IChO 1984 · Theory problem 7
DNA: mass, coding capacity and base composition
Deoxyribonucleic acid (DNA) represents the genetic program of all living beings. The human genetic program is subdivided into 23 chromosomes.
7.1 Calculate the mass of a DNA thread in grams, which reaches form earth to the moon (340,000 km). A mass of 1 g represents 1,000 nucleotide pairs.
One nucleotide pair (base pair) has a length of 0.34 nm.
7.2 Give estimation on how many nucleotid pairs are stored in the chromosome set of a human being. Human cells can synthesize 50,000 different proteins, which are on the average 300 amino acids long. Only 2 % of the DNA code for proteins.
7.3 The DNA of the bacteriophage M13 shows the following base composition:
A: 23 %, T: 36 %, G: 21 %, C: 20 % (mole %)
What does the base composition tell about the structure of the DNA?
Official English text of the problem.
Answers
- 7.1: \(\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}=1\ \mathrm{mg}}\), taking 1,000 nucleotide pairs to have a mass of \(10^{-18}\ \mathrm{g}\).
- 7.2: \(\boxed{\approx2.3\times10^{9}\text{ nucleotide pairs}}\) in the 23-chromosome set; the unrounded estimate is \(2.25\times10^{9}\).
- 7.3: M13 DNA is single-stranded: its base proportions are incompatible with a fully complementary double-stranded molecule.
Solution
7.1
The printed mass datum ("1 g") is a misprint; the intended value, also used in the official solution, is \[ m(1{,}000\text{ nucleotide pairs})=10^{-18}\ \mathrm{g}. \]
Convert the Earth–Moon distance into nanometres: \[ L=340{,}000\ \mathrm{km} \times10^{12}\ \frac{\mathrm{nm}}{\mathrm{km}} =3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}. \]
Since each nucleotide pair contributes \(0.34\ \mathrm{nm}\) to the length, the number of pairs is \[ N=\frac{3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}} {0.34\ \mathrm{nm/pair}} =1.0\times10^{18}\ \text{pairs}. \]
Therefore, \[ m=(1.0\times10^{18}\ \text{pairs}) \left(\frac{10^{-18}\ \mathrm{g}}{10^{3}\ \text{pairs}}\right) =\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}}. \]
7.2
Each amino acid is encoded by a codon of three nucleotides. Thus, a protein containing 300 amino acid residues requires approximately \[ 300\times3=900 \] nucleotides on its coding strand, corresponding to 900 base pairs of double-stranded DNA.
For 50,000 different proteins, the total coding requirement is \[ N_{\mathrm{coding}} =50{,}000\times300\times3 =4.5\times10^{7}\ \text{base pairs}. \]
This represents \(2\%=0.02\) of the total DNA: \[ 0.02N_{\mathrm{total}}=4.5\times10^{7}. \] Hence, \[ N_{\mathrm{total}} =\frac{4.5\times10^{7}}{0.02} =2.25\times10^{9} \approx\boxed{2.3\times10^{9}\ \text{base pairs}}. \]
This is the total across the stated 23 chromosomes. No additional factor of two is required: a base pair already includes the complementary nucleotides of both strands. Stop codons are neglected at the precision of this estimate.
7.3
The four base identities are listed below; the SMILES describe the free bases.
| Symbol | Base | SMILES |
|---|---|---|
| A | Adenine | Nc1ncnc2[nH]cnc12 |
| T | Thymine | Cc1c[nH]c(=O)[nH]c1=O |
| G | Guanine | Nc1nc2[nH]cnc2c(=O)[nH]1 |
| C | Cytosine | Nc1cc[nH]c(=O)n1 |
In fully complementary double-stranded DNA, adenine pairs with thymine, and guanine pairs with cytosine. Counting both strands therefore requires \[ n_{\mathrm A}=n_{\mathrm T}, \qquad n_{\mathrm G}=n_{\mathrm C}. \]
The supplied composition instead gives \[ x_{\mathrm A}=23\%\ne36\%=x_{\mathrm T}, \qquad x_{\mathrm G}=21\%\ne20\%=x_{\mathrm C}. \]
In particular, the large difference between adenine and thymine is incompatible with a fully complementary duplex. The intended structural conclusion is therefore \[ \boxed{\text{M13 DNA is single-stranded.}} \]
The composition alone does not determine whether the strand is circular or linear. A complete DNA SMILES cannot be specified from these percentages: its nucleotide sequence and connectivity are missing. SMILES also does not specify its three-dimensional conformation.
The solution was checked against the official solution.
IChO 1984 · Theorieaufgabe 7
DNA: Masse, Codierungskapazität und Basenzusammensetzung
Desoxyribonukleinsäure (DNA) stellt das genetische Programm aller Lebewesen dar. Das genetische Programm des Menschen ist auf 23 Chromosomen verteilt.
