热点专题突破系列(四)同位素标记法的应用

热点专题突破系列（四）同位素标记法的应用【三年考情分析】在近几年的高考试题中,同位素标记法多有涉及。试题的内容多与经典生物学实验联系,有时也设置新情境来进行命题,考查内容涉及细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向以及细胞的结构和功能,化学物质的变化、反应机理等。对近三年高考分析如下：考查点具体内容近三年考情统计化学元素的转移途径光合作用产生的O2来自水、暗反应中碳的去向、细胞呼吸过程中的物质转移2012北京T29生理过程及发生场所分泌蛋白的分泌过程、DNA的半保留复制2012山东T5、T24化合物的作用噬菌体侵染细菌实验2011浙江T31【分类突破通关】类型一元素的转移途径通关典例(2014·宝鸡模拟)同位素的发现为探明许多生命的奥秘起了很重要的作用。(1)用18O标记二氧化碳,使其参与光合作用,再经有氧呼吸,则18O转移的途径是()(2)如果用含15N的蛋白质饲料饲养体内不含15N的大白鼠,较长一段时间后,从大白鼠的组织中分离出下列物质,其中含有15N的是(多选)()A.脂肪酸B.淀粉酶C.肌糖原D.生长激素(3)植物光合作用产生的O2来自H2O,还是来自CO2?请写出简单实验思路证明你的结论。________________________________________________________________________________________________________。【解题指南】解答本题需注意以下两点：(1)识记CO2中氧的转移途径：CO2→(CH2O)→CO2。(2)知道哪些化合物含有N元素,如氨基酸、蛋白质、核苷酸、核酸、ATP等。【解析】(1)二氧化碳在光合作用中参与暗反应，生成有机物(CH2O)，有机物(葡萄糖)又在细胞呼吸中首先分解成丙酮酸，丙酮酸在有氧呼吸第二阶段分解成CO2，所以二氧化碳中18O的转移途径是：C18O2→(CH218O)→C18O2。(2)淀粉酶和生长激素是蛋白质类化合物，含有N元素。(3)本小题的实验设计可用同位素标记法。分别将用同位素18O标记的H218O和C18O2提供给两组植物进行光合作用实验，分析两组植物光合作用释放的氧气，18O2仅在提供H218O的那组植物中产生，即可证明光合作用产生的O2来自H2O。答案：(1)B(2)B、D(3)来自H2O。分别将C18O2和H218O提供给两组植物，分析两组植物光合作用释放的氧气，18O2仅在提供H218O的那组植物中产生，即可证明上述结论【通关锦囊】化学元素转移途径的实例分析1.光合作用产物中O元素的来源：(1)若用18O标记的H218O和未标记的CO2一起做实验,结果产生的氧气全是18O2。(2)若用18O标记的C18O2和未标记的H2O一起做实验,结果产生的氧气全是16O2。(3)结论：光合作用过程中O2中的O全部来自H2O。2.暗反应过程中C元素的去向：(1)标记方法：用14C标记CO2中的C。(2)转移途径：随着14CO2的固定,14C首先出现在C3中,然后C3被还原,14C进入C5和(CH2O)中。3.研究细胞呼吸过程中物质的转移途径：(1)用18O标记氧气(18O2)，生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部无放射性，即18O2→H218O。(2)用18O标记葡萄糖(C6H1218O6)，生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部无放射性，即C6H1218O6→C18O2。【通关特训】(2014·汕头模拟)科学家利用同位素标记法搞清了许多化学反应的详细过程。下列说法正确的是()A.用15N标记核苷酸搞清了分裂期染色体形态和数目的变化规律B.用18O标记H2O和CO2有力地证明了CO2是光合作用的原料C.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D.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【解析】选C。