Exercicis de bioquímica — Biologia 2n Batxillerat

Perquè gairebé totes les reaccions químiques dels éssers vius passen en dissolució aquosa: les molècules s'han de trobar dissoltes per reaccionar. A més, l'aigua transporta substàncies pel cos. Sense aigua, aquestes reaccions no es podrien fer.

Perquè és el medi on tenen lloc gairebé totes les reaccions químiques de la cèl·lula: en dissoldre substàncies polars i ions, permet que les molècules es trobin i reaccionin en el medi aquós intern de l'organisme.

La pèrdua de la seva forma tridimensional (estructures secundària, terciària i quaternària) per culpa de la calor, d'un pH extrem o d'altres agents, sense que es trenquin els enllaços peptídics. La proteïna deixa de fer la seva funció.

Lugol: detecta el midó (polisacàrid); passa de marró ataronjat a blau fosc o violat, sense escalfar.
Benedict (o Fehling): detecta els sucres reductors (glucosa, fructosa, maltosa, lactosa); passa de blau a vermell maó (precipitat de Cu₂O) i cal escalfar al bany maria.
Biuret: detecta les proteïnes (reacciona amb els enllaços peptídics); passa de blau a violeta, sense escalfar.
Sudan III: detecta els lípids; els greixos es tenyeixen de vermell ataronjat, sense escalfar.
Error típic: el Benedict no detecta ni la sacarosa (no és reductora) ni el midó, encara que tots dos siguin glúcids.

A l'ADN bicatenari cada citosina està aparellada amb una guanina, de manera que G = C = 480 nucleòtids.
Els nucleòtids restants són A i T: 2000 - 480 - 480 = 1040, i com que A = T, n'hi ha 520 de cada.
Parells de bases: 2000/2 = 1000 parells; d'aquests, 480 són G-C i 520 són A-T (comprovació: 480 + 520 = 1000).
Ponts d'hidrogen: 480 · 3 + 520 · 2 = 1440 + 1040 = 2480 ponts d'hidrogen.
Com més rics en G-C, més estables són els fragments d'ADN (cal més energia per separar les cadenes), cosa que es nota en la temperatura de desnaturalització.

Monosacàrids: glucosa i fructosa (hexoses, 6 carbonis) i ribosa (pentosa, 5 carbonis). No s'hidrolitzen en sucres més senzills.
Disacàrids: sacarosa, lactosa i maltosa, formats per dos monosacàrids units per un enllaç O-glicosídic.
Polisacàrids: midó i glicogen (reserva energètica en plantes i animals) i cel·lulosa (estructural, paret cel·lular vegetal); tots tres són polímers de glucosa.
Sacarosa = glucosa + fructosa; lactosa = galactosa + glucosa; maltosa = glucosa + glucosa.

L'oli d'oliva és ric en àcids grassos insaturats (sobretot àcid oleic), que tenen un o més dobles enllaços C=C en configuració cis; cada doble enllaç fa un «colze» a la cadena.
Les cadenes amb colzes no es poden empaquetar bé i les forces de Van der Waals entre elles són febles: el punt de fusió és baix i el greix és líquid.
La mantega i el llard són rics en àcids grassos saturats (palmític, esteàric), amb cadenes rectes que s'empaqueten molt i estableixen moltes interaccions: punt de fusió alt i greix sòlid.
Regla general: el punt de fusió puja amb la longitud de la cadena i baixa amb el nombre de dobles enllaços.

Un pèptid de n aminoàcids té n - 1 enllaços peptídics: 8 - 1 = 7 enllaços.
En cada enllaç s'allibera una molècula d'aigua, de manera que se n'han alliberat 7. És una reacció de condensació (deshidratació); la reacció inversa, que trenca el pèptid afegint aigua, és la hidròlisi.
L'enllaç peptídic s'estableix entre el grup carboxil (-COOH) d'un aminoàcid i el grup amino (-NH₂) del següent, i forma un grup amida (-CO-NH-).
El pèptid conserva un grup amino lliure en un extrem (extrem N-terminal) i un grup carboxil lliure a l'altre (extrem C-terminal).

Elevada calor específica: cal molta energia per augmentar 1 °C la temperatura de l'aigua, perquè part de l'energia es gasta a trencar ponts d'hidrogen. Com que el cos és aigua en un 60-70 %, pot absorbir o perdre calor sense que la temperatura canviï gaire (funció termoreguladora).
Elevada calor de vaporització: per evaporar l'aigua cal molta energia (també per trencar els ponts d'hidrogen). Quan la suor s'evapora pren aquesta energia de la pell i la refreda.
Totes dues propietats deriven de la mateixa causa: la polaritat de la molècula i els ponts d'hidrogen que uneixen les molècules d'aigua entre si.

a) Ribosa / desoxiribosa (la desoxiribosa no té el grup -OH del carboni 2').
b) Uracil / timina (l'uracil s'aparella amb l'adenina igual que ho fa la timina).
c) Dues cadenes, enrotllades en doble hèlix antiparal·lela / una sola cadena (que pot plegar-se sobre si mateixa, com l'ARN de transferència).
d) Enllaços fosfodièster (entre el fosfat del carboni 5' d'un nucleòtid i l'-OH del carboni 3' del següent) / ponts d'hidrogen entre bases complementàries: dos entre A i T, i tres entre G i C.

(a) Midó i cel·lulosa són GLÍCIDS; la proteïna de reserva és un PRÒTID; l'oli és un LÍPID. (b) Midó: funció ENERGÈTICA, és la reserva de glucosa que alimentarà la germinació. Cel·lulosa: funció ESTRUCTURAL, forma la paret de les cèl·lules vegetals. Proteïna de reserva: funció energètica i de reserva d'aminoàcids per construir les proteïnes de la plàntula. Oli: funció ENERGÈTICA (reserva molt concentrada, perquè els lípids donen més energia per gram que els glícids). Fixa-t'hi: dos glícids amb la mateixa unitat, la glucosa, fan funcions oposades; el que canvia és com estan unides, i per tant l'estructura, no el grup.

(a) Triglicèrid: greix, reserva d'energia (i aïllament tèrmic). (b) Fosfolípid: forma les membranes cel·lulars. (c) Testosterona: esteroide, funció hormonal (regulació).

