Los artrópodos son animales que poseen una cutícula externa e inerte que los envuelve y protege frente a depredadores. Esta cutícula forma, en la mayoría de los artrópodos, un exoesqueleto rígido y poco flexible que impide a los artrópodos crecer de forma continua. La cutícula es una capa externa de proteínas fuertemente entrelazadas y secretada por las células epidérmicas del artrópodo, por lo que, aunque sea inerte, no es de naturaleza mineral. Los crustáceos podrían considerarse la excepción a esta última descripción ya que en su cutícula acumulan también carbonato cálcico, un mineral también llamado calcita (CaCO3). Como la cutícula es secretada por las células más externas del organismo, ésta descansa sobre la epidermis (la cutícula es la capa más externa, la que separa el medio interno del organismo del ambiente). Aunque el grosor y la dureza de la cutícula varían según el grupo, en todos los artrópodos mantiene la misma estructura básica de doble capa: la capa externa se denomina epicutícula y la interna procutícula.
La epicutícula es la capa más externa y la que está en contacto con el ambiente (aire en el caso de insectos, miriápodos y quelicerados; agua en crustáceos). Su superficie suele tener relieve y es extremadamente delgada en comparación con la procutícula. Se compone de pequeñas y sencillas proteínas, que son específicas de los artrópodos, unidas fuertemente a lípidos (o grasas). La procutícula, por el contrario, es mucho más gruesa y se compone en su mayoría de microfibras paralelas de quitina, un polisacárido muy largo y resistente. El grado de unión de la quitina con el resto de proteínas de la procutícula es el responsable de la mayor o menor dureza del exoesqueleto. Esta procutícula se subdivide a su vez en dos capas en función de la cantidad de quitina que presente: la exocutícula, situada justo debajo de la epicutícula, y la endocutícula, la capa más basal (todas estas capas de las que estamos hablando las tenéis representadas en la primera imagen). Al inicio de la entrada mencionamos que los crustáceos eran capaces de introducir minerales de calcio en su cutícula; pues bien, tanto la exocutícula como la endocutícula (es decir, toda la procutícula) de los crustáceos sufren calcificación. La calcificación es el proceso por el cual se depositan estos minerales de calcio (calcita). Es cierto que esta estructura cuticular puede complicarse aún más; hay autores que subdividen la epicutícula y procutícula cada una en dos capas según la proporción de sus componentes, pero no vamos a entrar en más detalle. Con la estructura descrita, que es la universal, nos vale para explicar la muda.
Podríamos definir la muda, o ecdisis (del griego «ekduo», desnudarse), como el proceso fisiológico de crecimiento discontinuo de los artrópodos. Es decir, que los artrópodos no pueden crecer de forma continua como lo hacemos nosotros debido a su exoesqueleto rígido, y para solucionar el problema del crecimiento recurren a la muda, que no es más que la renovación de su cutícula (en la segunda imagen tenéis representado este crecimiento discontinuo). Para crecer, los artrópodos deben perder su unión con la cutícula, escapar del envoltorio que ésta forma y finalmente aumentar de tamaño. Este aumento de tamaño, antes de que se produzca el crecimiento por biomasa, lo consiguen ingiriendo agua o aire (según si el artrópodo es marino o terrestre, respectivamente) antes de crear un nuevo exoesqueleto y endurecerlo. Una vez la nueva cutícula se ha sintetizado y endurecido, el artrópodo ya puede alimentarse y crecer por aumento de biomasa. Así, por cada muda que el artrópodo sufra, el tamaño y peso aumentarán ligeramente.
No todos los artrópodos mudan a la misma velocidad ni la misma cantidad de veces. El número de mudas está determinado por cada especie o grupo: hay especies que mudan indeterminadamente durante toda su vida y hay otras que mudan un número limitado de veces, generalmente menos de diez (en estos últimos, la última muda se denomina muda terminal). Como los artrópodos mudan varias veces a lo largo de su vida, podemos crear ciclos de muda con diferentes fases, es decir, describir qué procesos ocurren entre una muda y otra. En cada ciclo ocurren numerosos cambios, entre los que destacan los cambios metabólicos (como cambios en la bioquímica y fisicoquímica), citológicos (cambios en la estructura celular) y etológicos (cambios en el comportamiento). Para que en cada ciclo de muda se desencadenen todos estos cambios son necesarios, obviamente, cambios en la expresión génica que los generen. ¿Qué quiere decir esto? Que no todos los genes se expresan al mismo tiempo ni en la misma cantidad ni en todas las células en cada fase del ciclo de muda; resumiendo, que se produce expresión diferencial de genes. Hay genes que se sobreexpresan y otros que se reprimen. Los que se sobreexpresan dan lugar, mayoritariamente, a la síntesis de hormonas; y son estas hormonas las que provocan en última instancia la muda. Para comprender la base genética y hormonal de la muda de los artrópodos, vamos a dividir cada ciclo de muda en cuatro fases: (1) premuda, (2) muda o ecdisis, (3) postmuda e (4) intermuda, y explicar qué ocurre en cada una. Aunque la muda sea un evento cíclico donde podamos poner a nuestro antojo el inicio y el final, consideraremos la premuda como la primera fase del ciclo. ¿Preparados?