7.1 Berechnen Sie die Masse eines DNA-Fadens in Gramm, der von der Erde bis zum Mond reicht (340.000 km). Eine Masse von 1 g entspricht 1.000 Nukleotidpaaren.
Ein Nukleotidpaar (Basenpaar) hat eine Länge von 0,34 nm.
7.2 Schätzen Sie ab, wie viele Nukleotidpaare im Chromosomensatz eines Menschen enthalten sind. Menschliche Zellen können 50.000 verschiedene Proteine synthetisieren, die im Durchschnitt 300 Aminosäuren lang sind. Nur 2 % der DNA codieren für Proteine.
7.3 Die DNA des Bakteriophagen M13 weist die folgende Basenzusammensetzung auf:
A: 23 %, T: 36 %, G: 21 %, C: 20 % (Mol-%)
Was sagt die Basenzusammensetzung über die Struktur der DNA aus?
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Antworten
- 7.1: \(\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}=1\ \mathrm{mg}}\), wenn man für 1.000 Nukleotidpaare eine Masse von \(10^{-18}\ \mathrm{g}\) zugrunde legt.
- 7.2: \(\boxed{\approx2.3\times10^{9}\text{ Nukleotidpaare}}\) im Satz aus 23 Chromosomen; die ungerundete Schätzung beträgt \(2.25\times10^{9}\).
- 7.3: Die DNA von M13 ist einzelsträngig: Ihre Basenanteile sind mit einem vollständig komplementären doppelsträngigen Molekül unvereinbar.
Lösung
7.1
Die gedruckte Massenangabe („1 g“) ist ein Druckfehler; der beabsichtigte Wert, der auch in der offiziellen Lösung verwendet wird, lautet \[ m(1{,}000\text{ Nukleotidpaare})=10^{-18}\ \mathrm{g}. \]
Die Entfernung zwischen Erde und Mond wird in Nanometer umgerechnet: \[ L=340{,}000\ \mathrm{km} \times10^{12}\ \frac{\mathrm{nm}}{\mathrm{km}} =3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}. \]
Da jedes Nukleotidpaar \(0.34\ \mathrm{nm}\) zur Länge beiträgt, beträgt die Anzahl der Paare \[ N=\frac{3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}} {0.34\ \mathrm{nm/pair}} =1.0\times10^{18}\ \text{Paare}. \]
Daher gilt \[ m=(1.0\times10^{18}\ \text{Paare}) \left(\frac{10^{-18}\ \mathrm{g}}{10^{3}\ \text{Paare}}\right) =\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}}. \]
7.2
Jede Aminosäure wird durch ein Codon aus drei Nukleotiden codiert. Ein Protein mit 300 Aminosäureresten benötigt somit ungefähr \[ 300\times3=900 \] Nukleotide auf seinem codierenden Strang, was 900 Basenpaaren doppelsträngiger DNA entspricht.
Für 50.000 verschiedene Proteine beträgt der gesamte Bedarf an codierender DNA \[ N_{\mathrm{coding}} =50{,}000\times300\times3 =4.5\times10^{7}\ \text{Basenpaare}. \]
Dies entspricht \(2\%=0.02\) der gesamten DNA: \[ 0.02N_{\mathrm{total}}=4.5\times10^{7}. \] Daraus folgt \[ N_{\mathrm{total}} =\frac{4.5\times10^{7}}{0.02} =2.25\times10^{9} \approx\boxed{2.3\times10^{9}\ \text{Basenpaare}}. \]
Dies ist die Gesamtzahl für die angegebenen 23 Chromosomen. Ein zusätzlicher Faktor zwei ist nicht erforderlich: Ein Basenpaar umfasst bereits die komplementären Nukleotide beider Stränge. Stoppcodons werden bei der Genauigkeit dieser Schätzung vernachlässigt.
7.3
Die vier Basen sind nachstehend aufgeführt; die SMILES beschreiben die freien Basen.
