Pesci - Anatomia - Organi Respiratori
	Branchie Escrezione di ammoniaca

Il catabolismo degli aminoacidi e delle basi azotate genera, per la maggior parte,  rifiuti essenzialmente rappresentati dall'ammoniaca (NH3). che è molto tossica e non può essere accumulata nei tressuti. I principali effetti dell'ammoniaca sono  quelli di sbilanciare i gradienti elettrochimici a livello del sistema nervoso centrale e di sostituirsi (come ione ammonio)  allo ione potassio  nei trasportatori ionici.

Nei pesci, le branchie sono il principale sito di escrezione di questi rifiuti.
Quasi tutti gli actinopterigi e gli agnati, espellono l'azoto in eccesso come ammoniaca e sono detti ammoniotelici.
Gli elasmobranchi, i celacanti e alcuni teleostei producono urea e sono detti urotelici. Questo adattamento, oltre ad essere osmoregolatore, si è  evoluto sia come  detossificatore  dell'ammoniaca.

I teleostei sono organismi ammoniotelici. Infatti, espellono circa 95% dei loro rifiuti di azoto sotto forma di ammoniaca. Il rimanente 5% dei rifiuti viene trasformato in acido urico e urea ed è eliminato dal sistema escretore renale.
L'ammoniaca si trova sotto forma di ioni ammonio NH₄⁺ a pH fisiologico e viene escreta quasi tutta attraverso le branchie, più o meno alla stessa velocità della sua produzione, E' il terzo gas respiratorio ed è deputato a svolgere un ruolo nel controllo della respirazione.
Poiché gli ioni di ammonio difficilmente possono essere escreti per semplice diffusione, il meccanismo del loro smaltimento richiederebbe almeno un trasportatore.
In studi passati si affermava che le sostanze di piccola massa molecolare, come NH₃, CO₂ , urea e acqua, fossero considerate relativamente permeabili, quindi non avrebbero necessitato di alcun trasportatore o canale specializzato, ma semplicemente sarebbero scivolate oltre o dissolte nei lipidi di membrana nel doppio strato lungo il gradiente di diffusione.
La diffusione non ionica di NH₃ veniva suggerita da un efficace complesso di scambio Na⁺ /NH₄⁺ (antiporto branchiale), che in effetti esiste sulla superficie apicale dell'epitelio branchiale e che probabilmente fa ricorso a diversi trasportatori di membrana, invece che da un singolo scambiatore Na⁺ /NH₄⁺
Al contrario, le molecole ioniche (ad esempio NH₄⁺, Na⁺, Cl^– richiedevano trasportatori/canali proteici attivi (ad esempio Na/K⁺-ATPasi) o passivi (ad esempio scambio HCO₃^- /Cl^- , canale Na⁺).
Randall e Tsui (2002) e  Wood (1993)  avevano ipotizzato un meccanismo per il trasporto attivo dello ione ammonio attraverso l’epitelio delle branchie di pesci teleostei con  il coinvolgimento di due ATPasi di membrana, la Na,K-ATPasi basolaterale e una Na,H-ATPasi apicale, che avrebbero trasportato lo ione ammonio rispettivamente in sostituzione di K⁺ e di H⁺.
In questo meccanismo le cellule del cloruro avrebbero messo in opera un assorbimento netto (spostamento dall’esterno all’interno dell’organismo) di Na⁺ e Cl^-. L’assorbimento di NaCl sarebbe accoppiato all’estrusione di scorie azotate (coppia NH₄⁺ e NH₃) e alla regolazione dell’equilibrio acido-base.
Le cellule del cloruro, cioè, svolgerebbero, negli Osteitti d’acqua dolce, le funzioni che nell’uomo sono distribuite tra reni, canale alimentare e polmoni.
Sulla membrana basolaterale sarebbe localizzata la Na+ /K+ -ATPasi che manterrebbe un gradiente elettrochimico favorevole all’ingresso in cellula di Na+.
In acqua marina cambiarebbe il verso degli spostamenti, perché differenti sono i trasportatori della membrana apicale e di quella basolaterale che verrebbero impiegati.
Questi meccanismi sarebbero sovrapposti ad un sostanziale movimento verso l'esterno di NH₃  per semplice diffusione, che sarebbe dipesa dall'intrappolamento acido nell'acqua dello strato limite da parte di ioni H⁺ creati dall'idratazione catalizzata o non catalizzata della CO₂ metabolica espirata.
 

Tuttavia, dal 2000, il paradigma è cambiato con la scoperta che, nei mammiferi, le glicoproteine ​​Rh possono fungere da canali selettivi che facilitano notevolmente la diffusione dell'ammoniaca attraverso le membrane cellulari. Tale meccanismo è stato scoperto anche nelle branchie dei granchi e in alcuni telostei.
La loro importanza nell'escrezione di ammoniaca è stata rafforzata dalla scoperta che i livelli di espressione di mRNA delle proteine ​​Rh nelle branchie erano sovraregolati, nella trota,  dal carico di ammoniaca esterno o interno e che, nel pesce zebra,  l'abbattimento molecolare dell'espressione della proteina Rh riduceva gravemente l'escrezione di ammoniaca nelle larve.
La funzione di trasporto dell'ammoniaca delle proteine ​​Rh della trota è stata definitivamente dimostrata da studi di espressione degli ovociti in vitro.