Primària: l'ordre dels aminoàcids a la cadena. Secundària: els plegaments locals (hèlixs, làmines). Terciària: la forma tridimensional global de la cadena. Quaternària: com s'ajunten diverses cadenes (només si en té més d'una).

Aparellem cada base (A amb T, G amb C): G→C, C→G, A→T, T→A, T→A, A→T.
La cadena complementària és C-G-T-A-A-T.

El reactiu de Benedict només detecta sucres reductors: els que tenen lliure el carboni anomèric (el del grup carbonil), capaç de reduir el Cu²⁺ (blau) a Cu⁺, que precipita com a Cu₂O de color vermell maó.
Maltosa: dues glucoses unides per un enllaç α(1→4); només hi participa el carboni anomèric d'una glucosa (enllaç monocarbonílic) i l'altra en conserva un de lliure: és reductora i dona positiu.
Lactosa: galactosa i glucosa unides per un enllaç β(1→4), també monocarbonílic: reductora, dona positiu.
Sacarosa: la glucosa i la fructosa s'uneixen pels seus dos carbonis anomèrics (enllaç α(1→2)β, dicarbonílic): no queda cap carbonil lliure, no és reductora i el tub es queda blau.
Si s'hidrolitzés la sacarosa (amb àcid i calor, o amb l'enzim sacarasa), la glucosa i la fructosa alliberades donarien positiu.

a) És un fenomen d'osmosi: l'aigua travessa la membrana (semipermeable) des del medi amb menys soluts (hipotònic) cap al medi amb més soluts (hipertònic). En aigua pura i en sacarosa 0,2 mol/L, el medi és hipotònic respecte del citoplasma: entra aigua a les cèl·lules i el cilindre guanya massa (+9 % i +3 %). En sacarosa 0,4 i 0,6 mol/L, el medi és hipertònic: surt aigua de les cèl·lules i el cilindre perd massa (-3 % i -9 %).
b) La dissolució isotònica és la que no fa variar la massa (variació 0 %). Està entre 0,2 mol/L (+3 %) i 0,4 mol/L (-3 %); com que els dos valors són simètrics, per interpolació lineal queda a 0,2 + 0,2·($\tfrac{3}{6}$) = 0,3 mol/L.
Comprovació: la variació canvia 6 punts cada 0,2 mol/L, de manera que a 0,3 mol/L val +3 - 3 = 0 %.

Entre 10 i 37 °C la velocitat augmenta (aproximadament es dobla cada 10 °C): a més temperatura, les molècules tenen més energia cinètica i hi ha més xocs efectius entre l'enzim i el substrat.
La temperatura òptima és 37 °C (velocitat màxima, 10), coherent amb la temperatura corporal humana.
Per sobre de l'òptim l'activitat cau (6 a 45 °C i 0 a 55 °C): l'agitació tèrmica trenca els enllaços febles (ponts d'hidrogen, interaccions hidrofòbiques) que mantenen l'estructura terciària, el centre actiu es deforma i l'enzim es desnaturalitza.
No recuperaria l'activitat: la desnaturalització tèrmica sol ser irreversible, perquè les cadenes desplegades s'agreguen i no tornen a la forma nativa.
Error típic: creure que el fred també desnaturalitza. A baixa temperatura l'enzim només va lent, i recupera l'activitat en escalfar-lo.

S'aprofita una inhibició competitiva: l'etanol i el metanol tenen una estructura molt semblant i competeixen pel mateix centre actiu de l'alcohol-deshidrogenasa.
Si s'administra molt etanol, la majoria de centres actius queden ocupats per etanol i el metanol gairebé no s'oxida; mentrestant, el metanol s'elimina lentament per l'orina sense transformar-se en formaldehid.
La inhibició competitiva és reversible i depèn de la proporció entre les dues molècules: com més etanol hi ha respecte del metanol, menys metanol es transforma.
En termes cinètics, un inhibidor competitiu no canvia la velocitat màxima (amb prou substrat es pot arribar-hi) però augmenta la $K_{M}$ aparent, perquè cal més substrat per assolir la mateixa velocitat.

Una molècula amfipàtica té una part polar o hidrofílica i una part apolar o hidrofòbica. En el fosfolípid, el cap polar és el grup fosfat (carregat) unit a un alcohol, i les dues cues apolars són les cadenes dels dos àcids grassos; en el sabó, el cap és el grup carboxilat i la cua, una sola cadena hidrocarbonada.
En aigua, els caps interaccionen amb les molècules d'aigua i les cues s'amaguen del medi aquós (efecte hidrofòbic), de manera que les molècules s'agrupen soles, sense gastar energia.
Un sabó, amb una sola cua, té forma de con i cap perfectament en una esfera petita amb les cues cap endins: una micel·la.
Un fosfolípid, amb dues cues, té forma cilíndrica i no pot formar una esfera tan tancada; la disposició més estable és una bicapa, amb les cues enfrontades al mig i els caps cap a l'aigua per les dues cares, que es tanca sobre si mateixa formant vesícules.
Aquesta propietat és la base de totes les membranes cel·lulars.

Mostra 1: conté uracil i no conté timina, de manera que és ARN. A (22 %) no és igual a U (16 %) ni G (34 %) igual a C (28 %): no es compleix la complementarietat de bases, així que la molècula és monocatenària (una sola cadena, que com a molt té aparellaments locals).
Mostra 2: conté timina, de manera que és ADN. Es compleix A = T (28 %) i G = C (22 %), és a dir, la regla de Chargaff: cada base està aparellada amb la seva complementària en una cadena oposada, i la molècula és bicatenària.
Comprovació de la mostra 2: purines (A + G = 50 %) = pirimidines (T + C = 50 %).
Error típic: creure que qualsevol ADN compleix A = T; només ho fa l'ADN de doble cadena (alguns virus tenen ADN monocatenari que no la compleix).

