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6 同位素标记法及其应用
高考生物素养加强课
1．同位素标记法在高中生物学中的应用总结
实验目的 标记物 标记物转移情况 实验结论
研究分泌蛋白的合成和分泌过程 用3H标记的亮氨酸 核糖体→内质网→高尔基体→细胞质膜 各种细胞器既有明确的分工，相互之间又协调配合
提升点1　同位素标记法在高中生物学实验中的应用归纳
实验目的 标记物 标记物转移情况 实验结论
探究生物的遗传物质 亲代噬菌体中的32P(DNA)、35S (蛋白质) 子代噬菌体检测到放射性32P，未检测到35S DNA是遗传物质
探究DNA 复制、转 录的原料 3H或15N标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸、尿嘧啶核糖核苷酸 标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸主要集中在细胞核，尿嘧啶核糖核苷酸主要集中在细胞质 标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸用于合成DNA，尿嘧啶核糖核苷酸用于合成RNA
实验目的 标记物 标记物转移情况 实验结论
生长素的极性运输 含14C的生长素 标记物在形态学上端，在形态学下端可检测到标记物，反之不行 生长素只能从植物体的形态学上端运输到形态学下端
2．与荧光标记法的区别
(1)常用的荧光蛋白有绿色和红色两种
①绿色荧光蛋白(GFP)常用的是来源于发光水母的一种功能独特的蛋白质，蓝光或近紫外光照射，发出绿色荧光。
②红色荧光蛋白来源于珊瑚虫，是一种与绿色荧光蛋白同源的荧光蛋白，在紫外光的照射下可发出红色荧光。
(2)苏教版教材中用到的荧光标记法
《必修1》　P42“人、鼠细胞的融合实验”。这一实验很有力地证明了细胞质膜的结构特点是具有一定的流动性。
1．(2022·湖南岳阳一模)科学家利用“同位素标记法”弄清了许多化学反应的详细过程。下列说法正确的是(　　)
A．用15N标记核苷酸弄清了分裂期染色体形态和数目的变化规律
B．用35S标记噬菌体的DNA并以此侵染细菌证明了DNA是遗传物质
C．用14C标记CO2供给小球藻进行光合作用可用于证明碳的转化途径
D．用18O分别标记H2O和CO2后同时供给同一植物，可证明光合作用释放的O2来自水
C　[假设15N标记的是脱氧核苷酸，被标记的染色体只能对数目的变化规律进行研究，而没有办法对染色体形态的变化规律进行研究，A错误；用32P、35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质并以此侵染细菌证明了DNA是遗传物质，B错误；用14C标记CO2最终探明了CO2中碳元素在光合作用中的转移途径CO2→C3→(CH2O)，C正确；用18O分别标记H2O和CO2进行两组实验，一组提供H O和CO2，另一组提供H2O和C18O2供给同种植物，而非同时，D错误。故选C。]
2．(2022·江苏苏州二模)同位素标记法是生物学研究的常用技术。下列关于同位素的应用实例，说法正确的是(　　)
A．用14C标记CO2探明了CO2中C在光合作用过程中的转移途径
B．小白鼠吸入18O2后呼出的CO2不含有18O，尿液中含有H O
C．用32P标记噬菌体的DNA并以此侵染细菌意在证明蛋白质不是遗传物质
D．探究DNA复制方式时，15N/15N—DNA位于离心管的底部，放射性强于15N/14N—DNA
(教师用书独具)
1．同位素标记技术可用于示踪物质的运行和变化规律，下列是科学家利用同位素标记技术进行科学研究的叙述，错误的是(　　)
A．向豚鼠的胰腺腺泡细胞注射3H标记的亮氨酸，随后检测放射性标记的物质先后出现在哪些结构，研究分泌蛋白合成和运输的过程
B．鲁宾和卡门用同位素标记H O、CO2和H2O、C18O2分别提供给植物进行光合作用，然后检测释放的O2中是否有放射性，研究光合作用中O2的来源
