2022版高考生物一轮复习第6单元基因的本质和表达高频考点进阶课4同位素标记法在生物实验中的应用学案人教版

这是一份2022版高考生物一轮复习第6单元基因的本质和表达高频考点进阶课4同位素标记法在生物实验中的应用学案人教版，共9页。
同位素标记法在经典实验中的应用
(2020·浙江绍兴模拟)对下列生物学实验结果进行分析与讨论：
(1)某研究小组进行“探究DNA的复制过程”的活动，结果如图所示。其中培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl。a、b、c表示离心管编号，条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布位置。
本活动运用了__________和__________技术。c管的结果表明该管中的大肠杆菌的DNA是_______________________(填“15N/15N­DNA、14N/14N­DNA”或“14N/15N­DNA、14N/14N­DNA”或“14N/15N­DNA、15N/15N­DNA”)，实验结果说明DNA的复制方式是________________。
(2)在细胞分裂间期，线粒体的数目增多，其增多的方式有3种假设：Ⅰ.细胞利用磷脂、蛋白质等重新合成；Ⅱ.细胞利用其他生物膜装配形成；Ⅲ.线粒体分裂增殖形成。有人通过放射性标记实验，对上述假设进行了探究，方法如下：首先将一种链孢霉营养缺陷型突变株(自身不能合成胆碱)在加有3H标记的胆碱(磷脂的前体)培养基(培养生物的人工营养基质)中培养，然后转入另一种培养基中继续培养，定期取样，检测细胞中线粒体的放射性。结果如下：
①实验中采用链孢霉营养缺陷型突变株的目的是__________________________________________。
②实验中所用的“另一种培养基”在配制成分上的要求是_________________________________________________________。
③通过上述实验，初步判断3种假设中成立的是________(在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中选择)。
解析：(1)由题意“培养大肠杆菌的唯一氮源是14NH4Cl或15NH4Cl”和“条带表示大肠杆菌DNA离心后在离心管中的分布位置”可知，本活动运用了同位素标记技术和密度梯度离心技术。分析题图可知，a管中的DNA密度最大，表明该管中的大肠杆菌是在含15NH4Cl的培养液中培养的，其DNA都是15N/15N­DNA；b管中的DNA密度介于最大和最小之间，表明该管中的大肠杆菌的DNA都是14N/15N­DNA；c管中的DNA密度一半介于最大和最小之间，一半最小，表明该管中的大肠杆菌的DNA一半是14N/15N­DNA，一半是14N/14N­DNA。实验结果说明DNA的复制方式是半保留复制。(2)①与野生型相比，实验中所用链孢霉营养缺陷型突变株要加胆碱才能繁殖，说明链孢霉营养缺陷型突变株的代谢特点是自身不能合成胆碱，所以采用链孢霉营养缺陷型突变株的目的是排除细胞内自身合成的胆碱对实验的干扰。②实验中所用的“另一种培养基”与前一种培养基相比，能让链孢霉营养缺陷型突变株在其上培养，从结果来看检测的是标记后细胞增殖的代数与测得的相对放射性的关系，所以“另一种培养基”配制成分应与前一步骤的培养基相同，只是胆碱没有3H标记。③题表结果显示，随着细胞增殖代数的增加，测得的细胞中线粒体的相对放射性成倍减少，初步判断3种假设中成立的是“Ⅲ.线粒体分裂增殖形成”。
答案：(1)同位素标记技术 密度梯度(超速)离心 14N/15N­DNA、14N/14N­DNA 半保留复制 (2)①排除细胞内自身合成的胆碱对实验的干扰 ②成分与前一步骤的培养基相同，只是胆碱没有3H标记 ③Ⅲ
1．同位素标记法在高中生物学实验中的应用
同位素标记法是利用放射性同位素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，生物学上经常使用的同位素是组成细胞的主要元素，即H、N、C、S、P和O等的同位素。注意，1H、16O和14N没有放射性。
(1)探究光合作用中元素(原子)的转移：①美国科学家鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2，证明光合作用释放的氧气全部来自水。②卡尔文等用14C 标记的CO2供小球藻进行光合作用，追踪检测其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
