Esercizi: I tipi di cellule: procariote ed eucariote

Tutte le cellule, di qualunque tipo, condividono tre elementi di base. Indicali e spiega quale funzione svolge ciascuno.

Nello schema di una cellula eucariote animale, il numero 1 indica una struttura grande e sferica situata nella zona centrale, mentre il numero 2 indica un organulo ovale con ripiegamenti o creste al suo interno. Indica quale numero indica il nucleo e quale numero indica un mitocondrio, e spiega la funzione di entrambe le strutture.

Spiega qual è la differenza fondamentale tra una cellula procariote e una cellula eucariote, e fai un esempio di essere vivente con ciascun tipo di cellula.

Spiega che cos'è il nucleo della cellula, che cosa contiene e quali tipi di cellule lo possiedono.

Quale funzione svolge la membrana cellulare? Spiega che cosa accadrebbe se la cellula la perdesse, confrontandolo con ciò che significherebbe per te perdere la pelle.

A che cosa servono i mitocondri? Ragiona su in quali cellule del tuo corpo pensi che siano molto abbondanti.

Osservando al microscopio un campione di cellule della tua guancia e uno di cipolla si notano delle differenze. Indica due differenze di forma e struttura tra le due e spiega a quale tipo di cellula eucariote appartiene ciascuna.

Quale organulo rende verdi le parti verdi delle piante? Spiega quale processo avviene al suo interno e perché è così importante per la vita sulla Terra.

In una cellula vegetale, indica la funzione della parete cellulare, di un cloroplasto e del vacuolo centrale, e spiega perché queste tre strutture non compaiono in una cellula animale.

Elabora una tabella comparativa della cellula animale e della cellula vegetale con queste righe: parete cellulare, cloroplasti, vacuoli e forma abituale della cellula.

Dove si trova il materiale genetico (DNA) in una cellula eucariote e dove in una procariote? Quali conseguenze ha questa differenza nell'organizzazione interna di ciascun tipo di cellula?

Le cellule vegetali hanno una parete rigida che le cellule animali non hanno. Spiega quale vantaggio offre la parete a una pianta che non ha scheletro, e come gli animali compensano questa assenza.

Il vacuolo centrale di una cellula vegetale può occupare la maggior parte del suo interno. Spiega che cosa contiene, quali funzioni svolge (immagazzinare acqua e sostanze, mantenere la cellula turgida) e che cosa accade a una pianta quando i suoi vacuoli perdono acqua.

Fai due disegni schematici, uno di una cellula animale e uno di una vegetale, con almeno quattro etichette in ciascuno; poi spiega con una frase la differenza più importante tra i due disegni.

I batteri non hanno mitocondri e tuttavia ricavano energia dagli alimenti. Ragiona su come sia possibile che una cellula priva di organuli circondati da membrana svolga le stesse funzioni vitali di una eucariote, e dì dove pensi che avvengano quei processi al suo interno.

Se il nucleo fosse l'«ufficio di direzione» di una fabbrica e il citoplasma l'«officina», spiega quali aspetti corretti ha questa analogia (ordini, informazione, lavoro) e un limite importante.

In un laboratorio sono stati mescolati tre campioni cellulari senza etichetta (A, B e C) provenienti da tre tessuti diversi: il muscolo dell'ala di un passero, il petalo bianco di una margherita e una foglia verde di spinacio.

Osservandoli al microscopio si registrano queste caratteristiche:

• Campione A: cellule allungate, con un consumo di energia molto alto, senza parete cellulare né cloroplasti, e piene di mitocondri.

• Campione B: cellule con parete cellulare rigida, grande vacuolo centrale e centinaia di cloroplasti.

• Campione C: cellule vegetali con parete e vacuoli sviluppati, ma senza nemmeno un cloroplasto e con pochi mitocondri.

1. a) Identifica in modo motivato a quale tessuto ed essere vivente appartiene ciascun campione, giustificando la tua decisione a partire dalla presenza, assenza e abbondanza di ciascun organulo.
2. b) Prevedi che cosa accadrebbe alle cellule del campione B se la pianta fosse tenuta in una stanza buia per tre settimane: potrebbero continuare a produrre glucosio? I loro mitocondri smetterebbero di funzionare immediatamente? Giustifica la tua risposta.

