熱點專題突破系列四同位素標記法的應用

1、熱點專題突破系列（四）同位素標記法的應用,【三年考情分析】　　在近幾年的高考試題中,同位素標記法多有涉及。試題的內(nèi)容多與經(jīng)典生物學實驗聯(lián)系,有時也設置新情境來進行命題,考查內(nèi)容涉及細胞內(nèi)的元素或化合物的來源、組成、分布和去向以及細胞的結(jié)構(gòu)和功能,化學物質(zhì)的變化、反應機理等。對近三年高考分析如下：,【分類突破通關】類型一 元素的轉(zhuǎn)移途徑　通關典例(2014·寶雞模擬)同位素的發(fā)現(xiàn)為探明許多生命的奧秘起了很重要的作用。

2、(1)用18O標記二氧化碳,使其參與光合作用,再經(jīng)有氧呼吸,則18O轉(zhuǎn)移的途徑是(　　),(2)如果用含15N的蛋白質(zhì)飼料飼養(yǎng)體內(nèi)不含15N的大白鼠,較長一段時間后,從大白鼠的組織中分離出下列物質(zhì),其中含有15N的是(多選)(　　)A.脂肪酸　　B.淀粉酶　　C.肌糖原　　D.生長激素(3)植物光合作用產(chǎn)生的O2來自H2O,還是來自CO2?請寫出簡單實驗思路證明你的結(jié)論。______________________________

3、__________________________________________________________________________　 。,【解題指南】解答本題需注意以下兩點：(1)識記CO2中氧的轉(zhuǎn)移途徑：CO2→(CH2O)→CO2。(2)知道哪些化合物含有N元素,如氨基酸、蛋白質(zhì)、核苷酸、核酸、ATP等。,【解析】

4、(1)二氧化碳在光合作用中參與暗反應，生成有機物(CH2O)，有機物(葡萄糖)又在細胞呼吸中首先分解成丙酮酸，丙酮酸在有氧呼吸第二階段分解成CO2，所以二氧化碳中18O的轉(zhuǎn)移途徑是：C18O2→(CH218O)→C18O2。(2)淀粉酶和生長激素是蛋白質(zhì)類化合物，含有N元素。(3)本小題的實驗設計可用同位素標記法。分別將用同位素18O標記的H218O和C18O2提供給兩組植物進行光合作用實驗，分析兩組植物光合作用釋放的氧氣，18O2

5、僅在提供H218O的那組植物中產(chǎn)生，即可證明光合作用產(chǎn)生的O2來自H2O。,答案：(1)B (2)B、D(3)來自H2O。分別將C18O2和H218O提供給兩組植物，分析兩組植物光合作用釋放的氧氣，18O2僅在提供H218O的那組植物中產(chǎn)生，即可證明上述結(jié)論,【通關錦囊】化學元素轉(zhuǎn)移途徑的實例分析1.光合作用產(chǎn)物中O元素的來源：(1)若用18O標記的H218O和未標記的CO2一起做實驗,結(jié)果產(chǎn)生的氧氣全是18O2。(2)若用

6、18O標記的C18O2和未標記的H2O一起做實驗,結(jié)果產(chǎn)生的氧氣全是16O2。(3)結(jié)論：光合作用過程中O2中的O全部來自H2O。2.暗反應過程中C元素的去向：(1)標記方法：用14C標記CO2中的C。(2)轉(zhuǎn)移途徑：隨著14CO2的固定,14C首先出現(xiàn)在C3中,然后C3被還原,14C進入C5和(CH2O)中。,3.研究細胞呼吸過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)移途徑：(1)用18O標記氧氣(18O2)，生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部無

7、放射性，即18O2→H218O。(2)用18O標記葡萄糖(C6H1218O6)，生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部無放射性，即C6H1218O6→C18O2。,【通關特訓】(2014·汕頭模擬)科學家利用同位素標記法搞清了許多化學反應的詳細過程。下列說法正確的是(　　)A.用15N標記核苷酸搞清了分裂期染色體形態(tài)和數(shù)目的變化規(guī)律B.用18O標記H2O和CO2有力地證明了CO2是光合作用的原料C.用14C標記CO