El midó és un polímer d'α-glucosa amb enllaços α(1→4) (amilosa, helicoïdal) i ramificacions α(1→6) (amilopectina). Les amilases de la saliva i del pàncrees reconeixen aquests enllaços α i els hidrolitzen fins a maltosa i glucosa.
La cel·lulosa és un polímer de β-glucosa amb enllaços β(1→4); les cadenes són rectes i s'uneixen entre si per ponts d'hidrogen formant fibres molt resistents (paret cel·lular vegetal).
Els enzims són específics del substrat i del tipus d'enllaç: les persones no tenim cel·lulasa, l'enzim que trenca l'enllaç β(1→4), i la cel·lulosa travessa el tub digestiu sense digerir-se (és la fibra de la dieta).
Els remugants tampoc no fabriquen cel·lulasa, però allotgen al rumen microorganismes simbionts que sí que en tenen i que alliberen glucosa i altres productes que l'animal aprofita.
Error típic: dir que la cel·lulosa «no té energia»; en té tanta com el midó, però nosaltres no la podem alliberar.

La propietat comuna és la INSOLUBILITAT EN AIGUA (són apolars): és l'únic tret que comparteixen tots els lípids, i per això la definició del grup és física i no funcional. Energètica: un triglicèrid (el greix de reserva), que emmagatzema molta energia per gram. Estructural: un fosfolípid, que forma la bicapa de les membranes gràcies a tenir una part afí a l'aigua i una que la defuig. Reguladora: una hormona esteroide com la testosterona. Tres funcions ben diferents dins del mateix grup: per això «lípid» i «greix» no són sinònims, el greix només és el lípid de reserva.

(a) L'ADN guarda la informació genètica i es queda al nucli, que és on està compactat i protegit; per això no se'n troba al citoplasma. L'ARN és la còpia de treball: es transcriu al nucli (per això n'hi ha) i surt cap al citoplasma, on els ribosomes el tradueixen a proteïnes (per això n'hi ha també fora). (b) Perquè l'original queda protegit: qualsevol dany a l'ADN seria permanent i afectaria totes les cèl·lules filles, mentre que un ARN malmès simplement es degrada i se'n transcriu un altre. A més, així la cèl·lula pot regular quina part de la informació es fa servir en cada moment sense tocar l'arxiu.

L'escorbut és la carència de vitamina C, que es troba sobretot a la fruita i la verdura fresques, aliments que no es conservaven a bord. La vitamina C és hidrosoluble i el cos no la pot emmagatzemar gaire: al cap d'unes setmanes sense prendre'n apareixen els símptomes (genives que sagnen, ferides que no es curen).
El 1747 el metge James Lind va comprovar que els cítrics el curaven, i la marina britànica va acabar incorporant el suc de llimona a la dieta dels mariners.

a) Tub A: el medi és hipotònic respecte del citoplasma; l'aigua entra per osmosi, el glòbul vermell s'infla i acaba rebentant (hemòlisi). Tub B: el 0,9 % de NaCl és isotònic amb el plasma; no hi ha flux net d'aigua i la cèl·lula conserva la forma. Tub C: el medi és hipertònic; l'aigua surt, la cèl·lula perd volum i s'arruga (crenació).
b) Les cèl·lules vegetals tenen una paret cel·lular rígida de cel·lulosa. Al tub A hi entra aigua, el vacúol s'infla i la cèl·lula pressiona contra la paret (turgència), però la paret aguanta la pressió i la cèl·lula no rebenta. Al tub C la cèl·lula perd aigua, el vacúol es contreu i la membrana plasmàtica se separa de la paret: plasmòlisi.
c) Si s'injectés aigua destil·lada, el plasma es diluiria i els glòbuls vermells patirien hemòlisi massiva. La dissolució al 0,9 % té la mateixa concentració de soluts que el plasma (és isotònica) i no altera ni el volum ni la forma de les cèl·lules sanguínies.
Error típic: confondre el sentit del flux. L'aigua sempre va cap on hi ha més solut (menys aigua lliure).

a) A concentracions baixes de substrat hi ha molts centres actius lliures i la velocitat creix gairebé proporcionalment a [S]. En augmentar [S], cada cop queden menys centres actius disponibles; quan tots els enzims estan ocupats contínuament (saturació), afegir més substrat ja no accelera la reacció i la velocitat només depèn de la quantitat d'enzim: és la $V_{max}$.
b) Els valors tendeixen a un límit: en doblar [S] de 16 a 32 mM la velocitat només passa de 80 a 89. La corba s'acosta a $V_{max}$ ≈ 100 µmol/min. Aleshores $\tfrac{V_{max}}{2} = 50$ µmol/min, que s'assoleix a [S] = 4 mM: $K_{M}$ ≈ 4 mM.
Comprovació amb l'equació de Michaelis-Menten, v = $V_{max}$·[S]/($K_{M}$ + [S]): per a [S] = 8 mM, v = 100·$\tfrac{8}{(4 + 8)} = 66{,}7$ µmol/min, que coincideix amb el valor mesurat.
c) Inhibidor competitiu: s'uneix al centre actiu i competeix amb el substrat; es pot vèncer afegint més substrat, de manera que $V_{max}$ no canvia però la $K_{M}$ aparent augmenta. Inhibidor no competitiu: s'uneix a un altre lloc de l'enzim i el deixa inactiu; afegir substrat no ho compensa, de manera que $V_{max}$ disminueix i $K_{M}$ es manté.

a) Canvia directament l'estructura primària (la seqüència d'aminoàcids). Com que la conformació tridimensional depèn de la seqüència, es veuen afectades l'estructura terciària de la cadena β en aquella regió i les interaccions entre subunitats (estructura quaternària: l'hemoglobina té quatre cadenes, dues α i dues β) i entre molècules diferents.
b) L'àcid glutàmic té una cadena lateral carregada negativament i hidrofílica, que queda a la superfície en contacte amb l'aigua. La valina és hidrofòbica: crea un «pegat» apolar a la superfície que tendeix a fugir de l'aigua unint-se a zones hidrofòbiques d'altres molècules d'hemoglobina. Quan l'hemoglobina està desoxigenada, aquestes unions encadenen les molècules en fibres rígides que deformen la cèl·lula, la fan fràgil i obstrueixen els capil·lars. La funció d'una proteïna depèn de la seva forma i de les càrregues de la superfície, i un sol aminoàcid en un lloc crític les altera.
c) No té raó. Desnaturalitzar-se és perdre l'estructura tridimensional nativa per agents com la calor o el pH, sense que canviï la seqüència. L'hemoglobina falciforme conserva la seqüència mutada, està plegada i fins i tot transporta oxigen; el problema és un canvi genètic de seqüència que n'altera la solubilitat i les interaccions.

