Exercicis de bioquímica — Biologia 2n Batxillerat

Per què es diu que l'aigua és el medi de la vida?

Per què la capacitat de l'aigua com a dissolvent és tan important per als éssers vius?

Què és la desnaturalització d'una proteïna?

Al laboratori disposes de quatre reactius: Lugol, reactiu de Benedict (o de Fehling), reactiu de Biuret i Sudan III. Indica quina biomolècula detecta cadascun, quin canvi de color s'observa quan la prova és positiva i si cal escalfar la mostra perquè la prova funcioni.

Un fragment d'ADN bicatenari té 2000 nucleòtids en total (sumant les dues cadenes) i 480 d'aquests nucleòtids són de citosina. Calcula quants nucleòtids hi ha de guanina, d'adenina i de timina, i quants ponts d'hidrogen mantenen unides les dues cadenes, sabent que cada parell A-T forma dos ponts d'hidrogen i cada parell G-C en forma tres.

Classifica aquests glúcids en monosacàrids, disacàrids i polisacàrids: glucosa, sacarosa, glicogen, ribosa, cel·lulosa, lactosa, fructosa, maltosa i midó. Indica, a més, quins monosacàrids formen la sacarosa, la lactosa i la maltosa.

L'oli d'oliva és líquid a temperatura ambient, mentre que la mantega i el llard són sòlids. Explica aquesta diferència a partir de l'estructura dels àcids grassos que contenen.

Un pèptid està format per 8 aminoàcids. Indica quants enllaços peptídics conté, quantes molècules d'aigua s'han alliberat en formar-lo i de quin tipus de reacció es tracta. Explica entre quins grups químics s'estableix l'enllaç peptídic.

Explica, a partir de dues propietats físiques de l'aigua, per què la temperatura del cos es manté força estable malgrat els canvis de l'ambient i per què suar ens refresca quan fem esport.

Completa les frases següents amb la paraula adequada:
a) La pentosa de l'ARN és la ______ i la de l'ADN és la ______.
b) L'ARN conté la base ______ en lloc de la ______ de l'ADN.
c) L'ADN està format per ______ cadena/cadenes de nucleòtids i l'ARN, normalment, per ______.
d) Els nucleòtids d'una mateixa cadena s'uneixen per enllaços ______, i les dues cadenes de l'ADN es mantenen unides per ______.

En analitzar el contingut d'una llavor s'hi troben quatre molècules: midó, cel·lulosa, una proteïna de reserva i un oli. (a) A quin dels quatre grans grups de biomolècules orgàniques pertany cadascuna? (b) Relaciona cada molècula amb la funció biològica general que hi fa a la llavor.

Digues el tipus de lípid i la seva funció: (a) triglicèrid; (b) fosfolípid; (c) testosterona.

Ordena els nivells d'estructura d'una proteïna i digues què descriu cadascun: primària, secundària, terciària, quaternària.

Escriu la cadena d'ADN complementària de la seqüència G-C-A-T-T-A.

Un alumne afegeix reactiu de Benedict a tres tubs que contenen, respectivament, maltosa, sacarosa i lactosa, i els escalfa al bany maria. Els tubs de maltosa i de lactosa es tornen de color vermell maó, però el de sacarosa continua blau. Explica aquest resultat a partir del tipus d'enllaç O-glicosídic de cada disacàrid.

Es tallen quatre cilindres iguals de patata, es pesen i es deixen durant una hora en dissolucions de sacarosa de concentració 0; 0,2; 0,4 i 0,6 mol/L. Les variacions de massa obtingudes són, respectivament, +9 %, +3 %, -3 % i -9 %.
a) Explica per què els cilindres guanyen massa en unes dissolucions i en perden en d'altres.
b) Estima la concentració de sacarosa que seria isotònica amb les cèl·lules de la patata.

Es mesura la velocitat d'una reacció catalitzada per un enzim humà a diferents temperatures i s'obtenen aquests valors (en unitats arbitràries): a 10 °C, 2; a 20 °C, 4; a 30 °C, 8; a 37 °C, 10; a 45 °C, 6; a 55 °C, 0. Explica la forma de la corba, indica la temperatura òptima i raona si l'enzim recuperaria l'activitat si, després d'haver estat a 55 °C, es refredés fins a 37 °C.

