熱點(diǎn)專題突破系列四同位素標(biāo)記法的應(yīng)用

1、熱點(diǎn)專題突破系列（四）同位素標(biāo)記法的應(yīng)用,【三年考情分析】　　在近幾年的高考試題中,同位素標(biāo)記法多有涉及。試題的內(nèi)容多與經(jīng)典生物學(xué)實(shí)驗(yàn)聯(lián)系,有時(shí)也設(shè)置新情境來進(jìn)行命題,考查內(nèi)容涉及細(xì)胞內(nèi)的元素或化合物的來源、組成、分布和去向以及細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能,化學(xué)物質(zhì)的變化、反應(yīng)機(jī)理等。對(duì)近三年高考分析如下：,【分類突破通關(guān)】類型一 元素的轉(zhuǎn)移途徑　通關(guān)典例(2014·寶雞模擬)同位素的發(fā)現(xiàn)為探明許多生命的奧秘起了很重要的作用。

2、(1)用18O標(biāo)記二氧化碳,使其參與光合作用,再經(jīng)有氧呼吸,則18O轉(zhuǎn)移的途徑是(　　),(2)如果用含15N的蛋白質(zhì)飼料飼養(yǎng)體內(nèi)不含15N的大白鼠,較長一段時(shí)間后,從大白鼠的組織中分離出下列物質(zhì),其中含有15N的是(多選)(　　)A.脂肪酸　　B.淀粉酶　　C.肌糖原　　D.生長激素(3)植物光合作用產(chǎn)生的O2來自H2O,還是來自CO2?請(qǐng)寫出簡單實(shí)驗(yàn)思路證明你的結(jié)論。______________________________

3、__________________________________________________________________________　 。,【解題指南】解答本題需注意以下兩點(diǎn)：(1)識(shí)記CO2中氧的轉(zhuǎn)移途徑：CO2→(CH2O)→CO2。(2)知道哪些化合物含有N元素,如氨基酸、蛋白質(zhì)、核苷酸、核酸、ATP等。,【解析】

4、(1)二氧化碳在光合作用中參與暗反應(yīng)，生成有機(jī)物(CH2O)，有機(jī)物(葡萄糖)又在細(xì)胞呼吸中首先分解成丙酮酸，丙酮酸在有氧呼吸第二階段分解成CO2，所以二氧化碳中18O的轉(zhuǎn)移途徑是：C18O2→(CH218O)→C18O2。(2)淀粉酶和生長激素是蛋白質(zhì)類化合物，含有N元素。(3)本小題的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)可用同位素標(biāo)記法。分別將用同位素18O標(biāo)記的H218O和C18O2提供給兩組植物進(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)，分析兩組植物光合作用釋放的氧氣，18O2

5、僅在提供H218O的那組植物中產(chǎn)生，即可證明光合作用產(chǎn)生的O2來自H2O。,答案：(1)B (2)B、D(3)來自H2O。分別將C18O2和H218O提供給兩組植物，分析兩組植物光合作用釋放的氧氣，18O2僅在提供H218O的那組植物中產(chǎn)生，即可證明上述結(jié)論,【通關(guān)錦囊】化學(xué)元素轉(zhuǎn)移途徑的實(shí)例分析1.光合作用產(chǎn)物中O元素的來源：(1)若用18O標(biāo)記的H218O和未標(biāo)記的CO2一起做實(shí)驗(yàn),結(jié)果產(chǎn)生的氧氣全是18O2。(2)若用

6、18O標(biāo)記的C18O2和未標(biāo)記的H2O一起做實(shí)驗(yàn),結(jié)果產(chǎn)生的氧氣全是16O2。(3)結(jié)論：光合作用過程中O2中的O全部來自H2O。2.暗反應(yīng)過程中C元素的去向：(1)標(biāo)記方法：用14C標(biāo)記CO2中的C。(2)轉(zhuǎn)移途徑：隨著14CO2的固定,14C首先出現(xiàn)在C3中,然后C3被還原,14C進(jìn)入C5和(CH2O)中。,3.研究細(xì)胞呼吸過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)移途徑：(1)用18O標(biāo)記氧氣(18O2)，生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部無