8、2最終探明了CO2中碳元素在光合作用中的轉(zhuǎn)移途徑D.用35S標記噬菌體的DNA并以此侵染細菌證明了DNA是遺傳物質(zhì),【解析】選C。用15N標記核苷酸只能搞清核苷酸(或DNA)的數(shù)量變化規(guī)律;用18O標記H2O和CO2可證明光合作用釋放的氧全部來自水;用32P標記噬菌體的DNA,用35S標記噬菌體的蛋白質(zhì),才能證明DNA是遺傳物質(zhì)。,【加固訓練】(2014·南京模擬)光合作用是地球上最重要的化學反應。同位素標記法的引入,為探尋

9、和建立光合作用的化學反應過程,做出了巨大的貢獻。(1)1941年,魯賓用同位素標記法追蹤光合作用中O2的來源。,魯賓用H218O和普通的CO2進行小球藻光合作用實驗①(見圖A),結(jié)果放出的O2具有放射性。若用C18O2和普通的H2O進行光合作用實驗②(見圖B),結(jié)果產(chǎn)生的O2不具有放射性。綜合實驗①②,可獲得的結(jié)論是　 。(2)美國科學家卡爾文用同位素標記法來追蹤CO2是如何轉(zhuǎn)變成碳水化合物的。①卡

10、爾文給小球藻懸浮液通入14CO2,光照一定時間(從1秒到數(shù)分鐘)后殺死小球藻,同時提取產(chǎn)物并分析。實驗發(fā)現(xiàn),僅僅30秒的時間,CO2已經(jīng)轉(zhuǎn)化為許多種類的化合物。想要探究CO2轉(zhuǎn)化成的第一個產(chǎn)物是什么,可能的實驗思路是____________　 。,②實驗發(fā)現(xiàn),在光照下物質(zhì)A和物質(zhì)B的濃度很快達到飽和并保持穩(wěn)定。此時突然中斷CO2的供應,A、B物質(zhì)的變化如圖C所示。以上實驗說明,固定CO2的化合物

11、是　　　　　,CO2轉(zhuǎn)化成的第一個產(chǎn)物是　　　　　　。,【解析】(1)由圖A中CO2+H218O→18O2和圖B中C18O2+H2O→O2可知,光合作用釋放的O2來源于H2O。(2)①卡爾文實驗中僅30秒的時間,CO2已經(jīng)轉(zhuǎn)化為許多種類的化合物,無法判斷哪種化合物是第一個產(chǎn)物,因此要探究CO2轉(zhuǎn)化成的第一個產(chǎn)物,只有盡可能縮短光照時間,然后殺死小球藻,同時提取產(chǎn)物分析,當檢測到的產(chǎn)物只有一種時,該化合物就是第一個產(chǎn)物。②突然中斷CO2

12、供應,固定CO2的化合物的消耗將減少,其含量將逐漸增多(如物質(zhì)B),而CO2轉(zhuǎn)化成的第一個產(chǎn)物將開始減少(如物質(zhì)A)。,答案：(1)光合作用釋放的O2來源于H2O,而不是CO2(2)①縮短光照時間,當檢測到的產(chǎn)物只有一種時,這個化合物就是第一個產(chǎn)物?、贐　A,類型二 生理過程及發(fā)生場所　通關典例(2012·山東高考)假設一個雙鏈均被32P標記的噬菌體DNA由5 000個堿基對組成,其中腺嘌呤占全部堿基的20%。用這個噬菌