L'enzim alcohol-deshidrogenasa del fetge oxida l'etanol, però també pot oxidar el metanol i transformar-lo en formaldehid, un compost molt tòxic. Un dels tractaments de la intoxicació per metanol consisteix a administrar etanol al pacient. Explica quin tipus d'inhibició enzimàtica s'aprofita en aquest tractament i per què funciona.

Quan es posen en aigua, els fosfolípids s'organitzen espontàniament formant bicapes, mentre que els sabons (sals d'àcids grassos) formen micel·les. Explica què vol dir que aquestes molècules són amfipàtiques i per què els fosfolípids tendeixen a formar bicapes i no micel·les.

S'analitza la composició de bases de dues mostres d'àcids nucleics. Mostra 1: adenina 22 %, guanina 34 %, citosina 28 %, uracil 16 %. Mostra 2: adenina 28 %, timina 28 %, guanina 22 %, citosina 22 %. Raona, per a cada mostra, de quin àcid nucleic es tracta i si és monocatenari o bicatenari.

El midó i la cel·lulosa són polímers de glucosa, però les persones podem digerir el midó i no la cel·lulosa, mentre que els remugants sí que aprofiten l'energia de la cel·lulosa. Explica-ho a partir de l'estructura de les dues molècules i de l'especificitat dels enzims.

Els lípids es defineixen per una propietat física, no per una funció. Justifica aquesta afirmació posant un exemple de lípid amb funció energètica, un amb funció estructural i un amb funció reguladora, i digues quina és la propietat que tenen tots tres en comú.

En una cèl·lula eucariota s'hi mesura la quantitat d'ADN i d'ARN de dos compartiments. Al nucli hi ha ADN i ARN; al citosol només s'hi troba ARN. (a) Explica aquest resultat a partir de la funció de cada àcid nucleic. (b) Quin avantatge té per a la cèl·lula que l'ADN no surti del nucli?

Als viatges llargs dels segles XVI a XVIII molts mariners morien d'escorbut. Per què? Com es va resoldre, i què té a veure amb el tipus de vitamina implicada?

Es posen glòbuls vermells en tres tubs: A, amb aigua destil·lada; B, amb una dissolució de NaCl al 0,9 %; C, amb una dissolució de NaCl al 3 %. En paral·lel, es fa el mateix amb cèl·lules de l'epidermis de ceba.
a) Descriu i anomena què passa als glòbuls vermells de cada tub.
b) Explica per què les cèl·lules de ceba del tub A no rebenten i què els passa a les del tub C.
c) Raona per què els sèrums que s'injecten a la sang dels pacients són de NaCl al 0,9 % i no d'aigua destil·lada.

Es mesura la velocitat inicial d'una reacció enzimàtica a diferents concentracions de substrat, sempre amb la mateixa quantitat d'enzim: [S] = 1 mM, v = 20; [S] = 2 mM, v = 33; [S] = 4 mM, v = 50; [S] = 8 mM, v = 67; [S] = 16 mM, v = 80; [S] = 32 mM, v = 89 (v en µmol/min).
a) Explica per què la velocitat augmenta cada vegada menys i acaba estabilitzant-se.
b) Estima la velocitat màxima ($V_{\mathrm{max}}$) i la constant de Michaelis ($K_{M}$, concentració de substrat a la qual v = $\tfrac{V_{\mathrm{max}}}{2}$).
c) Indica com canviarien $V_{\mathrm{max}}$ i $K_{M}$ en presència d'un inhibidor competitiu i en presència d'un de no competitiu.

En l'anèmia falciforme, una mutació fa que a la posició 6 de la cadena β de l'hemoglobina hi hagi valina (aminoàcid apolar) en lloc d'àcid glutàmic (aminoàcid polar amb càrrega negativa). Quan la concentració d'oxigen és baixa, les molècules d'hemoglobina mutada s'agreguen formant fibres que deformen el glòbul vermell en forma de falç.
a) Quin nivell estructural de la proteïna canvia directament amb la mutació? Quins altres nivells en resulten afectats?
b) Explica per què el canvi d'un sol aminoàcid pot tenir un efecte tan gran, tenint en compte la naturalesa dels dos aminoàcids.
c) Un alumne afirma que l'hemoglobina mutada «s'ha desnaturalitzat». Raona si té raó.