(2)证明DNA是遗传物质：赫尔希和蔡斯分别用放射性同位素标记蛋白质和DNA的特征元素，即用32P标记噬菌体的DNA，用35S标记噬菌体的蛋白质，证明DNA是噬菌体的遗传物质。
(3)研究分泌蛋白的合成和运输：用3H标记亮氨酸，研究分泌蛋白在细胞中的合成、运输与分泌途径，证明分泌蛋白的合成及运输方向为核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。
(4)证明DNA分子进行半保留复制：用含有15N标记的NH4Cl培养液培养大肠杆菌，让大肠杆菌繁殖几代，再将大肠杆菌转移到含14N的普通培养液中培养，然后在不同时刻收集大肠杆菌并提取DNA，再通过密度梯度离心来区别亲代与子代DNA，从而证明DNA的复制是以半保留的方式进行的。
(5)研究生长素的极性运输：证明植物生长素的极性运输时，用同位素14C标记茎形态学上端的生长素(吲哚乙酸)，可在茎的形态学下端检测到放射性同位素14C，而标记茎形态学下端的生长素，在茎的形态学上端检测不到放射性同位素14C，说明植物生长素只能从形态学上端运输到形态学下端。
(6)基因工程：在目的基因的检测与鉴定中，采用了DNA分子杂交技术。将转基因生物的基因组DNA提取出来，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素作标记，以此为探针使之与基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，就表明目的基因已导入受体细胞中。另外，还可采用同样方法检测目的基因是否转录出了mRNA，不同的是从转基因生物中提取的是mRNA。
(7)基因诊断：基因诊断是用放射性同位素(如32P)、荧光分子等标记的DNA分子作探针，依据DNA分子杂交原理，鉴定被检测样本上的遗传信息，从而达到检测疾病的目的。
(8)示踪原子不仅用于科学研究，还用于疾病的诊断和治疗。例如，射线能破坏甲状腺细胞，使甲状腺肿大得到缓解。因此，碘的放射性同位素就可用于治疗甲状腺肿大。
2．与荧光标记法的区别
荧光标记法常用绿色荧光蛋白(GFP)为目标蛋白，通过转基因技术一起构建到载体上，可跟踪和判断生物细胞的分子变化。同位素标记法和荧光标记法的区别：同位素标记法通常采用放射性同位素标记物质中的分子、原子，荧光标记法通常是借助荧光分子来标记蛋白质。一个是元素标记，另一个是分子标记。
(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)教材中用到的荧光标记法
①“人鼠细胞融合实验”：这一实验很有力地证明了细胞膜的结构特点是具有一定的流动性。
②荧光标记可用于观察细胞分裂。
③荧光标记显示基因在染色体上的位置：通过现代分子生物学技术，运用荧光标记的手段，可以很直观地观察到某一基因在染色体上的位置。
1．(2020·江苏卷)同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。在生物科学史中，下列科学研究未采用同位素标记法的是( )
A．卡尔文(M.Calvin)等探明CO2中的碳在光合作用中的转化途径
B．赫尔希()等利用T2噬菌体侵染大肠杆菌证明DNA是遗传物质
C．梅塞尔森(M.Meselsn)等证明DNA进行半保留复制
D．温特()证明胚芽鞘产生促进生长的化学物质
D 解析：卡尔文等探明CO2中的碳在光合作用中的转化途径时，用14C标记了CO2中的碳，A不符合题意；赫尔希等利用T2噬菌体侵染大肠杆菌证明DNA是遗传物质的实验中，采用35S、32P分别标记T2噬菌体，B不符合题意；梅塞尔森等证明DNA进行半保留复制时，利用15N标记DNA，C不符合题意；温特证明胚芽鞘产生促进生长的化学物质时并没有采用同位素标记法，D符合题意。
2．有人以豌豆完整植株为材料研究植物侧芽的生长受生长素(IAA)及其他物质的共同影响，进行了以下实验：实验一：分组进行去除顶芽、去顶并在切口涂抹IAA处理后，定时测定侧芽长度，见图1；实验二：用14CO2饲喂叶片，测定去顶8 h时侧芽附近14C放射性强度和IAA含量，见图2。据图分析，下列说法错误的是( )
A．实验一中，去顶32 h时Ⅲ组侧芽长度明显小于Ⅱ组，原因可能是人工涂抹的IAA起到抑制作用
