Exercicis de citologia — Biologia 2n Batxillerat

No. 'Procariota' vol dir 'sense nucli' (l'ADN lliure al citoplasma), no 'petita'. És cert que solen ser més petites que les eucariotes, però el que les defineix és la manca de nucli i d'orgànuls de membrana, no la mida.

Una bicapa de lípids (sobretot fosfolípids, i colesterol a les cèl·lules animals) amb proteïnes inserides o adherides, i glúcids units a lípids i proteïnes per la cara externa.

De la hidròlisi de l'ATP, que fa la mateixa proteïna transportadora. L'exemple típic és la bomba de sodi-potassi.

L'afirmació incorrecta és la tercera: les cèl·lules no es formen espontàniament, sinó que tota cèl·lula prové d'una altra cèl·lula preexistent, per divisió (postulat de Virchow, «omnis cellula e cellula»).
Els dos primers postulats són correctes: tots els éssers vius estan formats per cèl·lules, i la cèl·lula és la unitat mínima d'estructura i de funció (és la unitat més petita capaç de fer les funcions vitals: nutrició, relació i reproducció).
Postulat que falta: la cèl·lula és la unitat genètica, perquè conté la informació hereditària (ADN) que controla el seu funcionament i que transmet a les cèl·lules filles.

El límit de resolució és la distància mínima entre dos punts que el microscopi pot mostrar com a separats; per sota d'aquesta distància es veuen com un sol punt, per més que augmentem la imatge.
0,2 µm equivalen a 200 nm. El nucli (uns 5 µm) i els cloroplasts (uns 5 µm de llarg) són molt més grans que 200 nm i es veuen bé.
Un ribosoma fa 25 nm, unes 8 vegades menys que el límit de resolució del microscopi òptic: no es pot distingir. Amb el microscopi electrònic (límit de 0,2 nm, mil vegades millor) els ribosomes sí que es veuen.
Error típic: confondre augment i resolució. Augmentar més una imatge borrosa no fa que s'hi vegin detalls nous.

Exclusives de la cèl·lula vegetal: paret cel·lular (de cel·lulosa), cloroplasts, vacúol gran central i plasmodesmes (canals que comuniquen cèl·lules veïnes a través de la paret).
Exclusives de la cèl·lula animal: centríols (les cèl·lules de les plantes superiors no en tenen) i lisosomes típics (a les plantes, la funció digestiva la fa sobretot el vacúol).
Comunes: mitocondris, ribosomes i aparell de Golgi (a les plantes, el Golgi s'anomena dictiosoma), a més de membrana plasmàtica, nucli, reticle endoplasmàtic i citoesquelet.
Error típic: dir que les cèl·lules vegetals no tenen mitocondris; en tenen, perquè també respiren.

Ribosoma: síntesi de proteïnes (traducció de l'ARNm).
Lisosoma: digestió intracel·lular, gràcies als enzims hidrolítics que conté.
Aparell de Golgi: modificació, classificació i empaquetament de proteïnes en vesícules.
Reticle endoplasmàtic llis: síntesi de lípids i detoxificació de substàncies.
Peroxisoma: degradació del peròxid d'hidrogen ($H_{2}O$₂) per la catalasa.
Nuclèol: síntesi d'ARN ribosòmic i muntatge de les subunitats dels ribosomes.
Vacúol: emmagatzematge d'aigua i substàncies i manteniment de la turgència (sobretot a les cèl·lules vegetals).

Fals per dos motius. El nuclèol no està envoltat de cap membrana: és una zona més densa del nucli on hi ha els gens de l'ARN ribosòmic. I no s'hi fabriquen proteïnes, sinó que s'hi sintetitza l'ARN ribosòmic i s'hi munten les subunitats dels ribosomes, que després surten pels porus nuclears; les proteïnes es fabriquen als ribosomes del citoplasma.
Altres parts del nucli: l'envolta nuclear, formada per dues membranes amb porus que regulen el pas de molècules (ARN i proteïnes) i que és contínua amb el reticle endoplasmàtic; el nucleoplasma, el medi intern; i la cromatina, l'ADN unit a proteïnes (histones), que en dividir-se la cèl·lula es condensa en cromosomes.

L'afirmació és incorrecta: les cèl·lules vegetals tenen cloroplasts i també mitocondris. Les plantes fan la fotosíntesi als cloroplasts quan hi ha llum, però respiren contínuament (de dia i de nit) als mitocondris per obtenir ATP, com qualsevol cèl·lula eucariota.
El mitocondri té dues membranes: l'externa, llisa i permeable, i la interna, plegada en crestes que n'augmenten la superfície i on hi ha la cadena respiratòria i l'ATP-sintasa. Entre les dues hi ha l'espai intermembranós.
L'interior és la matriu, que conté els enzims del cicle de Krebs, ADN circular propi i ribosomes, semblants als dels bacteris.

a) Microtúbuls, formats per tubulina, disposats en 9 parells perifèrics i 2 centrals (estructura 9 + 2) als cilis i flagells.
b) Microtúbuls (tubulina): el fus mitòtic s'organitza a partir dels centrosomes i estira els cromosomes cap als pols.
c) Microfilaments d'actina (amb miosina): formen l'anell contràctil que divideix el citoplasma.
d) Microfilaments d'actina, que llisquen sobre els filaments de miosina.
e) Filaments intermedis (queratina a les cèl·lules epitelials), que donen resistència a la tracció.
Error típic: atribuir els cilis als microfilaments; els cilis i els flagells sempre són de microtúbuls.

La barra ens dona l'equivalència: 5 mm de foto són 10 µm de debò, o sigui que 1 mm de foto són 2 µm reals. El bacteri fa 2 mm a la foto, així que la seva mida real és 2 · 2 = 4 µm.

L'O₂ i el CO₂ són molècules petites i apolars que passen directament entre els fosfolípids. La glucosa és més gran i polar i la bicapa no la deixa passar: entra per difusió facilitada, a través d'una proteïna transportadora específica, encara que també a favor de gradient i sense gastar ATP.