C．赫尔希和蔡斯利用35S标记的噬菌体和32P标记的噬菌体分别侵染细菌，在新形成的子代噬菌体中检测有无放射性，证明了DNA是噬菌体的遗传物质
D．米西尔森和斯塔尔利用15N标记的大肠杆菌转移到含有14NH4Cl的培养基中培养，不同时刻收集大肠杆菌，利用离心技术在试管中区分含有不同氮元素的DNA，证明DNA半保留复制
B　[氨基酸是蛋白质的基本组成单位，其元素组成有C、H、O、N等，故科学家可向豚鼠胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，通过检测放射性标记的物质在细胞中出现的部位来探究分泌蛋白合成和运输的过程，A正确；结合分析可知，18O不属于放射性元素，B错误；噬菌体是由蛋白质外壳(元素组成有C、H、O、N、S)和DNA(元素组成为C、H、O、N、P)组成的，故用32P和35S分别标记噬菌体的DNA和蛋白质外壳，侵染大肠杆菌，通过检测放射性物质出现的位置及子代噬菌体是否有放射性，确定了DNA是噬菌体的遗传物质，C正确；米西尔森和斯塔尔将15N标记的大肠杆菌转移到14N的普通培养液中培养，收集大肠杆菌并提取DNA，对其进行密度梯度离心，根据子代DNA在试管中的位置确定DNA的复制方式为半保留复制，D正确。故选B。]
2．(2022·江苏苏州模拟预测)下列实验设计中，设计思路和研究过程最相近的一组是(　　)
①卡尔文追踪检测14CO2在小球藻光合作用中转化成有机物的途径，发现卡尔文循环
②沃森和克里克根据DNA衍射图谱、通过计算和模型建构，发现了DNA双螺旋结构
③林德曼对赛达伯格湖的能量流动进行定量分析，发现能量传递效率约为10～20%
④鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，发现只有供给H O的小球藻释放18O2，证实光合作用产生的O2来自H2O
⑤赫尔希和蔡斯用32P和35S分别标记的T2噬菌体，分别侵染大肠杆菌，搅拌离心后检测放射性的分布，发现DNA是遗传物质
⑥斯他林和贝利斯将狗的小肠黏膜与稀盐酸混合磨碎，制成提取液，注入狗的静脉中，发现了胰液分泌的激素调节
A．①和⑤　 B．②和③
C．④和⑤ D．④和⑥
C　[①卡尔文追踪检测14CO2在小球藻光合作用中转化成有机物的途径，发现卡尔文循环，利用了同位素标记法；②沃森和克里克根据DNA衍射图谱、通过计算和模型建构，发现了DNA双螺旋结构，利用了构建物理模型的方法；③林德曼对赛达伯格湖的能量流动进行定量分析，发现能量传递效率约为10～20%，首先进行定量分析，然后构建了数学模型；④鲁宾和卡门利用18O分别标记H2O和CO2，发现只有供给H O的小球藻释放18O2，证实光合作用中O2来自H2O，利用了同位素标记法；⑤赫尔希和蔡斯用32P和35S分别标记的T2噬菌体，分别侵染大肠杆菌，搅拌离心后检测放射性的分布，发
现DNA是遗传物质，利用了同位素标记法；⑥斯他林和贝利斯将狗的小肠黏膜与稀盐酸混合磨碎，制成提取液，注入狗的静脉中，发现了胰液分泌的激素调节，利用了动物激素研究的注射法。虽然①④⑤都用了同位素标记法，但不同的是④和⑤都有对比的对象，④用18O分别标记H2O和CO2，可得H O和CO2、H2O和C18O2，这两组不同的标记物可以用来对比得知光合作用中O2是来自H2O而不是CO2。⑤用32P和35S分别标记的T2噬菌体的DNA和蛋白质，而大肠杆菌本身有31P和32S，所以同样可以进行对比，验证DNA是遗传物质。故选C。]
1．DNA分子半保留复制图像及解读
提升点2　DNA半保留复制与细胞分裂综合中的同位素标记法
2．有丝分裂中核DNA和染色体的标记情况分析
有丝分裂时DNA复制一次细胞分裂一次，如图为连续分裂两次的过程图(以一条染色体为例)。
由图可以看出，第一次有丝分裂形成的两个子细胞中所有核DNA分子均由一条亲代DNA链和一条子链组成；第二次有丝分裂后最终形成的子细胞中含亲代DNA链的染色体条数是0～2n(以体细胞染色体数为2n为例)。
3．减数分裂时核DNA和染色体的标记情况分析