L'àcid palmític és un àcid gras saturat de 16 carbonis, l'àcid oleic té 18 carbonis i un doble enllaç, i l'àcid linoleic té 18 carbonis i dos dobles enllaços.
a) Escriu la fórmula molecular de l'àcid palmític i de l'àcid oleic, i explica per què un àcid gras es considera una molècula amfipàtica.
b) Ordena els tres àcids grassos de menor a major punt de fusió i justifica-ho.
c) Explica què és un triacilglicèrid, com es forma a partir d'aquests àcids grassos i per què es diu que és un lípid saponificable.

L'ATP és un nucleòtid que actua com a «moneda energètica» de la cèl·lula. La seva hidròlisi, ATP + $\mathrm{H}_{2}\mathrm{O}$ → ADP + $P_{i}$, allibera uns 30,5 kJ/mol.
a) Descriu els components de la molècula d'ATP i indica quins enllaços s'anomenen «rics en energia».
b) Una persona de 70 kg hidrolitza i regenera cada dia una massa d'ATP aproximadament igual a la seva massa corporal. Si la massa molar de l'ATP és 507 g/mol, calcula quants mols d'ATP recicla al dia i quanta energia (en kJ) s'allibera en la seva hidròlisi.
c) Explica per què la cèl·lula no emmagatzema grans quantitats d'ATP sinó que l'ha de regenerar contínuament, i indica una altra funció de l'ATP a més de l'energètica.

La sang manté el pH entre 7,35 i 7,45 gràcies, sobretot, al tampó bicarbonat: CO₂ + H₂O ⇌ H₂CO₃ ⇌ HCO₃^- + $\mathrm{H}^{+}$.
a) Explica què és un tampó i com reacciona aquest sistema quan, durant un exercici intens, els músculs alliberen àcid làctic a la sang.
b) Raona en quin sentit es desplaça l'equilibri si una persona hiperventila (expulsa molt CO₂) i com canvia el pH de la sang.
c) Les sals minerals fan també altres funcions: indica la funció del fosfat de calci als ossos, dels ions Na⁺ i $\mathrm{K}^{+}$ a les neurones i del Fe²⁺ a l'hemoglobina.

Es mesura la velocitat inicial (µmol/min) d'un enzim a quatre concentracions de substrat, sense inhibidor i en presència de dos inhibidors diferents, $I_{1}$ i $I_{2}$ (sempre la mateixa quantitat d'enzim, 37 °C i pH 7):
• [S] = 1 mM: sense inhibidor 33,3; amb $I_{1}$ 14,3; amb $I_{2}$ 16,7.
• [S] = 2 mM: 50,0; 25,0; 25,0.
• [S] = 4 mM: 66,7; 40,0; 33,3.
• [S] = 8 mM: 80,0; 57,1; 40,0.
Per obtenir $V_{\mathrm{màx}}$ i $K_{M}$ es fa servir la representació de dobles inversos (Lineweaver-Burk): $\tfrac{1}{v}$ = ($K_{M}$/$V_{\mathrm{màx}}$) · ($\tfrac{1}{[S]}$) + $\tfrac{1}{V_{\mathrm{màx}}}$, que és una recta.
a) Calcula $\tfrac{1}{v}$ per a [S] = 1 mM i [S] = 8 mM en els tres casos, i a partir d'aquests dos punts obtén el pendent, l'ordenada a l'origen, $V_{\mathrm{màx}}$ i $K_{M}$ de cada sèrie.
b) Raona quin tipus d'inhibició produeix cada inhibidor a partir dels canvis de $V_{\mathrm{màx}}$ i $K_{M}$, i on s'uneix cada un a l'enzim.
c) Què passaria amb cada inhibició si s'augmentés molt la concentració de substrat? Justifica-ho.
d) Explica el significat biològic de la $K_{M}$ i per què un enzim amb una $K_{M}$ baixa és avantatjós quan el substrat és escàs.