El primari gasta ATP directament: la bomba de sodi-potassi n'hidrolitza un per cada 3 ions sodi que treu i 2 de potassi que entra.
El secundari no gasta ATP directament: aprofita el gradient de sodi que ha creat la bomba. El sodi entra a favor de gradient i arrossega una altra molècula en contra del seu, com el cotransportador de sodi i glucosa de l'intestí. Com que el gradient l'ha pagat l'ATP de la bomba, també és actiu.

(a) Fagocitosi: entra una partícula gran, envoltada per pseudòpodes.
(b) Exocitosi: les vesícules amb neurotransmissor es fusionen amb la membrana.
(c) Pinocitosi: entren gotetes de líquid en vesícules petites.

Cub d'1 µm: superfície S = 6·$1^{2}$ = 6 µm²; volum V = $1^{3}$ = 1 µm³; $\tfrac{S}{V} = 6$ µm^-1.
Cub de 10 µm: S = 6·$10^{2}$ = 600 µm²; V = $10^{3}$ = 1000 µm³; $\tfrac{S}{V} = 0{,}6$ µm^-1.
En multiplicar l'aresta per 10, la superfície es multiplica per 100 però el volum per 1000: la relació S/V es divideix per 10.
Els intercanvis amb el medi (nutrients, $O_{2}$, residus) es fan a través de la superfície de la membrana, mentre que les necessitats depenen del volum. Una cèl·lula gran tindria massa poca membrana per al seu volum i no podria nodrir-se ni eliminar residus prou de pressa; per això les cèl·lules es mantenen petites i, en créixer, es divideixen.
Les microvellositats són plecs de la membrana que multipliquen la superfície d'absorció sense augmentar gairebé el volum: la cèl·lula intestinal absorbeix més nutrients.

A velocitat baixa sedimenten primer les estructures més grans i denses; a velocitats cada cop més altes, les més petites.
Ordre: 1) nuclis (els orgànuls més grans, 5-10 µm), a velocitat baixa; 2) mitocondris (i lisosomes i peroxisomes, d'1-2 µm), a velocitat mitjana; 3) fragments de reticle endoplasmàtic, que en trencar la cèl·lula es tanquen en petites vesícules (microsomes), a velocitat alta; 4) ribosomes (25 nm), només a velocitat molt alta (ultracentrifugació).
Per estudiar la respiració cel·lular es faria servir la fracció dels mitocondris, perquè és on hi ha el cicle de Krebs i la cadena respiratòria; es pot comprovar mesurant-hi el consum d'oxigen.
Error típic: pensar que els ribosomes sedimenten abans que el reticle perquè són «més densos»; en una centrifugació diferencial mana sobretot la mida.

La teoria endosimbiòtica proposa que els mitocondris i els cloroplasts provenen de bacteris de vida lliure (un bacteri aerobi i un cianobacteri fotosintètic) que van ser englobats per una cèl·lula eucariota primitiva sense ser digerits; van establir una simbiosi (el bacteri aportava ATP o matèria orgànica, i la cèl·lula hoste, protecció i nutrients) i van acabar convertint-se en orgànuls.
Evidència 1: tenen ADN propi, circular i sense histones, com el dels bacteris, i es divideixen per bipartició, independentment de la divisió cel·lular.
Evidència 2: tenen ribosomes propis de tipus bacterià (70S), més petits que els del citoplasma eucariota (80S), i fabriquen algunes de les seves proteïnes; per això els antibiòtics que ataquen els ribosomes bacterians també els afecten.
Evidència 3: tenen doble membrana: la interna correspondria a la membrana del bacteri original (té lípids i proteïnes de tipus bacterià) i l'externa, a la membrana de la cèl·lula hoste que el va englobar. A més, tenen una mida semblant a la dels bacteris (1-10 µm).

«Mosaic» vol dir que la membrana està formada per peces diferents: una bicapa de fosfolípids en què hi ha encastades proteïnes (integrals, que travessen la bicapa, i perifèriques), a més de colesterol i glúcids units a lípids i proteïnes per la cara externa.
«Fluida» vol dir que els components no estan fixos: els fosfolípids i moltes proteïnes es desplacen lateralment dins de la seva capa, de manera que la membrana es comporta com un líquid bidimensional i pot deformar-se, fusionar-se o tancar vesícules.
Els àcids grassos insaturats tenen colzes (dobles enllaços cis) que impedeixen que les cues s'empaquetin: com més insaturats, més fluida és la membrana. El colesterol s'intercala entre els fosfolípids i regula la fluïdesa: a temperatura alta la redueix (frena el moviment de les cues) i a temperatura baixa evita que les cues es compactin i la membrana se solidifiqui.
A baixa temperatura la membrana tendeix a tornar-se rígida; els peixos d'aigües fredes hi responen augmentant la proporció d'àcids grassos insaturats, que mantenen la membrana fluida i funcional (les proteïnes de transport necessiten poder moure's).

a) Per dos motius: els enzims estan tancats dins de la membrana del lisosoma, separats del citoplasma; i són hidrolases àcides, que tenen el pH òptim al voltant de 4,5-5 (el lisosoma bombeja protons cap a dins), mentre que el citosol té un pH d'uns 7,2, en el qual aquests enzims gairebé no funcionen. Si un lisosoma es trenca, els enzims s'inactiven en gran part en sortir.
b) Heterofàgia: digestió de material captat de l'exterior per endocitosi; per exemple, un macròfag que fagocita un bacteri i el fusiona amb lisosomes. Autofàgia: digestió de components de la mateixa cèl·lula (orgànuls vells o danyats, com un mitocondri gastat) que s'envolten de membrana i es fusionen amb lisosomes; permet reciclar materials i sobreviure en dejuni.
c) Si falta un enzim, el substrat corresponent no es pot degradar i s'acumula dins dels lisosomes, que s'inflen i acaben alterant el funcionament de la cèl·lula (malalties d'acumulació lisosòmica); afecta sobretot les cèl·lules que gestionen molt material, com les del sistema nerviós.