| Symbol | Base | SMILES |
|---|---|---|
| A | Adenin | Nc1ncnc2[nH]cnc12 |
| T | Thymin | Cc1c[nH]c(=O)[nH]c1=O |
| G | Guanin | Nc1nc2[nH]cnc2c(=O)[nH]1 |
| C | Cytosin | Nc1cc[nH]c(=O)n1 |
In vollständig komplementärer doppelsträngiger DNA paart sich Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin. Bei Berücksichtigung beider Stränge muss daher gelten: \[ n_{\mathrm A}=n_{\mathrm T}, \qquad n_{\mathrm G}=n_{\mathrm C}. \]
Die angegebene Zusammensetzung ergibt dagegen \[ x_{\mathrm A}=23\%\ne36\%=x_{\mathrm T}, \qquad x_{\mathrm G}=21\%\ne20\%=x_{\mathrm C}. \]
Insbesondere der große Unterschied zwischen Adenin und Thymin ist mit einem vollständig komplementären Duplex unvereinbar. Die beabsichtigte Schlussfolgerung zur Struktur lautet daher \[ \boxed{\text{Die DNA von M13 ist einzelsträngig.}} \]
Aus der Zusammensetzung allein lässt sich nicht bestimmen, ob der Strang ringförmig oder linear ist. Aus diesen Prozentangaben lässt sich keine vollständige SMILES-Darstellung der DNA angeben: Ihre Nukleotidsequenz und die Verknüpfung ihrer Bausteine fehlen. SMILES legt auch ihre dreidimensionale Konformation nicht fest.
Die Lösung wurde mit der offiziellen Lösung abgeglichen.
IChO 1984 · Teori sorusu 7
DNA: kütle, kodlama kapasitesi ve baz bileşimi
Deoksiribonükleik asit (DNA), tüm canlıların genetik programını temsil eder. İnsanın genetik programı 23 kromozoma bölünmüştür.
7.1 Dünya'dan Ay'a kadar uzanan (340,000 km) bir DNA ipliğinin kütlesini gram cinsinden hesaplayınız. 1 g kütle, 1,000 nükleotit çiftine karşılık gelir.
Bir nükleotit çiftinin (baz çiftinin) uzunluğu 0.34 nm'dir.
7.2 Bir insanın kromozom takımında kaç nükleotit çifti bulunduğunu tahmin ediniz. İnsan hücreleri, ortalama uzunlukları 300 amino asit olan 50,000 farklı proteini sentezleyebilir. DNA'nın yalnızca %2'si proteinleri kodlar.
7.3 M13 bakteriyofajının DNA'sı aşağıdaki baz bileşimine sahiptir:
A: %23, T: %36, G: %21, C: %20 (mol %)
Baz bileşimi, DNA'nın yapısı hakkında ne söyler?
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Cevaplar
- 7.1: 1,000 nükleotit çiftinin kütlesi \(10^{-18}\ \mathrm{g}\) olarak alındığında, \(\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}=1\ \mathrm{mg}}\).
- 7.2: 23 kromozomluk takımda \(\boxed{\approx2.3\times10^{9}\text{ nükleotit çifti}}\); yuvarlanmamış tahmin \(2.25\times10^{9}\)'dur.
- 7.3: M13 DNA'sı tek ipliklidir: baz oranları, tamamen tamamlayıcı çift iplikli bir molekülle bağdaşmaz.
Çözüm
7.1
Basılı metinde verilen kütle değeri ("1 g") bir baskı hatasıdır; kastedilen ve resmî çözümde de kullanılan değer şudur: \[ m(1{,}000\text{ nükleotit çifti})=10^{-18}\ \mathrm{g}. \]
Dünya–Ay uzaklığını nanometreye çevirelim: \[ L=340{,}000\ \mathrm{km} \times10^{12}\ \frac{\mathrm{nm}}{\mathrm{km}} =3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}. \]
Her nükleotit çifti uzunluğa \(0.34\ \mathrm{nm}\) katkıda bulunduğundan, çift sayısı şöyledir: \[ N=\frac{3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}} {0.34\ \mathrm{nm/pair}} =1.0\times10^{18}\ \text{çift}. \]
Dolayısıyla, \[ m=(1.0\times10^{18}\ \text{çift}) \left(\frac{10^{-18}\ \mathrm{g}}{10^{3}\ \text{çift}}\right) =\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}}. \]
7.2
Her amino asit, üç nükleotitten oluşan bir kodon tarafından kodlanır. Dolayısıyla, 300 amino asit kalıntısı içeren bir protein için kodlayıcı iplikte yaklaşık \[ 300\times3=900 \] nükleotit gerekir; bu da çift iplikli DNA'da 900 baz çiftine karşılık gelir.
50,000 farklı protein için gereken toplam kodlayıcı uzunluk şöyledir: \[ N_{\mathrm{coding}} =50{,}000\times300\times3 =4.5\times10^{7}\ \text{baz çifti}. \]
Bu, toplam DNA'nın \(2\%=0.02\)'sini temsil eder: \[ 0.02N_{\mathrm{total}}=4.5\times10^{7}. \] Böylece, \[ N_{\mathrm{total}} =\frac{4.5\times10^{7}}{0.02} =2.25\times10^{9} \approx\boxed{2.3\times10^{9}\ \text{baz çifti}}. \]
Bu, belirtilen 23 kromozomun tamamındaki toplamdır. Ek bir iki çarpanına gerek yoktur: bir baz çifti zaten her iki ipliğin birbirini tamamlayan nükleotitlerini içerir. Bu tahminin duyarlılık düzeyinde dur kodonları ihmal edilir.