13、體侵染只含31P的大腸桿菌,共釋放出100個子代噬菌體。下列敘述正確的是(　　)A.該過程至少需要3×105個鳥嘌呤脫氧核苷酸B.噬菌體增殖需要細菌提供模板、原料和酶等C.含32P與只含31P的子代噬菌體的比例為1∶49D.該DNA發(fā)生突變,其控制的性狀即發(fā)生改變,【解題指南】解答本題的關鍵是：(1)題干中的關鍵信息：1個被32P標記的噬菌體;共釋放出100個子代噬菌體。(2)DNA復制n次后需要加入某種脫氧核苷酸

14、的個數(shù)=(2n-1)×1個DNA中的某種脫氧核苷酸數(shù)。(3)1種氨基酸可以由多個密碼子編碼,所以DNA發(fā)生基因突變對應的氨基酸可能不變,控制的性狀可能不變。,【解析】選C。具體分析如下：A項錯誤,A=T=5 000×2×20%=2 000個,G=C=5 000×2×30%=3 000個。DNA復制n次后需要加入鳥嘌呤脫氧核苷酸的個數(shù)為(2n-1)×1個,DNA中的鳥嘌呤

15、脫氧核苷酸數(shù)為99×3 000=2.97×105。B項錯誤,噬菌體侵染細菌時,噬菌體的DNA進入作為模板,不需要細菌提供。C項正確,1個被32P標記的噬菌體經(jīng)半保留復制形成的100個子代中有2個子代噬菌體含32P,98個只含31P,所以含32P的子代噬菌體與只含31P的子代噬菌體的比例為2∶98=1∶49。D項錯誤,由于一種氨基酸可以由多個密碼子編碼,所以DNA發(fā)生基因突變對應的氨基酸可能不變,控制的性狀

16、可能不變。,【通關錦囊】同位素標記法示蹤生理過程及發(fā)生場所的分析1.研究分泌蛋白的合成和運輸：(1)目的：用3H標記亮氨酸,探究分泌蛋白在細胞中的合成、運輸與分泌途徑。(2)方法：在一次性給予放射性標記的氨基酸的前提下,通過觀察細胞中放射性物質(zhì)在不同時間出現(xiàn)的位置,就可以明確地看出細胞器在分泌蛋白合成和運輸中的作用。(3)轉(zhuǎn)移途徑：通過實驗說明分泌蛋白在附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體上合成之后,是按照內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細胞膜的方向運輸?shù)?/p>

17、,從而證明了細胞內(nèi)的各種膜結(jié)構(gòu)在功能上是緊密聯(lián)系的。,2.探究DNA分子半保留復制的特點：(1)DNA分子復制n次后,計算子代DNA分子數(shù)、子代DNA分子的脫氧核苷酸鏈數(shù)所占比例。①原理：DNA分子復制過程的特點是半保留復制。②過程：將全部N原子被15N標記的DNA分子(0代)轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)(復制)n代后,子代DNA分子總數(shù)為2n個,脫氧核苷酸鏈總數(shù)為2n+1個。a.不同DNA分子占全部DNA分子之比不同：只含1

18、5N的DNA分子所占比例為0;含15N和14N的DNA分子所占比例為2/2n(或1/2n-1);只含14N的DNA分子所占比例為(2n-2)/2n=1-2/2n。,b.不同脫氧核苷酸鏈占全部脫氧核苷酸鏈之比也不同：含15N的脫氧核苷酸鏈所占比例為2/2n+1=1/2n;含14N的脫氧核苷酸鏈所占比例為(2n+1-2)/2n+1=1-1/2n。(2)研究DNA半保留復制的具體過程。①原理：通過放射性標記來“區(qū)別”親代與子代的D

19、NA。②判斷依據(jù)：放射性物質(zhì)15N的原子量和14N的原子量不同,因此由15N組成的DNA與由14N組成的DNA的相對分子質(zhì)量不同。,③結(jié)果。a.兩條鏈都含15N的DNA,離心時為重帶。b.一條鏈含15N、一條鏈含14N的DNA,離心時為中帶。c.兩條鏈都含14N的DNA,離心時為輕帶。④意義：根據(jù)重帶、中帶、輕帶DNA出現(xiàn)的比例可判斷DNA復制是全保留復制還是半保留復制。,【通關特訓】1.科學家用3H標記的氨基酸培養(yǎng)哺乳動

