2021高考生物人教版一轮教师用书第六单元素养提升课7　同位素标记法及其应用

素养提升课7　同位素标记法及其应用

突破点一　同位素标记法在高中生物实验中的应用归纳

(2016·全国Ⅰ卷)在有关DNA分子的研究中,常用32P来标记DNA分子。用α、β和γ表示ATP或dATP(d表示脱氧)上三个磷酸基团所处的位置(A—Pα～Pβ～Pγ或dA—Pα～Pβ～Pγ)。回答下列问题:

(1)某种酶可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上,同时产生ADP。若要用该酶把32P标记到DNA末端上,那么带有32P的磷酸基团应在ATP的　　　　(填“α”“β”或“γ”)位上。 

(2)若用带有32P的dATP作为DNA生物合成的原料,将 32P 标记到新合成的DNA分子上,则带有32P的磷酸基团应在dATP的　　　　(填“α”“β”或“γ”)位上。 

(3)将一个某种噬菌体DNA分子的两条链用32P进行标记,并使其感染大肠杆菌,在不含有32P的培养基中培养一段时间。若得到的所有噬菌体双链DNA分子都装配成噬菌体(n个)并释放,则其中含有32P的噬菌体所占比例为2/n,原因是  　                。 

[审题指导]

(1)弄清ATP中带有32P的磷酸基团的三个位置A—Pα～Pβ～Pγ。

(2)弄清两个实验的目的,一个是让某种酶催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上,另一个是用带有32P的dATP作为DNA合成的原料。

(3)根据DNA分子半保留复制的特点解释含有32P的噬菌体所占比例为2/n的原因。

解析:(1)ATP水解形成ADP时远离腺苷的高能磷酸键断裂,因此,ATP转移到DNA末端上的磷酸基团位于ATP的γ位上。

(2)dATP断裂两个高能磷酸键后形成的dA—Pα为组成DNA分子的成分之一,因此,若将32P标记到新合成的DNA分子上,则带有32P的磷酸基团应在dATP的α位上。

(3)DNA分子复制具有半保留复制的特点,故n个子代DNA分子中只有2个DNA分子带有标记。

答案:(1)γ　(2)α　(3)一个含有32P标记的噬菌体双链DNA分子经半保留复制后,标记的两条单链只能分配到两个噬菌体的双链DNA分子中,因此在得到的n个噬菌体中只有2个带有标记

1.同位素标记法在高中生物学实验中的应用

(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14CO2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,证明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后,按照内质网→高尔基体→细胞膜的方向运输,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 15NH4Cl 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标记的14NH4Cl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。

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,发射绿色荧光。

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射红色荧光。

(2)人教版教材中用到荧光标记法

①《必修1》P67“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《必修2》P30“基因在染色体上的实验证据”: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.(2016·全国Ⅲ卷)在前人进行的下列研究中,采用的核心技术相同(或相似)的一组是(　B　)

①证明光合作用所释放的氧气来自水

②用紫外线等处理青霉菌选育高产青霉素菌株

③用T2噬菌体侵染大肠杆菌证明DNA是遗传物质

④用甲基绿和吡罗红对细胞染色,观察核酸的分布

A.①② B.①③

C.②④ D.③④

解析:证明光合作用所释放的氧气来自水:同位素标记法;用紫外线等处理青霉菌选育高产青霉素菌株:物理射线照射法;用T2噬菌体侵染大肠杆菌,证明DNA是遗传物质:同位素标记法;观察核酸的分布:甲基绿和吡罗红对细胞染色法。

2.(2019·山东潍坊期中)物理学和化学方法可用于生物学的研究。下列有关叙述错误的是(　A　)

A.沃森和克里克利用X射线衍射法研究并推算出了DNA的双螺旋结构

B.科学家通过荧光标记的人、鼠细胞融合实验证明了细胞膜具有流动性

C.赫尔希和蔡斯利用放射性同位素标记和离心技术证明DNA是遗传物质

D.科学家运用同位素示踪和离心技术证实了DNA的半保留复制

解析:在遗传物质的研究历史上,沃森和克里克以威尔金斯和其同事富兰克林提供的DNA衍射图谱的有关数据为基础,推算出DNA分子呈螺旋结构。

3.(2019·四川成都测试)同位素标记法是生物科学研究中常用的方法。下列叙述错误的是(　C　)