El cloroplast té una envolta de dues membranes (externa i interna) que delimiten l'estroma, el medi intern. Dins de l'estroma hi ha un tercer sistema de membranes, els tilacoides, sacs aplanats que s'apilen formant grana i que tanquen l'espai tilacoidal.
A la membrana dels tilacoides hi ha la clorofil·la, els fotosistemes, la cadena de transport d'electrons i l'ATP-sintasa: és on té lloc la fase lluminosa (captació de llum, fotòlisi de l'aigua amb alliberament d'O₂, i síntesi d'ATP i NADPH).
A l'estroma hi ha els enzims del cicle de Calvin: és on té lloc la fase fosca o de fixació del CO₂, que consumeix l'ATP i el NADPH per fabricar glúcids. L'estroma també conté ADN circular, ribosomes 70S i grans de midó.
Semblances amb el mitocondri: tots dos tenen doble membrana, ADN i ribosomes propis, es divideixen per bipartició i sintetitzen ATP per quimiosmosi amb una ATP-sintasa.
Diferència: el cloroplast té un tercer sistema de membranes (tilacoides) i fa un procés anabòlic (fotosíntesi: fixa CO₂ i allibera O₂), mentre que el mitocondri fa un procés catabòlic (respiració: consumeix O₂ i allibera CO₂).

a) Fibra muscular: molts mitocondris, perquè la contracció consumeix molt ATP, i molts microfilaments d'actina i miosina, que són els que es contreuen.
b) Macròfag: molts lisosomes, per digerir els bacteris i les restes que fagocita, i un citoesquelet actiu que li permet emetre pseudòpodes.
c) Espermatozoide: un flagel (microtúbuls 9 + 2) per desplaçar-se i molts mitocondris a la peça intermèdia que subministren l'ATP del moviment.
d) Cèl·lula productora d'hormones esteroides: reticle endoplasmàtic llis molt abundant, perquè els esteroides es fabriquen a partir del colesterol als seus enzims.
e) Cèl·lula de l'epiteli intestinal: microvellositats a la cara apical, que multipliquen la superfície d'absorció, i molts mitocondris per al transport actiu de nutrients.
La regla general és que la forma i els orgànuls d'una cèl·lula reflecteixen la seva funció.

El reticle llis fabrica lípids i conté els enzims que transformen els tòxics en substàncies que es poden eliminar: una cèl·lula que desintoxica en necessita molt.
El reticle rugós porta ribosomes i fabrica proteïnes de secreció, com els enzims digestius. L'aparell de Golgi les modifica, les empaqueta en vesícules i les envia cap a fora. Una cèl·lula que exporta molta proteïna necessita molt de tots dos.

Cal tenir present l'escala: 1 mm = 10³ µm; 1 µm = 10³ nm; 1 nm = 10 Å. (a) 2 µm = 2 · 10³ nm = 2000 nm. I en àngstroms, 2000 · 10 = 20000 Å (2 · 10⁴ Å). (b) 20 Å = 20/10 = 2 nm. I en micròmetres, 2 nm = 2/10³ = 0,002 µm (2 · 10⁻³ µm). (c) Cal comparar-los amb la MATEIXA unitat: el bacteri fa 2000 nm i la doble hèlix fa 2 nm d'amplada, per tant 2000/2 = 1000 vegades. El bacteri és mil vegades més llarg que ample la molècula d'ADN que conté, cosa que dona una idea de fins a quin punt el material genètic ha d'estar plegat a dins. Parany habitual: saltar-se el factor 10 entre nanòmetre i àngstrom, que és l'únic pas de l'escala que no va de mil en mil.

1. Es fabrica als ribosomes del reticle endoplasmàtic rugós i hi entra.
2. En vesícules, passa a l'aparell de Golgi, que el modifica (hi afegeix glúcids) i l'empaqueta.
3. Del Golgi surten vesícules de secreció que viatgen fins a la membrana plasmàtica.
4. Les vesícules s'hi fusionen i alliberen l'anticòs a fora: és una exocitosi, que gasta energia.

a) Augment total = ocular × objectiu = 10 × 40 = 400 augments. Mida real = mida a la imatge / augment = 6 mm / 400 = 0,015 mm = 15 µm (una cèl·lula animal típica).
b) No. El límit de resolució és 0,2 µm = 200 nm, i els ribosomes estan separats només 30 nm, molt per sota: es veurien com una sola taca (i de fet ni es distingirien del fons). Posar l'objectiu de 100 augments (1000 augments en total) només faria la imatge més gran, però no en milloraria la resolució, que depèn de la longitud d'ona de la llum visible, no de les lents.
c) Caldria un microscopi electrònic de transmissió, que fa servir un feix d'electrons en lloc de llum; com que la longitud d'ona dels electrons és molt més curta, el límit de resolució baixa fins a uns 0,2 nm i es poden veure ribosomes, membranes i virus. A canvi, les mostres s'han de tallar molt fines, fixar i observar al buit, de manera que no es poden veure cèl·lules vives ni en color.

a) És una endocitosi mediada per receptor: les LDL s'uneixen als receptors específics de la membrana; els receptors s'agrupen en una zona recoberta per la cara interna d'una proteïna (clatrina); la membrana s'invagina i es tanca formant una vesícula que entra al citoplasma. La vesícula es fusiona amb lisosomes, els enzims hidrolítics degraden la lipoproteïna i el colesterol queda lliure per a la cèl·lula (per fabricar membranes o hormones); els receptors es reciclen i tornen a la membrana.
b) Si els receptors no reconeixen les LDL o no poden interioritzar-les, les cèl·lules no capten el colesterol de la sang: les LDL s'hi acumulen i el nivell de colesterol en sang es dispara, encara que les cèl·lules en tinguin «gana». L'excés es diposita a les parets de les artèries (ateroma) i augmenta el risc cardiovascular des de jove.
c) A la fagocitosi la cèl·lula engloba partícules grans (bacteris, restes) emetent pseudòpodes, i a la pinocitosi capta gotetes de líquid amb els soluts dissolts, sense selecció. L'endocitosi mediada per receptor és molt específica i eficient: només entra la substància que s'uneix al receptor, i es concentra encara que a fora n'hi hagi molt poca. Tots tres són processos actius, que consumeixen ATP.

