Exercicis de citologia — Biologia 2n Batxillerat

És cert que 'procariota' vol dir simplement 'cèl·lula petita'? Justifica la resposta.

Quins són els components principals de la membrana plasmàtica?

D'on treu l'energia el transport actiu primari?

Un alumne resumeix així la teoria cel·lular: «Tots els éssers vius estan formats per una o més cèl·lules; la cèl·lula és la unitat estructural i funcional dels éssers vius; les cèl·lules noves es formen espontàniament a partir de matèria no viva». Troba l'afirmació incorrecta, corregeix-la i afegeix el postulat que falta sobre la informació genètica.

El límit de resolució del microscopi òptic és d'uns 0,2 µm, i el del microscopi electrònic, d'uns 0,2 nm. Explica què és el límit de resolució, i raona per què amb el microscopi òptic veiem el nucli i els cloroplasts però no els ribosomes, que fan uns 25 nm de diàmetre.

Classifica les estructures següents segons si són exclusives de la cèl·lula vegetal, exclusives de la cèl·lula animal o comunes a totes dues: paret cel·lular, centríols, cloroplasts, mitocondris, vacúol gran central, lisosomes, ribosomes, aparell de Golgi i plasmodesmes.

Relaciona cada orgànul amb la seva funció principal: ribosoma, lisosoma, aparell de Golgi, reticle endoplasmàtic llis, peroxisoma, nuclèol i vacúol. Funcions: síntesi de lípids i detoxificació; digestió intracel·lular; síntesi de proteïnes; síntesi d'ARN ribosòmic i muntatge de les subunitats dels ribosomes; modificació, classificació i empaquetament de proteïnes; emmagatzematge d'aigua i substàncies, i turgència; degradació del peròxid d'hidrogen per la catalasa.

Raona si és cert o fals: «El nuclèol és un orgànul del nucli, envoltat de membrana, on es fabriquen les proteïnes de la cèl·lula». Descriu després les altres parts del nucli en interfase.

Un company diu: «Les cèl·lules vegetals tenen cloroplasts i les animals tenen mitocondris; per això les plantes fan la fotosíntesi i els animals respiren». Raona si l'afirmació és correcta i descriu breument l'estructura del mitocondri.

Indica quin component del citoesquelet (microtúbuls, microfilaments o filaments intermedis) i quina proteïna el forma en cada cas: a) els cilis i els flagells; b) el fus mitòtic que separa els cromosomes; c) l'anell que estrangula la cèl·lula animal en la citocinesi; d) la contracció muscular; e) la resistència mecànica de les cèl·lules de la pell.

En una micrografia, la barra d'escala indica 10 µm i mesura 5 mm sobre el paper. Un bacteri fa 2 mm de llarg a la foto. Quina és la seva mida real?

Per què l'oxigen i el diòxid de carboni travessen la membrana per difusió simple, però la glucosa necessita una proteïna?

Compara el transport actiu primari i el secundari: d'on treu l'energia cadascun? Posa'n un exemple de cada.

Classifica cada procés com a fagocitosi, pinocitosi o exocitosi: (a) un neutròfil engoleix un bacteri; (b) una neurona allibera neurotransmissors a la sinapsi; (c) una cèl·lula de l'intestí capta gotetes de líquid amb les substàncies dissoltes.

Considera dues cèl·lules cúbiques, una d'1 µm d'aresta i una altra de 10 µm d'aresta. Calcula la superfície, el volum i la relació superfície/volum de cadascuna, i fes servir el resultat per explicar per què les cèl·lules són tan petites i per què les cèl·lules de l'epiteli intestinal tenen microvellositats.

Per aïllar els orgànuls, es trenquen les cèl·lules del fetge en un homogeneïtzador i es fa una centrifugació diferencial: se centrifuga l'homogenat a velocitats cada cop més altes i es recull el sediment de cada pas. Ordena en quin sediment apareixeran els nuclis, els ribosomes, els mitocondris i els fragments del reticle endoplasmàtic, justifica l'ordre, i digues quina fracció faries servir per estudiar la respiració cel·lular.

Explica en què consisteix la teoria endosimbiòtica sobre l'origen dels mitocondris i dels cloroplasts, i aporta tres evidències de la seva estructura o funcionament que li donin suport.