Le proteine ​​Rh svolgono un ruolo chiave nei modelli attuali dell'escrezione branchiale di ammoniaca dei pesci teleostei.
Mentre una parte di ammoniaca può passare per semplice diffusione attraverso le membrane cellulari delle lipoproteine, una parte significativa può anche passare per diffusione facilitata attraverso i canali delle proteine ​​Rh, e si pensa che questa frazione aumenti quando l'espressione della proteina Rh è indotta dal carico di ammoniaca.
In effetti, viene proposto che il trasporto attivo verso l'esterno di ammoniaca spieghi l'aumentata escrezione di ammoniaca dopo l'alimentazione, l'esercizio fisico o l'infusione di ammoniaca, nonché il ripristino dell'escrezione di ammoniaca quando i normali gradienti pNH3 e NH₄⁺ elettrochimici diretti verso l'esterno vengono invertiti da elevati livelli di ammoniaca esterna.

Basato sulla partecipazione attiva di un metabolone mediato da  geni delle glicoproteine ​​Rhesus (Rh) e collegato all'assorbimento di Na⁺ e all'escrezione acida, un nuovo modello  per l'escrezione di ammoniaca nei pesci d'acqua dolce apre la strada a nuovi meccanismi escretori.
In questo modello,
- Rhag facilita il flusso di NH₃ fuori dall'eritrocita,
- Rhbg  la sposta attraverso la membrana basolaterale dell'ionocita branchiale,
- un complesso di scambio Na⁺ /NH_4>⁺  apicale, costituito da diversi trasportatori di membrana (Rhcg, H⁺ -ATPasi di tipo V, scambiatore Na⁺ /H⁺  NHE-2 e/o NHE-3, canale Na⁺)  fornisce un meccanismo di intrappolamento acido per l'escrezione apicale.
- l'anidrasi carbonica intracellulare (CA-2) e il cotrasportatore basolaterale Na⁺ /HCO₃^- (NBC-1) e la Na⁺ /K⁺ -ATPasi svolgono ruoli indiretti.

Su queste basi, in futuro,  si apriranno vaste indagini sulle proteine ​​Rh nei pesci, che vedranno il loro coinvolgimento nel meccanismo di escrezione di ammoniaca attraverso le branchie nei pesci d'acqua marina, la loro possibile importanza nell'escrezione di ammoniaca attraverso la pelle, il loro potenziale duplice ruolo come trasportatori di CO₂ , le loro risposte all'alimentazione e i loro ruoli nelle prime fasi della vita prima del pieno sviluppo delle branchie.

Quando la CO2 viene escreta attraverso le branchie, viene idratata nell'acqua delle branchie (strati limite non agitati) per generare H+ e HCO3–.
L'H+ risultante generato dall'idratazione della CO2 e probabilmente dall'attività apicale dell'ATPasi H+, intrappola l'NH3 come NH4+, poiché diffonde passivamente nell'acqua delle branchie, mantenendo il gradiente PNH3 transcellulare.
Le prove genomiche e fisiologiche emergenti suggeriscono che il trasporto di ammoniaca attraverso la membrana plasmatica delle cellule branchiali dipende dalla presenza di glicoproteine ​Rhesus.
Sulla base di questa evidenza si ipotizza che le glicoproteine ​​Rhcg o Rhbg sulla membrana basolaterale agiscano come condotto per il trasporto di NH3 (le glicoproteine ​​Rh sono anche permeabili a NH4+) nel citosol delle cellule branchiali, seguito dalla diffusione di NH3 verso l'esterno tramite le glicoproteine ​​Rhcg apicali.
Rimane anche la possibilità che una unica NH4+- ATPasi Na+ dipendente -, ancora non caratterizzata, contribuisca anche al trasporto di ammoniaca basolaterale (Salama et al., 1999).
A causa della presenza di profonde giunzioni strette tra cellule adiacenti nella branchia d'acqua dolce, sembra improbabile che vi sia una diffusione paracellulare apprezzabile di NH4+ nei pesci d'acqua dolce.

Testo adattato
 

Fonti

• Sandrine Heusser - Licence de sciences de la vie - Faculté des sciences et techniques Université Jean Monnet de Saint-Étienne - Département de biologie-biochimie- 2017

• A new paradigm for ammonia excretion in aquatic animals: role of Rhesus (Rh) glycoproteins-
  Patricia A. Wright1, and Chris M. Wood - pdf

• Ammonia and urea transporters in gills of fish and aquatic crustaceans
  Dirk Weihrauch, Michael P. Wilkie and Patrick J. Walsh - pdf

• Ammonia production, excretion, toxicity, and defense in fish: a review -
  Yuen K. Ip, and Shit F. Chew - pdf

• Appunti di Ecofisiologia animale - Giuseppe Cassano - pdf

• Is ammonia excretion affected by gill ventilation in the rainbow trout Oncorhynchus mykiss?
  Junho Eom, Sandra Fehsenfeld, Chris M. Wood - pdf

• Organismi acquatici e ambiente: meccanismi biochimici di interazione, risposta e adattamento (Tesi)
  Patrizia Bandiera - pdf

• Rhesus glycoprotein gene expression in the mangrove killifish Kryptolebias marmoratus exposed to elevated environmental ammonia levels and air
  C.Y. C.Hung, K.N.T.Tsui , J.M.Wilson , C.M.Nawata, C.M.Wood and P.A.Wrigh - pdf