1. Premuda
Esta primera fase es la más compleja y la que inicia la muda a nivel endocrino (hormonal), es decir, que el artrópodo sufre los primeros fenómenos fisiológicos que le preparan para mudar. La muda es desencadenada por la ecdisona, una hormona que pertenece a la misma familia que nuestros andrógenos o estrógenos: los esteroides. Concretamente, a la ecdisona y sus derivados se les llama ecdisteroides para diferenciarlos de los esteroides del resto de animales. Esta hormona se sintetiza en los llamados órganos-Y, unas glándulas especializadas que se localizan en el cefalotórax de los artrópodos. Son estos órganos-Y los que inician, sintetizando ecdisona, la muda. ¿Y cómo lo hacen? Aunque es un proceso bastante complejo a nivel molecular, intentaremos resumirlo. Como ya se ha dicho, en un inicio se sintetizan grandes cantidades de ecdisona gracias a esos órganos-Y, aunque se ha comprobado que existen otras hormonas como el metil farnesoato (en crustáceos) o la hormona juvenil (en insectos) que también estimulan esta producción de ecdisona. La ecdisona, como tiene naturaleza lipídica, puede atravesar las membranas celulares. Cuando se introduce en las células, la ecdisona se une a moléculas específicas del núcleo celular y a ciertas secuencias de ADN. Es esta unión al ADN la que es crucial para desencadenar la muda, ya que activa o reprime a ciertos genes, y sin esta unión la muda no existiría.
Aunque son muchos los genes activados y reprimidos por la ecdisona durante la premuda, nombraremos solo los más relevantes. Uno de los genes que se activan es el de la hemocianina, una proteína que transporta el oxígeno requerido por la muda a través de la hemolinfa (la sangre de los artrópodos). Otros genes activados incluyen quitinasas y diversas enzimas proteolíticas. Las quitinasas degradan las largas cadenas de quitina de las que hablamos al inicio y el resto de enzimas degradan tanto las proteínas de la cutícula como aquellas proteínas que unen la epidermis con la cutícula. Esta rápida degradación cuticular produce el fenómeno de apólisis, que no es más que la separación de la cutícula de la epidermis; es decir, que en este momento el artrópodo se quita el exoesqueleto (o se desnuda). Por último, tras la apólisis y antes de terminar la premuda, se activan los genes de las quitina-sintetasas. Estas enzimas, a diferencia de las quitinasas, crean quitina. Esto da lugar, junto a otros genes que generan nuevas proteínas, a que se creen las nuevas epicutícula y exocutícula. En pocas palabras, en la premuda el artrópodo se desprende de su viejo exoesqueleto, sin salir de él, y comienza a formar el nuevo. Para acabar mencionar que solo en crustáceos se produce un fenómeno único: la reabsorción del calcio de la vieja cutícula y su almacenamiento. El carbonato cálcico (CaCO3) de la procutícula es fragmentado, y el calcio resultante se disuelve en la hemolinfa. Desde la hemolinfa el calcio se distribuye hasta el estómago, donde será almacenado en estructuras llamadas gastrolitos. Es decir, el crustáceo aprovecha el calcio de su viejo exoesqueleto antes de deshacerse por completo de él.
2. Muda o ecdisis
La muda en sí es un proceso breve caracterizado por la salida del artrópodo del viejo exoesqueleto. Para desprenderse de la vieja cutícula, el artrópodo debe ejercer presión sobre ésta, y lo consigue aumentando de tamaño de forma muy rápida. Para ello, el organismo ingiere agua (si es crustáceo) o aire (si es un artrópodo terrestre). La presión ejercida hace el resto. Al viejo exoesqueleto, ya desprendido, se le conoce con el nombre de exuvia. Bueno, realmente el proceso no es tan sencillo. Varios estudios han comprobado que esta ingesta de agua o aire está asociada a la expresión de varias proteínas del citoesqueleto celular, lo que facilita el aumento de tamaño al incrementar la flexibilidad celular. ¿Adivináis el responsable de esta activación? Sí, la ecdisona.
3. Postmuda
Esta fase es la que sucede inmediatamente después de la salida del artrópodo del viejo exoesqueleto. Una vez ocurre esto, la ecdisona se reprime: el organismo ya no tiene que seguir con el proceso de muda, tiene que terminarlo. La inhibición de la síntesis de ecdisona es producida por la hormona inhibidora de la muda, una hormona totalmente diferente a la ecdisona. No es esteroidea, es proteica. Tampoco viaja a través de la hemolinfa, lo hace a través de neuronas. Y no se sintetiza en los órganos-Y del cefalotórax, se sintetiza en los órganos-X de los pedúnculos oculares. Esta hormona inhibidora de la muda reduce drásticamente los niveles de producción de ecdisona, llegando incluso a cero. Esto significa, como os podéis imaginar, que a nivel molecular todos los genes activados anteriormente por la ecdisona estarán ahora inactivos. No hay oxígeno extra, ni apólisis, ni tampoco reabsorción de calcio en crustáceos.