Segons el model del mosaic fluid, la membrana plasmàtica és un «mosaic» i és «fluida». Explica què vol dir cada terme i raona com afecten la fluïdesa de la membrana la proporció d'àcids grassos insaturats i la presència de colesterol. Per què els peixos d'aigües fredes tenen membranes més riques en àcids grassos insaturats?

Els lisosomes contenen enzims hidrolítics capaços de degradar proteïnes, lípids, glúcids i àcids nucleics.
a) Explica per què aquests enzims no digereixen la pròpia cèl·lula en condicions normals.
b) Distingeix entre heterofàgia i autofàgia i posa un exemple de cada una.
c) En algunes malalties hereditàries falta un enzim lisosòmic. Raona quina conseqüència té per a la cèl·lula.

Descriu l'estructura del cloroplast (membranes, tilacoides, grana i estroma) i relaciona cada compartiment amb el procés de la fotosíntesi que hi té lloc. Indica també dues característiques que el cloroplast comparteixi amb el mitocondri i una diferència important entre tots dos.

Indica quin orgànul o estructura esperaries trobar especialment desenvolupat en cadascuna d'aquestes cèl·lules i justifica-ho: a) una fibra muscular; b) un macròfag; c) un espermatozoide; d) una cèl·lula de l'ovari que fabrica hormones esteroides; e) una cèl·lula de l'epiteli intestinal.

Les cèl·lules del fetge que eliminen tòxics, com l'alcohol, tenen molt de reticle endoplasmàtic llis. Les del pàncrees que fabriquen enzims digestius tenen molt de reticle rugós i un aparell de Golgi molt desenvolupat. Explica aquesta relació entre la funció de cada cèl·lula i els seus orgànuls.

Les orientacions demanen saber convertir entre metres, mil·límetres, micròmetres, nanòmetres i àngstroms. (a) Un bacteri fa 2 µm de llarg: expressa'n la mida en nanòmetres i en àngstroms. (b) El diàmetre de la doble hèlix d'ADN és de 20 Å: expressa'l en nanòmetres i en micròmetres. (c) Quantes vegades és més llarg el bacteri que ample la doble hèlix?

Les cèl·lules plasmàtiques en secreten milers d'anticossos cada segon. Explica el recorregut d'un anticòs des que es fabrica fins que surt de la cèl·lula, i digues per quin mecanisme en surt.

Observes una preparació amb un microscopi òptic que té un ocular de 10 augments i un objectiu de 40 augments.
a) Calcula l'augment total i la mida real d'una cèl·lula que a la imatge fa 6 mm de diàmetre.
b) Dos ribosomes de la preparació estan separats 30 nm. Raona si els podries veure separats, sabent que el límit de resolució del microscopi òptic és de 0,2 µm, i si canviar a un objectiu de 100 augments ho resoldria.
c) Explica quin tipus de microscopi faries servir per veure'ls i quina diferència fonamental té respecte del microscopi òptic.

El colesterol viatja per la sang dins de partícules de lipoproteïna (LDL). Les cèl·lules tenen receptors de membrana que reconeixen les LDL i les capten. En la hipercolesterolèmia familiar, una malaltia hereditària, els receptors de LDL són defectuosos.
a) Explica pas a pas el mecanisme pel qual una cèl·lula capta les LDL i què passa amb la vesícula un cop a dins.
b) Raona per què les persones amb la malaltia tenen el colesterol de la sang molt alt encara que les seves cèl·lules en necessitin.
c) Indica en què es diferencia aquest mecanisme de la fagocitosi i de la pinocitosi.

Al microscopi electrònic s'observen tres cèl·lules. Mostra 1: fa 2 µm, no té nucli ni orgànuls amb membrana, té ribosomes, una paret de peptidoglicà i membranes internes amb pigments. Mostra 2: fa 30 µm, té nucli, cloroplasts, una paret de cel·lulosa i un vacúol que ocupa gairebé tot el citoplasma. Mostra 3: fa 15 µm, té nucli, centríols, molts lisosomes i no té paret.
a) Identifica el tipus de cèl·lula de cada mostra i justifica-ho amb dues característiques.
b) Raona si la mostra 1 pot fer la fotosíntesi encara que no tingui cloroplasts.
c) Explica on es troba l'ADN en cada mostra i com està organitzat.