20、物的乳腺細胞,測量細胞合成并分泌乳腺蛋白過程中各種膜結(jié)構(gòu)的面積變化,結(jié)果如右圖。下列選項表示a、b、c所代表的膜結(jié)構(gòu)名稱以及放射性標記出現(xiàn)的先后順序,正確的是(　　)A.a核糖體→b內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→c高爾基體B.a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→b高爾基體→c細胞膜C.a高爾基體→c內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→b細胞膜D.a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→c高爾基體→b細胞膜,【解析】選D。乳腺細胞是分泌細胞,能進行蛋白質(zhì)的合成、加工和分泌過程,蛋白質(zhì)在核糖體上合成后,將依次經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、

21、細胞膜等具膜的細胞結(jié)構(gòu),所以內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜面積在此過程中會減小,細胞膜面積將增大,而高爾基體膜面積將基本不變,所以a是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、b是細胞膜、c是高爾基體。,2.(2013·濱州模擬)蠶豆體細胞染色體數(shù)目2n=12,科學家用3H標記蠶豆根尖細胞的DNA,可以在染色體水平上研究真核生物的DNA復制方式。實驗的基本過程如下：Ⅰ.將蠶豆幼苗培養(yǎng)在含有3H的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)一段時間后,探測細胞分裂中期染色體的放射性情況。Ⅱ

22、.當DNA分子雙鏈都被3H標記后,再將幼苗移到含有秋水仙素的無放射性的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)一段時間后,探測細胞分裂中期染色體的放射性情況。,請回答相關問題：(1)蠶豆根尖細胞進行的分裂方式是　　　　;秋水仙素能使部分細胞的染色體數(shù)目加倍,其作用的機理是_______________　　　　　　　　　　　。(2)Ⅰ中,在根尖細胞進行第一次分裂時,每條染色體上帶有放射性的染色單體有　　條,每個DNA分子中,有　　條鏈帶有放射性。Ⅱ中,若觀察

23、到一個細胞中有24條染色體,且二分之一的染色單體具有放射性,則表明該細胞的DNA在無放射性的培養(yǎng)基中復制了　　　次,該細胞含有　　　個染色體組。(3)上述實驗表明,DNA分子的復制方式是　 。,【解析】(1)蠶豆根尖細胞為體細胞,其分裂方式為有絲分裂。秋水仙素使細胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍的原理是體細胞在有絲分裂過程中,染色體完成了復制,紡錘體的形成受到抑制,以致染色體不能被拉向兩極,于是形成了染色體數(shù)目加倍的細胞。

24、(2)Ⅰ中,第一次有絲分裂中期時,每個DNA分子中都有一條鏈被3H標記,每條染色體上有2條染色單體被3H標記。Ⅱ中,第一次分裂中期時,每個DNA分子中都有一條鏈具有放射性,故所有染色單體都具有放射性;第二次分裂中期時,二分之一的染色單體具有放射性,此時,該細胞含有4個染色體組。(3)該實驗表明DNA分子的復制方式是半保留復制。,答案：(1)有絲分裂　抑制紡錘體的形成(2)2　1　2　4　(3)半保留復制,類型三 化合物的作用　通

25、關典例(2011·浙江高考)為了探究某物質(zhì)(X)的作用,研究者提出了以下實驗思路：(1)實驗分組。甲組：培養(yǎng)液+Y細胞+3H-TdR(3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷)+生理鹽水乙組：培養(yǎng)液+Y細胞+3H-TdR+X(用生理鹽水配制)每組設置若干個重復樣品。(2)分別測定兩組的CRD(細胞內(nèi)的放射性強度),求每組的平均值。,(3)將各樣品在適宜條件下培養(yǎng)合適時間后,測定其CRD,求每組平均值并進行統(tǒng)計分析。(提示與說明,

