高中生物中的“同位素标记法

“同位素标记法”的总结

利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以检测和追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。同位素标记在工业、农业生产、日常生活和科学科研等方面都有着极其广泛的应用。在生物学领域可用来测定生物化石的年代，也可利用其射线进行诱变育种、防治病虫害和临床治癌，还可利用其射线作为示踪原子来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理。高中生物教材中的实验（或内容）和相关习题中许多知识都涉及同位素标记法的应用。下面我就相关内容通过有关例题进行归纳阐述，以便大家对这项技术有一个深刻的体会，并学会同位素标记的应用。

一、氢（3H）

例1：科学家用含3H标记的亮氨酸的培养液培养豚鼠的胰腺腺泡细胞，下表为在腺泡细胞几种结构中最早检测到放射性的时间表。下列叙述中正确的是（）

A．形成分泌蛋白的多肽最早在内质网内合成

B．高尔基体膜向内与内质网膜相连，向外与细胞膜相连

C．高尔基体具有转运分泌蛋白的作用

D．靠近细胞膜的囊泡可由高尔基体形成

解析：分泌蛋白的多肽最早在核糖体上合成，高尔基体并不直接和内质网与细胞膜相连，而是通过囊泡间接连接。

答案：CD。

知识盘点：

1.科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，曾经做过这样一个实验：他们在豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3min后，被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中，17min后，出现在高尔基体中，117min后，出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的小泡中，以及释放到细胞外的分泌物中。这个实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。

2．研究肝脏细胞中胆固醇的来源时，用3H—胆固醇作静脉注射的示踪实验，结果放射性大部分进入肝脏，再出现在粪便中。

3．用3H标记的尿苷或胸腺嘧啶可用来检测转录或复制。

二、碳（14C）

例2：给在温室中生长的玉米植株提供14CO2，光合作用开始很短内，在叶肉细胞中有绝大多数的14C出现在含有4个碳的有机酸（C4）中。一段时间后，叶肉细胞内C4中的14C逐渐减少，而在维管束鞘细胞中C3内的14C逐渐增多。下列对玉米固定CO2过程的叙述正确的是（）

A．通过C4和C3途径，依次在维管束鞘细胞和叶肉细胞的叶绿体中完成

B．通过C4和C3途径，依次在叶肉细胞和维管束鞘细胞的叶绿体中完成

C．通过C4途径，在维管束鞘细胞的叶绿体中完成

D．通过C4途径，在叶肉细胞的叶绿体中完成

解析：通过题干描述可知在玉米中发生了如下过程：在叶肉细胞的叶绿体中CO2+C3→C4，C4化合物由叶肉细胞的叶绿体进入维管束鞘细胞释放出CO2，CO2+C5→2C3化合物。答案：b。

知识盘点：

1．用放射性14C取代化合物中同位素12C，形成以14C作为放射性标记的化合物。科学家用含有14C的CO2来追踪光合作用和呼吸作用过程中的碳原子的转移途径。

2．用同位素14C标记的吲哚乙酸，可研究生长素的极性运输。用标记了14C的脂肪饲喂动物，可研究动物代谢的物质转化。

三、氧（18O）

例3：如果将一株绿色植物栽培在密闭的含H218O的完全培养液中，给予充足的光照，经过较长时间后，18O可能存在于下列哪一组物质中（）

①周围空气的氧气中；②暗反应过程中产生的ADP中；③周围空气水分子中；④植物体内合成的葡萄糖中。

a．只有①是正确的 b．只有①③是正确的

C．除④之外都正确 d．全部正确

解析：植物所吸收的水分绝大部分通过蒸腾作用散失到周围的空气中，另有一小部分参与光合作用。在光反应中，h218O 被光解产生氧气，在暗反应中，atp被水解。若参与水解的水分子为H218O，则ADP中会有18O。有氧呼吸第二步，丙酮酸可能和h218O反应，生成C18O2和[h]， C18O2再参与光合作用生成葡萄糖。答案：D。