B．实验二中，a、b两组侧芽附近14C放射性强度差异明显，说明去顶后往侧芽分配的光合产物增加
C．去顶8 h时Ⅰ组和Ⅱ组侧芽附近的IAA浓度关系为Ⅰ组等于Ⅱ组
D．去顶8 h时Ⅱ组侧芽长度明显大于Ⅰ组可能原因是生长素浓度降低，抑制生长的效果被解除
D 解析：实验一中，去顶32 h时，Ⅲ组侧芽长度明显小于Ⅱ组，其原因是人工涂抹IAA后，导致侧芽部位生长素浓度过高，起到抑制作用，A正确；实验二中，14CO2进入叶绿体后，首先能检测到含14C的有机物是C3，该物质被还原成糖类需要光反应提供ATP和NADPH，a、b两组侧芽附近14C信号强度差异明显，说明去顶后往侧芽分配的光合产物增加，B正确；由实验二可知，去顶8 h时，Ⅰ组和Ⅱ组侧芽附近的IAA浓度应该是Ⅰ组等于Ⅱ组，C正确；去顶8 h时Ⅱ组侧芽长度明显大于Ⅰ组，据实验二可知，Ⅱ组去顶后IAA的含量并没有降低，去顶后往侧芽分配的光合产物增多，促进侧芽的生长，D错误。
3．(多选)在体外用14C标记半胱氨酸­tRNA复合物中的半胱氨酸(Cys)，得到*Cys­tRNACys，再用无机催化剂镍将其中的半胱氨酸还原成丙氨酸(Ala)，得到*Ala­tRNACys(见下图，tRNA不变)。如果该*Ala­tRNACys参与翻译过程，那么下列说法正确的是( )
A．在一个mRNA 分子上可以同时合成多条被14C标记的多肽链
B．反密码子与密码子的配对由tRNA上结合的氨基酸决定
C．新合成的肽链中，原来Cys的位置会被替换为14C 标记的Ala
D．新合成的肽链中，原来Ala的位置会被替换为14C 标记的Cys
AC 解析：多聚核糖体是指一条mRNA上同时结合多个核糖体，可同时合成多条被14C标记的多肽链，A正确；反密码子与密码子按碱基互补配对原则进行配对，与tRNA携带的氨基酸无关，B错误；由于该tRNA携带的氨基酸由Cys替换成Ala，则新合成的肽链中，原来Cys的位置会被替换成Ala，C正确；该tRNA本应运输Cys，则Ala的位置不会替换为Cys，D错误。
同位素标记法在DNA相关实验中的应用
根据遗传物质的化学组成，可将病毒分为RNA病毒和DNA病毒两种类型，有些病毒对人类健康会造成很大危害，通常一种新病毒出现后需要确定该病毒的类型。 假设在宿主细胞内不发生碱基之间的相互转换，请利用放射性同位素标记的方法，以体外培养的宿主细胞等为材料，设计实验以确定一种新病毒的类型，简要写出：(1)实验思路；(2)预期实验结果及结论即可。(要求：实验包含可相互印证的甲、乙两个组)
解析：(1)由于DNA和RNA有各自的特有碱基，DNA特有碱基为T，RNA特有碱基为U，在用放射性同位素标记碱基U的培养基中培养宿主细胞，使宿主细胞含有放射性。再用病毒去侵染含放射性的宿主细胞，看子代病毒是否含有放射性，为甲组；在用放射性同位素标记碱基T的培养基中培养宿主细胞，使宿主细胞含有放射性。再用病毒去侵染含放射性的宿主细胞，看子代病毒是否含有放射性，为乙组。(2)若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA病毒；反之为DNA病毒。
答案：(1)实验思路：甲组：将宿主细胞培养在含有放射性标记尿嘧啶的培养基中，之后接种新病毒，培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。乙组：将宿主细胞培养在含有放射性标记胸腺嘧啶的培养基中，之后接种新病毒，培养一段时间后收集病毒并检测其放射性。(2)结果及结论：若甲组收集的病毒有放射性，乙组无，即为RNA病毒；若乙组收集的病毒有放射性，甲组无，即为DNA病毒。
细胞分裂与DNA复制
(1)有丝分裂与DNA复制的关系
如果用15N标记细胞中的核DNA分子，然后将细胞放在正常环境(含14N)中培养，让其进行两次有丝分裂，结果染色体中的DNA标记情况如图所示：
这样来看，最后形成的4个子细胞有3种情况：第1种情况是4个细胞都是；第2种情况是2个细胞是，1个细胞是，1个细胞是；第3种情况是2个细胞是，2个细胞是。
(2)减数分裂与DNA复制的关系
如果用15N标记细胞中的核DNA分子，然后将细胞放在正常环境(含14N)中培养，让其进行减数分裂，结果染色体中的DNA标记情况如图所示：
由图可以看出，减数分裂过程中细胞虽然连续分裂2次，但DNA只复制1次，所以4个子细胞均为，细胞中所有DNA分子均呈杂合状态。
(3)解题步骤