a) Mostra 1: cèl·lula procariota (un cianobacteri). Ho indiquen l'absència de nucli i d'orgànuls membranosos, la mida petita (2 µm) i la paret de peptidoglicà, exclusiva dels bacteris. Mostra 2: cèl·lula eucariota vegetal, per la presència de nucli, cloroplasts, paret de cel·lulosa i vacúol central gran. Mostra 3: cèl·lula eucariota animal: té nucli i centríols, no té paret i els lisosomes abundants suggereixen una cèl·lula fagocitària.
b) Sí. Els cianobacteris fan la fotosíntesi oxigènica amb clorofil·la situada en membranes internes (tilacoides) lliures al citoplasma, no tancades en un orgànul; els cloroplasts de les plantes, de fet, deriven d'aquests bacteris (endosimbiosi). Tenir cloroplasts no és condició per fer la fotosíntesi; ho és tenir els pigments i la maquinària.
c) Mostra 1: una sola molècula d'ADN circular, sense histones, al citoplasma en una regió anomenada nucleoide, a més de possibles plasmidis petits. Mostres 2 i 3: ADN lineal, repartit en diversos cromosomes, unit a histones formant cromatina dins del nucli, envoltat per l'envolta nuclear; a més, la mostra 2 té ADN circular als cloroplasts i als mitocondris, i la mostra 3, als mitocondris.

La tubulina és la proteïna dels microtúbuls, de manera que la colquicina afecta tots els processos que en depenen.
a) La mitosi s'atura a la metafase: sense microtúbuls no es forma el fus mitòtic i els cromosomes, ja condensats, no es poden separar ni repartir entre les cèl·lules filles.
b) Els cilis ja formats mantenen els seus microtúbuls (la colquicina impedeix fer-ne de nous, no desfà els estables), però la cèl·lula no en pot regenerar; a la llarga el batec es perd i no s'eliminaria el moc de la tràquea.
c) Les vesícules viatgen sobre els microtúbuls gràcies a proteïnes motores (cinesina, dineïna); sense microtúbuls el transport intracel·lular es desorganitza i la secreció disminueix.
d) La contracció muscular no s'afecta directament: depèn dels microfilaments d'actina i de la miosina, no dels microtúbuls.
Als cariotips, la colquicina s'afegeix a un cultiu de cèl·lules en divisió perquè quedin aturades en metafase, que és quan els cromosomes estan més condensats i es poden comptar, fotografiar i ordenar per parelles.

a) Difusió facilitada. En la difusió simple la velocitat seria proporcional a la concentració (en passar de 20 a 50 mM, es multiplicaria per 2,5); aquí, en canvi, la velocitat creix cada cop menys i tendeix a un màxim (de 48 a 55 entre 20 i 50 mM). Aquesta saturació indica que la glucosa entra per un nombre limitat de proteïnes transportadores (permeases), que a altes concentracions estan totes ocupades.
b) No canviaria res: la difusió facilitada és transport passiu, a favor del gradient de concentració, i no consumeix ATP. La proteïna només ofereix un camí a través de la bicapa a una molècula polar que no la pot travessar sola.
c) El transportador funciona en els dos sentits: si dins hi hagués més glucosa que fora, la glucosa sortiria de la cèl·lula a favor del gradient. Les cèl·lules intestinals, en canvi, han d'absorbir glucosa encara que n'hi hagi més dins que a la llum de l'intestí: ho fan per transport actiu secundari, amb un cotransportador que fa entrar glucosa aprofitant l'entrada de Na⁺ a favor del seu gradient, gradient que manté la bomba de sodi i potassi gastant ATP. És a dir, el glòbul vermell fa transport passiu i l'enteròcit, transport actiu (indirectament dependent d'ATP).

a) La paret bacteriana és una capa rígida de peptidoglicà que protegeix el bacteri i aguanta la pressió osmòtica del citoplasma. Quan un bacteri creix i es divideix, ha de fabricar paret nova; si la penicil·lina ho impedeix, la paret queda amb punts febles i el bacteri no resisteix la pressió interna i es lisa. Les cèl·lules humanes no tenen paret ni fabriquen peptidoglicà, de manera que l'antibiòtic no hi té cap diana: és una toxicitat selectiva.
b) El medi hipotònic té menys soluts que el citoplasma: l'aigua entra per osmosi i, sense la paret que limiti el volum, la membrana s'estira i la cèl·lula rebenta (lisi osmòtica). En un medi isotònic no hi ha flux net d'aigua i el bacteri sense paret (protoplast) pot sobreviure, amb forma esfèrica, mentre el medi es mantingui equilibrat.
c) No els afectaria, perquè la penicil·lina bloqueja específicament la síntesi del peptidoglicà, que només tenen els bacteris. La paret de les cèl·lules vegetals és de cel·lulosa, i la dels fongs, de quitina; totes dues fan la mateixa funció de protecció i suport, però es fabriquen amb enzims diferents que l'antibiòtic no reconeix.