知识盘点：

1．人教社课标教材是这样叙述鲁宾和卡门的实验的：“随着技术的进步，人们对同位素有了更多的了解，这为解决氧气来自水还是二氧化碳提供了研究手段。1939年，美国科学家鲁宾和卡门利用同位素标记法进行了探究。他们用氧的同位素18O分别标记h2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2。然后进行两组实验：第一组向植物提供h2O和C18O2；第二组向同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，他们分析了两组实验释放的氧气。结果表明，第一组释放的氧气全部是O2；第二组释放的氧气全部是18O2。这一实验有力地证明光合作用释放的氧气来自水。”

2．用18O标记O2，在黑暗中进行呼吸作用，发现在呼吸作用的产物水中出现18O，证明O2在有氧呼吸过程中是与氢结合形成水。

四、磷（32p）

例4：把豌豆幼苗放在含32p的培养液中培养，一段时间后测定表明，幼苗各部分都含32p。然后将该幼苗转移到31p 的培养液中，数天后32p分布是（）

A．不在新的茎叶中 B．主要在新的茎叶中

C．主要在老的茎叶中 D．主要在老的根中

解析：磷可在植物体内形成不稳定的化合物，当外界环境中缺少磷时，植物体缺少磷，老叶中含磷的化合物分解，然后运到幼叶中供新叶合成物质。答案：C。

知识盘点：

1．可用于研究矿质元素在植物体内的运输。

2．标记噬菌体的DNA分子，与细菌混合培养，离心，检测上清液和沉淀物中放射性元素的含量，证明DNA分子是生物的遗传物质。

3．标记脱氧核苷酸研究证实了DNA分子中碱基排列规律。

4．用于基因诊断。

五、N（15N）

例用15N标记的一个DNA分子放在含有14N的培养基中让其复制三次，则含有14N的DNA分子占全部DNA分子的比例和含15N的DNA分子占全部DNA单链的比例依次为 ( )

A．1/9，1/4 B．1，1/8 C．1/4，1/6 D．1/8，1/8

解析：根据DNA分子的复制为半保留复制的特点，在复制过程中DNA的两条链均作母链(模板)而形成子链，形成两个DNA分子，子代DNA的两条链中，一条来自母链，一条是新合成的子链。复制三次，共形成8个DNA分子。在8个DNA 分子的16条单链中，只有两个DNA分子两条链含有原来标记的15N。但是在新和成的DNA分子中每条连都含有14N。答案：B。

知识盘点：

1.植物对氮元素的利用和分配。

2.蛋白质在生物体内的代谢过程。

与细胞结构有关的实验

生物膜成分质壁分离与复原

分离细胞器细胞膜的选择

透过性细胞膜的流动性细胞膜的制备方法

实验用蒸馏水使哺乳动物红细胞吸水涨破

用不同颜色荧光物质标记不同细胞膜上的蛋白质分子，诱导融合标记的细胞，追踪观察不同荧光物质标记的蛋白质在融合细胞膜上的分布情况

用不同无机盐离子的溶液培养不同植物，测定比较同一植物吸收不同离子及不同植物吸收同一离子的情况

分别用溶脂剂和蛋白酶处理

差速离心法

利用不同离心速度产生不同离心力，将不同细胞器分离开来滴加溶液与显微镜观察

结论

标记物转移情况

标记化合物

标记元素

知识点

同位素标记法应用实例归纳

光合作用过程中原子的转移18O

H 218O

H 218O →

18O

2

光合作用放出的O 2完全来自H 2O 中的O 呼吸过程中原子的转移18O

18O 2

18O

2→H 218

O

有氧呼吸消耗的O 2完全与(H)结合生成H 2O

生长素的极性运输14C 生长素标记物放在形态学上端，在形态学下端可以检测到标记物，反之不行DNA 是主要遗传物质的证据32P 、35S

核酸、蛋白质子代噬菌体检测放射性32P 、子代噬菌体未检测放射性35S 生物膜在功能上的联系3H

亮氨酸

核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜

植物的光合作用C 的途径

14C

14CO

2

CO 2→2C 3→(CH 2O)

生长素只能从植物体形态学上端运输到下端，无法从下端运输到上端。亲子代之间连续性的物质是DNA ，DNA 是遗传物质。

各种生物膜在功能上密切分工，紧密联系，形成一个整体。

植物光合作用途径中，CO 2与C 5结合，生成2C 3，最终被还原为(CH 2O)。