a) Un àcid gras saturat de n carbonis té fórmula C_nH_2nO₂; l'àcid palmític, CH₃-(CH₂)₁₄-COOH, és C₁₆H₃₂O₂. Cada doble enllaç resta dos hidrògens: l'àcid oleic és C₁₈H₃₄O₂ (i el linoleic, C₁₈H₃₂O₂). És amfipàtic perquè té un extrem polar i hidrofílic (el grup carboxil, -COOH) i una llarga cadena hidrocarbonada apolar i hidrofòbica.
b) Linoleic (uns -5 °C) < oleic (uns 13 °C) < palmític (uns 63 °C). Cada doble enllaç cis fa un colze a la cadena que dificulta l'empaquetament i redueix les forces de Van der Waals entre molècules, de manera que el punt de fusió baixa amb el nombre d'insaturacions. Una cadena més llarga puja el punt de fusió, però aquí l'efecte de la saturació domina: el palmític, encara que tingui dos carbonis menys, és sòlid a temperatura ambient i els altres dos són líquids.
c) Un triacilglicèrid és un èster de glicerol (un alcohol amb tres grups -OH) amb tres àcids grassos: cada -OH reacciona amb un -COOH (esterificació) i s'alliberen tres molècules d'aigua. És saponificable perquè els enllaços èster es poden hidrolitzar amb una base forta (NaOH o KOH), i s'obté glicerol i les sals sòdiques o potàssiques dels àcids grassos, que són els sabons. Els triacilglicèrids són la principal reserva energètica dels animals i de moltes llavors.

a) L'ATP (adenosina trifosfat) està format per una base nitrogenada púrica, l'adenina; una pentosa, la ribosa (adenina + ribosa = adenosina), i tres grups fosfat units en cadena. El primer fosfat s'uneix al carboni 5' de la ribosa per un enllaç èster; els dos enllaços entre fosfats són enllaços fosfoanhídrid, els «rics en energia»: la seva hidròlisi allibera molta energia perquè separa càrregues negatives que es repel·lien i dona productes més estables.
b) Mols d'ATP = 70000 $\tfrac{g}{507}$ g/mol = 138 mol al dia. Energia = 138 mol · 30,5 kJ/mol = 4211 kJ, és a dir, uns 4,2·$10^{3}$ kJ al dia.
Comprovació: 138 mol · 507 g/mol = 69966 g ≈ 70 kg.
c) L'ATP és un intermediari, no una reserva: la quantitat present a la cèl·lula només cobreix uns segons d'activitat, i és inestable i voluminós per emmagatzemar-lo. Les reserves d'energia són el glicogen i els triacilglicèrids, i l'ATP es regenera contínuament a partir d'ADP + $P_{i}$ amb l'energia de la respiració, la fermentació o la fotosíntesi.
Altres funcions: és un dels nucleòtids precursors de l'ARN i forma part de coenzims (NAD⁺, FAD, coenzim A); l'AMP cíclic derivat de l'ATP actua com a missatger en la senyalització cel·lular.

a) Un tampó és una dissolució d'un àcid feble i la seva base conjugada (aquí H₂CO₃ i HCO₃^-) que amorteix els canvis de pH quan s'afegeix un àcid o una base. L'àcid làctic allibera $H^{+}$; els ions bicarbonat els capten (HCO₃^- + $H^{+}$ → H₂CO₃ → CO₂ + H₂O): l'equilibri es desplaça cap a l'esquerra i el CO₂ sobrant s'expulsa pels pulmons (per això respirem més de pressa). El pH baixa molt poc.
b) En hiperventilar s'elimina CO₂ i en baixa la concentració a la sang; per compensar-ho (principi de Le Chatelier), l'equilibri es desplaça cap a l'esquerra: $H^{+}$ i HCO₃^- es combinen per regenerar CO₂. La concentració d'$H^{+}$ disminueix i el pH puja (alcalosi respiratòria).
c) Fosfat de calci, Ca₃(PO₄)₂: sal precipitada amb funció estructural, dona duresa i rigidesa als ossos i les dents. Na⁺ i $K^{+}$: ions dissolts, repartits desigualment a banda i banda de la membrana per la bomba de sodi i potassi, que creen el potencial de membrana i permeten l'impuls nerviós. Fe²⁺: forma part del grup hemo de l'hemoglobina i s'hi uneix l'O₂ de manera reversible per transportar-lo.

a) Inversos (1/[S] = 1 i 0,125 mM⁻¹):
• Sense inhibidor: 1/33,3 = 0,030 i 1/80 = 0,0125. Pendent = (0,030 − 0,0125)/(1 − 0,125) = 0,020; ordenada = 0,030 − 0,020 = 0,010 → V_màx = 1/0,010 = 100 µmol/min; K_M = 0,020 · 100 = 2 mM.
• Amb I₁: 1/14,3 = 0,070 i 1/57,1 = 0,0175. Pendent = (0,070 − 0,0175)/0,875 = 0,060; ordenada = 0,070 − 0,060 = 0,010 → V_màx = 100 µmol/min; K_M aparent = 0,060 · 100 = 6 mM.
• Amb I₂: 1/16,7 = 0,060 i 1/40 = 0,025. Pendent = (0,060 − 0,025)/0,875 = 0,040; ordenada = 0,060 − 0,040 = 0,020 → V_màx = 50 µmol/min; K_M = 0,040 · 50 = 2 mM.
Comprovació: amb I₂ a [S] = 2 mM, v = 25 = V_màx/2, coherent amb K_M = 2 mM.
b) I₁: V_màx igual i K_M aparent més gran (de 2 a 6 mM) → inhibició competitiva. L'inhibidor s'assembla al substrat i ocupa el centre actiu de manera reversible: cal més substrat per arribar a la meitat de la velocitat màxima, però amb prou substrat s'arriba a la mateixa V_màx. I₂: K_M igual i V_màx reduïda a la meitat → inhibició no competitiva. S'uneix a un lloc diferent del centre actiu (al·lostèric) i canvia la conformació de l'enzim; els enzims units a l'inhibidor no funcionen, i és com si hi hagués menys enzim actiu.
c) Amb I₁, un excés de substrat desplaça l'inhibidor del centre actiu i la velocitat s'acosta a 100 µmol/min: la inhibició es pot superar. Amb I₂, el substrat no competeix amb l'inhibidor, i la velocitat no superarà mai 50 µmol/min encara que s'hi afegeixi molt substrat.
d) La K_M és la concentració de substrat a la qual l'enzim treballa a la meitat de la velocitat màxima, i és una mesura inversa de l'afinitat: com més baixa, més afinitat. Un enzim amb K_M baixa assoleix velocitats altes encara que el substrat sigui poc abundant, de manera que pot funcionar eficaçment a les concentracions fisiològiques baixes del substrat.