7.3
Dört bazın adları aşağıda listelenmiştir; SMILES gösterimleri serbest bazları tanımlar.
| Sembol | Baz | SMILES |
|---|---|---|
| A | Adenin | Nc1ncnc2[nH]cnc12 |
| T | Timin | Cc1c[nH]c(=O)[nH]c1=O |
| G | Guanin | Nc1nc2[nH]cnc2c(=O)[nH]1 |
| C | Sitozin | Nc1cc[nH]c(=O)n1 |
Tamamen tamamlayıcı çift iplikli DNA'da adenin timinle, guanin ise sitozinle eşleşir. Bu nedenle her iki iplik birlikte sayıldığında şu eşitlikler sağlanmalıdır: \[ n_{\mathrm A}=n_{\mathrm T}, \qquad n_{\mathrm G}=n_{\mathrm C}. \]
Oysa verilen bileşim şu sonuçları verir: \[ x_{\mathrm A}=23\%\ne36\%=x_{\mathrm T}, \qquad x_{\mathrm G}=21\%\ne20\%=x_{\mathrm C}. \]
Özellikle adenin ile timin arasındaki büyük fark, tamamen tamamlayıcı çift iplikli bir yapıyla bağdaşmaz. Dolayısıyla, yapı hakkında varılması beklenen sonuç şudur: \[ \boxed{\text{M13 DNA'sı tek ipliklidir.}} \]
Yalnızca bileşim, ipliğin halkasal mı yoksa doğrusal mı olduğunu belirlemez. Bu yüzdelerden DNA'nın eksiksiz bir SMILES gösterimi belirtilemez: nükleotit dizisi ve bağlanma düzeni eksiktir. SMILES ayrıca DNA'nın üç boyutlu konformasyonunu da belirtmez.
Çözüm, resmi çözümle karşılaştırılarak kontrol edildi.
IChO 1984 · Problema teórico 7
ADN: masa, capacidad de codificación y composición de bases
El ácido desoxirribonucleico (ADN) representa el programa genético de todos los seres vivos. El programa genético humano está subdividido en 23 cromosomas.
7.1 Calcule la masa en gramos de una hebra de ADN que se extienda desde la Tierra hasta la Luna (340,000 km). Una masa de 1 g corresponde a 1,000 pares de nucleótidos.
Un par de nucleótidos (par de bases) tiene una longitud de 0.34 nm.
7.2 Estime cuántos pares de nucleótidos contiene el conjunto de cromosomas de un ser humano. Las células humanas pueden sintetizar 50,000 proteínas diferentes, que tienen una longitud media de 300 aminoácidos. Solo el 2 % del ADN codifica proteínas.
7.3 El ADN del bacteriófago M13 presenta la siguiente composición de bases:
A: 23 %, T: 36 %, G: 21 %, C: 20 % (% molar)
¿Qué indica la composición de bases sobre la estructura del ADN?
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Respuestas
- 7.1: \(\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}=1\ \mathrm{mg}}\), considerando que 1,000 pares de nucleótidos tienen una masa de \(10^{-18}\ \mathrm{g}\).
- 7.2: \(\boxed{\approx2.3\times10^{9}\text{ pares de nucleótidos}}\) en el conjunto de 23 cromosomas; la estimación sin redondear es \(2.25\times10^{9}\).
- 7.3: El ADN de M13 es monocatenario: las proporciones de sus bases son incompatibles con una molécula bicatenaria completamente complementaria.
Solución
7.1
El dato de masa impreso ("1 g") es una errata; el valor previsto, que también se utiliza en la solución oficial, es \[ m(1{,}000\text{ pares de nucleótidos})=10^{-18}\ \mathrm{g}. \]
Convertimos la distancia Tierra–Luna a nanómetros: \[ L=340{,}000\ \mathrm{km} \times10^{12}\ \frac{\mathrm{nm}}{\mathrm{km}} =3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}. \]
Como cada par de nucleótidos aporta \(0.34\ \mathrm{nm}\) a la longitud, el número de pares es \[ N=\frac{3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}} {0.34\ \mathrm{nm/pair}} =1.0\times10^{18}\ \text{pares}. \]
Por tanto, \[ m=(1.0\times10^{18}\ \text{pares}) \left(\frac{10^{-18}\ \mathrm{g}}{10^{3}\ \text{pares}}\right) =\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}}. \]
7.2
Cada aminoácido está codificado por un codón de tres nucleótidos. Así, una proteína que contiene 300 residuos de aminoácidos requiere aproximadamente \[ 300\times3=900 \] nucleótidos en su hebra codificante, lo que corresponde a 900 pares de bases de ADN bicatenario.