a) Cada compartiment té el màxim en un moment diferent: el RER als 5 min (82 %), el Golgi als 20 min (48 %), els grànuls de secreció als 45 min (58 %) i el lumen de l'àcin als 90 min (50 %). Com que la radioactivitat que perd un compartiment la guanya el següent (a cada temps la suma és 100 %), el mateix grup de proteïnes marcades es desplaça en «onada»: RER (síntesi als ribosomes adherits i entrada al lumen del reticle) → aparell de Golgi (maduració, glicosilació i classificació) → grànuls o vesícules de secreció (emmagatzematge i concentració) → exocitosi cap al lumen de l'àcin.
b) La persecució dilueix la leucina marcada amb molta leucina freda: a partir d'aquell moment les proteïnes noves ja no queden marcades i només se segueix la cohort sintetitzada durant el pols. Sense persecució, el RER continuaria acumulant proteïnes marcades noves i tots els compartiments anirien augmentant alhora; no es podria saber l'ordre del recorregut.
c) Als 5 minuts el màxim seria a l'aparell de Golgi, perquè la galactosa només s'incorpora a les proteïnes que hi són durant el pols. Després el marcatge passaria als grànuls i al lumen, però no apareixeria mai al RER, perquè el trànsit és unidireccional (RER → Golgi → vesícules) i el reticle no rep aquest sucre.
d) Sense pèptid senyal, la partícula de reconeixement del senyal no porta el ribosoma cap a la membrana del RER: la proteïna se sintetitza en ribosomes lliures i queda al citosol. No entra a la via secretora, de manera que no passa pel Golgi ni pels grànuls i no pot sortir per exocitosi. A més, si fos un enzim digestiu actiu, podria danyar la mateixa cèl·lula (per això normalment es fabriquen com a precursors inactius i dins de compartiments).

Errors típics

• Dir que les proteïnes de secreció es fabriquen a l'aparell de Golgi: el Golgi les modifica i les classifica, però la síntesi és als ribosomes del RER.
• Pensar que la radioactivitat «desapareix» d'un compartiment: es desplaça al següent (la suma es manté al 100 %).
• Oblidar que el marcatge depèn d'on s'incorpora la molècula marcada (aminoàcid al ribosoma, sucre al Golgi).

Conceptes treballats: via secretora (RER, Golgi, vesícules, exocitosi); experiments de pols i persecució; pèptid senyal; glicosilació; disseny experimental

a) Les molècules apagades no es recuperen, però es desplacen lateralment dins de la bicapa i són substituïdes per molècules fluorescents que arriben de la resta de la membrana. Això demostra que les proteïnes de membrana es poden moure lateralment: és el model del mosaic fluid.
b) S'han perdut 1000 − 100 = 900 unitats. Proteïna X: (820 − 100) / 900 = 720/900 = 0,80 → fracció mòbil del 80 %. Proteïna Y: (370 − 100) / 900 = 270/900 = 0,30 → fracció mòbil del 30 %. El 70 % de les molècules de Y no es mouen durant l'experiment: estan immobilitzades, probablement unides a estructures com el citoesquelet o la matriu extracel·lular, o formant grans complexos. La fluïdesa de la membrana no implica que totes les proteïnes es desplacin lliurement.
c) A 20 °C la recuperació és més lenta (30 s en lloc de 12 s) perquè la membrana és menys fluida: les cadenes d'àcids grassos es mouen menys i la difusió lateral es frena. Si s'extreu colesterol a 37 °C, la recuperació és més ràpida (7 s): a temperatura fisiològica el colesterol s'intercala entre els fosfolípids i en limita el moviment, de manera que en treure'l la membrana es torna més fluida.
d) Es tracten fibroblasts amb latrunculina o citocalasina D (despolimeritzen l'actina) i es repeteix el FRAP de la proteïna Y. Control: cèl·lules iguals tractades només amb el dissolvent del fàrmac, a la mateixa temperatura i amb el mateix protocol de làser. Si Y està ancorada a l'actina, la fracció mòbil augmentarà clarament (cap al valor de X) en les tractades i no en el control. Convé fer diverses rèpliques i comprovar que el fàrmac no altera la proteïna X (control intern).

Errors típics

• Pensar que la fluorescència es recupera perquè la GFP es «reactiva»: l'enunciat diu que l'apagament és irreversible.
• Calcular la fracció mòbil dividint per la fluorescència inicial (820/1000) sense descomptar el valor just després del làser.
• Afirmar que el colesterol sempre augmenta la fluïdesa: a 37 °C la disminueix (a baixes temperatures evita que la membrana es rigiditzi).

Conceptes treballats: model del mosaic fluid; difusió lateral; colesterol i temperatura en la fluïdesa; proteïnes ancorades al citoesquelet; disseny experimental amb control

a) Entrada sensible a l'ouabaïna = 2,0 − 0,3 = 1,7 mmol/(L·h), és a dir, 1,7/2,0 = 85 % de l'entrada es deu a la bomba Na⁺/K⁺. El 15 % restant (0,3 mmol/(L·h)) entra per altres vies, sobretot canals de fuga i cotransportadors: és transport passiu a favor de gradient electroquímic, que no depèn directament de l'ATP.
b) A 4 °C l'entrada és mínima (0,2): la bomba és un enzim (ATPasa) i a baixa temperatura la seva activitat és molt baixa; a més, la membrana és menys fluida i també es redueix el pas passiu. Amb fluorur la glicòlisi s'atura i, al cap de 2 h, s'esgota l'ATP: la bomba deixa de funcionar (0,4, gairebé com amb ouabaïna). El cianur bloqueja la cadena respiratòria, però els glòbuls vermells madurs no tenen mitocondris: obtenen tot l'ATP per glicòlisi i fermentació làctica, de manera que el cianur no els afecta (2,0, igual que el control). Aquest resultat és, de fet, una prova que el seu ATP no és d'origen mitocondrial.
c) La bomba entra 1,7 mmol de K⁺/(L·h). Com que entra 2 K⁺ per ATP: ATP = 1,7/2 = 0,85 mmol/(L·h). Na⁺ expulsat = 3 × 0,85 = 2,55 mmol/(L·h).
d) Amb la bomba aturada, el Na⁺ continua entrant per fuga i el K⁺ continua sortint, però el Na⁺ entra (acompanyat de Cl⁻) més del que surt de K⁺: la concentració total de soluts dins la cèl·lula augmenta, entra aigua per osmosi i el glòbul vermell s'infla fins que pot arribar a lisar-se (hemòlisi). La bomba, a més de mantenir els gradients, és essencial per regular el volum cel·lular.

