› IB PAST PAPERS... Biology Higher level Paper 3phloem sap for aphids. ... Alzheimer’s disease...

36EP01

N16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX

BiologyHigher levelPaper 3

Monday 7 November 2016 (morning)

1 hour 15 minutes

Instructions to candidates

• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Write your answers in the boxes provided.• A calculator is required for this paper.• The maximum mark for this examination paper is [45 marks].

Section A Questions

Answer all questions. 1 – 3

Section B Questions

Answer all of the questions from one of the options.

Option A — Neurobiology and behaviour 4 – 8

Option B — Biotechnology and bioinformatics 9 – 13

Option C — Ecology and conservation 14 – 18

Option D — Human physiology 19 – 23

35 pages © International Baccalaureate Organization 2016

Candidate session number

8816 – 6003

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– 2 – N16/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX

Section A

Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.

1. Therateofhydrolysisoffishproteinsusingtheenzymespapainandpancreatinwasmonitoredusingtheapparatusshown.ThepHdecreasedwiththeprogressofhydrolysis,so alkali in the burette was added asnecessaryinorderforthehydrolysistoproceedatconstantpH.Therateofproteinhydrolysiswasmeasuredastheamountofalkaliadded. MeasurementsweretakenatconstantconditionsoftemperatureandpHfortwoenzymeconcentrations,1 % and 0.1 %.

Stirrer

Burette

pHprobe

Reaction vessel

Water bath

pHmeter

pH7.0

Total volume of alkali added

/ ml

25

20

15

10

5

0

Key: papain 1 % pancreatin1 % papain 0.1 % pancreatin0.1 %

0 50 100 150 200 250 Duration of hydrolysis / min

[Source:adapted from“AStudyoftheEnzymaticHydrolysisofFishFramesUsingModelSystems”,writtenbyAristotelisT.Himonides,AnthonyK.D.Taylor,AnneJ.Morris,publishedbyFood and Nutrition Sciences,Vol.2No.6,2011.

Copyright©2011SciRes.]

(This question continues on the following page)

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– 3 –

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(Question 1 continued)

(a) Statetheeffectofenzymeconcentrationonthehydrolysisofproteins. [1]

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(b) Sketchonthegraphthecurveexpectedifthehydrolysiswereperformedusingpapain 0.5 %. [1]

(c) Explainwhatwouldhappentofishproteinhydrolysisifnoalkaliwereaddedtothereactionvessel. [3]

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2. Themicrographshowsasectionofanorganinthehumanbody.

YX

[Source: adaptedfromStaceyE.Mills(ed.),Histology for Pathologists,3rdEdition, Copyright©2007,LippincottWilliams&Wilkins.]

(a) Statefromwhichorganthesectionwastaken. [1]

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(b) Identify the layer of tissue found at X. [1]

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36EP05

– 5 –

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(c) TheactuallengthofthestructurelabelledY is 0.8 mm between the twoblacklines. Calculate the magnificationofthemicrograph. Workingshouldbeshown. [2]

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(d) Oneofthefunctionsofthisorganisabsorption. On themicrograph,drawanarrowshowingthedirectionofabsorption. [1]

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3. Thediagramshowsthedevelopmentofpotatoplants(Solanum tuberosum) over 14 weeks. Newtubersstartgrowingfromweek9.Thesearemodifiedundergroundstemsservingasastarchreserveandbearingbudsfromwhichnewplantsarise.

potato tuber

Soil level

Week 1 Week 2 Week 3 Week9 Week 11 Week 14

[Source:adaptedfromhttp://humanitiespotato.weebly.com/potato-production.html]

Scientistsplantedseveralpotatoplantsinagreenhouse.Thesucroseandamino acidsinpotato plant phloemexudatesweremeasuredduringseveralweeks.

Ratiosucrose : aminoacid

0.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0

5 6 7 8 9 10 11 12 Time / weeks

[Source:adaptedfromA.J.Karley,A.E.Douglas,W.E.Parker,Aminoacidcompositionandnutritionalqualityofpotatoleafphloem sap for aphids. Journal of Experimental Biology2002205:3009-3018.©TheCompanyofBiologistsLimited2002.]