Para 50,000 proteínas diferentes, el número total de pares de bases necesarios para la codificación es \[ N_{\mathrm{coding}} =50{,}000\times300\times3 =4.5\times10^{7}\ \text{pares de bases}. \]
Esto representa el \(2\%=0.02\) del ADN total: \[ 0.02N_{\mathrm{total}}=4.5\times10^{7}. \] Por consiguiente, \[ N_{\mathrm{total}} =\frac{4.5\times10^{7}}{0.02} =2.25\times10^{9} \approx\boxed{2.3\times10^{9}\ \text{pares de bases}}. \]
Este es el total para los 23 cromosomas indicados. No se requiere un factor adicional de dos: un par de bases ya incluye los nucleótidos complementarios de ambas hebras. Los codones de terminación se desprecian dado el grado de precisión de esta estimación.
7.3
A continuación se indican las identidades de las cuatro bases; los SMILES describen las bases libres.
| Símbolo | Base | SMILES |
|---|---|---|
| A | Adenina | Nc1ncnc2[nH]cnc12 |
| T | Timina | Cc1c[nH]c(=O)[nH]c1=O |
| G | Guanina | Nc1nc2[nH]cnc2c(=O)[nH]1 |
| C | Citosina | Nc1cc[nH]c(=O)n1 |
En el ADN bicatenario completamente complementario, la adenina se aparea con la timina y la guanina se aparea con la citosina. Por tanto, al contar ambas hebras debe cumplirse \[ n_{\mathrm A}=n_{\mathrm T}, \qquad n_{\mathrm G}=n_{\mathrm C}. \]
Sin embargo, la composición proporcionada da \[ x_{\mathrm A}=23\%\ne36\%=x_{\mathrm T}, \qquad x_{\mathrm G}=21\%\ne20\%=x_{\mathrm C}. \]
En particular, la gran diferencia entre la adenina y la timina es incompatible con un dúplex completamente complementario. Por tanto, la conclusión estructural que se pretende obtener es \[ \boxed{\text{El ADN de M13 es monocatenario.}} \]
La composición por sí sola no permite determinar si la hebra es circular o lineal. No se puede especificar un SMILES completo del ADN a partir de estos porcentajes: faltan su secuencia de nucleótidos y su conectividad. SMILES tampoco especifica su conformación tridimensional.
La solución se comprobó con la solución oficial.
IChO 1984 · 理论题 7
DNA:质量、编码容量与碱基组成
脱氧核糖核酸(DNA)承载着所有生物的遗传程序。人类的遗传程序分布在 23 条染色体上。
7.1 计算一条从地球延伸到月球(340,000 km)的 DNA 链的质量,以克为单位。1,000 个核苷酸对的质量为 1 g。
一个核苷酸对(碱基对)的长度为 0.34 nm。
7.2 估算人类一套染色体中含有多少个核苷酸对。人体细胞能够合成 50,000 种不同的蛋白质,每种蛋白质平均含有 300 个氨基酸。只有 2 % 的 DNA 编码蛋白质。
7.3 噬菌体 M13 的 DNA 具有如下碱基组成:
A: 23 %, T: 36 %, G: 21 %, C: 20 %(摩尔百分比)
这一碱基组成说明该 DNA 具有怎样的结构?