Errors típics

• Llegir V_màx com el valor més alt de la taula (80), quan l'enzim encara no està saturat.
• Confondre els efectes: la competitiva no canvia la V_màx; la no competitiva no canvia la K_M.
• Pensar que una K_M alta indica més afinitat.

Conceptes treballats: cinètica de Michaelis-Menten; representació de Lineweaver-Burk; inhibició competitiva i no competitiva; centre actiu i regulació al·lostèrica; afinitat enzim–substrat

a) Mesurant-ho tot a 37 °C, la temperatura de l'assaig és la mateixa per a totes les mostres, i les diferències d'activitat només poden deure's a allò que ha fet la incubació a 60 °C: la pèrdua irreversible d'enzim actiu (desnaturalització). Es respon a la pregunta «quanta estructura funcional sobreviu a l'escalfament?», i no «a quina velocitat catalitza a 60 °C» (que barrejaria l'acceleració per la temperatura amb la desnaturalització).
b) L'activitat de l'enzim humà disminueix de manera exponencial: cada 5 min es redueix a la meitat (100 → 50 → 25 → 12,5). El temps de semivida és, doncs, de 5 min. Al cap de 30 min (6 semivides): $\tfrac{100}{2^{6}} = 1{,}6$ % de l'activitat inicial.
c) A 60 °C, l'agitació tèrmica trenca els enllaços febles que mantenen les estructures secundària, terciària i quaternària (ponts d'hidrogen, interaccions hidrofòbiques, enllaços iònics). La cadena es desplega, el centre actiu perd la seva forma i ja no reconeix el substrat. L'estructura primària (enllaços peptídics) es manté, però les cadenes desplegades exposen les zones hidrofòbiques i s'agreguen entre elles, de manera que, quan es refreden, no recuperen el plegament correcte: la desnaturalització és irreversible.
d) Més enllaços iònics (ponts salins) a la superfície; ponts disulfur entre cisteïnes; un nucli hidrofòbic més compacte i amb menys cavitats; més prolines i menys bucles flexibles. Aquests enzims (com l'ADN polimerasa de la PCR) toleren temperatures altes, que acceleren les reaccions, redueixen el risc de contaminació microbiana i disminueixen la viscositat dels medis; a més, duren més temps actius als reactors i als detergents.

Errors típics

• Interpretar que l'enzim humà «funciona pitjor» a 60 °C i que en refredar-se tornarà a funcionar.
• Pensar que la desnaturalització trenca els enllaços peptídics.
• Calcular l'activitat a 30 min restant 50 % cada 5 min (lineal) en lloc de dividir per 2.

Conceptes treballats: estructura de les proteïnes; desnaturalització; efecte de la temperatura sobre els enzims; disseny experimental; enzims d'organismes extremòfils

a) La plasmòlisi és la retracció del protoplast (membrana plasmàtica i contingut) que se separa de la paret cel·lular quan la cèl·lula perd aigua per osmosi en un medi hipertònic. Com que qui perd l'aigua és sobretot el vacúol, el pigment (antocianines) es concentra en un volum més petit: el color vermell intens permet veure fàcilment la mida del vacúol i el despreniment de la paret.
b) Plasmòlisi incipient a 0,40 M de sacarosa: $Ψ_{s}$ = −1 · 0,40 · 0,00831 · 298 = −0,99 MPa (≈ −1,0 MPa). En la plasmòlisi incipient la membrana just deixa de pressionar la paret, de manera que la pressió de turgència (potencial de pressió) és ~0 i el potencial hídric de la cèl·lula és igual al seu potencial de soluts. Només així podem igualar el potencial de soluts de la cèl·lula al de la dissolució externa.
c) La membrana és pràcticament impermeable a la sacarosa (molècula polar i grossa sense transportador en aquestes cèl·lules), de manera que només es mou l'aigua i el resultat reflecteix la diferència de concentració. La urea travessa la membrana: entraria a la cèl·lula, igualaria concentracions i la cèl·lula es desplasmolitzaria, cosa que falsejaria el resultat.
d) NaCl 0,40 M: i = 2 → $Ψ_{s}$ = −2 · 0,40 · 0,00831 · 298 = −1,98 MPa (≈ −2,0 MPa), el doble que la sacarosa a la mateixa molaritat. El medi tindria un potencial hídric molt més baix que les cèl·lules (≈ −1,0 MPa): l'aigua sortiria i totes les cèl·lules es plasmolitzarien. En un sòl salí, el potencial hídric de la solució del sòl és tan baix que les arrels no poden absorbir aigua (o fins i tot en perden): la planta pateix sequera fisiològica encara que el sòl sigui humit.

Errors típics

• Fer servir la temperatura en °C en lloc de kelvins.
• Oblidar el factor i = 2 del NaCl.
• Pensar que en la plasmòlisi la paret cel·lular s'arruga o es trenca: qui es retrau és el protoplast.