(a) Describebrieflyhowscientists obtained leaf phloem sap from the potato plants. [2]

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–7–

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(b) Suggestreasonsfordifferentamountsofsucroseintheleaf phloem sap of the potato plants. [3]

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Section B

Answer all of the questions from one of the options. Write your answers in the boxes provided.

Option A — Neurobiology and behaviour

4. Defectsintheformationofsynapsescouldbethecauseofneurologicaldisorders suchasAlzheimer’sdiseasethat affectstheabilitytothinkandrememberclearly.Itismore frequent inpeopleolderthan65yearsofage. Thegraphshowsthechangesinsynapse number over time. The diagramshowsactivity-related neural development.

Synapse number

Synapse formation

Childhood AdulthoodAdolescence

Synapse elimination

Synapse maintenance

BirthTime

Strongmentalactivity

Weak mentalactivity

Stabilizedsynapses

Prunedsynapse

Excitatoryneuron

[Source:adaptedfromDoll,C.A.andBroadie,K.(2014),Impairedactivity-dependentneuralcircuitassemblyandrefinement inautismspectrumdisordergeneticmodels.Frontiers in Cellular Neuroscience 8: 30.

doi:10.3389/fncel.2014.00030.Copyright©2014DollandBroadie.]

(Option A continues on the following page)

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–9–

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(Option A, question 4 continued)

(a) State what happens to unused neurons. [1]

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(b) Predicthowmental activitymightdelaytheonset of Alzheimer’sdisease. [2]

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(c) Autismappearsearlyinlifeandaffectshowapersoncommunicatesandrelatestoothers. Thereisevidencethatautismcouldbecausedbyasurplusofsynapses.Usingalloftheinformationprovided,suggesttwopossiblecausesofasurplusofsynapses in people with autism. [2]

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(Option A continued)

5. D-9-tetrahydrocannabinol(THC)andcannabidiol(CBD),thetwomainpsychoactiveingredientsoftheCannabis sativa plant,havedistinctsymptomaticandbehaviouraleffects.Functional magneticresonanceimaging(f MRI) was used in healthy volunteers to examine theireffectsontheparahippocampus, an area of the brain related to emotions and on the visualcortex.Theeffectsare as shown.

Mean parahippocampus

activation

0.01

0.00

–0.01

–0.02

–0.03

left right

Meanvisualcortex activation

0.20

0.15

0.10

0.05

0.00

left right

THC placebo CBD

[Source:adaptedfromS.Bhattacharyyaetal.(2010),“Oppositeeffectsofdelta-9-tetrahydrocannabinolandcannabidiolonhumanbrainfunctionandpsychopathology.”Neuropsychopharmacology,35:3,pages764–774.

Copyright©2010AmericanCollegeofNeuropsychopharmacology]

(a) Outline the benefitsofusingf MRI in this experiment. [2]

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– 11 –

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(Option A, question 5 continued)

(b) CompareandcontrasttheeffectsofTHCandCBDontheareasofthebrainstudied. [3]

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(c) Statethefunctionofthevisualcortex. [1]

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6. (a) Outline the neuralcontrolofthe processof swallowing. [3]

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(b) Describeanexampleoflearnedbehaviour. [3]

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36EP13

– 13 –

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7. (a) Thediagramshowsthehumanear. Label partsI,IIandIII. [3]

(b) Statethefunctionof the bones in the middle ear. [1]

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(c) Explaintheroleofthehaircellsinthecochlea. [3]

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Removedforcopyrightreasons

36EP14



8. General anestheticsactontheneurotransmittersinneuronsynapses.Explaintheeffectofanestheticson patients andhowtheyaffectsynaptictransmission. [6]

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End of Option A

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Option B — Biotechnology and bioinformatics

9. LipidAisaphospholipidthatmakesuptheexternal layer of the outer membranes of most Gram-negativebacteria.LpxCisanenzymeinvolvedinthebiosynthesisoflipidA. In this experiment,alawnoftheGram-negativebacteriumEscherichia coliwasgrownonanutrient agarplate.Shortlyafterinoculation,beforethelawnisformed,discscontainingdifferent test compoundswereplacedontop.ThePetridishshowstheresultsafter24 hours incubation.

