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Option H — Further Human Physiology

H1. Intravenous nutrition is used in patients who cannot feed by mouth. Introducing nutrients directly

into veins bypasses the rate at which the digestive system absorbs them. Scientists studied the

effect of injecting six different glucose concentrations into rats. They measured the glucose

concentration in the urine per day and the glucose concentration in blood plasma per day. Thesevalues were compared to control rats that received the same six glucose concentrations through

the mouth. The percentage of rats that died during the experiment (mortality) was measured.

The results for all control rats orally fed with six different glucose concentrations were the same

and are shown in the table below.

Urine glucose concentration/

m mol dm –3

Blood plasma glucose

concentration / m mol dm –3 Mortality / %

0 10 0

The results for the injected rats are shown in the line graph below.

Glucose concentrationin urine and

blood plasma /

m mol dm –3

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Mortality / %

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150Glucose injected / m mol dm –3

Key: Mortality Blood glucose Urine glucose

(a) State the mortality for rats when injected with 110 m mol dm –3 glucose.

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(This question continues on the following page)

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(Question H1 Continued)

(b) Estimate the difference in blood plasma glucose concentration between rats injected with

145 m mol dm –3 glucose and the blood plasma glucose concentration of control rats orally

fed 145 m mol dm –3 glucose.

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(c) Using the data, explain the conclusions that can be drawn about the ability of the rats to

regulate blood plasma glucose levels successfully.

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(d) Suggest reasons for the differences between rats that were injected and the rats that were

orally fed high levels of glucose concentrations.

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H2. Outline one possible cause of asthma and its effect on the gas exchange system.

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H3. (a) Outline how the contraction of the atria and the ventricles is controlled.

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(Question H3 continued)

(b) Explain the control of thyroxin secretion.

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H1. Atherosclerosis is a chronic disease caused by elevated serum cholesterol levels resulting in

deposition of lipids in arteries. Diet modication, weight reduction and exercise are initially

prescribed to alleviate high cholesterol levels. Due to health and possibly genetic reasons, these

attempts may be unsuccessful. Drugs may then be prescribed to lower cholesterol production.One of the enzymes that can be competitively inhibited by these drugs is involved in the

pathway for the synthesis of bile and steroid hormones.

The safety and effectiveness of a new member of a family of drugs called statins was investigated.

The effect of the drug on the blood serum levels of cholesterol, low density lipoproteins

(high levels are unhealthy), high density lipoproteins (high levels are healthy) and triglycerides

(high levels are unhealthy) are shown below.

Serum blood level / % change from baseline

Dose of drug / mg CholesterolLow density

lipoproteins

High density

lipoproteinsTriglycerides

0 (placebo) 4 4 –3 10

10 –29 –39 6 –19

20 –33 – 43 9 –26

40 –37 –50 6 –29

[Source: adapted from Parke-Davis, (2000), Lipitor ® (Atorvastatin Calcium) tablets, Spec #0155G247, page 4, Parke-Davis, New York, www.216.86.213.73/2pdfs/0494lipitor.pdf]

(a) State the dose that was most effective in raising the level of high density lipoproteins in

the treated groups.

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(b) State the relationship between dose and cholesterol levels.

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(c) Distinguish the effect of dose size on low density lipoproteins and high density

lipoproteins.

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(d) Explain the use of a placebo in these investigations.

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(e) Suggest one possible physiological side effect when taking statins for atherosclerosis.

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H2. (a) Outline the transport functions of the lymphatic system.

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(b) State two materials not absorbed by the digestive system.

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(c) Distinguish between endopeptidases and exopeptidases.

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H3. (a) Explain the control of thyroxin secretion in humans.

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(b) Discuss the problems of gas exchange at high altitudes.

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H1. One type of heart disease is diastolic heart failure (DHF). A study was carried out to see if

DHF was related to abnormalities in the diastolic properties of the left ventricle. Two groups

of patients, one with DHF and the other the control group with no symptoms of DHF, were

assessed to compare: • changes in left ventricular diastolic pressure and volume

• and stiffness of muscles leading to resistance of the left ventricle to stretch under increasing

pressure.

Graph 1 shows the mean lowest pressure in the left ventricle during diastole after the opening

of the atrio-ventricular valve. Graph 2 shows individual stiffness constants.

Graph 1

Left ventricular

diastolic pressure

/ mm Hg

30

25

20

15

10

5

0

Key:

patients with DHF

control group

0 20 40 60 80 100 120

Left ventricular diastolic volume / ml

Graph 2

Stiffness /

arbitrary units

0.08

0.07

0.06

0.05

0.04

0.030.02

0.01

0.00 Patients with DHF control group

[Source adapted from: New England Journal of Medicine, Vol. 350, Number 19, May 6, 2004, “Diastolic Heart Failure — Abnormalities

in Active Relaxation and Passive Stiffness of the Left Ventricle”, M R Zile, C F Baicu, and W H Gaasch, pp. 1953-1959, Fig. 2 and 3.

