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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典例引领(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。【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。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。答案:(1)γ(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。【审题指导】(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。解析:(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。答案:(2)α(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】(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:(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:(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个带有标记素养提升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。对点落实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()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.①②B.①③C.②④D.③④B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.(2018·山东济南模拟)放射性同位素标记技术在生物学研究中有广泛的应用,以下关于同位素标记法应用错误的是()A.鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用释放的O2来自水B.卡尔文用14C标记的CO2供应小球藻进行光合作用,探明了暗反应中碳的转移途径C.科学家向豚鼠胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸,揭示了基因控制蛋白质合成的过程D.赫尔希和蔡斯用32P、35S分别标记噬菌体DNA和蛋白质,证明了DNA是遗传物质C解析:鲁宾和卡门用18O分别标记H2O和CO2,证明了光合作用释放的O2来自水;卡尔文用14C标记的CO2供应小球藻进行光合作用,探明了暗反应中碳的转移途径;科学家向豚鼠胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸,揭示了分泌蛋白的合成、分泌过程;赫尔希和蔡斯用32P、35S分别标记噬菌体DNA和蛋白质,证明了DNA是遗传物质。3.同位素标记技术在生物科学研究中得到广泛应用。以下运用不恰当的是()A.用15N标记的噬菌体侵染未标记的大肠杆菌,探究控制生物性状的遗传物质是否为DNAB.用15N或32P标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸,研究有丝分裂过程中DNA的复制方式C.用3H标记的亮氨酸注射到豚鼠的胰腺腺泡细胞中,研究分泌蛋白的合成、加工和分泌过程D.用18O标记H2O、14C标记CO2,分别研究光合作用中O2的来源和C的转移途径A解析:蛋白质和DNA中都含有N,用15N标记的噬菌体并没有将蛋白质和DNA分开,侵染未标记的大肠杆菌,探究控制生物性状的遗传物质时,不能说明为DNA;胸腺嘧啶脱氧核苷酸只存在于DNA中,用15N或32P标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸,研究有丝分裂过程中DNA的复制方式;用3H标记的亮氨酸注射到豚鼠的胰腺腺泡细胞中,带标记的亮氨酸能参与蛋白质的合成,故能研究分泌蛋白的合成、加工和分泌过程;H2O和CO2是光合作用的原料,用18O标记H2O、14C标记CO2,分别研究光合作用中O2的来源和C的转移途径。4.(2018·江西南昌二模)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,用放射自显影技术观察复制起点和复制起点两侧银颗粒密度情况。(其他答案合理即可)(2)预期实验结果和结论:若复制起点处银颗粒密度低,一侧银颗粒密度高,则DNA分子复制为单向复制;若复制起点处银颗粒密度低,复制起点的两侧银颗粒密度高,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典例引领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素养提升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.(2018·河北保定月考)小鼠的睾丸中一个精原细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸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完成减数分裂过程,其染色体的放射性标记分布情况是()A.初级精母细胞中每条染色体的两条单体都被标记B.次级精母细胞中每条染色体都被标记C.只有半数精细胞中有被标记的染色体D.产生的四个精细胞中的全部染色体,被标记数与未被标记数相等D解析:一个精原细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸培养基中完成一个细胞周期后,每条染色体的DNA分子有一条链被标记,然后在不含放射性标记的培养基中继续完成减数分裂过程,初级精母细胞中每条染色体只有一条染色体单体被标记;着丝点分裂后的次级精母细胞有一半的染色体被标记;由于染色体的随机结合,含有被标记染色体的精细胞的比例不能确定;整体来看,产生的四个精细胞中的全部染色体,被标记数与未被标记数相等。对点落实2.将蚕豆根尖置于含放射性3H标记胸腺嘧啶的培养液中,培养一个细胞周期的时间,取出根尖,移至不含放射性物质的培养液中,继续培养两个细胞周期的时间。在第一个、第二个和第三个细胞周期取样,检测中期细胞染色体上的放射性分布。下列判断不正确的是()A.第一个细胞周期中的染色体均如甲所示B.第二个细胞周期中的染色均如乙所示C.第三个细胞周期中1/4的染色体如丙所示D.图丙所示染色体仅出现在第三个细胞周期C解析:DNA分子的复制方式为半保留复制,将蚕豆根尖置于含放射性3H标记胸腺嘧啶的培养液中,培养一个细胞周期的时间,则第一个细胞周期的放射性检测结果是每条染色体含有两条染色单体,每条染色单体都含有放射性,如图甲所示;取出根尖,移至不含放射性物质的培养液中,则第二个细胞周期的放射性检测结果是每条染色体含有两条染色单体,其中一条染色单体含有放射性,另一条染色单体不含放射性,即符合图乙;第三个细胞周期的放射性检测结果是有一半染色体不含放射性,另一半染色体的姐妹染色单体中,有一条染色单体含有放射性,另一条染色单体不含放射性,因此,第三