7、放射性，即18O2→H218O。(2)用18O標(biāo)記葡萄糖(C6H1218O6)，生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部無放射性，即C6H1218O6→C18O2。,【通關(guān)特訓(xùn)】(2014·汕頭模擬)科學(xué)家利用同位素標(biāo)記法搞清了許多化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程。下列說法正確的是(　　)A.用15N標(biāo)記核苷酸搞清了分裂期染色體形態(tài)和數(shù)目的變化規(guī)律B.用18O標(biāo)記H2O和CO2有力地證明了CO2是光合作用的原料C.用14C標(biāo)記CO

8、2最終探明了CO2中碳元素在光合作用中的轉(zhuǎn)移途徑D.用35S標(biāo)記噬菌體的DNA并以此侵染細(xì)菌證明了DNA是遺傳物質(zhì),【解析】選C。用15N標(biāo)記核苷酸只能搞清核苷酸(或DNA)的數(shù)量變化規(guī)律;用18O標(biāo)記H2O和CO2可證明光合作用釋放的氧全部來自水;用32P標(biāo)記噬菌體的DNA,用35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì),才能證明DNA是遺傳物質(zhì)。,【加固訓(xùn)練】(2014·南京模擬)光合作用是地球上最重要的化學(xué)反應(yīng)。同位素標(biāo)記法的引入,為探尋

9、和建立光合作用的化學(xué)反應(yīng)過程,做出了巨大的貢獻(xiàn)。(1)1941年,魯賓用同位素標(biāo)記法追蹤光合作用中O2的來源。,魯賓用H218O和普通的CO2進(jìn)行小球藻光合作用實(shí)驗(yàn)①(見圖A),結(jié)果放出的O2具有放射性。若用C18O2和普通的H2O進(jìn)行光合作用實(shí)驗(yàn)②(見圖B),結(jié)果產(chǎn)生的O2不具有放射性。綜合實(shí)驗(yàn)①②,可獲得的結(jié)論是　 。(2)美國科學(xué)家卡爾文用同位素標(biāo)記法來追蹤C(jī)O2是如何轉(zhuǎn)變成碳水化合物的。①卡

10、爾文給小球藻懸浮液通入14CO2,光照一定時(shí)間(從1秒到數(shù)分鐘)后殺死小球藻,同時(shí)提取產(chǎn)物并分析。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),僅僅30秒的時(shí)間,CO2已經(jīng)轉(zhuǎn)化為許多種類的化合物。想要探究CO2轉(zhuǎn)化成的第一個(gè)產(chǎn)物是什么,可能的實(shí)驗(yàn)思路是____________　 。,②實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在光照下物質(zhì)A和物質(zhì)B的濃度很快達(dá)到飽和并保持穩(wěn)定。此時(shí)突然中斷CO2的供應(yīng),A、B物質(zhì)的變化如圖C所示。以上實(shí)驗(yàn)說明,固定CO2的化合物

11、是　　　　　,CO2轉(zhuǎn)化成的第一個(gè)產(chǎn)物是　　　　　　。,【解析】(1)由圖A中CO2+H218O→18O2和圖B中C18O2+H2O→O2可知,光合作用釋放的O2來源于H2O。(2)①卡爾文實(shí)驗(yàn)中僅30秒的時(shí)間,CO2已經(jīng)轉(zhuǎn)化為許多種類的化合物,無法判斷哪種化合物是第一個(gè)產(chǎn)物,因此要探究CO2轉(zhuǎn)化成的第一個(gè)產(chǎn)物,只有盡可能縮短光照時(shí)間,然后殺死小球藻,同時(shí)提取產(chǎn)物分析,當(dāng)檢測(cè)到的產(chǎn)物只有一種時(shí),該化合物就是第一個(gè)產(chǎn)物。②突然中斷CO2