Lo que sí continúa es la síntesis de la nueva cutícula gracias a las quitina-sintetasas, que no se inhiben. Si recordáis, en la premuda se comenzaron a formar las nuevas epicutícula y exocutícula. Ahora, en la postmuda se comienza a formar la endocutícula, la capa más basal. A la vez que se va sintetizando, se va endureciendo gracias a las uniones cada vez más fuertes entre las quitinas y otras proteínas. En crustáceos no solo se endurece, también se calcifica. ¿No os habéis olvidado de los gastrolitos, verdad? Aquellas estructuras estomacales llenas de calcio. En esta fase de postmuda el calcio acumulado se disuelve y se transporta al nuevo exoesqueleto (gracias a la acción de la hormona calcitonina), el cual se irá calcificando progresivamente. Por último, antes de terminar por completo la muda, el artrópodo pierde todo el agua o aire ingeridos anteriormente. Esto provoca que su cuerpo disminuya bastante de tamaño. El cuerpo disminuye, efectivamente, pero el exoesqueleto no. El exoesqueleto posee mayor volumen (tamaño) que el cuerpo, ya que se endureció cuando el artrópodo ingirió el agua o aire en la fase de ecdisis. Este espacio que queda ahora entre el nuevo exoesqueleto y el cuerpo del organismo será rellenado con biomasa con el crecimiento.
4. Intermuda
Esta última fase es donde el artrópodo no muda, solo se alimenta y crece. Obviamente, hasta que no se vuelva a entrar en premuda (que sería el siguiente ciclo de muda o crecimiento) la ecdisona estará reprimida por la acción constante de la hormona inhibidora de la muda. De hecho, experimentos de extirpación de pedúnculos oculares (o sea, de extirpación de los órganos-X) han demostrado que el tiempo entre mudas se acorta enormemente y que el artrópodo muda mucho más frecuentemente, y esto es debido a que la ecdisona nunca está reprimida, sino activa.
En la siguiente imagen tenéis resumidas gráficamente estas cuatro fases del ciclo de muda. No lo hemos mencionado, pero la duración de cada una es muy variable y depende del grupo de artrópodos, aunque es cierto que la fase de ecdisis suele ser ser la más corta ya que es donde el organismo está más expuesto al peligro (depredación fundamentalmente; de hecho, el organismo busca un refugio seguro cuando se está desprendiendo del viejo exoesqueleto).
Por último os dejo el póster que presenté en el evento de divulgación científica «Desgranando Ciencia 5» en Granada (14-15 de diciembre, 2018), que no es más que un breve resumen visual de todo lo que hemos visto en este artículo.
Referencias:
1. Bernard Moussian (2013). The arthropod cuticle. En: Arthropod Biology and Evolution: Molecules, Development and Morphology. Editores: Alessandro Minelli, Geoffrey Boxschall y Giuseppe Fusco. Editorial: Springer, pp: 171-196.
2. Richard G. Hartnoll (2001). Growth in crustacea, twenty years on. Hydrobiologia, 449 (1), pp: 111-122.
3. Ernest S. Chang y Donald L. Mykles (2011). Regulation of crustacean molting: a review and our perspectives. General and Comparative Endocrinology, 172 (1), pp: 323-330.
4. J. P. Charles (2010). The regulation of expression of insect cuticle protein genes. Insect Biochemistry and Molecular Biology, 40 (3), pp: 205-213.
5. Cleveland P. Hickman, Larry S. Roberts, Susan Keen, Allan Larson, Helen I’anson y David J. Eisenhour (2008). Crustaceans. En: Integrated Principles of Zoology, edición 14. Editorial: McGraw-Hill, Inc., pp: 420-440.
6. J. Puthumana, M. Lee, J. Han, H. Kim, D. Hwang, J. Jung y J. Lee (2017). Ecdysone receptor (EcR) and ultraspiracle (USP) genes from the cyclopoid copepod Paracyclopina nana: identification and expression in response to water accommodated fractions (WAFs). Comparative Biochemistry and Physiology, 192 (1), pp: 7-15.
7. Moshe Tom, Chiara Manfrin, Sook J. Chung, Amir Sagi, Marco Gerdol, Gianluca De Moro, Alberto Pallavicini y Piero G. Giulianini (2014). Expression of cytoskeletal and molt-related genes is temporally scheduled in the hypodermis of the crayfish Procambarus clarkii during premolt. The Journal of Experimental Biology, 217 (1), pp: 4193-4202.
Recursos: La fotografía de portada (zayapa, Grapsus grapsus) se ha extraído de Wikipedia y su autor es Peter Wilton. El dibujo de la cutícula y sus capas es obra de Cleveland P. Hickman et al. (2008). La secuencia de fotografías de la libélula Aeshna cyanea mudando se ha extraído de Wikipedia y su autor es Bohringer Friedrich. El esquema del ciclo de muda contiene dibujos cuticulares de Cleveland P. Hickman et al. (2008).
Muy útil y muy bien explicado