Enzimi detossificanti, enzimi metabolici e coefficiente termico Q10 in Cyprinus carpio L. del lago Trasimeno

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distribuzione degli amminoacidi ed interferire con il decorso della reazione 
enzimatica. Tale effetto può essere reso maggiore nel momento in cui si 
modifichi lo stato di ionizzazione di amminoacidi presenti nel sito attivo 
dell’enzima e direttamente coinvolti nella catalisi. Fino ad un certo punto un 
aumento di temperatura può influenzare la cinetica di una reazione 
rendendola più veloce a causa della aumentata frequenza delle collisioni del 
substrato con l’enzima e della più veloce formazione dei complessi 
enzima/substrato. 
Nella maggioranza dei casi gli enzimi non agiscono in modo isolato ma 
tendono a funzionare in maniera concatenata nelle vie metaboliche. Il 
corretto funzionamento del metabolismo prevede una ordinata sequenza di 
reazioni catalizzate da diversi enzimi; la differenza non è solo a livello della 
reazione catalizzata, ma anche a livello delle proteine che costituiscono tali 
enzimi. Ciò vuol dire che gli enzimi di una via metabolica, costituiti da 
proteine diverse per dimensioni e sequenza amminoacidica, molto 
probabilmente sono differenti anche per quanto riguarda la loro dipendenza 
dalla temperatura. Il risultato di ciò potrebbe essere la perdita della 
relazione sequenziale all’interno della via metabolica considerata, con 
conseguenze non completamente prevedibili. Una via metabolica infatti non 
è un fenomeno isolato, ma un elemento di un complesso intreccio di vie che 
sono tutte relazionate tra loro.                           
 
 3
1.2 Parametro Q
10 
 
In generale, quando i valori della temperatura si riducono di circa 10°C, i 
valori delle attività enzimatiche si abbassano riducendo l’efficienza dei 
processi metabolici ai quali prendono parte (Hazel e Prosser 1974; 
Hochacka e Somero 1984). La dipendenza termica nelle reazioni chimiche è 
spiegata dalla teoria di Arrhenius (1915), secondo la quale la velocità di una 
reazione chimica è influenzata dalla temperatura secondo la seguente 
equazione:  
K = A e
-E/RT
 
Dove: 
K =  coefficiente di velocità; 
T = temperatura assoluta (in gradi K); 
A = fattore di frequenza; 
E = energia di attivazione. 
 
Ponendo l’equazione di Arrhenius in forma logaritmica, si ha  
 
Ln K = ln A – E
a
/RT 
I coefficienti A, E
a
, non sono ricavabili con metodi teorici e sono anch’essi 
legati alle variazioni di temperatura; tuttavia per escursioni termiche non 
molto ampie, si possono ritenere costanti. Questo fatto ci permette di 
scrivere due equazioni analoghe alla precedente: una K
1
 e T
1
, l’altra  K
2 
e T
2 
.  
Eguagliando le due equazioni così ottenute, si ha: 
 
ln  K
2 
/ K
1 
= E
a
 / R (1/T
2  
- 1/T
1
 ) 
Questa equazione permette di calcolare la costante cinetica di reazione ad 
una certa temperatura se è nota la costante per un’altra temperatura e 
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l’energia di attivazione della reazione. La velocità della maggior parte delle 
reazioni chimiche viene circa raddoppiata per ogni 10°C di aumento di 
temperatura. Questa regola è approssimativa, infatti, a volte ad un aumento 
di 10°C, corrisponde un incremento di velocità minore o maggiore; le reazioni 
delle molecole di grandi dimensioni possono subire incrementi maggiori. 
Comunque la percentuale di una reazione duplica o triplica a seconda 
dell’aumento della temperatura di 10°C. Questa dipendenza dalla 
temperatura è espressa dal coefficiente  termico ovvero dal Q
10
 definito 
come: 
Q
10 
= (K
2 
/ K
1
)
10(t
2 
-
 t
1
) 
 
