inversión en la puesta (Alonso-Álvarez et al. 2012). La coloración de estos ornamentos depende de los niveles de carotenoides circulantes, cuya concentración se ve favorecida por altos niveles de testosterona (Blas et al. 2006). Sin embargo, los efectos de la hormona dependen de la edad del individuo: en machos jóvenes un incremento de testosterona aumenta los niveles de carotenoides circulantes y potencia la coloración roja; por el contrario, en machos senescentes, un incremento similar en los niveles de la hormona no tiene ningún efecto sobre dichas variables, y en cambio sí provoca una supresión de la respuesta inmunitaria celular que no se da en jóvenes (Alonso-Álvarez et al. 2009). De hecho, hemos comprobado que montar una respuesta inmunitaria celular consume un porcentaje significativo de los carotenoides circulantes, si bien no parece que dichos carotenoides supongan una contribución muy importante a la capacidad antioxidante del plasma (Pérez-Rodríguez et al. 2008). Pese a todo, la coloración carotenoide de la perdiz roja sí parece tener vinculación con el sistema antioxidante, ya que hemos podido comprobar que dicha coloración es capaz de predecir la intensidad del daño oxidativo que sufrirá el individuo como consecuencia de montar una respuesta inmunitaria (Pérez-Rodríguez et al.  2010).

Mientras que la línea de trabajo con perdiz roja se ha desarrollado fundamentalmente en cautividad, también hemos profundizado en el trinomio carotenoides-coloración-estrés oxidativo en condiciones naturales y con otra especie, el lagópodo escocés Lagopus lagopus scoticus. Junto con Francois Mougeot (EEZA-CSIC), Jesús Martínez-Padilla (MNCN-CSIC) y Stephen M. Redpath (Univ. of Aberdeen) entre otros investigadores, hemos comprobado experimentalmente y en condiciones de libertad que los carotenoides en plasma y la coloración basada en ellos de la carúncula roja del lagópodo se ven negativamente afectados por los parásitos intestinales (Martínez-Padilla et al. 2007), un proceso en el que está implicado el estrés oxidativo (Mougeot et al. 2010). La testosterona incrementa la asignación de carotenoides a las carúnculas, incrementando su coloración, aunque este efecto no siempre va acompañado de un incremento de los niveles circulantes del pigmento (Mougeot et al. 2007, Martínez-Padilla et al. 2010). Sin embargo, este incremento de la coloración mediado por dicha hormona tiene un importante coste: un aumento del estrés oxidativo (Mougeot et al. 2009).

Sin embargo, para tener una visión completa del funcionamiento y evolución de los caracteres basados en carotenoides en general es necesario estudiar el papel de estos pigmentos en diferentes tejidos y fases del ciclo vital. En la actualidad, y tomando como especie modelo al estornino negro Sturnus unicolor, tratamos de averiguar no sólo cuál es la relación existente en la coloración amarilla del pico, carotenoides, hormonas y estrés oxidativo en adultos, sino también el papel de los carotenoides en el huevo y sus efectos sobre el ave en desarrollo. Por otro, estudiamos el papel de las llamativas boqueras basadas en carotenoides que exhiben los pollos durante su etapa en el nido y su relación con el perfil hormonal del ave y el estrés oxidativo al que se encuentra sujeta durante ese periodo de elevadísima tasa de desarrollo, que podría ser crítica desde un punto de vista oxidativo.