Copyright © 2004 Massachusetts Medical Society. All rights reserved.]


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(a) Identify the left ventricular diastolic volumes in patients and the control group that

correspond to a pressure of 5 mm Hg.

Patients: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Control group: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

[1]

(b) Compare the diastolic pressure-volume relationship of patients with DHF and the

control group.

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[2]

(c) Distinguish between the stiffness constants in the two groups of patients.

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[1]

(d) (i) Suggest why in patients with DHF there is little or no increase in blood volume pumped out of the left ventricle with each contraction during exercise.

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[1]

(ii) Deduce how patients with DHF would respond to heavy exercise.

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[1]

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H2. (a) State two components of bile.

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[1]

(b) Outline the process of erythrocyte breakdown in the liver.

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H3. (a) Explain the control of ADH secretion.

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[5]

(b) Explain how structural features of an epithelium cell in a villus are related to its function.

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H1. Reduced risk of Type 2 diabetes has been associated with coffee consumption. A compoundReduced risk of Type 2 diabetes has been associated with coffee consumption. A compound

called C-peptide is found in the bloodstream when insulin is released. Increased C-peptide

levels are associated with Type 2 diabetes.

The following study investigated the effect of coffee consumption on blood plasma concentration

of C-peptide in women. The subjects were grouped according to their weight and their level

of coffee consumption. The study investigated both total coffee consumption (caffeinated and

decaffeinated coffee) and consumption of caffeinated coffee.

Key: normal weight overweight obese

C-peptide / ng ml –1

4.00

3.50

3.00

2.50

2.00

1.50

1.00

0.50 0

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(a) Describe the relationship between C-peptide concentration and total coffeeDescribe the relationship between C-peptide concentration and total coffee

consumption.

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[2]

(b) Compare the effect on C-peptide concentrations in women who drink more than 4 cups of Compare the effect on C-peptide concentrations in women who drink more than 4 cups of

caffeinated coffee per day with those who drink no caffeinated coffee.

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[2]

(c) Using the data provided, suggest advice that could be given to women in order to reduceUsing the data provided, suggest advice that could be given to women in order to reduce

the incidence of Type 2 diabetes.

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H2. (a) � � partial pressure.

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[1]

(b) Outline how the body acclimatizes to high altitudes.Outline how the body acclimatizes to high altitudes.

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H3. (a) Draw a labelled diagram of the structural features of exocrine glands.Draw a labelled diagram of the structural features of exocrine glands. [3]

(b) Explain the control of thyroxine by negative feedback.Explain the control of thyroxine by negative feedback.

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H1. In the production of saliva, the acinar cells actively transport ions from the blood plasma into

the ducts of the salivary gland resulting in water being drawn into the ducts. As this saliva

moves down the duct, some ions are re-absorbed but the amount that can be re-absorbed

depends on the rate of ow of saliva.

Graph A below shows how the composition of saliva varies depending on the rate of ow

of saliva. Graph B shows the composition of blood plasma.

Graph A Graph B

Concentration

/ m mol L –1

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Na+

Cl –

HCO3

−

K +

Na+

Cl –

HCO3

−

K +

160

140

120

100

80

60

40

20

0

Concentration

/ m mol L –1

1.0 2.0 3.0 4.0 Rate of ow of saliva / ml min

–1

[Source: Jørn Hess Thaysen and Niels A. Thorn, Excretion of Urea, Sodium, Potassium and Chloride in Human Tears,

American Journal of Physiology, 178: 160-164, 1954. American Physiological Society.]

(a) Using the data provided compare the concentration of ions in saliva produced at

4.0ml min –1 with the concentration of those ions in the blood plasma.

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Turn over



(b) Outline the relationship between the concentration of Na+ in saliva and the rate of

ow of saliva.

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(c) As the saliva moves down the ducts, Na+ is re-absorbed into the blood plasma. Deduce,

with a reason, the type of transport used to bring Na+ back into the blood plasma.

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[1]

(d) Suggest why the concentration of Na+ varies with rate of ow.

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H2. (a) State one role of osmoreceptors in the hypothalamus.

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(b) Explain the role of chemoreceptors in the regulation of ventilation rate.

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H3. (a) Outline the circulation of blood through the liver.

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(b) Explain the problem of gas exchange at high altitudes and the way the body

acclimatizes.

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H1. Zinc is a metal which is an essential mineral in the diet. Cadmium is a toxic metal that causes

severe poisoning in humans. Both are taken into the bloodstream by protein channels in

intestinal cells during digestion. Biochemists investigated the uptake of these metals by cells

in a solution.