1

3

2

4

Key:disc1:LpxC inhibitordisc2:mutatedLpxC inhibitordisc3:ampicillindisc4:control

[Source:©InternationalBaccalaureateOrganization2016]

(a) Outlinetheeffectofdisc3onthebacteriallawn. [2]

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(b) Outlinetheeffectofmutating the LpxC inhibitor. [1]

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(c) Predicttheresultsobtainedwithdisc1inaGram-positivebacterial lawn. [1]

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(Option B continued)

10. Cropgeneticengineeringwasperformedtoimprovedroughttoleranceintomato plants (Solanum lycopersicum)byaddingagenefromanediblefungus(Flammulina velutipes). Thecotyledonsoftomato plantswerecutandco-cultivatedwithAgrobacterium tumefaciens containingthetransgenicTiplasmid.Platescontainingkanamycinwereusedtoselectfortransgeniccotyledons. Thegraphshowsconcentrationsofthreeconstituentsofthewaxthatcoatswild type plants (control)andtransgenictomato plants.

Concentrationofwaxconstituents/ microgramsml–1

4.03.53.02.52.01.51.00.50.0

Key: control transgenic

Alkanes Alkenes Fattyacids Moleculesformingpartofwaxy surfacelayer

[Source: ReprintedbypermissionofNaturePublishingGroup.(https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3517979/)ReprintedbypermissionfromMacmillanPublishersLtd:Nature,‘Expressionofafungalsteroldesaturaseimprovestomato

droughttolerance,pathogenresistanceandnutritionalquality’byAyushiKamthanet al.2,p.951.(2012).]

(a) Outline the useofkanamycinintheselectionoftransgeniccotyledons. [2]

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(b) Statehowthesequenceofthetargetgenefromthefunguscouldbeidentifiedusinga bioinformatics tool. [1]

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(Option B, question 10 continued)

(c) Suggestwhethertheresultsofthisexperimentshowthatthese transgenictomato plantsaremoreresistanttodrought. [2]

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(d) Onemethodofinsertingnewgenesintoplantsisbygenegun.

[Source:adapted from www.genomicon.com]

Outlinehowageneguninsertsgenesintoplants. [2]

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(Option B continued from page 17)

11. (a) Metabolitesthatindicatediseasecanbedetectedinurine.Stateametabolitefoundinurine and the diseaseitcouldindicate. [2]

Metabolite:

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Diseaseindicated:

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(b) Discussthe implicationsofbiopharming usingaspecificexample. [4]

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12. ThegeneticcodeistheinformationencodedwithinthemRNAsequencethatistranslatedintoproteinsbylivingcells.Thecodontableisshown.

Second positionU C A G

Firs

t pos

ition

U UUU Phe(F) UCU Ser (S) UAU Tyr (Y) UGU Cys (C) U

Third position

UUC UCC UAC UGC CUUA Leu(L) UCA UAA STOP UGA STOP AUUG UCG UAG UGG Trp (W) G

C CUU Leu(L) CCU Pro(P) CAU His(H) CGU Arg(R) UCUC CCC CAC CGC CCUA CCA CAA Gln (Q) CGA ACUG CCG CAG CGG G

A AUU Ile (I) ACU Thr (T) AAU Asn(N) AGU Ser (S) UAUC ACC AAC AGC CAUA ACA AAA Lys(K) AGA Arg(R) AAUG Met (M) ACG AAG AGG G

G GUU Val(V) GCU Ala (A) GAU Asp (D) GGU Gly (G) UGUC GCC GAC GGC CGUA GCA GAA Glu (E) GGA AGUG GCG GAG GGG G

Thefirstpartofthecytochromecproteinsequencealignmentofmoldfungus(Neurospora),horse (Equus),human(Homo),corn(Zea)andrice(Oryza)isshownusingtheaminoacidsasaonelettercode.

