2021高三生物人教版一轮教师用书：必修2第6单元素养加强课6同位素标记法及其应用

  同位素标记法在高中生物实验中的应用归纳

(2016·全国卷Ⅰ)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)根据题干信息可知，该酶能将ATP水解成ADP和磷酸基团(Pγ)，同时将Pγ基团转移到DNA末端上。因此需将32P标记到ATP的γ位上。(2)DNA生物合成的原料为脱氧核苷酸。将dATP两个高能磷酸键都水解后的产物为dA—Pα(腺嘌呤脱氧核苷酸)，该产物为合成DNA的原料。因此需将32P标记到dATP的α位上。(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。

[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。

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)人教版教材中用到的荧光标记法

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·全国卷Ⅲ)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(　　)

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

B　[①③采用的是同位素标记法，其中①是为两组植物分别提供HO和CO2、H2O和C18O2检测产生氧气的标记情况，③是分别用32P和35S标记的噬菌体侵染大肠杆菌，检测子代噬菌体的标记情况；②采用的是诱变技术，④采用的是混合染色技术。故采用的核心技术相同(或相似)的是①和③，B项符合题意。]

2．(2019·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．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

A　[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·成都市测试)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(　　)

A．用C标记的CO2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．将被15N标记的细菌转移到含14N的培养液中可证明DNA的复制方式

C　[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．(2019·晋中调研)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重量较轻的T2噬菌体颗粒，沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。(3)由于DNA分子的复制是半保留复制，一个用15N标记的DNA在含14N的培养基上培养，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　让上清液中析出重量较轻的T2噬菌体颗粒，沉淀物中留下被感染的大肠杆菌　(3)c　DNA复制方式为半保留复制，15N15N­DNA分子复制两次后，子代中1/2为15N14N­DNA,1/2为14N14N­DNA，离心结果与c相符

DNA半保留复制与细胞分裂综合中的同位素标记法

(2019·深圳模拟)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。

A　[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，A正确。]

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．用32P标记玉米体细胞(含20条染色体)的DNA分子双链，再将这些细胞转入不含32P的培养基中培养，让其分裂1次……N次。若一个细胞中的染色体总条数和被32P标记的染色体条数分别是40条和2条，则这至少是第几次分裂的分裂期(　　)

A．第1次　　　 B．第2次

C．第3次   D．第4次

C　[由染色体总条数为40条可知是分裂后期，若是第1次有丝分裂后期，被32P标记的染色体条数应为40条；若是第2次有丝分裂后期，被32P标记的染色体条数应为20条；若是第3次有丝分裂后期，被32P标记的染色体条数应为0～20条。]

2．(2019·合肥模拟)小鼠有20对染色体，若用3H­胸腺嘧啶脱氧核苷酸标记小鼠精原细胞的染色体DNA分子，再在不含有标记的培养液中连续分裂2代，下列判断错误的是(　　)

A．第一次分裂中期，含有3H的DNA单链有80条

B．在形成的第1代子细胞中，所有染色体均含有3H

C．第二次分裂后期，含有3H的染色体有40条

D．在形成的第2代子细胞中，所有染色体均含有3H

D　[DNA复制是以亲代DNA分子为模板合成子代DNA分子的过程。DNA复制过程是边解旋边复制；DNA复制特点是半保留复制。第一次分裂的中期，细胞内DNA单链有80条被3H标记，A正确；在形成的第1代子细胞中，所有染色体的一条链被3H标记，B正确；第二次分裂的后期，细胞内有40条染色体被3H标记，C正确；在形成的第2代子细胞中，有一半染色体的一条链被3H标记，有一半染色体没有被3H标记，D错误。]

3．(2019·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(　　)

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

D　[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，再复制一次形成的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，A错误；若进行两次有丝分裂，第一次分裂得到的子细胞中所有的染色体上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，得到的子细胞中一半有标记或全部有标记，或有标记，B错误；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，C错误；如果进行减数分裂，形成的子细胞都有15N染色体，D正确。]