26、答題時用X、CRD、3H-TdR表示相關名詞;Y細胞是能增殖的高等動物體細胞),請回答：(1)實驗目的：　 。(2)預測實驗結(jié)果及結(jié)論：____________________________　 。(3)實驗中采用3H-TdR的原因是：_________________

27、_____　 。,【解題指南】(1)理論基礎：胸腺嘧啶脫氧核苷是合成DNA分子的原料。(2)分析細胞內(nèi)放射性強度不同的原因：若細胞內(nèi)放射性強度較大,說明有大量的3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷合成了DNA,通過甲、乙兩組放射性強度的比較,確定物質(zhì)X對DNA分子復制的作用是促進、抑制還是無影響。,【解析】本題考查實驗分析與探究能力。(1)(2)實驗

28、目的是探究物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)的影響。影響可能有三個方面：促進作用、抑制作用和無影響。通過比較甲、乙兩組放射性的強度來判定：如果乙組CRD明顯高于甲組,說明物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)有促進作用;如果乙組CRD與甲組基本相同,說明物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)無影響;如果乙組CRD明顯低于甲組,說明物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)有抑制作用。(3)由于3H-TdR是合成DNA的原料,所以兩組的CRD(細胞內(nèi)的放射性強

29、度)表示細胞增殖程度。,答案：(1)探究物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)的影響(2)如果乙組CRD明顯高于甲組,說明物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)有促進作用;如果乙組CRD與甲組基本相同,說明物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)無影響;如果乙組CRD明顯低于甲組,說明物質(zhì)X對Y細胞增殖(DNA合成)有抑制作用(3)3H-TdR是合成DNA的原料之一,可根據(jù)CRD變化來判斷細胞增殖(DNA合成)的情況,【通關錦囊】運用同位素標記法研究化

30、合物的作用1.用3H標記胸腺嘧啶脫氧核苷酸,研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律：(1)標記方法：在處于連續(xù)分裂的細胞的分裂期加入3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸。(2)目的：根據(jù)胸腺嘧啶被利用情況,確定DNA合成期的起始點和持續(xù)時間。(3)判斷依據(jù)：根據(jù)放射性元素3H在DNA中出現(xiàn)的時間確定合成期的起點;根據(jù)放射性元素積累量的最大值的終止時間和起始時間來確定DNA分子復制的持續(xù)時間。,2.35S、32P在證明DNA是遺傳物質(zhì)中的作用

31、：(1)標記方法：在研究蛋白質(zhì)和DNA在遺傳中的作用時,分別用放射性元素標記蛋白質(zhì)和DNA的特征元素,如用32P標記噬菌體的DNA,在大腸桿菌內(nèi)發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì),用35S標記噬菌體的蛋白質(zhì),在大腸桿菌內(nèi)未發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)。(2)結(jié)論：驗證噬菌體在侵染細菌的過程中,進入細菌體內(nèi)的是噬菌體的DNA,而不是噬菌體的蛋白質(zhì),進而證明了DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。,【通關特訓】(2013·嘉興模擬)在證明DNA是遺傳物質(zhì)的T2噬菌體侵染

32、大腸桿菌的實驗中,正確的技術手段是(　　)A.用化學方法把DNA和蛋白質(zhì)分開B.用32P和35S分別標記T2噬菌體和大腸桿菌C.用32P和35S同時標記T2噬菌體D.用標記過的大腸桿菌培養(yǎng)T2噬菌體,【解析】選D。T2噬菌體是專門寄生在細菌中的病毒,無獨立的代謝能力,只由蛋白質(zhì)外殼和中心的核酸組成,應利用其侵染性,分別在含放射性32P和35S的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌,然后用標記過的大腸桿菌再去培養(yǎng)T2噬菌體,從而將DNA和蛋白質(zhì)區(qū)