La colquicina és una substància que impedeix la polimerització de la tubulina. Prediu i justifica l'efecte que tindrà sobre: a) la divisió d'una cèl·lula que està entrant en mitosi; b) el batec dels cilis de les cèl·lules de la tràquea; c) el transport de vesícules des de l'aparell de Golgi cap a la membrana; d) la contracció d'una cèl·lula muscular. Explica, finalment, per què la colquicina s'utilitza al laboratori per fer cariotips.

Es mesura la velocitat d'entrada de glucosa en glòbuls vermells en funció de la concentració externa de glucosa, mantenint la concentració interna molt baixa: a 1 mM, 10; a 2 mM, 17; a 5 mM, 30; a 10 mM, 40; a 20 mM, 48; a 50 mM, 55 (velocitats en µmol/min).
a) Raona si la glucosa entra per difusió simple o per difusió facilitada, a partir de la forma de la corba.
b) Prediu què passaria amb la velocitat d'entrada si s'afegís un inhibidor de la síntesi d'ATP i justifica-ho.
c) Explica en quin sentit es mouria la glucosa si la concentració interna fos més alta que l'externa, i compara aquest transport amb la manera com les cèl·lules de l'intestí absorbeixen la glucosa.

La penicil·lina impedeix la síntesi del peptidoglicà de la paret bacteriana, i el lisozim de les llàgrimes i la saliva hidrolitza aquest mateix peptidoglicà.
a) Explica per què la penicil·lina mata els bacteris que s'estan dividint però no té cap efecte sobre les cèl·lules humanes.
b) Raona què li passa a un bacteri que ha perdut la paret si es troba en un medi hipotònic, i què li passaria en un medi isotònic.
c) Les cèl·lules vegetals i els fongs també tenen paret. Raona si la penicil·lina els afectaria i de què està feta la paret en cada cas.

Per estudiar com surten els enzims digestius de les cèl·lules dels àcins del pàncrees, s'incuben talls de pàncrees durant 3 minuts amb leucina marcada amb triti (³H) (pols) i després es passen a un medi amb molta leucina sense marcar (persecució). A diferents temps es fixen mostres i, per autoradiografia al microscopi electrònic, es compta quin percentatge de la radioactivitat de la cèl·lula i del lumen de l'àcin hi ha a cada compartiment:
• 5 min: reticle endoplasmàtic rugós (RER) 82 %, aparell de Golgi 10 %, grànuls de secreció 5 %, lumen de l'àcin 3 %.
• 20 min: RER 35 %, Golgi 48 %, grànuls 14 %, lumen 3 %.
• 45 min: RER 12 %, Golgi 20 %, grànuls 58 %, lumen 10 %.
• 90 min: RER 6 %, Golgi 8 %, grànuls 36 %, lumen 50 %.
a) Dedueix, a partir de les dades, el recorregut de les proteïnes de secreció i justifica cada pas amb el temps en què cada compartiment arriba al màxim.
b) Explica per a què serveix la persecució amb leucina no marcada. Què s'hauria observat si s'hagués deixat la leucina marcada durant tot l'experiment?
c) Si en lloc de leucina s'hagués fet el pols amb galactosa marcada, un sucre que s'afegeix a les glicoproteïnes a l'aparell de Golgi, en quin compartiment hi hauria més radioactivitat als 5 minuts? En algun moment n'hi hauria al RER? Raona-ho.
d) Una cèl·lula mutant fabrica un d'aquests enzims sense el pèptid senyal de l'extrem amino. On el trobaries i per què no se secretaria?