 Referencias

• Alonso-Alvarez, C., Pérez-Rodríguez, L., Ferrero, M. E., Garcia-de Blas, E., Casas, F, Mougeot, F. (2012) Adjustment of female reproductive investment according to male carotenoid-based ornamentation in a gallinaceous bird. Behavioral Ecology and Sociobiology 66: 731–742
• Alonso-Alvarez, C., Pérez-Rodríguez, L., García, J. T., Viñuela, J. (2009). Testosterone-mediated trade-offs in the old age: a new approach to the immunocompetence handicap and carotenoid-based sexual signalling. Proceedings of the Royal Society of London B 276: 2093–2101.
• Blas, J., Pérez-Rodríguez, L., Bortolotti, G. R., Viñuela, J., y Marchant, T. A. (2006). Testosterone increases bioavailability of carotenoids: new insights into the honesty of sexual signalling. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 103: 18633-18637.
• Costantini, D. (2008). Oxidative stress in ecology and evolution: lessons from avian studies. Ecology Letters 11: 1238–1251.
• Costantini, D., Møller, A. P. (2008). Carotenoids are minor antioxidants for birds. Funct Ecol 22: 367–370.
• Endler, J. A. (1983). Natural and sexual selection on colour patterns in poeciliid fishes. Environmental Biology of Fishes 9: 173–190
• Halliwell, B., Gutteridge, J. M. C. (2007). Free radicals in biology and medicine, 4ª ed. Oxford, Oxford University Press.
• Hartley, R. C., Kennedy, M.W. (2004). Are carotenoids a red herring in sexual display? Trends in Ecology and Evolution 19: 353–354.
• Hill, G. E. (1990). Female house finches prefer colorful males: Sexual selection for a condition-dependent trait. Animal Behaviour 40: 563–570.
• Lozano, G. A. (1994). Carotenoids, parasites, and sexual selection. Oikos 70: 309–311.
• Martínez-Padilla, J., Mougeot, F., Pérez-Rodríguez, L., Bortolotti, G. R. (2007). Nematode parasites reduce carotenoid-based signalling in male red grouse. Biology Letters 3: 161-164.
• Martínez-Padilla, J., Mougeot, F., Webster, L. M. I., Pérez-Rodríguez, L., Piertney, S.B. (2010) Testing the interactive effects of testosterone and parasites on carotenoid-based ornamentation in a wild bird. Journal of Evolutionary Biology 23: 902-913.
• Metcalfe, N.B., Alonso-Alvarez, C. (2010). Oxidative stress as a life-history constraint: the role of reactive oxygen species in shaping phenotypes from conception to death. Functional Ecology 24: 984-996.
• Monaghan, P., Metcalfe, N. B. & Torres, R. (2009). Oxidative stress as a mediator of life history trade-offs: Mechanisms, measurements and interpretation. Ecology Letters 12: 75–92.
• Mougeot, F., Martínez-Padilla, J., Blount, J. D., Pérez-Rodríguez, L., Webster, L. M. I., Piertney, S. B. (2010). Oxidative stress and the effect of parasites on a bird carotenoid-based ornament. Journal of Experimental Biology 213:400-407.
• Mougeot, F., Martínez-Padilla, J., Webster, L. M. I., Blount, J. D., Pérez-Rodríguez, L., Piertney, S. B. (2009) Honest sexual signaling mediated by parasite and testosterone effects on oxidative balance. Proceedings of the Royal Society of London B 276: 1093-1100.
  • Mougeot, F., Pérez-Rodríguez, L., Martínez-Padilla, J., Leckie, F., Redpath, S. M. (2007). Parasites, testosterone and honest carotenoid-based signaling of health. Functional Ecology 21: 886-898.
  • Mougeot, F., Pérez-Rodríguez, L., Sumozas, N., Terraube, J. (2009). Parasites, condition, immune responsiveness and carotenoid-based ornamentation in male red-legged partridge Alectoris rufa. Journal of Avian Biology 40: 67-74.
  • Pérez-Rodríguez, L. (2008). Carotenoid-based ornamentation as a dynamic but consistent individual trait. Behavioral Ecology and Sociobiology 62: 995-1005.
  • Pérez-Rodríguez, L. (2009). Carotenoids in evolutionary ecology: re-evaluating the antioxidant role. BioEssays 31: 1116–1126.
  • Pérez-Rodríguez, L., Mougeot, F., Alonso-Alvarez, C. (2010) Carotenoid-based coloration predicts resistance to oxidative damage during immune challenge. Journal of Experimental Biology 213: 1685-1690.
  • Pérez-Rodríguez, L., Mougeot, F., Alonso-Álvarez, C., Blas, J., Viñuela, J., Bortolotti, G. R. (2008). Cell-mediated immune activation rapidly decreases plasma carotenoids but does not affect oxidative stress in red-legged partridges (Alectoris rufa). Journal of Experimental Biology 211: 2155-2161.
  • Pérez-Rodríguez, L., Viñuela, J. (2008) Carotenoid-based bill and eye ring coloration as honest signals of condition: an experimental test in the red-legged partridge (Alectoris rufa). Naturwissenschaften 95: 821-830.
  • von Schantz, T., Bensch, S., Grahn, M., Hasselquist, D., Wittzell, H. (1999). Good genes, oxidative stress and condition-dependent sexual signals. Proceedings of the Royal Society of London B 266: 1–12.