Un batterio misura circa $2\ \mu\text{m}$ di lunghezza e una cellula animale circa $20\ \mu\text{m}$ di diametro. Calcola quanti batteri in fila occuperebbero il diametro di una cellula animale. Supponendo che entrambe siano sferiche, calcola anche la superficie della membrana di ciascuna con la formula $S = 4\pi r^2$ e scopri quante volte è maggiore quella della cellula animale. Usa i due risultati per ragionare sul perché le cellule eucariote possono permettersi di essere molto più grandi e quale problema pone loro la dimensione per quanto riguarda lo scambio di sostanze con l'esterno.

A differenza degli esseri umani (i cui globuli rossi maturi perdono il nucleo), gli anfibi e gli uccelli hanno globuli rossi che conservano il nucleo per tutta la vita.

1. a) Confrontando due globuli rossi dello stesso volume, uno umano e uno di rana, il globulo umano è in grado di contenere una quantità notevolmente maggiore di emoglobina (la proteina che trasporta l'ossigeno). Giustifica a che cosa è dovuto questo vantaggio funzionale a livello cellulare.
2. b) In un esperimento di laboratorio, entrambi i tipi di globuli rossi vengono sottoposti a una sostanza che danneggia lentamente le proteine della loro membrana cellulare. I globuli rossi di rana riescono a produrre nuove proteine per riparare la membrana e continuare a vivere, mentre quelli umani non possono ripararsi e muoiono nel giro di pochi giorni senza potersi dividere. Spiega la causa biologica di questo fatto mettendo in relazione la funzione del nucleo e del DNA con la capacità di autoriparazione e riproduzione cellulare.

Osservi al microscopio ottico una goccia d'acqua stagnante. Il campo visivo circolare che vedi attraverso l'oculare misura $1\ \text{mm}$ di diametro ($1000\ \mu\text{m}$). In esso distingui un'ameba unicellulare di circa $200\ \mu\text{m}$ e diversi batteri allungati di circa $2\ \mu\text{m}$.

1. a) Calcola quanti batteri allineati in fila servirebbero per attraversare da parte a parte il diametro del campo visivo del microscopio, e quante amebe servirebbero per fare lo stesso.
2. b) Il limite di risoluzione dell'occhio umano (la distanza minima tra due punti per distinguerli separatamente) è di circa $0,1\ \text{mm}$ ($100\ \mu\text{m}$). Giustifica con dati numerici perché una persona con una buona vista potrebbe arrivare a intuire l'ameba a occhio nudo come un puntino minuscolo, mentre per vedere il batterio il microscopio è assolutamente indispensabile.
3. c) Se un'ameba e un batterio sono entrambi organismi unicellulari, perché per un tipico batterio procariote sarebbe molto difficile crescere fino a raggiungere le dimensioni di un'ameba di $200\ \mu\text{m}$? Ragiona su quale problema avrebbe un batterio gigante per scambiare e distribuire i nutrienti verso il suo centro senza organuli né sistemi di trasporto interno.

Un agricoltore realizza un esperimento con due gruppi di piante di fagiolo:

• Gruppo 1: coltivate in vasi con terra nera tradizionale. Le loro radici sono completamente bianche e le foglie sono verdi.

• Gruppo 2: coltivate in tubi di vetro trasparente con acqua e sali minerali disciolti (idroponica), in modo che le radici ricevano luce solare continua. Dopo due settimane, queste radici sono diventate di colore verde chiaro e contengono cloroplasti funzionanti.

1. a) Sapendo che tutte le cellule di una stessa pianta condividono esattamente lo stesso DNA, giustifica perché le radici che crescono sottoterra non spendono energia per formare cloroplasti e quale stimolo ha fatto sì che compaiano nel gruppo 2.
2. b) Un compagno afferma: «Poiché le radici normali del gruppo 1 non hanno cloroplasti, non hanno bisogno di respirare né consumano ossigeno; la respirazione cellulare è esclusiva delle foglie». Confuta questa affermazione spiegando da dove la radice ricava l'energia per assorbire acqua e sali, e prevedi che cosa accadrebbe alla pianta se il terreno fosse completamente allagato per molti giorni impedendo l'ingresso dell'aria.