题目译自官方英文原文。
答案
- 7.1: \(\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}=1\ \mathrm{mg}}\),取 1,000 个核苷酸对的质量为 \(10^{-18}\ \mathrm{g}\)。
- 7.2: 这套含 23 条染色体的染色体组中有 \(\boxed{\approx2.3\times10^{9}\text{ 个核苷酸对}}\);未舍入的估算值为 \(2.25\times10^{9}\)。
- 7.3: M13 DNA 是单链的:其碱基比例与完全互补的双链分子不相容。
解答
7.1
印出的质量数据(“1 g”)有误;原本应为下列数值,官方解答也采用了这一数值: \[ m(1{,}000\text{ 个核苷酸对})=10^{-18}\ \mathrm{g}. \]
将地月距离换算为纳米: \[ L=340{,}000\ \mathrm{km} \times10^{12}\ \frac{\mathrm{nm}}{\mathrm{km}} =3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}. \]
由于每个核苷酸对贡献的长度为 \(0.34\ \mathrm{nm}\),核苷酸对的数量为 \[ N=\frac{3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}} {0.34\ \mathrm{nm/pair}} =1.0\times10^{18}\ \text{对}. \]
因此, \[ m=(1.0\times10^{18}\ \text{对}) \left(\frac{10^{-18}\ \mathrm{g}}{10^{3}\ \text{对}}\right) =\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}}. \]
7.2
每个氨基酸由一个含三个核苷酸的密码子编码。因此,含有 300 个氨基酸残基的蛋白质需要在其编码链上有约 \[ 300\times3=900 \] 个核苷酸,对应于双链 DNA 的 900 个碱基对。
对于 50,000 种不同的蛋白质,编码所需的碱基对总数为 \[ N_{\mathrm{coding}} =50{,}000\times300\times3 =4.5\times10^{7}\ \text{个碱基对}. \]
这占全部 DNA 的 \(2\%=0.02\): \[ 0.02N_{\mathrm{total}}=4.5\times10^{7}. \] 所以, \[ N_{\mathrm{total}} =\frac{4.5\times10^{7}}{0.02} =2.25\times10^{9} \approx\boxed{2.3\times10^{9}\ \text{个碱基对}}. \]
这是题目所述 23 条染色体中的总数。无需再乘以二:一个碱基对已经包含两条链上互补的核苷酸。在这一估算的精度下,忽略终止密码子。
7.3
四种碱基的名称列于下表;SMILES 描述的是游离碱基。
| 符号 | 碱基 | SMILES |
|---|---|---|
| A | 腺嘌呤 | Nc1ncnc2[nH]cnc12 |
| T | 胸腺嘧啶 | Cc1c[nH]c(=O)[nH]c1=O |
| G | 鸟嘌呤 | Nc1nc2[nH]cnc2c(=O)[nH]1 |
| C | 胞嘧啶 | Nc1cc[nH]c(=O)n1 |
在完全互补的双链 DNA 中,腺嘌呤与胸腺嘧啶配对,鸟嘌呤与胞嘧啶配对。因此,将两条链都计入时,必须有 \[ n_{\mathrm A}=n_{\mathrm T}, \qquad n_{\mathrm G}=n_{\mathrm C}. \]
然而,所给组成却为 \[ x_{\mathrm A}=23\%\ne36\%=x_{\mathrm T}, \qquad x_{\mathrm G}=21\%\ne20\%=x_{\mathrm C}. \]
尤其是腺嘌呤与胸腺嘧啶含量之间的较大差异,与完全互补的双链结构不相容。因此,题目预期的结构结论为 \[ \boxed{\text{M13 DNA 是单链的。}} \]
仅凭这一组成无法确定该链是环状还是线状。无法根据这些百分比写出完整 DNA 的 SMILES:还缺少其核苷酸序列及连接关系。SMILES 也不指定其三维构象。
解答已与官方解答核对。
IChO 1984 · Теоретическая задача 7
ДНК: масса, кодирующая ёмкость и состав оснований
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) представляет собой генетическую программу всех живых организмов. Генетическая программа человека распределена между 23 хромосомами.
7.1 Рассчитайте массу в граммах нити ДНК, протянувшейся от Земли до Луны (340,000 км). Массе 1 г соответствуют 1,000 пар нуклеотидов.
Одна пара нуклеотидов (пара оснований) имеет длину 0.34 нм.
7.2 Оцените, сколько пар нуклеотидов содержится в наборе хромосом человека. Клетки человека способны синтезировать 50,000 различных белков, длина которых в среднем составляет 300 аминокислот. Только 2 % ДНК кодируют белки.
7.3 ДНК бактериофага M13 имеет следующий состав оснований:
A: 23 %, T: 36 %, G: 21 %, C: 20 % (мол. %)
Что можно сказать о структуре ДНК на основании её состава оснований?
Условие переведено с официального английского текста.
Ответы
- 7.1: \(\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}=1\ \mathrm{mg}}\), если принять, что масса 1,000 пар нуклеотидов составляет \(10^{-18}\ \mathrm{g}\).
- 7.2: \(\boxed{\approx2.3\times10^{9}\text{ пар нуклеотидов}}\) в наборе из 23 хромосом; неокруглённая оценка составляет \(2.25\times10^{9}\).
- 7.3: ДНК M13 является одноцепочечной: соотношение её оснований несовместимо с полностью комплементарной двухцепочечной молекулой.
Решение
7.1
Напечатанное значение массы («1 г») является опечаткой; подразумеваемое значение, которое также используется в официальном решении, равно \[ m(1{,}000\text{ пар нуклеотидов})=10^{-18}\ \mathrm{g}. \]
Переведём расстояние от Земли до Луны в нанометры: \[ L=340{,}000\ \mathrm{km} \times10^{12}\ \frac{\mathrm{nm}}{\mathrm{km}} =3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}. \]
Поскольку каждая пара нуклеотидов вносит в длину вклад \(0.34\ \mathrm{nm}\), число пар равно \[ N=\frac{3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}} {0.34\ \mathrm{nm/pair}} =1.0\times10^{18}\ \text{пар}. \]
Следовательно, \[ m=(1.0\times10^{18}\ \text{пар}) \left(\frac{10^{-18}\ \mathrm{g}}{10^{3}\ \text{пар}}\right) =\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}}. \]
7.2
Каждая аминокислота кодируется кодоном из трёх нуклеотидов. Таким образом, для кодирования белка, содержащего 300 аминокислотных остатков, требуется приблизительно \[ 300\times3=900 \] нуклеотидов в кодирующей цепи, что соответствует 900 парам оснований двухцепочечной ДНК.