En la tècnica FRAP s'uneix una proteïna fluorescent (GFP) a una proteïna de membrana, s'apaga amb un làser intens la fluorescència d'una zona petita de la membrana d'un fibroblast i es mesura com es recupera la fluorescència en aquella zona. L'apagament amb làser és irreversible. Resultats (unitats arbitràries de fluorescència a la zona):
• Proteïna X: abans del làser, 1000; just després, 100; al cap de 5 min, 820 (ja estable).
• Proteïna Y (un receptor): abans, 1000; just després, 100; al cap de 5 min, 370 (estable).
El temps que triga la proteïna X a recuperar la meitat de la fluorescència és de 12 s a 37 °C, de 30 s a 20 °C i de 7 s a 37 °C en cèl·lules a les quals s'ha extret part del colesterol de la membrana.
a) Si les molècules de GFP apagades no es tornen a encendre, com s'explica que la fluorescència de la zona es recuperi? Quin model de membrana confirma?
b) Calcula la fracció mòbil de cada proteïna, definida com la part de la fluorescència perduda que es recupera. Interpreta la diferència entre X i Y.
c) Interpreta l'efecte de la temperatura i del colesterol sobre la velocitat de recuperació.
d) Es creu que la proteïna Y està unida per la cara citosòlica als filaments d'actina. Proposa un experiment per comprovar-ho, amb el control i el resultat esperat.

Es mesura l'entrada de $\mathrm{K}^{+}$ en glòbuls vermells humans fent servir ⁸⁶Rb⁺, un ió radioactiu que travessa la membrana per les mateixes vies que el $\mathrm{K}^{+}$. Resultats, en mmol de $\mathrm{K}^{+}$ per litre de cèl·lules i per hora:
1) Control a 37 °C: 2,0.
2) 37 °C amb ouabaïna (inhibidor específic de la bomba Na⁺/$\mathrm{K}^{+}$): 0,3.
3) 4 °C: 0,2.
4) 37 °C, després de 2 h amb fluorur (inhibidor d'un enzim de la glicòlisi): 0,4.
5) 37 °C amb cianur (inhibidor de la cadena respiratòria): 2,0.
a) Calcula quina part de l'entrada de $\mathrm{K}^{+}$ del control es deu a la bomba Na⁺/$\mathrm{K}^{+}$ i quina a altres vies. Quin tipus de transport és la resta?
b) Explica els resultats 3, 4 i 5. Per què el cianur no té cap efecte en aquestes cèl·lules?
c) La bomba hidrolitza 1 ATP per cada 3 Na⁺ que treu i 2 $\mathrm{K}^{+}$ que entra. Calcula quant ATP gasta la bomba i quant Na⁺ treu, per litre de cèl·lules i per hora, en el control.
d) Prediu què passaria amb el volum dels glòbuls vermells si es mantinguessin moltes hores amb ouabaïna, i raona-ho.

Un home torna d'un viatge amb còlera: té una diarrea aquosa de diversos litres al dia. La toxina colèrica fa augmentar l'AMP cíclic dels enteròcits, cosa que obre els canals de Cl⁻ CFTR de la membrana apical; el Cl⁻ surt cap a la llum de l'intestí i el Na⁺ i l'aigua el segueixen. En canvi, el cotransportador SGLT1, que entra 2 Na⁺ per cada glucosa des de la llum intestinal, continua funcionant amb normalitat. L'OMS recomana una solució de rehidratació oral que conté, per litre, 13,5 g de glucosa (M = 180 g/mol) i, a més, 75 mmol de Na⁺, 65 mmol de Cl⁻, 20 mmol de $\mathrm{K}^{+}$ i 10 mmol de citrat.
a) Calcula la concentració de glucosa en mmol/L i l'osmolaritat total de la solució (considera que cada partícula dissolta compta 1 mOsm). Compara-la amb la del plasma (≈ 290 mOsm/L) i raona si és adequada.
b) Explica per què la glucosa ajuda a absorbir sal i aigua. Quin tipus de transport fa el SGLT1 i quina proteïna de la membrana basolateral en manté la força impulsora?
c) Raona per què beure només aigua, o una beguda ensucrada molt concentrada (≈ 600 mOsm/L), no és una bona manera de rehidratar aquest pacient.
d) Si la toxina continua actuant, per què el tractament funciona igualment?