Neurospora – – – – MG F S A G D S K K G A N L F K T R C A Q C H T L E E G G GN K I G P A L HG L F G R K T G S V D G Y A Y T D AEquus – – – – – – – – MG D V E K G K K I F V Q K C A Q C H T V E K G G K H K T G P N L HG L F G R K T G Q A PG F S Y T D AHomo – – – – – – – – MG D V E K G K K I F I MK C S Q C H T V E K G G K H K T G P N L HG L F G R K T G Q A PG Y S Y T A AZea M A S F S E A P PGN P K A G E K I F K T K C A Q C H T V D K G A GH K Q G P N L NG L F G R Q S G T T A G Y S Y S A GOryza M A S F S E A P PGN P K A G E K I F K T K C A Q C H T V D K G A GH K Q G P N L NG L F G R Q S G T T PG Y S Y S T A

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(a) State the bioinformaticstool used to obtain thealignment. [1]

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(b) Statethemeaningofthedash(–)inthe alignment. [1]

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(Option B, question 12 continued)

(c) (i) Identifythelongestaminoacidsequencewheretherearenodifferencesamongstthefivegenera. [1]

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(ii) Suggest,withareason,whethertheDNAcodingfortheaminoacidsequenceidentifiedin(c)(i)mustbeidenticalforthefivegenera. [1]

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Thealignmentwasusedtoobtainacladogramoftheseorganisms.

NeurosporaZeaOryzaEquusHomo

(d) Describebrieflyhowthecladogramwasobtained. [2]

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(e) Determinewhichtwogeneraaremostcloselyrelatedaccordingtotheircytochrome cproteinsequence. [1]

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13. Explain the formation ofbiofilms andtheproblemsassociatedwith their formation. [6]

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Option C — Ecology and conservation

14. Cryptococcus neoformansandthecloselyrelatedspeciesCryptococcus gattii are human fungalpathogens.Thereproductionoftheseyeastspeciesonincreasingconcentrationsofpigeondroppings(PD) wasexaminedtodeterminewhethertheyoccupythesameordifferentecologicalniches.Theresultsforreproductionare expressed as apercentagerelative to the control.

Reproductionrelativetocontrol

/ %

600

400

200

0 Control 2.5 %PD 12 %PD 25 % PD

Media type

Key: Cryptococcus neoformans Cryptococcus gattii

[Source:adaptedfromK.Nielsenetal.(2007),“Cryptococcus neoformansMatesonPigeonGuano:ImplicationsfortheRealizedEcologicalNicheandGlobalization”.Eukaryotic Cell,vol.6,pp.949–959,DOI:10.1128/EC.00097-07.

AmendedwithpermissionfromAmericanSocietyforMicrobiology]

Suggesthow this experiment shows that pigeondroppingsrepresentarealizedecologicalnicheforC. neoformansandafundamental(butnotarealized)nicheforC. gattii. [3]

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(Option C continues on the following page)

36EP24


(Option C continued)

15. Thesketchedmapshowsthedensityofmicroplasticsandmacroplasticsfoundinalake within a national park.

Key: campingsite city

microplastics macroplastics density / gkm–2

< 200 200 – 3000 > 3000

Prevailingwinddirection


(a) Predict one example ofmacroplasticpollutionthat is likely to be found in this lake. [1]

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(b) State twopossibleeffectsonorganismsofmicroplasticpollution. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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36EP25

– 25 –

Turn over


(Option C, question 15 continued)

(c) Outlinetheeffectofwindonthe distribution ofplasticpollution in this lake. [2]

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(d) Suggestchangesinthemanagementofthenational park thatcouldreducetheamountofmacroplasticpollution. [3]

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36EP26



16. ForestfiresareverycommonintheAmazonforest.Astudywasperformedtoseetherelationshipbetweenforestfragmentation,fireandmanagement.