用15N标记核苷酸只能搞清核苷酸(或DNA)的数量变化规律;用18O标记H2O和CO2可证明光合作用释放的氧全部来自水;用32P标记噬菌体的DNA,用35S标记噬菌体的蛋白质,才能证明DNA是遗传物质。【加固训练】(2014·南京模拟)光合作用是地球上最重要的化学反应。同位素标记法的引入,为探寻和建立光合作用的化学反应过程,做出了巨大的贡献。(1)1941年,鲁宾用同位素标记法追踪光合作用中O2的来源。鲁宾用H218O和普通的CO2进行小球藻光合作用实验①(见图A),结果放出的O2具有放射性。若用C18O2和普通的H2O进行光合作用实验②(见图B),结果产生的O2不具有放射性。综合实验①②,可获得的结论是。(2)美国科学家卡尔文用同位素标记法来追踪CO2是如何转变成碳水化合物的。①卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2,光照一定时间(从1秒到数分钟)后杀死小球藻,同时提取产物并分析。实验发现,仅仅30秒的时间,CO2已经转化为许多种类的化合物。想要探究CO2转化成的第一个产物是什么,可能的实验思路是____________。②实验发现,在光照下物质A和物质B的浓度很快达到饱和并保持稳定。此时突然中断CO2的供应,A、B物质的变化如图C所示。以上实验说明,固定CO2的化合物是,CO2转化成的第一个产物是。【解析】(1)由图A中CO2+H218O→18O2和图B中C18O2+H2O→O2可知,光合作用释放的O2来源于H2O。(2)①卡尔文实验中仅30秒的时间,CO2已经转化为许多种类的化合物,无法判断哪种化合物是第一个产物,因此要探究CO2转化成的第一个产物,只有尽可能缩短光照时间,然后杀死小球藻,同时提取产物分析,当检测到的产物只有一种时,该化合物就是第一个产物。②突然中断CO2供应,固定CO2的化合物的消耗将减少,其含量将逐渐增多(如物质B),而CO2转化成的第一个产物将开始减少(如物质A)。答案：(1)光合作用释放的O2来源于H2O,而不是CO2(2)①缩短光照时间,当检测到的产物只有一种时,这个化合物就是第一个产物②BA类型二生理过程及发生场所通关典例(2012·山东高考)假设一个双链均被32P标记的噬菌体DNA由5000个碱基对组成,其中腺嘌呤占全部碱基的20%。用这个噬菌体侵染只含31P的大肠杆菌,共释放出100个子代噬菌体。下列叙述正确的是()A.该过程至少需要3×105个鸟嘌呤脱氧核苷酸B.噬菌体增殖需要细菌提供模板、原料和酶等C.含32P与只含31P的子代噬菌体的比例为1∶49D.该DNA发生突变,其控制的性状即发生改变【解题指南】解答本题的关键是：(1)题干中的关键信息：1个被32P标记的噬菌体;共释放出100个子代噬菌体。(2)DNA复制n次后需要加入某种脱氧核苷酸的个数=(2n-1)×1个DNA中的某种脱氧核苷酸数。(3)1种氨基酸可以由多个密码子编码,所以DNA发生基因突变对应的氨基酸可能不变,控制的性状可能不变。【解析】选C。具体分析如下：A项错误,A=T=5000×2×20%=2000个,G=C=5000×2×30%=3000个。DNA复制n次后需要加入鸟嘌呤脱氧核苷酸的个数为(2n-1)×1个,DNA中的鸟嘌呤脱氧核苷酸数为99×3000=2.97×105。B项错误,噬菌体侵染细菌时,噬菌体的DNA进入作为模板,不需要细菌提供。C项正确,1个被32P标记的噬菌体经半保留复制形成的100个子代中有2个子代噬菌体含32P,98个只含31P,所以含32P的子代噬菌体与只含31P的子代噬菌体的比例为2∶98=1∶49。D项错误,由于一种氨基酸可以由多个密码子编码,所以DNA发生基因突变对应的氨基酸可能不变,控制的性状可能不变。【通关锦囊】同位素标记法示踪生理过程及发生场所的分析1.研究分泌蛋白的合成和运输：(1)目的：用3H标记亮氨酸,探究分泌蛋白在细胞中的合成、运输与分泌途径。(2)方法：在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下,通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置,就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。