Errors típics

• Atribuir tota l'entrada de K⁺ a la bomba i oblidar el transport passiu que queda amb ouabaïna.
• Dir que el cianur ha d'aturar la bomba «perquè sense respiració no hi ha ATP»: els eritròcits no tenen mitocondris.
• Invertir l'estequiometria de la bomba (3 Na⁺ surten i 2 K⁺ entren per cada ATP).

Conceptes treballats: bomba Na⁺/K⁺ i transport actiu primari; transport passiu; glicòlisi i absència de mitocondris en l'eritròcit; osmosi i volum cel·lular; interpretació d'inhibidors

a) Glucosa: 13,5 $\tfrac{g}{180}$ g/mol = 0,075 mol = 75 mmol/L. Osmolaritat = 75 (Na⁺) + 65 (Cl⁻) + 20 ($K^{+}$) + 10 (citrat) + 75 (glucosa) = 245 mOsm/L. És lleugerament hipotònica respecte del plasma (290 mOsm/L): això afavoreix que l'aigua passi de la llum intestinal cap a l'organisme i evita que la solució «xucli» aigua cap a l'intestí.
b) El SGLT1 fa transport actiu secundari (simport): entra glucosa contra gradient aprofitant que el Na⁺ entra a favor del seu gradient. Aquest gradient el manté la bomba Na⁺/$K^{+}$ de la membrana basolateral, que gasta ATP per treure el Na⁺ cap a la sang. Així, cada glucosa absorbida arrossega dos ions Na⁺ (i el Cl⁻ els segueix per atracció elèctrica); en augmentar els soluts a l'interior de l'epiteli i a la sang, l'aigua els segueix per osmosi. Glucosa i sal s'han de donar juntes perquè el sistema funcioni.
c) L'aigua sola no aporta Na⁺ ni glucosa: no s'activa el cotransport, no es reposen els electròlits perduts i es pot provocar una hiponatrèmia. Una beguda de 600 mOsm/L és hipertònica respecte de l'interior de l'organisme: atrau aigua cap a la llum intestinal per osmosi i empitjora la diarrea i la deshidratació.
d) La toxina obre el CFTR (secreció de Cl⁻), però no bloqueja el SGLT1 (absorció de Na⁺ i glucosa). Són dos transportadors diferents: si l'absorció acoblada a la glucosa supera la secreció, el balanç net d'aigua torna a ser d'entrada, i el pacient es rehidrata mentre el seu sistema immunitari i la renovació de l'epiteli acaben amb la infecció.

Errors típics

• Oblidar la glucosa en calcular l'osmolaritat, o comptar el NaCl com una sola partícula.
• Dir que el SGLT1 fa transport passiu perquè no gasta ATP directament: és actiu secundari, depèn del gradient que manté la bomba.
• Pensar que una beguda com més ensucrada millor, perquè «dona més glucosa»: l'excés d'osmolaritat empitjora la diarrea.

Conceptes treballats: transport actiu secundari (simport Na⁺-glucosa); bomba Na⁺/$K^{+}$; osmosi i osmolaritat; canals iònics (CFTR); cas clínic

a) El CFTR és una proteïna de membrana: se sintetitza en ribosomes units al RER, s'insereix a la membrana del reticle, passa a l'aparell de Golgi i arriba a la membrana plasmàtica en vesícules. Al reticle, les xaperones comproven el plegament; la proteïna ΔF508 es plega malament, queda retinguda i és enviada a degradar al proteasoma. Per això es veu al reticle i gairebé no n'arriba a la membrana: no hi ha canals de Cl⁻ on calen.
b) Al conducte de la glàndula sudorípara, el CFTR permet reabsorbir el Cl⁻ (i el Na⁺ el segueix) abans que la suor surti; sense CFTR la sal no es recupera i la suor és molt salada (per això la prova de la suor serveix per diagnosticar). A l'epiteli bronquial, el CFTR secreta Cl⁻ cap a la superfície; l'aigua el segueix per osmosi i hidrata el moc. Sense secreció de Cl⁻ hi ha poca aigua, el moc és espès, els cilis no el poden desplaçar i s'afavoreixen les infeccions.
c) En el pacient B el canal arriba a la membrana però s'obre malament (defecte de funcionament): un potenciador, que n'augmenta l'obertura, és suficient. En el pacient A el problema principal és que la proteïna no arriba a la membrana (defecte de plegament i transport): primer cal un corrector perquè una part de la proteïna superi el control del reticle, i després un potenciador perquè els canals que arriben, que també funcionen pitjor, s'obrin més.
d) Pacient A: $\tfrac{(98 - 55)}{98} = 0{,}439$ → reducció del 43,9 %. Pacient B: $\tfrac{(105 - 50)}{105} = 0{,}524$ → reducció del 52,4 %. Tots dos baixen per sota del llindar diagnòstic de 60 mmol/L, però no arriben als valors normals (menys de 30 mmol/L): la funció del canal millora molt, però no es normalitza del tot.

Errors típics

• Dir que la proteïna ΔF508 «no es fabrica»: es fabrica, però es plega malament i es degrada abans d'arribar a la membrana.
• Confondre la direcció del Cl⁻ a la suor (reabsorció) i als bronquis (secreció).
• Pensar que un fàrmac potenciador pot actuar sobre una proteïna retinguda al reticle.