Conceptes treballats: osmosi; potencial hídric i de soluts; plasmòlisi; permeabilitat de la membrana; sals minerals i salinitat del sòl

a) A i B compleixen les regles de Chargaff: %A = %T i %G = %C (i, per tant, purines = pirimidines = 50 %). És el que s'espera d'un ADN bicatenari, perquè cada A d'una cadena s'aparella amb una T de l'altra i cada G amb una C. La mostra C té A ≠ T (30 i 20 %): les bases no estan aparellades, és un ADN monocatenari, com el genoma d'alguns virus (per exemple, alguns bacteriòfags). El fet que G = C és casual.
b) A: % GC = 40 → T_m = 69,3 + 0,41 · 40 = 85,7 °C. B: % GC = 70 → T_m = 69,3 + 0,41 · 70 = 98,0 °C. Els parells G≡C s'uneixen amb tres ponts d'hidrogen i els A=T amb dos; a més, les interaccions d'apilament entre parells GC consecutius són més fortes. Un ADN ric en GC necessita més energia tèrmica per separar les cadenes.
c) Més baixa. Els grups fosfat de les dues cadenes tenen càrrega negativa i es repel·leixen. A la dissolució salina, els cations (Na⁺) envolten els fosfats i apantallen aquestes càrregues, de manera que la doble hèlix és més estable. En aigua destil·lada la repulsió no està compensada i les cadenes se separen a temperatures més baixes.
d) A 94–95 °C la mostra B (T_m ≈ 98 °C) no es desnaturalitzaria del tot; una part de l'ADN motlle continuaria bicatenari i la PCR seria poc eficient. Caldria fer una desnaturalització inicial més llarga o més alta (si la polimerasa termoestable ho tolera) o afegir substàncies que disminueixen la T_m. Igualment, el contingut en GC dels encebadors determina la temperatura d'hibridació que cal triar.

Errors típics

• Afirmar que la mostra C no és ADN perquè no compleix les regles de Chargaff (pot ser ADN monocatenari).
• Explicar la diferència de T_m només pels ponts d'hidrogen, oblidant l'apilament de bases.
• Pensar que els ions de la dissolució no influeixen en l'estabilitat de la doble hèlix.

Conceptes treballats: estructura de l'ADN; regles de Chargaff; ponts d'hidrogen i apilament de bases; desnaturalització de l'ADN; paper dels ions; PCR

a) Triacilglicèrids: 370 $\tfrac{000}{37} = 10$ 000 g = 10,0 kg. Glicogen sec: 370 $\tfrac{000}{17} \approx 21$ 800 g = 21,8 kg; amb 2 g d'aigua per gram, la massa total és 21,8 · 3 = 65,3 kg. Guardar la mateixa energia en forma de glicogen faria pesar unes 6,5 vegades més la reserva: un animal que s'ha de desplaçar no s'ho pot permetre.
b) Els àcids grassos són cadenes hidrocarbonades molt reduïdes (molts C–H i pocs O); en oxidar-se fins a CO₂ i H₂O alliberen molta més energia per àtom de carboni que la glucosa, que ja està parcialment oxidada (un O per cada C). A més, els triacilglicèrids no tenen càrrega i són apolars (els tres grups –OH del glicerol estan esterificats): no formen ponts d'hidrogen amb l'aigua i s'agrupen en gotes sense aigua associada. El glicogen té molts grups –OH que s'envolten d'aigua d'hidratació.
c) El glicogen és un polímer ramificat del qual es poden alliberar molt de pressa moltes molècules de glucosa per totes les branques alhora. La glucosa pot entrar a la glucòlisi i obtenir ATP fins i tot sense oxigen (fermentació làctica), cosa clau en un esforç intens. Els àcids grassos s'han de mobilitzar del teixit adipós, transportar per la sang i oxidar per β-oxidació, que depèn de l'oxigen. A més, el fetge fa servir el glicogen per mantenir la glucèmia, imprescindible per al cervell i els glòbuls vermells.
d) Una planta no es desplaça i la massa de la reserva no és un problema; el midó és insoluble (no altera l'osmosi), es forma directament a partir de la glucosa de la fotosíntesi i es mobilitza fàcilment. Una llavor petita dispersada pel vent o pels animals s'ha d'endur la màxima energia amb la mínima massa per alimentar la plàntula fins que pugui fer la fotosíntesi: per això li surt a compte acumular olis.

Errors típics

• Oblidar l'aigua d'hidratació del glicogen i comparar només 10 kg amb 21,8 kg.
• Dir que el greix fa més energia perquè té «enllaços més forts».
• Pensar que els àcids grassos es poden utilitzar per obtenir energia en absència d'oxigen.

Conceptes treballats: triacilglicèrids i polisacàrids de reserva; hidrofòbia i hidratació; grau d'oxidació del carboni; β-oxidació i glucòlisi; estratègies de reserva en animals i plantes