(3)转移途径：通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体上合成之后,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膜结构在功能上是紧密联系的。2.探究DNA分子半保留复制的特点：(1)DNA分子复制n次后,计算子代DNA分子数、子代DNA分子的脱氧核苷酸链数所占比例。①原理：DNA分子复制过程的特点是半保留复制。②过程：将全部N原子被15N标记的DNA分子(0代)转移到含14N的培养基中培养(复制)n代后,子代DNA分子总数为2n个,脱氧核苷酸链总数为2n+1个。a.不同DNA分子占全部DNA分子之比不同：只含15N的DNA分子所占比例为0;含15N和14N的DNA分子所占比例为2/2n(或1/2n-1);只含14N的DNA分子所占比例为(2n-2)/2n=1-2/2n。b.不同脱氧核苷酸链占全部脱氧核苷酸链之比也不同：含15N的脱氧核苷酸链所占比例为2/2n+1=1/2n;含14N的脱氧核苷酸链所占比例为(2n+1-2)/2n+1=1-1/2n。(2)研究DNA半保留复制的具体过程。①原理：通过放射性标记来“区别”亲代与子代的DNA。②判断依据：放射性物质15N的原子量和14N的原子量不同,因此由15N组成的DNA与由14N组成的DNA的相对分子质量不同。③结果。a.两条链都含15N的DNA,离心时为重带。b.一条链含15N、一条链含14N的DNA,离心时为中带。c.两条链都含14N的DNA,离心时为轻带。④意义：根据重带、中带、轻带DNA出现的比例可判断DNA复制是全保留复制还是半保留复制。【通关特训】1.科学家用3H标记的氨基酸培养哺乳动物的乳腺细胞,测量细胞合成并分泌乳腺蛋白过程中各种膜结构的面积变化,结果如右图。下列选项表示a、b、c所代表的膜结构名称以及放射性标记出现的先后顺序,正确的是()A.a核糖体→b内质网→c高尔基体B.a内质网→b高尔基体→c细胞膜C.a高尔基体→c内质网→b细胞膜D.a内质网→c高尔基体→b细胞膜【解析】选D。乳腺细胞是分泌细胞,能进行蛋白质的合成、加工和分泌过程,蛋白质在核糖体上合成后,将依次经过内质网、高尔基体、细胞膜等具膜的细胞结构,所以内质网膜面积在此过程中会减小,细胞膜面积将增大,而高尔基体膜面积将基本不变,所以a是内质网、b是细胞膜、c是高尔基体。2.(2013·滨州模拟)蚕豆体细胞染色体数目2n=12,科学家用3H标记蚕豆根尖细胞的DNA,可以在染色体水平上研究真核生物的DNA复制方式。实验的基本过程如下：Ⅰ.将蚕豆幼苗培养在含有3H的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中,培养一段时间后,探测细胞分裂中期染色体的放射性情况。Ⅱ.当DNA分子双链都被3H标记后,再将幼苗移到含有秋水仙素的无放射性的培养基中,培养一段时间后,探测细胞分裂中期染色体的放射性情况。请回答相关问题：(1)蚕豆根尖细胞进行的分裂方式是;秋水仙素能使部分细胞的染色体数目加倍,其作用的机理是_______________。(2)Ⅰ中,在根尖细胞进行第一次分裂时,每条染色体上带有放射性的染色单体有条,每个DNA分子中,有条链带有放射性。Ⅱ中,若观察到一个细胞中有24条染色体,且二分之一的染色单体具有放射性,则表明该细胞的DNA在无放射性的培养基中复制了次,该细胞含有个染色体组。(3)上述实验表明,DNA分子的复制方式是。【解析】(1)蚕豆根尖细胞为体细胞,其分裂方式为有丝分裂。秋水仙素使细胞内染色体数目加倍的原理是体细胞在有丝分裂过程中,染色体完成了复制,纺锤体的形成受到抑制,以致染色体不能被拉向两极,于是形成了染色体数目加倍的细胞。(2)Ⅰ中,第一次有丝分裂中期时,每个DNA分子中都有一条链被3H标记,每条染色体上有2条染色单体被3H标记。Ⅱ中,第一次分裂中期时,每个DNA分子中都有一条链具有放射性,故所有染色单体都具有放射性;第二次分裂中期时,二分之一的染色单体具有放射性,此时,该细胞含有4个染色体组。(3)该实验表明DNA分子的复制方式是半保留复制。答案：(1