A.用14C标记的14CO2供给小球藻进行光合作用可证明碳的转化途径

B.将3H标记的亮氨酸注射到胰腺腺泡细胞中可证明生物膜间有联系

C.用14C或18O标记的噬菌体分别侵染细菌可证明DNA是遗传物质

D.将15N标记的细菌转移到14N的培养液中可证明DNA的复制方式

解析:用32P或35S标记的噬菌体分别侵染细菌可证明DNA是遗传物质。

4.通常DNA分子复制从一个复制起始点开始,有单向复制和双向复制,如图所示。

放射性越高的3H—胸腺嘧啶脱氧核糖核苷(3H—脱氧胸苷),在放射性自显影技术的图像上,感光还原的银颗粒密度越高。请利用放射性自显影技术、低放射性3H—脱氧胸苷和高放射性3H—脱氧胸苷,设计实验以确定大肠杆菌DNA复制的方向,简要写出:

(1)实验思路。

(2)预测实验结果和得出结论。

解析:先后分别用不同放射性的脱氧核苷培养液培养大肠杆菌,通过比较低放射性和高放射性的位置,确定DNA复制的方向。

答案:(1)实验思路:复制开始时,首先用含低放射性 3H—脱氧胸苷培养基培养大肠杆菌,一段时间后转移到含有高放射性3H—脱氧胸苷的培养基中继续培养,用放射性自显影技术观察复制起点和复制起点两侧感光还原的银颗粒密度情况。(其他答案合理即可)

(2)预期实验结果和结论:若复制起点处感光还原的银颗粒密度低,一侧感光还原的银颗粒密度高,则DNA分子复制为单向复制;若复制起点处感光还原的银颗粒密度低,复制起点的两侧感光还原的银颗粒密度高,则DNA分子复制为双向复制。(其他答案合理即可)

突破点二　DNA半保留复制与细胞分裂综合中的同位素标记法

不含放射性标记的蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中完成一个细胞周期,然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期,其染色体的放射性标记分布情况是(　　)

A.每条染色体中都只有一条单体被标记

B.每条染色体的两条单体都被标记

C.只有半数的染色体中一条单体被标记

D.每条染色体的两条单体都不被标记

[审题指导]

(1)确定亲代DNA分子标记情况。根据题干信息和DNA半保留复制的特点,可确定亲代DNA分子(未被标记)→放入含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中完成一个细胞周期,所得子代DNA分子均有一条链被标记。

(2)确定原料的标记情况:放入不含放射性标记的培养基培养至中期,所得子代DNA分子一半未被标记,一半只有一条链被标记。

解析:不含放射性标记的根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养基上完成一个细胞周期后,子细胞中的核DNA分子都是一条链被3H标记,另一条链未被标记;然后子细胞在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期,每个核DNA分子复制形成的两个DNA分子(其中一个被标记,另一个未被标记)分别位于一条染色体的两条姐妹染色单体上,故A正确。

答案:A

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,另外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,所以四个子细胞均为,细胞中所有DNA分子均呈杂合状态。

1.(2019·河北衡水金卷)用3H标记蚕豆根尖分生区细胞的DNA分子双链,再将这些细胞转入含秋水仙素但不含3H的普通培养基中培养。若秋水仙素对细胞连续发挥作用,则相关叙述错误的是(　D　)