La fibrosi quística es deu a mutacions del gen CFTR, que codifica un canal de Cl⁻ de la membrana plasmàtica. Es comparen dos pacients:
• Pacient A (mutació ΔF508 en homozigosi, que elimina un aminoàcid): per immunofluorescència, la proteïna CFTR es veu al reticle endoplasmàtic i no a la membrana plasmàtica. Clorur a la suor: 98 mmol/L. Després de 6 mesos amb un «corrector» (fàrmac que ajuda la proteïna a plegar-se) més un «potenciador» (fàrmac que augmenta l'obertura del canal): 55 mmol/L.
• Pacient B (mutació G551D en homozigosi, que canvia un aminoàcid): la proteïna CFTR arriba a la membrana plasmàtica. Clorur a la suor: 105 mmol/L. Amb el potenciador sol: 50 mmol/L.
Valors de referència: menys de 30 mmol/L, normal; 60 mmol/L o més, diagnòstic de fibrosi quística.
a) Explica per què la proteïna del pacient A queda retinguda al reticle endoplasmàtic i què n'acaba passant. Relaciona-ho amb el camí que segueix una proteïna de membrana.
b) Raona per què la manca de CFTR fa que la suor sigui salada i que el moc dels bronquis sigui espès.
c) Explica per què el pacient B millora només amb el potenciador i el pacient A necessita, a més, el corrector.
d) Calcula el percentatge de reducció del clorur a la suor en cada pacient i valora si el tractament normalitza la funció del canal.

En diverses malalties hereditàries falta un enzim lisosòmic i els glicosaminoglicans (GAG) s'acumulen dins dels lisosomes. Els enzims lisosòmics s'envien als lisosomes perquè a l'aparell de Golgi se'ls afegeix una marca, la manosa-6-fosfat (M6P), que reconeixen uns receptors; una petita part s'escapa a l'exterior i, si porta la marca, pot ser recaptada per receptors de M6P de la membrana plasmàtica. Es cultiven fibroblasts de tres pacients: A (li falta l'enzim 1), B (li falta l'enzim 2) i C (fabrica tots els enzims, però no els pot afegir la M6P; el seu medi de cultiu té una activitat enzimàtica 10 vegades més alta que el normal). Es mesura l'acumulació de GAG (valor 100 = fibroblasts normals):
A sol: 420 · A + medi de cèl·lules normals: 110 · A + medi de B: 115 · A + medi de C: 410
B sol: 380 · B + medi de A: 120 · B + medi de C: 375
C sol: 460 · C + medi de cèl·lules normals: 130
a) Explica per què els fibroblasts A i B es corregeixen mútuament.
b) Per què el medi de C, que és ric en enzims, no corregeix ni A ni B? Per què els seus enzims són fora de la cèl·lula?
c) Per què el medi de cèl·lules normals sí que corregeix les cèl·lules C? Quin procés de membrana hi intervé?
d) Basant-te en aquests resultats, explica en què es podria basar un tractament de reemplaçament enzimàtic per al pacient A i quina condició hauria de complir l'enzim administrat.

En un cultiu de cèl·lules humanes en divisió s'afegeixen durant 12 hores tres fàrmacs diferents: la colquicina (impedeix que la tubulina es polimeritzi), el taxol (estabilitza els microtúbuls i n'impedeix la despolimerització) i la citocalasina D (impedeix la polimerització de l'actina). Després es compten 500 cèl·lules de cada cultiu:
• Control: 20 en mitosi, 3 binucleades.
• Colquicina: 190 en mitosi (amb els cromosomes condensats però sense placa metafàsica), 4 binucleades.
• Taxol: 175 en mitosi, 5 binucleades.
• Citocalasina D: 22 en mitosi, 225 binucleades.
a) Calcula l'índex mitòtic (percentatge de cèl·lules en mitosi) i el percentatge de cèl·lules binucleades de cada cultiu.
b) La colquicina i el taxol tenen efectes oposats sobre els microtúbuls, però tots dos aturen la mitosi. Explica-ho.
c) Interpreta el resultat de la citocalasina D: quina fase de la divisió falla i quina continua?
d) La colquicina es fa servir en millora vegetal per obtenir plantes poliploides. Explica per què, a partir de l'efecte que té sobre la divisió cel·lular.