(a) Describeonemethodthatcouldhavebeenusedtoestimatethepopulationsizeofagiventreeinaforestafterfiredamagehadoccurred. [3]

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(b) Outlinehowtheedgeeffectcanaffectdiversityinforests. [3]

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36EP27

–27–

Turn over


(Option C, question 16 continued)

(c) The number of plantsintwofieldsofapproximatelythesamesizewascounted.

Type of plant Field 1 Field 2

Daisy (Bellis perennis) 307 18

Dandelion (Taraxacum officinale) 332 48

Buttercup (Ranunculus repens) 361 934

Total 1000 1000

Compareandcontrast the richness and the evenness of the twofields. [2]

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36EP28



17. (a) State twobottom-upfactorsaffectingalgalblooms. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Explain how top-downfactorscontrolalgalblooms. [3]

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36EP29

–29–

Turn over



18. Discusshowcropplantsobtainthephosphorusthattheyneedtogrowandwhetherthesupplyofphosphorustocropsissustainable. [6]

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End of Option C

36EP30


Option D — Human physiology

19. A study was undertaken todeterminethemosteffectivemethodtodelay the onset of type II diabetesinhigh-riskpatients.Threegroupsweregiveneitheraplacebo(control),amedicinethatsuppressesglucoseproductionbytheliver(anti-diabeticdrug) or a lifestyle-modification program(lifestyle).Theresultsforfouryearsareshowninthegraph.

Cumulativeincidenceof diabetes / %

40

30

20

10

0

Control

Anti-diabeticdrug

Lifestyle

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Year

[Source:adaptedfromBerry,Colin,Jean-ClaudeTardif,andMartialG.Bourassa.“CoronaryHeartDiseaseinPatientsWith

Diabetes.”Journal of the American College of Cardiology49.6(2007):631-642.Web.19Jan.2017.]

(a) Analyse the use of the anti-diabeticdrug in delayingtheonset of type II diabetes. [2]

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(b) Listfeaturesthatwouldincreaseaperson’sriskofdevelopingdiabetes. [2]

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(Option D continues on the following page)

36EP31

– 31 –

Turn over


(Option D continued)

20. Thediagramdemonstrates theactionofsteroidandpeptidehormonesinasectionofcelland adjacentcapillary.

Steroidhormone

Peptidehormone

Capillary

Nucleus

Targetcell

Plasmamembrane

Enzymeactivation

Geneactivation

cAMP

DNA

ATP


(a) Onthediagram,label a

(i) secondmessenger. [1]

(ii) generegulatoryprotein. [1]

(b) Outline onecharacteristicofsteroidhormonesthatallowsthemtoreadilydiffusethroughcellmembranes. [1]

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(c) Compareandcontrastthemechanismsofactionofpeptideandsteroidhormones. [2]

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36EP32



21. Themicrographshowsasectionthroughthehumanliver.

X

[Source:DrThomasCaceci,VirginiaTech/CarilionSchoolofMedicine.]

(a) ThecelllabelledX is only found in the liver andisassociatedwiththewallofa sinusoid.

(i) IdentifycellX. [1]

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(ii) OutlinethefunctionofcellX. [2]

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36EP33

– 33 –

Turn over


(Option D, question 21 continued)

(b) Describehowtheliverregulatesnutrientlevels. [3]

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(c) Explain the importanceofbilirubinintheonsetofjaundice. [4]

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36EP34



22. Theelectrocardiogram(ECG)ofanormalpatientafterexerciseisshown.

0.2 mv

0.2seconds


(a) Using the R–R interval in this ECG,calculatetheheartbeatsperminute(bpm)ofthispatient.Showyourworking. [2]

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(b) DescribetheelectricalactivitythatoccursintheheartduringthePwave. [1]

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(c) ExplainwhytheQRSwavehasa largeramplitudethanaPwave. [2]

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36EP35

– 35 –

Turn over



23. Explain,usinganoxygendissociationcurve,howhemoglobinsuppliesoxygentorespiringtissuesandhowtheBohrshiftincreasesthesupply. [6]

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End of Option D

36EP36

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