The graph below shows the cadmium uptake by cells in a solution (control) and the uptake by

cells in the same solution with the addition of either calcium (Ca) or zinc (Zn) or a mixture

of both (Zn + Ca).

Cadmium uptake /

arbitrary units

120

100

80

6040

20

0 control Ca Zn Zn + Ca

Metals in solution

[Source: adapted from P M Bergeron and C Jumarie, (2006), Biochimica et Biophysica Acta, 1758, pages 702–712]

(a) Calculate the percentage increase in cadmium uptake in the presence of zinc alone,

compared to cadmium uptake with no other metal present. Show your calculations.

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Turn over

N08/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ0/XX+


(b) Describe the effect of the different metals on the uptake of cadmium.

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[2]

(c) Discuss the hypothesis that the presence of calcium reduces cadmium uptake by

inhibiting zinc protein channels.

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H2. (a) Defne the term partial pressure.

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[1]

(b) Outline how increases in carbon dioxide concentration result in a greater supply of

oxygen to respiring tissues.

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H3. (a) Outline the transport functions of the lymphatic system.

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[3]

(b) Explain the events of the cardiac cycle.

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2009-6009


Option H — Further human physiology

H1. Sixteen women were studied to evaluate blood glucose and blood lactate levels while

exercising at sea level and at high altitude, 4300 m above sea level.

Blood

glucose / mM

6.0

5.8

5.6

5.4

5.2

5.0

4.8

4.6

4.4

4.2

4.0 rest exercise

–15 0 15 30 45

Time / minutes

Key: sea level 4300 m

Blood lactate

/ mM

5

4

3

2

1

0

–15 0 15 30 45

rest exercise

Time / minutes

[Source: Figure 6 from Barry Braun, Jacinda T. Mawson, Stephen R. Muza, Shannon B. Dominick, George A. Brooks,

Michael A. Horning, Paul B. Rock, Lorna G. Moore, Robert S. Mazzeo, Steven C. Ezeji-Okoye, and Gail E. Buttereld,

“Women at altitude: carbohydrate utilization during exercise at 4,300 m”, J Appl Physiol 2000 88: 246-256,

© The American Physiological Society]


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Turn over



(a) (i) Calculate the percentage increase in blood lactate concentration after 30 minutes of

exercise at 4300 m.

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(ii) Suggest a reason for the difference in blood lactate concentration between women

exercising at sea level and at high altitude.

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(b) Describe the variation in the blood glucose and lactate concentrations in the women at

sea level. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(c) Analyse the effect of high altitude on the blood glucose and lactate levels.

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[3]

H2. (a) Outline mechanisms used by the ileum to absorb amino acids.

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(b) State two materials which are not absorbed in the ileum.

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H3. (a) Outline factors that affect the incidence of coronary heart disease.

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(b) Discuss the roles of gastric acid and Helicobacter pylori in the development of stomach

ulcers and cancers.

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H1. The effects of lack of oxygen (hypoxia) and of altitude were studied in a group of men.

The group was measured for weight, amount of hemoglobin in the blood, maximum oxygen

uptake and maximum power output during bicycle exercise both at sea level and at 5260 m.

The conditions at each location are described in the following table.

Location / altitude Oxygen conditions

in Copenhagen

(0 m at sea level)

breathing normal air (normoxia)

breathing an air mixture containing low levels of O2 (hypoxia)

on Mount Chacaltaya,

in Bolivia

(5260 m above sea level)

breathing a gas mixture with high levels of O2, allowing normal

hemoglobin saturation (normoxia)

after nine weeks of acclimatization breathing normal mountain

air (hypoxia)

The results of the study are shown in the table below.

Copenhagen

altitude = 0 m

Mount Chacaltaya

altitude = 5260 m

normoxia hypoxia normoxia hypoxia

Hemoglobin / g dl –1 14.3 – – 18.7

Maximum oxygen uptake / l min –1 4.3 2.7 – 2.8

Maximum oxygen uptake per body

mass ml min –1 / kg body mass –156.0 35.0 – 40.0

Maximum power output / W 339.0 233.0 332.0 245.0

Maximum power output (W) / kg

body mass –14.6 3.1 4.8 3.6

[Source: G. van Hall, J. A. L. Calbet, H. Søndergaard and B. Saltin, “The re-establishment of the normal blood lactate response

to exercise in humans after prolonged acclimatization to altitude”, The Journal of Physiology, Volume 536,

Issue 3, pp. 963–975. Copyright Wiley-Blackwell. Reprinted with permission.]

(a) Identify which conditions of altitude and oxygen levels permit the least maximum

oxygen uptake per minute.