Es vol comparar l'estabilitat tèrmica de dos enzims que catalitzen la mateixa reacció: un de fetge humà i un altre d'un bacteri que viu en fonts termals a 75 °C. Cada enzim s'incuba a 60 °C durant 0, 5, 10 i 15 min; després es refreda ràpidament i se'n mesura l'activitat sempre a 37 °C, amb excés de substrat. Resultats (% de l'activitat inicial):
• Enzim humà: 100 (0 min), 50 (5 min), 25 (10 min), 12,5 (15 min).
• Enzim bacterià: 100, 99, 100, 98.
a) Per què es mesura l'activitat a 37 °C, i no a 60 °C, després de la incubació? Quina pregunta respon aquest disseny?
b) Descriu la corba de l'enzim humà, calcula el temps que triga a perdre la meitat de l'activitat i estima l'activitat que conservaria al cap de 30 min a 60 °C.
c) Explica què li passa a nivell molecular a l'enzim humà a 60 °C i per què, si es torna a 37 °C, no recupera l'activitat.
d) Proposa tres característiques estructurals que podrien explicar l'estabilitat de l'enzim bacterià i raona per què aquest tipus d'enzims són útils en processos industrials.

Per estimar el potencial de soluts del contingut cel·lular de l'epidermis de ceba vermella, es posen fragments d'epidermis en dissolucions de sacarosa de diferent concentració durant 20 minuts i, al microscopi, es compta el percentatge de cèl·lules plasmolitzades:
• 0,20 M: 0 %; 0,30 M: 10 %; 0,40 M: 50 %; 0,50 M: 90 %; 0,60 M: 100 %.
El potencial de soluts d'una dissolució es pot calcular amb $Ψ_{s}$ = −i · C · R · T, on i és el nombre de partícules en què es dissocia el solut, C la concentració (mol/L), R = 0,00831 L·MPa/(mol·K) i T la temperatura absoluta (25 °C).
a) Explica què és la plasmòlisi i per què el pigment vermell del vacúol ajuda a veure-la.
b) Es considera que a la concentració que plasmolitza el 50 % de les cèl·lules (plasmòlisi incipient) el potencial de soluts de la dissolució és igual al de les cèl·lules. Calcula aquest valor. Per què és important que, en aquest punt, el potencial de pressió de la cèl·lula sigui pràcticament zero?
c) Raona per què s'ha fet servir sacarosa i no un solut que travessi la membrana, com la urea.
d) Calcula el potencial de soluts d'una dissolució 0,40 M de NaCl i raona què passaria amb aquestes cèl·lules si s'hi submergissin. Relaciona-ho amb el problema dels sòls salins per a l'agricultura.

S'analitza la composició de bases (% de nucleòtids) de tres mostres d'ADN purificat:
• Mostra A: A 30 %, T 30 %, G 20 %, C 20 %.
• Mostra B: A 15 %, T 15 %, G 35 %, C 35 %.
• Mostra C: A 30 %, T 20 %, G 25 %, C 25 %.
La temperatura de fusió ($T_{m}$, temperatura a la qual la meitat de l'ADN de doble cadena s'ha separat en cadenes senzilles) es pot estimar, en una dissolució salina estàndard, amb $T_{m}$ (°C) ≈ 69,3 + 0,41 · (% de G + C).
a) Raona quines mostres compleixen les regles de Chargaff i què indica que la mostra C no les compleixi.
b) Calcula la $T_{m}$ de les mostres A i B i explica, a partir de l'estructura de la doble hèlix, per què són diferents.
c) La mostra A es dissol en aigua destil·lada en lloc de la dissolució salina. Raona si la $T_{m}$ serà més alta o més baixa, tenint en compte les càrregues de l'esquelet de l'ADN.
d) En una PCR, la fase de desnaturalització es fa a 94–95 °C. Raona si aquesta temperatura és suficient per a la mostra B i quina conseqüència pràctica té el contingut en GC en dissenyar l'experiment.