Dove K
1 
e K
2 
indicano le velocità di reazione alle due diverse temperature 
considerate t
1
 e t
2
. 
Quindi poiché il Q
10 
corrisponde al rapporto tra la velocità di una reazione 
misurata ad una data temperatura t e la velocità della stessa reazione ad 
una temperatura più bassa di 10°C, possiamo riscrivere la formula come: 
Q
10
 = V
t
 / V
t- 10 
 
 Nella maggior parte degli animali con temperatura corporea non costante, il 
tasso metabolico aumenta di due o tre volte per ogni aumento di 10°C della 
temperatura ambientale, tuttavia vi sono alcuni ectotermi che manifestano 
una considerevole indipendenza dalla temperatura.  
Il coefficiente Q
10
 quindi descrive la dipendenza di un processo dalla 
temperatura: valori di Q
10
 >1 indicano una dipendenza positiva, valori di Q
10
 
<1 indicano una dipendenza negativa. Quando si considera il valore di Q
10
 per 
un singolo enzima i valori sono generalmente tra 1 e 2 e ciò significa che per 
ogni 10°C di incremento termico la velocità della risposta biologica 
 5
raddoppia o addirittura triplica. Se una reazione o un processo non sono 
dipendenti dalla temperatura il Q
10
 risulta pari a 1. (Nathanailides, 1996). 
 
 
 
Figura 1-  Relazione  tra temperatura  e  velocità  di 
reazione 
 
10 20 30 40 50 60
1
2
3
La velocità  triplica 
se la temperatura
aumenta di 10°c
Q
10
=3
La velocità
raddoppia se
la temperatura
aumenta di 10°C;
Q
10
=2
Reazione che non risente
della temperatura;Q
10
=1
Temperatura (°C)
V
e
l
o
c
i
t
à
 
d
i
 
r
e
a
z
i
o
n
e
6
4
5
8
9
7
10
V
e
l
o
c
i
t
à
 
d
i
 
r
e
a
z
i
o
n
e
V
e
l
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t
à
 
d
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r
e
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o
n
e
V
e
l
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d
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r
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o
n
e
V
e
l
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t
à
 