12、供應(yīng),固定CO2的化合物的消耗將減少,其含量將逐漸增多(如物質(zhì)B),而CO2轉(zhuǎn)化成的第一個(gè)產(chǎn)物將開始減少(如物質(zhì)A)。,答案：(1)光合作用釋放的O2來源于H2O,而不是CO2(2)①縮短光照時(shí)間,當(dāng)檢測(cè)到的產(chǎn)物只有一種時(shí),這個(gè)化合物就是第一個(gè)產(chǎn)物　②B　A,類型二 生理過程及發(fā)生場(chǎng)所　通關(guān)典例(2012·山東高考)假設(shè)一個(gè)雙鏈均被32P標(biāo)記的噬菌體DNA由5 000個(gè)堿基對(duì)組成,其中腺嘌呤占全部堿基的20%。用這個(gè)噬菌

13、體侵染只含31P的大腸桿菌,共釋放出100個(gè)子代噬菌體。下列敘述正確的是(　　)A.該過程至少需要3×105個(gè)鳥嘌呤脫氧核苷酸B.噬菌體增殖需要細(xì)菌提供模板、原料和酶等C.含32P與只含31P的子代噬菌體的比例為1∶49D.該DNA發(fā)生突變,其控制的性狀即發(fā)生改變,【解題指南】解答本題的關(guān)鍵是：(1)題干中的關(guān)鍵信息：1個(gè)被32P標(biāo)記的噬菌體;共釋放出100個(gè)子代噬菌體。(2)DNA復(fù)制n次后需要加入某種脫氧核苷酸

14、的個(gè)數(shù)=(2n-1)×1個(gè)DNA中的某種脫氧核苷酸數(shù)。(3)1種氨基酸可以由多個(gè)密碼子編碼,所以DNA發(fā)生基因突變對(duì)應(yīng)的氨基酸可能不變,控制的性狀可能不變。,【解析】選C。具體分析如下：A項(xiàng)錯(cuò)誤,A=T=5 000×2×20%=2 000個(gè),G=C=5 000×2×30%=3 000個(gè)。DNA復(fù)制n次后需要加入鳥嘌呤脫氧核苷酸的個(gè)數(shù)為(2n-1)×1個(gè),DNA中的鳥嘌呤

15、脫氧核苷酸數(shù)為99×3 000=2.97×105。B項(xiàng)錯(cuò)誤,噬菌體侵染細(xì)菌時(shí),噬菌體的DNA進(jìn)入作為模板,不需要細(xì)菌提供。C項(xiàng)正確,1個(gè)被32P標(biāo)記的噬菌體經(jīng)半保留復(fù)制形成的100個(gè)子代中有2個(gè)子代噬菌體含32P,98個(gè)只含31P,所以含32P的子代噬菌體與只含31P的子代噬菌體的比例為2∶98=1∶49。D項(xiàng)錯(cuò)誤,由于一種氨基酸可以由多個(gè)密碼子編碼,所以DNA發(fā)生基因突變對(duì)應(yīng)的氨基酸可能不變,控制的性狀

16、可能不變。,【通關(guān)錦囊】同位素標(biāo)記法示蹤生理過程及發(fā)生場(chǎng)所的分析1.研究分泌蛋白的合成和運(yùn)輸：(1)目的：用3H標(biāo)記亮氨酸,探究分泌蛋白在細(xì)胞中的合成、運(yùn)輸與分泌途徑。(2)方法：在一次性給予放射性標(biāo)記的氨基酸的前提下,通過觀察細(xì)胞中放射性物質(zhì)在不同時(shí)間出現(xiàn)的位置,就可以明確地看出細(xì)胞器在分泌蛋白合成和運(yùn)輸中的作用。(3)轉(zhuǎn)移途徑：通過實(shí)驗(yàn)說明分泌蛋白在附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體上合成之后,是按照內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細(xì)胞膜的方向運(yùn)輸?shù)?/p>