Conceptes treballats: síntesi i trànsit de proteïnes de membrana; control de qualitat al reticle; canals iònics i osmosi; relació mutació–proteïna–malaltia; interpretació de dades clíniques

a) A no té l'enzim 1 però sí el 2, i B no té el 2 però sí l'1. Cada tipus de cèl·lula deixa escapar al medi una petita part dels seus enzims amb la marca M6P. Quan es posen les cèl·lules A en el medi de B, capten per endocitosi mediada per receptor l'enzim 1 que ha secretat B; arriba als lisosomes i degrada els GAG acumulats (de 420 a 115). El mateix passa a l'inrevés (B, de 380 a 120). Això demostra que les dues malalties es deuen a la manca d'enzims diferents.
b) Les cèl·lules C no posen la marca M6P als enzims: al Golgi els receptors no els reconeixen, no van als lisosomes i surten per la via de secreció per defecte (exocitosi). Per això el medi de C és molt ric en enzims (10 vegades el normal) mentre que els lisosomes de C en queden buits i acumulen GAG (460). Aquests enzims sense marca tampoc no són captats per les cèl·lules A i B (410 i 375, gairebé igual que sense tractament): no hi ha cap receptor que els reconegui.
c) Les cèl·lules C tenen els receptors de M6P a la membrana plasmàtica. El medi de cèl·lules normals conté enzims marcats amb M6P, que les cèl·lules C capten per endocitosi mediada per receptor i envien als lisosomes (passen de 460 a 130).
d) Es podria administrar a la sang del pacient A l'enzim 1 produït en cultius cel·lulars (proteïna recombinant). Perquè les cèl·lules el captin i l'enviïn als lisosomes, l'enzim ha de portar la marca M6P (o una altra marca que reconegui un receptor de membrana de les cèl·lules diana). Els experiments mostren que un enzim sense marca, encara que sigui abundant, no serveix.

Errors típics

• Pensar que les cèl·lules C no tenen enzims: els tenen, però van a parar a fora de la cèl·lula.
• Creure que un enzim que hi ha al medi entra a la cèl·lula per difusió: és una proteïna gran i necessita endocitosi mediada per receptor.
• Confondre la funció del Golgi (classificar i marcar) amb la del lisosoma (degradar).

Conceptes treballats: lisosomes i enzims hidrolítics; classificació al Golgi (manosa-6-fosfat); endocitosi mediada per receptor; malalties lisosòmiques; interpretació d'experiments de complementació

a) Índex mitòtic: control $\tfrac{20}{500} = 4$ %; colquicina $\tfrac{190}{500} = 38$ %; taxol $\tfrac{175}{500} = 35$ %; citocalasina D $\tfrac{22}{500} = 4{,}4$ %. Cèl·lules binucleades: control $\tfrac{3}{500} = 0{,}6$ %; colquicina 0,8 %; taxol 1 %; citocalasina D $\tfrac{225}{500} = 45$ %.
b) El fus mitòtic funciona gràcies a la inestabilitat dinàmica dels microtúbuls: s'han de poder allargar (polimerització) per capturar els cinetocors i escurçar (despolimerització) per arrossegar les cromàtides cap als pols. La colquicina impedeix que es formin; el taxol impedeix que s'escurcin. En tots dos casos els cromosomes no s'alineen correctament ni se separen, el punt de control del fus no deixa avançar cap a l'anafase i les cèl·lules s'acumulen en mitosi (índex de 4 % a 35–38 %).
c) Amb citocalasina D l'índex mitòtic és normal (4,4 %): la mitosi pròpiament dita, que depèn dels microtúbuls, té lloc. Però en el 45 % de les cèl·lules hi ha dos nuclis: no s'ha pogut formar l'anell contràctil d'actina i miosina que estrangula la cèl·lula animal, de manera que falla la citocinesi.
d) Si la colquicina impedeix el fus, els cromosomes, que ja s'han replicat a la fase S, no se separen cap a dues cèl·lules filles; quan l'efecte del fàrmac s'acaba o la cèl·lula surt de la mitosi sense dividir-se, queda un sol nucli amb el doble de cromosomes (de 2n passa a 4n). En plantes, les cèl·lules tetraploides d'un meristema poden originar branques o llavors poliploides, sovint més grans i vigoroses, i d'aquesta manera s'obtenen noves varietats.

Errors típics

• Pensar que el taxol, en estabilitzar els microtúbuls, «afavoreix» la mitosi: sense despolimerització el fus no funciona.
• Confondre la cariocinesi amb la citocinesi i atribuir a l'actina la separació dels cromosomes.
• Dividir per les cèl·lules en mitosi en lloc de pel total de cèl·lules comptades.

Conceptes treballats: citoesquelet (microtúbuls i actina); fus mitòtic i inestabilitat dinàmica; citocinesi; punt de control del fus; poliploïdia; càlcul d'índexs

a) El rRNA mitocondrial s'assembla molt més al d'un α-proteobacteri (79 %) que al del citosol de la mateixa cèl·lula (48 %); el del cloroplast, al d'un cianobacteri (86 %). Si els orgànuls s'haguessin format a partir de membranes de la mateixa cèl·lula, els seus rRNA s'assemblarien més als del citosol. Les dades donen suport a la teoria endosimbiòtica: els mitocondris provindrien d'un α-proteobacteri aerobi i els cloroplasts d'un cianobacteri fotosintètic, englobats per una cèl·lula hoste.
b) Amb cicloheximida, que bloqueja els ribosomes 80S del citosol, el marcatge baixa al 8 %; amb cloramfenicol, que bloqueja els ribosomes de tipus bacterià (els mitocondrials), baixa només al 93 %, és a dir, un 7 %. Les dues dades coincideixen: un 7–8 % de la proteïna mitocondrial es fabrica dins del mitocondri, i la resta (≈ 92 %) es fabrica al citosol i s'importa. Amb els dos inhibidors gairebé no hi ha síntesi (1).
c) $\tfrac{13}{1500} = 0{,}0087$ → només un 0,87 % dels tipus de proteïnes. El valor de l'apartat b és més alt perquè es refereix a quantitat de proteïna sintetitzada, no a nombre de tipus: les 13 proteïnes codificades pel DNA mitocondrial són subunitats de la cadena respiratòria i de l'ATP sintasa, molt abundants a la membrana interna. Al llarg de l'evolució, la major part dels gens del bacteri ancestral es van perdre o es van transferir al nucli; per això el mitocondri depèn de proteïnes codificades al nucli i importades, i no pot viure de manera independent.
d) Els ribosomes mitocondrials s'assemblen als bacterians (vestigi del seu origen), de manera que el cloramfenicol també inhibeix una mica la síntesi de proteïnes mitocondrials; les cèl·lules de la medul·la òssia, que es divideixen molt i necessiten molta energia, en surten afectades. La cicloheximida inhibeix els ribosomes 80S del citosol de totes les nostres cèl·lules: aturaria la síntesi de proteïnes de tot l'organisme, i a més no afecta els bacteris.