Un adult té unes reserves energètiques de greix d'uns 370 000 kJ. Els triacilglicèrids proporcionen 37 kJ/g i el glicogen, 17 kJ/g; però el glicogen és molt hidròfil i s'emmagatzema hidratat, amb uns 2 g d'aigua per cada gram de glicogen, mentre que els triacilglicèrids s'emmagatzemen pràcticament sense aigua.
a) Calcula la massa de triacilglicèrids que emmagatzema aquesta energia i la massa de glicogen hidratat que caldria per emmagatzemar la mateixa energia.
b) Explica, a partir de l'estructura química, per què els triacilglicèrids donen més del doble d'energia per gram que els glúcids i per què no es «mullen».
c) Si el greix és tan avantatjós, raona per què el fetge i els músculs també guarden glicogen (pensa en la velocitat de mobilització i en què passa quan falta oxigen).
d) Les plantes guarden la major part de l'energia com a midó, però moltes llavors petites (gira-sol, colza) la guarden com a olis. Proposa una explicació d'aquestes dues estratègies.

Per diagnosticar la intolerància a la lactosa, es fa beure a dues persones en dejú 50 g de lactosa dissolta en aigua i es mesura l'augment de glucosa a la sang i l'hidrogen ($\mathrm{H}_{2}$) a l'aire expirat durant les 3 hores següents. Es considera normal un augment de la glucèmia superior a 1,1 mmol/L i un augment d'$\mathrm{H}_{2}$ inferior a 20 ppm.
Persona A: glucèmia +2,1 mmol/L; $\mathrm{H}_{2}$ +5 ppm; cap símptoma.
Persona B: glucèmia +0,3 mmol/L; $\mathrm{H}_{2}$ +60 ppm; gasos i diarrea aquosa.
a) Escriu la reacció que catalitza la lactasa intestinal, indica quin enllaç trenca i calcula quina massa de glucosa i de galactosa s'obté de 50 g de lactosa (M(lactosa) = 342 g/mol; M(glucosa) = M(galactosa) = 180 g/mol). Per què la suma supera els 50 g?
b) Interpreta els resultats de les dues persones. Explica d'on surt l'hidrogen de la persona B i per què té diarrea aquosa, fent servir el concepte d'osmosi.
c) La llet sense lactosa s'obté afegint-hi lactasa. Una llet té 48 g/L de lactosa: calcula la concentració de glúcids en mmol/L abans i després de la hidròlisi completa, i raona per què la llet sense lactosa és més dolça. Per què el reactiu de Benedict no permet distingir-la de la llet normal, i quin tipus de prova ho permetria?
d) A la indústria, la lactasa es fixa en un suport i la llet hi circula per sobre. Raona per què el mateix enzim es pot fer servir moltes vegades i per què la hidròlisi és més lenta si la llet circula a 6 °C que a 37 °C.

La tiamina (vitamina $B_{1}$) és el precursor del coenzim tiamina pirofosfat (TPP), necessari per al complex piruvat deshidrogenasa i per a l'α-cetoglutarat deshidrogenasa del cicle de Krebs. Una persona amb alcoholisme crònic i mala alimentació arriba a urgències confosa i amb trastorns de la marxa. Se li fa una prova: es mesura el piruvat a la sang en dejú i 1 hora després de prendre glucosa, i es compara amb una persona sana:
• Pacient: piruvat 0,25 mM (dejú) → 0,60 mM (després de la glucosa); lactat alt.
• Persona sana: 0,08 mM → 0,10 mM; lactat normal.
a) Calcula quantes vegades augmenta el piruvat en cada persona després de la glucosa i explica a quina reacció del metabolisme s'acumula el «tap».
b) Raona per què també puja el lactat, encara que el pacient respiri amb normalitat.
c) Les neurones són de les cèl·lules més afectades. Proposa una explicació a partir de la seva font d'energia.
d) Als serveis d'urgències es recomana administrar tiamina abans (o alhora) de donar sèrum glucosat a aquests pacients. Raona per què donar només glucosa pot empitjorar la situació, i per què les vitamines hidrosolubles com la $B_{1}$ s'han d'ingerir regularment.