在减数分裂时，DNA复制一次，细胞连续分裂两次。如图是一次减数分裂的结果(以一对同源染色体为例)。
由图可以看出，减数分裂时细胞虽然连续分裂两次，但DNA只复制一次，所以四个子细胞中所有核DNA分子均由一条亲代DNA链和一条利用原料合成的子链组成。
4．解题步骤
第一步 画出含一条染色体的细胞图，下方画出该条染色体上的1个DNA分子，用竖实线表示含同位素标记
第二步 画出复制一次，分裂一次的子细胞染色体图，下方画出染色体上的DNA链，未被标记的新链用竖虚线表示
第三步 再画出第二次复制(分裂)后的细胞的染色体组成和DNA链的情况
第四步 若继续推测后期情况，可想象着丝粒分裂，染色单体分开的局面，并进而推测子细胞染色体的情况
1．(2022·广东韶关二模)在含有BrdU的培养液中进行DNA复制时，BrdU会取代胸苷掺入新合成的链中，形成BrdU标记链。若将一个玉米体细胞(含20条染色体)置于含BrdU的培养液中进行连续两次相同分裂方式产生4个子细胞(不考虑突变和交换)。下列说法正确的是
(　　)
A．在第一次细胞分裂中期，1个细胞中被标记的染色单体条数是20
B．在第二次细胞分裂中期，核DNA中被标记的DNA链所占的比例是50%
C．在第二次分裂完成后，形成的4个子细胞核中可能有2、3或4个细胞含亲代DNA链
D．在第二次分裂完成后，形成的4个子细胞中未被标记的染色体的条数从0到20条都有可能
C　[在第一次细胞分裂中期，由于DNA半保留复制，所有的染色单体都被标记，即1个细胞中被标记的染色单体条数是40，A错误；在第二次细胞分裂中期，核DNA有40个，共80条链，不含BrdU的链为20条，则其中被标记的DNA链所占的比例是3/4，B错误；亲代的DNA链不含BrdU，在第二次分裂完成后，染色体随机移向细胞两极，由于第一次分裂得到的两个细胞都含有亲代的DNA链，因此形成的4个子细胞核中可能有2、3或4个细胞含亲代DNA链，C正确；在第二次分裂完成后，由于DNA进行半保留复制，形成的4个子细胞中都含有被标记的染色体，即形成的4个子细胞中未被标记的染色体的条数是0，D错误。故选C。]
2．(多选)(2022·江苏新沂阶段练习)将某精原细胞(2n＝8)的核DNA分子用15N标记后置于含14N的培养基中培养，经过三次连续的细胞分裂(不考虑交换与染色体变异)。下列相关叙述正确的是(　　)
A．若三次细胞分裂都为有丝分裂，则产生的所有子细胞中含15N染色体的细胞最多为8个
B．若进行一次有丝分裂后进行减数分裂，则后期Ⅱ每个细胞中含15N的染色体有8条
C．若三次细胞分裂都为有丝分裂，则第二次分裂后期每个细胞中含有15N的染色体为8条
D．若进行一次有丝分裂后进行减数分裂，则产生的所有精细胞中含有15N的染色体共有16条
ACD　[经过三次有丝分裂得到8个子细胞，第二次有丝分裂时不是将含15N的DNA全部移向细胞的一侧，而是随机分配，则第二次有丝分裂得到的4个子细胞可能全有15N标记，同理第三次有丝分裂最多得到8个含15N标记的子细胞，A正确；如果进行有丝分裂，经过一次细胞分裂后，形成的2个子细胞中的DNA分子都是15N/14N，再复制一次形成2个DNA分子分别是15N/14N、14N/14N，后期Ⅰ同源染色体分离导致染色体数目减半，则后期Ⅱ每个细胞中含15N的染色体有4条，B错误；如果进行有丝分裂，经过一次细胞分裂后，形成的
2个子细胞中的DNA分子都是15N/14N，再复制一次形成2个DNA分子分别是15N/14N、14N/14N，第二次分裂后期每个细胞中含有15N/14N的染色体为8条，含有14N/14N的染色体为8条，C正确；依据DNA分子的半保留复制，若一个标记的精原细胞先进行一次有丝分裂，则形成的2个子细胞中，每个DNA分子都有1条链含有15N，每个子细胞再进行减数分裂产生的所有精细胞中含有15N的染色体共有8条，共有两个子细胞进行减数分裂，则产生的所有精细胞中含有15N的染色体共有16条，D正确。故选ACD。]

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