Для 50,000 различных белков общее число пар оснований, необходимое для их кодирования, составляет \[ N_{\mathrm{coding}} =50{,}000\times300\times3 =4.5\times10^{7}\ \text{пар оснований}. \]
Это составляет \(2\%=0.02\) всей ДНК: \[ 0.02N_{\mathrm{total}}=4.5\times10^{7}. \] Отсюда \[ N_{\mathrm{total}} =\frac{4.5\times10^{7}}{0.02} =2.25\times10^{9} \approx\boxed{2.3\times10^{9}\ \text{пар оснований}}. \]
Это общее число пар оснований во всех указанных 23 хромосомах. Дополнительный множитель два не требуется: пара оснований уже включает комплементарные нуклеотиды обеих цепей. При точности данной оценки стоп-кодонами пренебрегают.
7.3
Ниже приведены названия четырёх оснований; строки SMILES описывают свободные основания.
| Символ | Основание | SMILES |
|---|---|---|
| A | Аденин | Nc1ncnc2[nH]cnc12 |
| T | Тимин | Cc1c[nH]c(=O)[nH]c1=O |
| G | Гуанин | Nc1nc2[nH]cnc2c(=O)[nH]1 |
| C | Цитозин | Nc1cc[nH]c(=O)n1 |
В полностью комплементарной двухцепочечной ДНК аденин образует пару с тимином, а гуанин — с цитозином. Поэтому при учёте обеих цепей должны выполняться соотношения \[ n_{\mathrm A}=n_{\mathrm T}, \qquad n_{\mathrm G}=n_{\mathrm C}. \]
Однако приведённый состав даёт \[ x_{\mathrm A}=23\%\ne36\%=x_{\mathrm T}, \qquad x_{\mathrm G}=21\%\ne20\%=x_{\mathrm C}. \]
В частности, большое различие в содержании аденина и тимина несовместимо с полностью комплементарным дуплексом. Поэтому ожидаемый вывод о структуре таков: \[ \boxed{\text{ДНК M13 является одноцепочечной.}} \]
Сам по себе состав не позволяет определить, является ли цепь кольцевой или линейной. Полную строку SMILES для ДНК невозможно задать на основании этих процентных содержаний: отсутствуют сведения о последовательности нуклеотидов и связях между ними. SMILES также не задаёт её трёхмерную конформацию.
Решение проверено по официальному решению.
IChO 1984 · مسألة نظرية 7
DNA: الكتلة والقدرة الترميزية وتركيب القواعد
يمثّل الحمض النووي الريبوزي منقوص الأكسجين (DNA) البرنامج الوراثي لجميع الكائنات الحية. ويتوزّع البرنامج الوراثي للإنسان على 23 كروموسومًا.
7.1 احسب كتلة خيط من DNA بالغرامات يمتد من الأرض إلى القمر (340,000 km). تقابل كتلة مقدارها 1 g عددًا قدره 1,000 زوج من النيوكليوتيدات.
يبلغ طول زوج واحد من النيوكليوتيدات (زوج قاعدي) 0.34 nm.
7.2 قدّر عدد أزواج النيوكليوتيدات الموجودة في مجموعة كروموسومات الإنسان. تستطيع الخلايا البشرية تصنيع 50,000 بروتين مختلف، يبلغ طول كل منها في المتوسط 300 حمض أميني. ولا يشفّر البروتينات سوى 2 % من DNA.
7.3 يُظهر DNA الخاص بالعاثية M13 تركيب القواعد الآتي:
A: 23 %، T: 36 %، G: 21 %، C: 20 % (نسبة مئوية مولية)
ماذا يخبرنا تركيب القواعد عن بنية DNA؟
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
الإجابات
- 7.1: \(\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}=1\ \mathrm{mg}}\)، باعتبار أن كتلة 1,000 زوج من النيوكليوتيدات تساوي \(10^{-18}\ \mathrm{g}\).
- 7.2: \(\boxed{\approx2.3\times10^{9}\text{ زوج من النيوكليوتيدات}}\) في المجموعة المؤلفة من 23 كروموسومًا؛ والتقدير قبل التقريب هو \(2.25\times10^{9}\).