A.秋水仙素可抑制纺锤体的形成,但不影响着丝点的正常分裂

B.通过对细胞中不含染色单体时的染色体计数,可推测DNA分子复制的次数

C.通过检测DNA分子链上3H标记出现的情况,可推测DNA分子的复制方式

D.细胞中DNA分子第二次复制完成时,每条染色单体均带有3H标记

解析:秋水仙素可抑制纺锤体形成,使着丝点分裂后染色体不能移向细胞两极,从而使细胞中染色体数目加倍;1个DNA分子复制n次后的DNA分子数目为2n个,细胞中不含染色单体时的染色体数目等于DNA分子数目,所以通过对细胞中不含染色单体时的染色体计数,可推测DNA分子复制的次数;DNA分子复制一次,所有的DNA分子都有一条单链含3H标记,DNA分子第二次复制完成后,一半的DNA分子没有3H标记,由此可以推测DNA分子的复制方式为半保留复制;细胞中DNA分子第二次复制完成时,染色体中只有一条姐妹染色单体带有3H标记。

2.(2019·北京大兴期末测试)将果蝇精原细胞(2N=8)的DNA分子用15N标记后,置于含14N的培养基中培养,经过连续两次分裂后,下列推断正确的是(　D　)

A.若进行有丝分裂,则第二次分裂中期的细胞中有8条染色单体含14N

B.若进行有丝分裂,则两次分裂结束后含15N的子细胞所占比例为1/2

C.若进行减数分裂,则第二次分裂中期的细胞中有4条染色单体含14N

D.若进行减数分裂,则两次分裂结束后所有子细胞的染色体均含有15N

解析: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,中期时DNA存在于2条染色单体上,则第二次分裂中期含14N的染色单体有16条;若进行两次有丝分裂,第一次分裂得到的子细胞所有的染色体中DNA都是15N—14N,第二次分裂中期时单体上的DNA分子分别是15N—14N、14N—14N,因此两次分裂结束后含15N的子细胞所占比例至少为1/2;若进行减数分裂,第一次分裂中期的染色体组成都是 15N—14N,则第二次分裂中期的细胞中有4条染色体、8条姐妹染色单体,每条单体都含14N;如果进行减数分裂,形成的子细胞都有15N染色体。

3.(2019·湖北八校联考)将全部核DNA分子双链经32P标记的1个果蝇精原细胞置于不含32P标记的培养基培养,先经过一次有丝分裂,再经过一次减数分裂,产生了8个精细胞。下列说法错误的是(　D　)

A.有丝分裂中期和1个减Ⅰ中期细胞内染色体数相同,标记的染色单体数不同

B.有丝分裂后期和1个减Ⅰ后期细胞内染色体数不同,标记的染色体数也不同

C.1个减Ⅰ后期和1个减Ⅱ后期细胞内染色体数相同,标记的染色体数不同

D.产生的8个精细胞,每个细胞内含有4条染色体,均有2条被标记

解析:果蝇的精原细胞含有8条染色体,若进行有丝分裂,由于DNA的半保留复制,每个DNA均有一条链带有标记,一条链不带标记,故进行有丝分裂时前期带有标记的染色体为8条、带有标记的染色单体为16条,有丝分裂后期带有标记的染色体数是16条,有丝分裂结束后,子细胞中每个DNA分子只有一条链有标记,细胞中含有标记的染色体数是8条;子细胞中DNA进行再次复制进行减数分裂,由于DNA分子的半保留复制,每条染色体上只有一条染色单体有标记,故减数第一次分裂时细胞中含有8条有标记的染色体、8条有标记的染色单体,由于减数第一次分裂同源染色体分离,故减数第二次分裂的前期、中期细胞中含有4条染色体有标记,有标记的染色单体数也为4条,减数第二次分裂后期,姐妹染色单体分离,细胞中含有标记的染色体数仍为4条,由于姐妹染色单体分向两个细胞是随机的,所以形成的精细胞中含有标记的染色体数不确定,综上分析,有丝分裂中期和1个减Ⅰ中期细胞内染色体数相同,标记的染色单体数不同;有丝分裂后期和1个减Ⅰ后期细胞内染色体数不同,标记的染色体数也不同;1个减Ⅰ后期和1个减Ⅱ后期细胞内染色体数相同,但标记的染色体数不同;产生的8个精细胞,每个细胞内含有4条染色体,但有标记的染色体数可能为0～4条。