Errors típics

• Dir que el cloramfenicol no afecta mai les cèl·lules humanes: els ribosomes mitocondrials són de tipus bacterià.
• Confondre el percentatge de tipus de proteïnes codificades amb el percentatge de massa de proteïna sintetitzada.
• Pensar que els mitocondris actuals són bacteris complets que podrien viure fora de la cèl·lula.

Conceptes treballats: teoria endosimbiòtica; ribosomes 70S i 80S; DNA mitocondrial i importació de proteïnes; antibiòtics i toxicitat; interpretació de dades moleculars

a) Longitud real = 50 mm / 25 000 = 0,002 mm = 2 µm. Amplada = 12,5 mm / 25 000 = 0,0005 mm = 0,5 µm. Separació entre crestes = 0,5 mm / 25 000 = 0,00002 mm = 0,02 µm = 20 nm.
b) Volum de l'hepatòcit = $20^{3}$ = 8000 µm³; volum ocupat pels mitocondris = 0,22 × 8000 = 1760 µm³. Volum d'un mitocondri = π · (0,25 µm$)^{2}$ · 2 µm ≈ 0,393 µm³. Nombre ≈ $\tfrac{1760}{0{,}393} \approx 4480$, és a dir, uns 4500 mitocondris.
c) El mitocondri fa 0,5 µm d'amplada i 2 µm de llargada, més que el límit de resolució de 0,2 µm: amb un microscopi òptic (i una tinció adequada) es veuria com un petit bastonet o gra. Les crestes, en canvi, estan separades 20 nm, molt per sota de 0,2 µm: no es poden resoldre i només es veuen amb el microscopi electrònic.
d) Els mitocondris fan la respiració cel·lular i produeixen la major part de l'ATP. El múscul cardíac treballa sense parar i necessita molt ATP de manera aeròbica: té moltíssims mitocondris. L'hepatòcit té una activitat metabòlica molt intensa (gluconeogènesi, síntesi de proteïnes, detoxificació): en té molts. La cèl·lula acinar del pàncrees dedica la major part del volum al RER, al Golgi i als grànuls de secreció, i proporcionalment té menys mitocondris. El càlcul de b és una estimació perquè la cèl·lula no és un cub, els mitocondris no són cilindres iguals (canvien de forma, es fusionen i es divideixen) i una micrografia és un tall prim que no mostra el mitocondri sencer.

Errors típics

• Multiplicar per l'augment en lloc de dividir, o equivocar-se en el pas de mm a µm i nm.
• Fer servir el diàmetre en lloc del radi en el volum del cilindre.
• Confondre augment amb resolució: ampliar més una imatge òptica no fa visibles les crestes.

Conceptes treballats: mitocondri (estructura i funció); microscòpia (augment i límit de resolució); conversió d'unitats; relació entre estructura i funció cel·lular; estimació quantitativa

a) El lot injectat amb aigua és el control: rep la mateixa manipulació (punxada i volum injectat) però sense mRNA. En el medi hipotònic gairebé no s'infla (1,04), perquè la membrana de l'oòcit és poc permeable a l'aigua. Els oòcits que tradueixen el mRNA de l'AQP1 s'inflen molt més ràpid (1,35 en 3 min) i esclaten: la proteïna AQP1, fabricada a partir del mRNA i inserida a la membrana, augmenta molt la permeabilitat a l'aigua.
b) El mercuri, que s'uneix a una cisteïna, bloqueja gairebé del tot l'efecte (1,06), i en treure'l amb β-mercaptoetanol l'efecte es recupera (1,32). Per tant, l'aigua passa per un porus format per una proteïna (canal) que té una cisteïna accessible; l'efecte és específic i reversible, i no es deu a un dany de la membrana.
c) $V_{final}$ = 1,00 × $\tfrac{200}{70} = 2{,}86$, és a dir, gairebé el triple del volum inicial (+186 %). Els oòcits amb AQP1 s'inflen a gran velocitat cap a aquest equilibri, però la membrana no pot estirar-se tant i esclaten abans d'arribar-hi (lisi osmòtica). En els controls l'entrada d'aigua és tan lenta que en pocs minuts l'equilibri no s'assoleix.
d) Sense AQP2 a la membrana apical, l'aigua del filtrat no es pot reabsorbir al túbul col·lector encara que hi hagi ADH: la persona eliminarà grans volums d'orina molt diluïda i tindrà molta set (diabetis insípida nefrogènica). L'exemple mostra que la cèl·lula pot regular la permeabilitat a l'aigua controlant per exocitosi quants canals té a la membrana.

Errors típics

• Pensar que l'aigua només travessa la membrana per difusió simple a través de la bicapa: les aquaporines són canals específics (difusió facilitada).
• Prescindir del control injectat amb aigua i atribuir l'efecte al mRNA sense haver descartat l'efecte de la injecció.
• Calcular el volum d'equilibri amb la proporció invertida ($\tfrac{70}{200}$), que donaria un encongiment.

Conceptes treballats: osmosi; aquaporines (difusió facilitada de l'aigua); expressió de mRNA injectat; controls experimentals; exocitosi i regulació hormonal al ronyó