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Turn over

M09/4/BIOLO/HP3/ENG/TZ2/XX


(b) Calculate the percentage change in maximum oxygen uptake per body mass from

conditions of normoxia at 0 m to hypoxia at 5260 m altitude. Show your working.

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(c) Analyse the data to determine which conditions permit the greatest power output

per kilogram of body mass.

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(d) Suggest why the amount of hemoglobin changes under the different conditions.

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(e) Explain two adaptations of the body to high altitude conditions other than

hemoglobin increase.

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H2. (a) Distinguish between the mode of action of steroid hormones and protein hormones.

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(b) State the major role of Helicobacter pylori in the development of stomach ulcers.

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H3. (a) Outline two factors that affect the incidence of coronary heart disease.

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(b) Explain the liver damage caused by excessive alcohol consumption.

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H1. Helicobacter pylori is able to live inside the stomach wall of humans. This bacterium can cause

inammation of the stomach wall (gastritis). There may be a link between H. pylori and the

development of stomach cancer.

The graph below shows the blood levels of antibodies resulting from H. pylori infection for

a control group without stomach cancer and a group with stomach cancer. The solid lines

show the median concentrations for the control group and the group with stomach cancer.

Antibody concentrations above 10 μg ml –1 indicate that there has been infection with H. pylori.

Blood levels

of antibodies/ μg ml –1

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0 Control group Group with

stomach cancer

[Source: Reproduced from D Forman, D G Newell, F Fullerton et al., “Association between infection with Helicobacter pylori and risk of

gastric cancer: evidence from a prospective investigation”, Bristish Medical Journal , Volume 302, Number 6788, (1991) with permission of

BMJ Publishing Group Ltd.]


1821

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– 19 –

Turn over

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(a) 47 % of the control group had been infected with H. pylori. Calculate the percentage of

the group with stomach cancer that had been infected. Show your working.

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[2]

(b) Using all of the data, evaluate the hypothesis that H. pylori causes stomach cancer.

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[3]

(c) A study in gerbils indicated that infection with H. pylori leads to a decrease in the

secretion of hydrochloric acid. Discuss the consequences of this nding for the

digestion of proteins in the stomach in humans.

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H2. The electron micrograph below shows cells from the intestine.

X

Y

[Source: C Candalh, Inserm, magnication 10 000]

(a) In the electron micrograph above, state the name of the

(i) structure labelled X.

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(ii) type of cells labelled Y.

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(b) Dene hormone.

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(c) Outline the circulation of blood through liver tissue.

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H3. Explain how and why ventilation rate varies with exercise.

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H1. The human body suffers signicant physiological changes at extreme altitudes. Extensive

scientic information has been obtained from medical research expeditions to Mount Everest

(8848 m above sea level). The gure below shows the relationship between the partial

pressures of oxygen (Po2) and carbon dioxide (Pco2) in the alveoli as altitude increases fromsea level (at top right) to the summit of Mt. Everest (at bottom left).

A l v e o l a r P c o

2 / m m H

g

40

30

20

10

0

20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

Alveolar Po2

/ mm Hg

[Source: J. B. West, Integrative and Comparative Biology, 46 (1), pp. 25–34, (2006), “Human responses to extreme altitudes” by permission

of the Society for Integrative and Comparative Biology]

(a) Outline the changes in the partial pressures of carbon dioxide and oxygen as altitude

increases.

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Sea

level

Mt. Everest

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Turn over



The table below shows the data from the eld study on the alveolar gas and arterial blood values

for a climber at sea level and on the summit of Mt. Everest.

Altitude /

meters

Inspired Pco2

/ mm Hg

Arterial Pco2

/ mm HgArterial pH

Sea level

(0) 2.50 40.0 7.40

Summit

(8848) 0.83 7.5 >7.70

[Source: J B West, Integrative and Comparative Biology, 46 (1), pages 25–34, (2006), “Human responses to extreme altitudes” by permission

of the Society for Integrative and Comparative Biology]

(b) Predict, with a reason, how the ventilation rate will change as a climber ascends from

sea level to the summit of Mt. Everest.

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(c) (i) Calculate the percentage change in the arterial partial pressure of carbon dioxide

(Pco2) at the summit compared with that at sea level.

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(ii) Suggest a reason for the low arterial partial pressure of carbon dioxide at

the summit.

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(d) State one adaptation of people who live permanently in high altitude areas.

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H2. (a) (i) Dene hormones.

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(ii) State one type of hormone, giving an example.

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(b) Compare gastric juice and pancreatic juice.

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(c) Outline the reason for one named substance found in food not being digested and absorbed

by humans.

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H3. Explain the role of the SA (sinoatrial) node in the cardiac cycle.

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QP Option H (2007-2013)

Documents

Transcript of QP Option H (2007-2013)