1．水稻体细胞中含24条染色体，现有一水稻根尖分生区细胞，此细胞中的DNA双链均被15N标记。将其放入含14N的培养基中进行培养，下列有关叙述错误是( )
A．细胞有丝分裂一次，被15N标记的子细胞占所有子细胞的比例为100%
B．细胞有丝分裂两次，被15N标记的子细胞占所有子细胞的比例为50%或100%
C．细胞有丝分裂n次(n＞6)，被15N标记的子细胞最多有48个
D．细胞有丝分裂n次(n＞6)，被15N标记的子细胞最少有2个
B 解析：以一条染色体分析标记物情况如下图：
由以上分析可知，细胞有丝分裂一次，全部子细胞均会被15N标记；细胞有丝分裂两次，因着丝粒分裂时，含15N的子染色体是随机拉向细胞的一极，有可能出现15N全被拉向同一极，或拉向两极，因而，被15N标记的子细胞占所有子细胞比例可能为50%或75%或100%；同理，细胞有丝分裂n次(n＞6)，被15N标记的子细胞最多有48个，若每次分裂时15N均全被拉向细胞一极，则可能出现只有2个细胞被15N标记，综上所述，选B项。
2．取1个含有1对同源染色体的精原细胞，用15N标记细胞核中的DNA，然后放在含14N的培养基中培养，让其连续进行两次有丝分裂，形成4个细胞，这4个细胞中含15N的细胞个数可能是( )
A．2 B．3 C．4 D．前三项都可能
D 解析：绘制图示如下：
这样来看，最后形成的4个子细胞有3种情况：第1种情况是4个细胞都是；第2种情况是2个细胞是，1个细胞是，1个细胞是；第3种情况是2个细胞是，2个细胞是。
3．同位素标记法在遗传学的研究中发挥了重要作用。请根据所学知识回答下列问题：
(1)现提供3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸、尿嘧啶核糖核苷酸以及亮氨酸，若要研究抗体的合成与转运，应选择____________；若要验证抗体合成所需的直接模板，应选择____________________。
(2)为探究T2噬菌体的遗传物质，用放射性同位素标记的T2噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌，经短时间保温培养、搅拌离心，检测到上清液中的放射性很低。此组实验标记的元素是________，离心的目的是_____________。
(3)科学家将15N标记的DNA分子(15N15N­DNA)放到含14N的培养液中培养，让其复制3次。将亲代DNA和每次复制产物置于试管进行离心，结果如图。其中代表复制2次后的分层结果是________(填字母)，理由是_______________________________________。
解析：(1)抗体的化学本质是蛋白质，其基本组成单位是氨基酸，因此若要研究抗体的合成与转运，应选择3H标记的亮氨酸；抗体是蛋白质，其合成的直接模板是mRNA，若要验证抗体合成所需的直接模板，应选择3H标记的尿嘧啶核糖核苷酸。(2)噬菌体侵染细菌的实验分两组，一组噬菌体用35S对其蛋白质外壳进行标记，另一组用32P对噬菌体的核酸进行标记。噬菌体在侵染细菌时，只是把遗传物质DNA注入细菌，因此如果标记的是蛋白质，则上清液放射性高，沉淀物放射性很低；如果标记的是DNA，则上清液放射性很低，沉淀物放射性高。综上所述，此组实验中标记的是DNA，即DNA中的P元素。此实验过程中，离心的目的是让上清液中析出质量较轻的T2噬菌体颗粒，沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌。(3)由于DNA分子的复制方式是半保留复制，一个用15N标记的DNA在含14N的培养液中培养，复制1次后，每个DNA分子的一条链含15N，一条链含14N，离心后对应图中的b，复制2次后，产生4个DNA分子，其中含15N和14N的DNA分子为2个，只含14N的DNA分子为2个，离心后对应图中的c。
答案：(1)3H标记的亮氨酸 3H标记的尿嘧啶核糖核苷酸 (2)P 让上清液中析出质量较轻的T2噬菌体颗粒，沉淀物中留下被侵染的大肠杆菌 (3)c DNA复制方式为半保留复制，15N15N­DNA分子复制2次后，子代中1/2为15N14N­DNA，1/2为14N14N­DNA，离心结果与c相符
标记后细胞增殖的代数
1
2
3
4
测得的相对放射性
2.0
1.0
0.5
0.25
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