- 7.3: DNA الخاص بالعاثية M13 أحادي السلسلة: إذ لا تتوافق نسب قواعده مع جزيء مزدوج السلسلة متكامل القواعد تمامًا.
الحل
7.1
معطى الكتلة المطبوع ("1 g") خطأ مطبعي؛ والقيمة المقصودة، والمستخدمة أيضًا في الحل الرسمي، هي \[ m(1{,}000\text{ زوج من النيوكليوتيدات})=10^{-18}\ \mathrm{g}. \]
نحوّل المسافة بين الأرض والقمر إلى نانومترات: \[ L=340{,}000\ \mathrm{km} \times10^{12}\ \frac{\mathrm{nm}}{\mathrm{km}} =3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}. \]
بما أن كل زوج من النيوكليوتيدات يسهم بمقدار \(0.34\ \mathrm{nm}\) في الطول، فإن عدد الأزواج هو \[ N=\frac{3.4\times10^{17}\ \mathrm{nm}} {0.34\ \mathrm{nm/pair}} =1.0\times10^{18}\ \text{زوج}. \]
ومن ثم، \[ m=(1.0\times10^{18}\ \text{زوج}) \left(\frac{10^{-18}\ \mathrm{g}}{10^{3}\ \text{زوج}}\right) =\boxed{1\times10^{-3}\ \mathrm{g}}. \]
7.2
يُشفَّر كل حمض أميني بكودون مكوّن من ثلاثة نيوكليوتيدات. ولذلك، يتطلب البروتين المحتوي على 300 بقية حمض أميني نحو \[ 300\times3=900 \] نيوكليوتيد على سلسلته المُشفِّرة، وهو ما يقابل 900 زوج قاعدي من DNA مزدوج السلسلة.
بالنسبة إلى 50,000 بروتين مختلف، يبلغ إجمالي متطلبات الترميز \[ N_{\mathrm{coding}} =50{,}000\times300\times3 =4.5\times10^{7}\ \text{زوج قاعدي}. \]
ويمثّل ذلك \(2\%=0.02\) من إجمالي DNA: \[ 0.02N_{\mathrm{total}}=4.5\times10^{7}. \] وعليه، \[ N_{\mathrm{total}} =\frac{4.5\times10^{7}}{0.02} =2.25\times10^{9} \approx\boxed{2.3\times10^{9}\ \text{زوج قاعدي}}. \]
هذا هو المجموع في الكروموسومات الثلاثة والعشرين المذكورة. ولا حاجة إلى عامل إضافي مقداره اثنان: فالزوج القاعدي يتضمن أصلًا النيوكليوتيدين المتكاملين في السلسلتين. وتُهمَل كودونات التوقف عند مستوى دقة هذا التقدير.
7.3
ترد أسماء القواعد الأربع أدناه؛ وتصف صيغ SMILES القواعد الحرة.
| الرمز | القاعدة | SMILES |
|---|---|---|
| A | الأدينين | Nc1ncnc2[nH]cnc12 |
| T | الثايمين | Cc1c[nH]c(=O)[nH]c1=O |
| G | الغوانين | Nc1nc2[nH]cnc2c(=O)[nH]1 |
| C | السيتوسين | Nc1cc[nH]c(=O)n1 |
في DNA مزدوج السلسلة المتكامل القواعد تمامًا، يقترن الأدينين بالثايمين، ويقترن الغوانين بالسيتوسين. ولذلك، يقتضي عدّ القواعد في كلتا السلسلتين أن يكون \[ n_{\mathrm A}=n_{\mathrm T}, \qquad n_{\mathrm G}=n_{\mathrm C}. \]
لكن التركيب المعطى يعطي بدلًا من ذلك \[ x_{\mathrm A}=23\%\ne36\%=x_{\mathrm T}, \qquad x_{\mathrm G}=21\%\ne20\%=x_{\mathrm C}. \]
وعلى وجه الخصوص، لا يتوافق الفرق الكبير بين الأدينين والثايمين مع جزيء مزدوج السلسلة متكامل القواعد تمامًا. ولذلك فإن الاستنتاج البنيوي المقصود هو \[ \boxed{\text{DNA الخاص بالعاثية M13 أحادي السلسلة.}} \]
لا يحدّد التركيب وحده ما إذا كانت السلسلة دائرية أم خطية. ولا يمكن تحديد صيغة SMILES كاملة لـ DNA انطلاقًا من هذه النسب المئوية: إذ يفتقر المعطى إلى تسلسل نيوكليوتيداته وكيفية اتصالها. كما أن SMILES لا يحدّد هيئته الفراغية ثلاثية الأبعاد.
تمت مراجعة الحل بمقارنته بالحل الرسمي.