In laboratorio disponi di un microscopio ottico il cui limite di risoluzione è $0,2\ \mu\text{m}$ ($200\ \text{nm}$). Osservi cellule di epidermide di cipolla e consulti questi dati di dimensione media:

• Cellula di cipolla: $150\ \mu\text{m}$

• Nucleo: $10\ \mu\text{m}$

• Mitocondrio: $2\ \mu\text{m}$

• Ribosoma: $0,025\ \mu\text{m}$ ($25\ \text{nm}$)

• Spessore della membrana plasmatica: $0,008\ \mu\text{m}$ ($8\ \text{nm}$)

1. a) Analizza i dati e deduci in modo giustificato quali di queste strutture potrai osservare con chiarezza con il tuo microscopio ottico e quali sarà impossibile vedere, per quanto tu ingrandisca l'immagine.
2. b) Un compagno consegna il suo quaderno di laboratorio con un disegno della cellula di cipolla vista al microscopio in cui ha disegnato con grande dettaglio decine di ribosomi che fluttuano nel citoplasma e il doppio strato di lipidi della membrana. Giustifica perché l'insegnante gli dice che quel disegno non è frutto di un'osservazione reale.
3. c) Che tipo di microscopio è stato necessario inventare per scoprire e fotografare i ribosomi? Spiega in che cosa si differenzia principalmente dal microscopio ottico per ottenere un livello di dettaglio così elevato.

In un dibattito in classe, uno studente sostiene la seguente idea: «Poiché tutte le cellule eucariote del nostro corpo possiedono gli stessi tipi di organuli, tutte le cellule hanno esattamente la stessa proporzione di essi e compiono uno sforzo metabolico simile».

Per confutare la sua affermazione, disponi di informazioni su tre cellule umane specializzate:

• Cellula A (fibra del muscolo cardiaco): batte e pompa sangue senza sosta per tutta la vita.

• Cellula B (cellula del pancreas): produce e secerne nel tubo digerente migliaia di proteine digestive al minuto, impacchettandole in vescicole.

• Cellula C (macrofago, un globulo bianco): pattuglia i tessuti inglobando batteri e distruggendoli mediante digestione cellulare interna.

1. a) Deduci e giustifica quale organulo specifico (mitocondri, reticolo endoplasmatico/apparato di Golgi, o lisosomi) deve essere particolarmente sviluppato in ciascuna di queste tre cellule perché possano svolgere la loro funzione.
2. b) Prevedi che cosa accadrebbe al cuore di un paziente se una tossina bloccasse in modo selettivo la funzione dei mitocondri delle cellule di tipo A.

Un'équipe di medicina rigenerativa vuole riparare il tessuto muscolare del cuore di un paziente che ha subito un infarto, in cui migliaia di cellule contrattili sono morte. Per cercare di ricostruire il tessuto, vengono analizzati tre possibili tipi cellulari del paziente stesso:

1. Globuli rossi maturi.

2. Cellule mature della pelle (cellule epiteliali).

3. Cellule staminali pluripotenti.

1. a) Giustifica perché i globuli rossi maturi sono del tutto scartati per questo trattamento, tenendo conto delle loro limitazioni strutturali e della loro capacità di divisione.
2. b) Le cellule della pelle hanno il nucleo e si dividono con facilità. Perché non servirebbe nemmeno iniettarle direttamente nel cuore per recuperare il battito? Metti in relazione la tua risposta con il concetto di differenziamento e specializzazione cellulare.
3. c) Spiega perché le cellule staminali sono l'unica alternativa valida. Quali cambiamenti fondamentali dovranno subire nel loro citoplasma (quali organuli dovranno moltiplicare in gran numero e quale funzione dovranno assumere) per arrivare a comportarsi come cellule cardiache funzionanti?