a) Lactosa + H₂O → glucosa + galactosa. La lactasa hidrolitza l'enllaç O-glicosídic β(1→4) entre la galactosa i la glucosa. Mols de lactosa = 50 / 342 ≈ 0,146 mol, que donen 0,146 mol de glucosa i 0,146 mol de galactosa: 0,146 · 180 ≈ 26,3 g de cada monosacàrid, en total ≈ 52,6 g. La suma supera els 50 g perquè la hidròlisi incorpora una molècula d'aigua per cada enllaç trencat: 0,146 mol · 18 g/mol ≈ 2,6 g d'aigua.
b) Persona A: la glucèmia puja clarament (2,1 > 1,1 mmol/L): la lactasa ha hidrolitzat la lactosa i la glucosa s'ha absorbit; gairebé no hi ha H₂ perquè no arriba lactosa al còlon. Té lactasa: és tolerant. Persona B: la glucèmia gairebé no puja (0,3 mmol/L) perquè la lactosa no s'hidrolitza i, com a disacàrid, no es pot absorbir. La lactosa arriba al còlon, on els bacteris la fermenten i produeixen H₂, CO₂ i àcids orgànics: l'H₂ passa a la sang i s'expira (60 ppm). La lactosa no absorbida (i les molècules petites que en resulten de la fermentació) augmenten la concentració de soluts a la llum intestinal; l'aigua passa per osmosi des de les cèl·lules i la sang cap a la llum (medi hipertònic), i el contingut intestinal es fa líquid: diarrea osmòtica. És intolerant a la lactosa.
c) Abans: 48 / 342 ≈ 0,140 mol/L = 140 mmol/L de lactosa. Després de la hidròlisi completa: 140 mmol/L de glucosa + 140 mmol/L de galactosa = 280 mmol/L de monosacàrids, el doble de molècules de glúcid (i el doble de contribució a l'osmolaritat). La llet és més dolça perquè la glucosa i la galactosa, sobretot la glucosa, tenen un poder edulcorant més alt que la lactosa, i a més hi ha el doble de molècules que estimulen els receptors del gust dolç. El reactiu de Benedict detecta glúcids reductors: la lactosa té un carboni anomèric lliure (el de la glucosa) i és reductora, igual que la glucosa i la galactosa; totes dues llets donen positiu. Per distingir-les, cal una prova específica de la glucosa, per exemple una tira reactiva amb l'enzim glucosa-oxidasa: dona positiu amb la llet sense lactosa (molta glucosa lliure) i negatiu o molt feble amb la llet normal. Aquesta especificitat és pròpia dels enzims.
d) Els enzims són catalitzadors: no es consumeixen en la reacció i, quan han alliberat els productes, el centre actiu queda lliure per a una altra molècula de substrat. Si l'enzim està fixat al suport, no se'n va amb la llet i es pot fer servir durant molt de temps (a més, la llet no queda amb enzim afegit). A 6 °C les molècules tenen menys energia cinètica: hi ha menys col·lisions entre l'enzim i el substrat, i menys molècules arriben a l'energia d'activació, de manera que la velocitat de la reacció disminueix (sense que l'enzim es desnaturalitzi). A 37 °C, propera a l'òptima de molts enzims, la hidròlisi és molt més ràpida.

Errors típics

• Pensar que la lactosa s'absorbeix directament i que la intolerància és una al·lèrgia (no hi intervé el sistema immunitari).
• Dir que la llet sense lactosa no té glúcids o que no conté sucres reductors.
• Confondre la disminució de velocitat a baixa temperatura amb la desnaturalització de l'enzim.
• Oblidar l'aigua que s'incorpora en la hidròlisi en fer el balanç de masses.

Conceptes treballats: disacàrids i enllaç O-glicosídic; hidròlisi i especificitat enzimàtica; absorció intestinal i osmosi; glúcids reductors; efecte de la temperatura sobre l'activitat enzimàtica; enzims immobilitzats

a) Pacient: $\tfrac{0{,}60}{0{,}25} = 2{,}4$ vegades. Persona sana: $\tfrac{0{,}10}{0{,}08} = 1{,}25$ vegades. La glucòlisi funciona i genera piruvat, però el pas següent, la descarboxilació oxidativa del piruvat a acetil-CoA (complex piruvat deshidrogenasa, a la matriu mitocondrial), necessita TPP. Sense prou tiamina, el piruvat no pot entrar al cicle de Krebs i s'acumula; la càrrega de glucosa, en augmentar la producció de piruvat, ho fa encara més evident.
b) El piruvat que no pot passar a acetil-CoA es redueix a lactat per la lactat deshidrogenasa al citosol (fermentació làctica), una reacció que no necessita TPP i que regenera el NAD⁺ que la glucòlisi necessita per continuar. Encara que hi hagi oxigen, la cadena respiratòria rep pocs electrons perquè el cicle de Krebs està mal alimentat: la cèl·lula funciona com si fos anaeròbica.
c) Les neurones depenen gairebé exclusivament de la glucosa i obtenen la major part de l'ATP de la respiració aeròbica (cicle de Krebs i cadena respiratòria). Si la piruvat deshidrogenasa i l'α-cetoglutarat deshidrogenasa fallen, el rendiment energètic baixa dràsticament (la fermentació en dona molt poc ATP per glucosa) i les neurones, amb una demanda energètica molt alta, pateixen lesions.
d) Donar glucosa sense tiamina augmenta el flux per la glucòlisi però el piruvat continua sense poder entrar al cicle de Krebs: s'acumulen més piruvat i lactat (acidosi), i les poques reserves de TPP es consumeixen, de manera que la lesió neurològica es pot agreujar. Les vitamines hidrosolubles no s'emmagatzemen en quantitats importants (l'excés s'elimina per l'orina) i actuen com a precursors de coenzims que es van degradant; per això cal una ingesta regular, i l'alcoholisme, que en redueix l'absorció i sovint s'acompanya de mala dieta, en provoca el dèficit.

Errors típics

• Pensar que la vitamina aporta energia per si mateixa: és precursora d'un coenzim.
• Atribuir l'augment del lactat a la falta d'oxigen.
• Situar la piruvat deshidrogenasa al citosol en lloc de la matriu mitocondrial.

Conceptes treballats: vitamines hidrosolubles i coenzims; piruvat deshidrogenasa; respiració aeròbica i fermentació làctica; metabolisme energètic de la neurona; cas clínic

a) Tampó inicial: pH = 6,8 + log(0,005/0,005) = 6,8 + 0 = 6,80. S'afegeixen 0,001 mol d'H⁺, que reaccionen amb la forma bàsica: HPO₄²⁻ = 0,005 − 0,001 = 0,004 mol; H₂PO₄⁻ = 0,005 + 0,001 = 0,006 mol. pH = 6,8 + log(0,004/0,006) = 6,8 − 0,18 = 6,62. Aigua: [H⁺] = 0,001 mol / 0,101 L ≈ 0,0099 M → pH ≈ 2,0. El pH del tampó baixa 0,18 unitats; el de l'aigua, unes 5 unitats (és a dir, la [H⁺] es multiplica per 100 000).
b) HPO₄²⁻ + H⁺ → H₂PO₄⁻. Els protons afegits queden captats per la forma bàsica del tampó i no queden lliures; només canvia lleugerament la proporció entre les dues formes, i el pH depèn del logaritme d'aquesta proporció. (Si s'afegís una base, el H₂PO₄⁻ cediria protons.)
c) 7,2 = 6,8 + log(x) → log(x) = 0,4 → x = 10^0,4 ≈ 2,5. Al citosol hi ha unes 2,5 vegades més HPO₄²⁻ que H₂PO₄⁻: totes dues formes són abundants i el sistema pot neutralitzar tant àcids com bases. Un tampó només és eficaç a ±1 unitat del seu pK_a; a pH 4,8 pràcticament tot el fosfat seria H₂PO₄⁻ (relació 10⁻²) i no podria captar més protons.
d) Les reaccions del metabolisme (per exemple, la producció d'àcid làctic) alliberen protons i el pH baixaria; l'enzim podria perdre fins al 90 % de l'activitat i les vies metabòliques s'alentirien. El pH canvia l'estat d'ionització dels grups de les cadenes laterals dels aminoàcids (–COOH/–COO⁻, –NH₃⁺/–NH₂, histidina): es modifiquen els enllaços iònics i els ponts d'hidrogen que mantenen l'estructura terciària i les càrregues del centre actiu que intervenen en la unió del substrat i la catàlisi. Les proteïnes tamponen perquè són amfòteres: els seus grups ionitzables (sobretot la histidina, amb pK_a proper a 6–7) poden captar o cedir protons.