El tampó fosfat (H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + $\mathrm{H}^{+}$, pK_a = 6,8) és un dels principals tampons de l'interior cel·lular. El pH d'un tampó es calcula amb l'equació de Henderson-Hasselbalch: pH = pK_a + log([HPO₄²⁻]/[H₂PO₄⁻]).
Es fa aquest experiment: a 100 mL d'un tampó fosfat que conté 0,005 mol de H₂PO₄⁻ i 0,005 mol de HPO₄²⁻ s'hi afegeix 1 mL d'HCl 1 M; el mateix volum d'HCl s'afegeix a 100 mL d'aigua destil·lada (pH 7).
a) Calcula el pH inicial del tampó i el pH de cadascun dels dos recipients després d'afegir l'àcid.
b) Explica, amb la reacció química corresponent, per què el pH del tampó gairebé no canvia.
c) Calcula la relació [HPO₄²⁻]/[H₂PO₄⁻] al citosol, que té un pH de 7,2. Raona per què el fosfat és un bon tampó intracel·lular i no seria útil per mantenir un pH de 4,8, com el dels lisosomes.
d) Un enzim citosòlic té el pH òptim a 7,2 i perd el 90 % de l'activitat a pH 6,0. Raona què li passaria si el citosol no estigués tamponat i, a escala molecular, per què el pH afecta l'activitat d'un enzim. Indica també per què les proteïnes mateixes contribueixen a tamponar.

S'ha aïllat un virus nou que infecta cèl·lules de mamífer en cultiu. Per identificar-ne el material genètic, s'extreuen els àcids nucleics de les partícules víriques i s'introdueixen en cèl·lules (transfecció) després de diferents tractaments. També se n'analitza la composició de bases.
• Extracte sense tractar: infecció i producció de virus nous.
• Extracte + desoxiribonucleasa (DNasa): infecció.
• Extracte + ribonucleasa (RNasa): no hi ha infecció.
• Extracte + proteasa: infecció.
• Extracte + NaOH 0,3 M durant 1 h a 37 °C (i neutralitzat): no hi ha infecció.
• Composició de bases: A 31 %, U 19 %, G 22 %, C 28 %; no s'hi detecta timina.
a) Raona quin és el material genètic del virus fent servir els resultats dels enzims i de la composició de bases. És de cadena senzilla o doble?
b) El tractament amb NaOH destrueix l'ARN però no l'ADN. Explica aquesta diferència a partir de l'estructura de la ribosa i la desoxiribosa.
c) Raona per què el tractament amb proteasa de l'extracte d'àcids nucleics no impedeix la infecció. Què passaria si s'apliqués la proteasa als virus sencers abans d'infectar les cèl·lules?
d) Els virus d'ARN muten molt més de pressa que els d'ADN. Proposa dues explicacions relacionades amb l'estructura i la còpia de l'ARN i una conseqüència per a la fabricació de vacunes.

La ribonucleasa A és un enzim de 124 aminoàcids amb 8 cisteïnes que formen 4 ponts disulfur. En un experiment clàssic s'hi aplica urea 8 M (que trenca els enllaços no covalents) i mercaptoetanol (que redueix els ponts disulfur a grups –SH). L'enzim queda completament inactiu. Després es fan dos tractaments:
• Tractament 1: s'eliminen lentament i alhora la urea i el mercaptoetanol, i es deixa que els –SH s'oxidin a l'aire. L'enzim recupera el 95 % de l'activitat.
• Tractament 2: primer s'elimina el mercaptoetanol i es deixa que els –SH s'oxidin en presència d'urea; després s'elimina la urea. L'enzim recupera només un 1 % de l'activitat.
a) Explica què fan la urea i el mercaptoetanol sobre l'estructura de la proteïna i per què l'enzim perd l'activitat.
b) Quina conclusió general sobre la relació entre l'estructura primària i l'estructura tridimensional se'n treu del tractament 1?
c) Calcula de quantes maneres diferents es poden aparellar 8 cisteïnes per formar 4 ponts disulfur i quina fracció de les molècules tindria els 4 ponts correctes si s'aparellessin a l'atzar. Compara-ho amb el resultat del tractament 2 i interpreta'l.
d) Raona per què a les cèl·lules hi ha proteïnes (xaperones i enzims com la disulfur isomerasa) que ajuden al plegament, si la seqüència ja conté tota la informació.