d
i
 
r
e
a
z
i
o
n
e
V
e
l
o
c
i
t
à
 
d
i
 
r
e
a
z
i
o
n
e
 6
1.3 Termoregolazione e compensazione metabolica 
I processi di termoregolazione riguardano tutti gli organismi viventi 
consentendo, pertanto, forme di adattamento all’ambiente in cui essi vivono. 
Gli ectotermi, assumono temperatura corporea uguale a quella dell’ambiente 
in cui vivono. Negli endotermi invece la temperatura corporea non è 
strettamente dipendente dalla temperatura ambientale, in quanto sono 
dotati di efficaci meccanismi di termoregolazione, che permettono di 
mantenere costante la loro temperatura corporea.  
Gli uccelli e tutti i mammiferi sono detti omeotermi in quanto sono in grado 
di mantenere la temperatura corporea ad un livello costante. La variazione 
stagionale di temperatura ha particolare importanza negli ectotermi 
acquatici, perché la loro temperatura varia considerevolmente con quella 
dell’ ambiente in cui vivono.  
Vi sono diversi meccanismi termoregolatori che gli animali hanno messo a 
punto nel corso della loro evoluzione per mantenere la temperatura 
corporea a livelli ottimali: termoregolazione comportamentale secondo la 
quale l’animale si sposta  in ambienti in cui la temperatura è più vicina a 
quella ottimale; termoregolazione fisiologica che dipende dall’aumento del 
metabolismo delle riserve energetiche (il flusso di sangue nei vertebrati 
influenza il gradiente termico e quindi il flusso di calore attraverso la 
superficie corporea); termoregolazione adattativa, comprende modifiche 
nella capacità di controllo autonomo della perdita del calore; acclimatazione, 
processo che può essere di tipo stagionale e che può portare alla 
compensazione metabolica. Possono partecipare al processo di 
acclimatazione sia modifiche in concentrazioni enzimatiche, sia modifiche a 
livello di struttura di membrana (Hochachka e Somero 1984). Il risultato 
della acclimatazione è una alterazione dell’effetto della temperatura 
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sull’animale: un’animale acclimatato al freddo avrà un più alto tasso 
metabolico di una animale acclimatato al caldo. I tassi metabolici dei pesci 
degli ambienti temperati, ad esempio, sono più alti di quelli dei pesci 
tropicali, meno alti di quelli dei pesci polari (Brett e Groves, 1979; Pörtner 
2002). Nella carpa si hanno cambiamenti nel fenotipo in seguito 
all’acclimatazione alle diverse temperature; si hanno inoltre cambiamenti 
per quanto riguarda la locomozione (Klyachko e Ozernyuk, 1994; Egginton e 
Sidell, 1989; Flemmig et al., 1990). Si parla di acclimatazione enzimatica 
quando la variazione della velocità delle reazioni è legata al cambiamento o 
della struttura molecolare di uno o più enzimi o di altri fattori che ne 
influenzano la cinetica. In alcuni casi di acclimatazione, la compensazione 
termica sembra derivare semplicemente da una variazione della quantità di 
un enzima piuttosto che dalle sue caratteristiche. Il tempo di 
acclimatazione dipende dalla varietà con cui possono essere modificati il 
tipo o la concentrazione degli enzimi coinvolti. L’acclimatazione fisiologica è 
un cambiamento reversibile nei diversi processi metabolici (Stone e Sidell, 
1987).  
I pesci sono vertebrati acquatici, ectotermi, che possiedono un meccanismo 
di termoregolazione meno accurato rispetto a quello dei mammiferi. Infatti, 
la velocità metabolica di un pesce campionato in estate, è differente da 
quella invernale. E’ possibile fare un esempio a riguardo: se si preleva un 
campione di una specie ittica lacustre in estate, la si porta in laboratorio e 
se ne misura la velocità metabolica a varie temperature sperimentali, 
otteniamo che le attività sono più alte alle più alte temperature indagate 
con un valore di Q
10
 uguale a 2. Se lo stesso campione riportato nel suo 
ambiente, viene nuovamente prelevato in inverno e si ripetono le misurazioni, 
si nota che l’attività metabolica della specie in inverno a 4°C, non 
corrisponde ai valori che si erano ottenuti misurando la sua attività 
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metabolica in estate alla stessa temperatura, ma si avvicinano piuttosto ai 
valori ottenuti a 24°C. Il pesce quindi può disporre di una comparabile 
velocità nelle due diverse stagioni alle diverse temperature. Questo dipende 
dalla compensazione metabolica che adegua i processi fisiologici del pesce 
alle variazioni termiche ambientali.  
Non è chiaro il meccanismo fisiologico adattativo alle variazioni di 
temperatura; infatti per realizzare una adeguata compensazione metabolica 
stagionale i pesci potrebbero: 
1. Esprimere forme enzimatiche differenti nelle varie stagioni. Sarebbe 
necessario disporre per uno stesso enzima di più geni che codificano per 
forme enzimatiche in grado di catalizzare una reazione alla stessa velocità, 
ma a diverse temperature. Tuttavia, i meccanismi di compensazione alle 
variazioni termiche sembrerebbero non richiedere questo tipo di 
intervento. 
2. Aumentare o diminuire la quantità di tutti gli enzimi di una determinata 
via metabolica. (regolazione quantitativa differenziale dell’ espressione 
genica). Una tale modificazione richiede però che i valori del Q
10
 dei singoli 
enzimi della via metabolica siano simili tra loro; 
3. Aumentare o diminuire la quantità di singoli enzimi di una determinata via 
metabolica (regolazione quantitativa differenziale  dell’ espressione genica). 
La maggiore difficoltà sarebbe costituita, in tal caso, dal differenziare l’ 
espressione dei singoli enzimi di una via metabolica sulla base dei loro valori 
di Q
10
 se questi sono notevolmente differenti tra loro. 
I meccanismi di compensazione alle variazioni termiche giornaliere non 
richiedono invece interventi a livello di espressione genica; nel caso dei 
pesci inoltre la elevata inerzia termica dell’acqua svolge una notevole 
funzione in termini di protezione  opponendosi efficacemente a rapide 
oscillazioni termiche.