Errors típics

• Calcular el pH de l'aigua sense tenir en compte el volum total.
• Restar els protons a la forma àcida en lloc de la bàsica.
• Pensar que un tampó manté el pH absolutament constant: només n'esmorteeix els canvis.

Conceptes treballats: pH i sistemes tampó; sals minerals dissoltes; equació de Henderson-Hasselbalch; efecte del pH sobre els enzims; proteïnes amfòteres

a) Només la RNasa (i la NaOH) eliminen la capacitat d'infectar; la DNasa i la proteasa no: el material genètic és ARN. La composició de bases ho confirma (hi ha uracil i no timina). A més, A ≠ U (31 i 19 %) i G ≠ C (22 i 28 %): les bases no s'aparellen de forma complementària, de manera que l'ARN és de cadena senzilla.
b) La ribosa de l'ARN té un grup –OH al carboni 2'; la desoxiribosa de l'ADN hi té només un H. En medi bàsic, aquest –OH 2' perd el protó i ataca l'enllaç fosfodièster veí, que es trenca: l'ARN s'hidrolitza en nucleòtids. L'ADN, sense aquest grup, no pot fer aquesta reacció i és molt més estable químicament, una de les raons per les quals és la molècula que guarda la informació genètica a les cèl·lules.
c) L'extracte ja és ARN purificat i la proteasa no actua sobre els àcids nucleics: l'ARN entra a la cèl·lula per transfecció i la maquinària cel·lular el tradueix i el replica. En canvi, si es tractessin els virus sencers, la proteasa podria degradar les proteïnes de la càpsida (o de l'embolcall) que reconeixen els receptors de la cèl·lula: el virus no s'hi podria unir ni entrar, i no hi hauria infecció, encara que el genoma fos intacte.
d) 1) La replicació de l'ARN la fan ARN polimerases dependents d'ARN, sense activitat correctora (exonucleasa 3'→5'), i cometen moltes més errades que les ADN polimerases cel·lulars. 2) L'ARN de cadena senzilla no té una cadena complementària que serveixi de motlle per reparar errors, i és químicament menys estable. Conseqüència: les proteïnes de la superfície del virus (els antígens) canvien sovint, els anticossos generats per una vacuna antiga poden deixar de reconèixer-les, i cal actualitzar les vacunes (com passa amb la grip).

Errors típics

• Deduir que és ADN perquè l'extracte infecta després de la DNasa (és justament el contrari).
• Pensar que la proteasa destrueix l'ARN.
• Aplicar les regles de Chargaff a un àcid nucleic de cadena senzilla.

Conceptes treballats: àcids nucleics: ADN i ARN; ribosa i desoxiribosa; especificitat enzimàtica; regles de Chargaff; virus i variabilitat antigènica

a) La urea trenca els ponts d'hidrogen i les interaccions hidrofòbiques que mantenen les estructures secundària i terciària; el mercaptoetanol trenca els ponts disulfur (enllaços covalents entre cisteïnes). La cadena queda desplegada, amb l'estructura primària intacta però sense forma tridimensional: desapareix el centre actiu i l'enzim és inactiu (desnaturalització).
b) Quan desapareixen els agents desnaturalitzants, la cadena es torna a plegar espontàniament en la conformació nativa i forma els ponts disulfur correctes. Per tant, tota la informació necessària per assolir l'estructura tridimensional està continguda en la seqüència d'aminoàcids (estructura primària): la conformació activa és la més estable en les condicions fisiològiques.
c) Nombre d'aparellaments possibles: 7 · 5 · 3 · 1 = 105. Si es formessin a l'atzar, només 1 de cada 105 combinacions seria la correcta: $\tfrac{1}{105} \approx 0{,}0095$ ≈ 1 %. És exactament el que s'observa en el tractament 2: en oxidar els –SH mentre la urea manté la proteïna desplegada, les cisteïnes no estan col·locades en les posicions natives i els ponts es formen a l'atzar; després, en treure la urea, els ponts covalents incorrectes «fixen» conformacions errònies, i només ~1 % de les molècules és activa. Això demostra que primer es plega la cadena (per interaccions no covalents) i després es fixen els ponts disulfur.
d) A la cèl·lula, la concentració de proteïnes és molt alta i les cadenes surten del ribosoma a poc a poc: les zones hidrofòbiques encara no plegades poden agregar-se amb altres proteïnes o plegar-se malament. Les xaperones eviten aquestes interaccions incorrectes i donen temps a la cadena per plegar-se; la disulfur isomerasa (al reticle endoplasmàtic) trenca i reorganitza els ponts disulfur incorrectes. No aporten informació nova: només fan que el plegament sigui ràpid i eficient. Quan fallen, les proteïnes mal plegades s'agreguen i poden causar malalties.

Errors típics

• Pensar que la urea trenca els enllaços peptídics o els ponts disulfur.
• Calcular els aparellaments com 8!, sense tenir en compte que cada pont uneix dues cisteïnes.
• Interpretar que les xaperones «diuen» a la proteïna quina forma ha de tenir.

Conceptes treballats: nivells d'estructura de les proteïnes; ponts disulfur i enllaços no covalents; desnaturalització i renaturalització; combinatòria; xaperones