Per posar a prova la teoria endosimbiòtica es fan dues anàlisis.
1) Es compara la seqüència del RNA ribosòmic de la subunitat petita de diversos orgànuls d'una planta amb altres seqüències (percentatge d'identitat):
• rRNA del mitocondri: amb un α-proteobacteri, 79 %; amb un cianobacteri, 66 %; amb el rRNA 18S del citosol de la mateixa planta, 48 %.
• rRNA del cloroplast: amb un cianobacteri, 86 %; amb un α-proteobacteri, 67 %; amb el rRNA 18S del citosol, 47 %.
2) Es marquen cèl·lules humanes en cultiu durant 1 hora amb metionina radioactiva i es mesura la radioactivitat de les proteïnes dels mitocondris (control = 100): amb cicloheximida (inhibeix els ribosomes 80S), 8; amb cloramfenicol (inhibeix els ribosomes 70S), 93; amb els dos inhibidors, 1.
a) Interpreta les dades de l'anàlisi 1. Donen suport a la teoria? De quins organismes provindrien els mitocondris i els cloroplasts?
b) Interpreta l'experiment 2. Quina part de les proteïnes del mitocondri es fabrica dins del mateix orgànul?
c) El DNA mitocondrial humà codifica 13 proteïnes, mentre que en un mitocondri n'hi ha unes 1500 de diferents. Calcula el percentatge de tipus de proteïnes que codifica i explica per què és més petit que el resultat de l'apartat b. Per què un mitocondri no pot viure fora de la cèl·lula?
d) El cloramfenicol és un antibiòtic eficaç, però pot ser tòxic per a la medul·la òssia humana, i la cicloheximida no es fa servir mai com a antibiòtic en persones. Explica-ho.

En una micrografia electrònica d'un hepatòcit feta a 25 000 augments, un mitocondri típic fa 50 mm de llarg i 12,5 mm d'amplada, i les crestes estan separades uns 0,5 mm entre si a la imatge. Per anàlisi d'imatges s'ha determinat que els mitocondris ocupen el 22 % del volum de l'hepatòcit.
a) Calcula la longitud i l'amplada reals del mitocondri (en µm) i la separació real entre crestes (en nm).
b) Considera l'hepatòcit com un cub de 20 µm d'aresta i cada mitocondri com un cilindre amb aquestes dimensions. Estima quants mitocondris té la cèl·lula.
c) Amb un microscopi òptic (límit de resolució ≈ 0,2 µm) es podrien veure aquests mitocondris? I les seves crestes? Raona-ho.
d) En una cèl·lula del múscul cardíac els mitocondris ocupen més del 30 % del volum, i en una cèl·lula acinar del pàncrees, menys del 10 %. Relaciona aquestes diferències amb la funció de cada cèl·lula i explica per què el resultat de l'apartat b només és una estimació.

Els oòcits de granota (Xenopus) són cèl·lules grans, molt poc permeables a l'aigua, que tradueixen el mRNA que s'hi injecta. Es divideixen en lots: a uns s'hi injecta aigua i a uns altres, mRNA de l'aquaporina AQP1. Tres dies després es passen d'un medi de 200 mOsm/L a un de 70 mOsm/L i es mesura el volum relatiu al cap de 3 minuts (volum inicial = 1,00):
• Injectats amb aigua: 1,04.
• Injectats amb mRNA d'AQP1: 1,35 (als 5 minuts, la majoria esclaten).
• Injectats amb mRNA d'AQP1 i tractats amb HgCl₂ (el mercuri s'uneix a una cisteïna del porus): 1,06.
• Injectats amb mRNA d'AQP1, tractats amb HgCl₂ i després amb β-mercaptoetanol (que allibera el mercuri de la cisteïna): 1,32.
a) Per què cal un lot d'oòcits injectats amb aigua? Què demostra la comparació amb el segon lot?
b) Què aporten els dos últims lots sobre la naturalesa del pas de l'aigua?
c) Si l'oòcit es comportés com un osmòmetre perfecte (volum × osmolaritat interna constant), quin volum relatiu assoliria en equilibri? Interpreta el resultat del segon lot.
d) En el túbul col·lector del ronyó, l'hormona antidiürètica (ADH) fa que vesícules amb aquaporines AQP2 es fusionin amb la membrana plasmàtica. Prediu com serà l'orina d'una persona amb una mutació que impedeix que l'AQP2 arribi a la membrana i raona-ho.