17、,從而證明了細(xì)胞內(nèi)的各種膜結(jié)構(gòu)在功能上是緊密聯(lián)系的。,2.探究DNA分子半保留復(fù)制的特點(diǎn)：(1)DNA分子復(fù)制n次后,計(jì)算子代DNA分子數(shù)、子代DNA分子的脫氧核苷酸鏈數(shù)所占比例。①原理：DNA分子復(fù)制過程的特點(diǎn)是半保留復(fù)制。②過程：將全部N原子被15N標(biāo)記的DNA分子(0代)轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基中培養(yǎng)(復(fù)制)n代后,子代DNA分子總數(shù)為2n個(gè),脫氧核苷酸鏈總數(shù)為2n+1個(gè)。a.不同DNA分子占全部DNA分子之比不同：只含1

18、5N的DNA分子所占比例為0;含15N和14N的DNA分子所占比例為2/2n(或1/2n-1);只含14N的DNA分子所占比例為(2n-2)/2n=1-2/2n。,b.不同脫氧核苷酸鏈占全部脫氧核苷酸鏈之比也不同：含15N的脫氧核苷酸鏈所占比例為2/2n+1=1/2n;含14N的脫氧核苷酸鏈所占比例為(2n+1-2)/2n+1=1-1/2n。(2)研究DNA半保留復(fù)制的具體過程。①原理：通過放射性標(biāo)記來“區(qū)別”親代與子代的D

19、NA。②判斷依據(jù)：放射性物質(zhì)15N的原子量和14N的原子量不同,因此由15N組成的DNA與由14N組成的DNA的相對(duì)分子質(zhì)量不同。,③結(jié)果。a.兩條鏈都含15N的DNA,離心時(shí)為重帶。b.一條鏈含15N、一條鏈含14N的DNA,離心時(shí)為中帶。c.兩條鏈都含14N的DNA,離心時(shí)為輕帶。④意義：根據(jù)重帶、中帶、輕帶DNA出現(xiàn)的比例可判斷DNA復(fù)制是全保留復(fù)制還是半保留復(fù)制。,【通關(guān)特訓(xùn)】1.科學(xué)家用3H標(biāo)記的氨基酸培養(yǎng)哺乳動(dòng)

20、物的乳腺細(xì)胞,測(cè)量細(xì)胞合成并分泌乳腺蛋白過程中各種膜結(jié)構(gòu)的面積變化,結(jié)果如右圖。下列選項(xiàng)表示a、b、c所代表的膜結(jié)構(gòu)名稱以及放射性標(biāo)記出現(xiàn)的先后順序,正確的是(　　)A.a核糖體→b內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→c高爾基體B.a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→b高爾基體→c細(xì)胞膜C.a高爾基體→c內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→b細(xì)胞膜D.a內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→c高爾基體→b細(xì)胞膜,【解析】選D。乳腺細(xì)胞是分泌細(xì)胞,能進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成、加工和分泌過程,蛋白質(zhì)在核糖體上合成后,將依次經(jīng)過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、高爾基體、

21、細(xì)胞膜等具膜的細(xì)胞結(jié)構(gòu),所以內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜面積在此過程中會(huì)減小,細(xì)胞膜面積將增大,而高爾基體膜面積將基本不變,所以a是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、b是細(xì)胞膜、c是高爾基體。,2.(2013·濱州模擬)蠶豆體細(xì)胞染色體數(shù)目2n=12,科學(xué)家用3H標(biāo)記蠶豆根尖細(xì)胞的DNA,可以在染色體水平上研究真核生物的DNA復(fù)制方式。實(shí)驗(yàn)的基本過程如下：Ⅰ.將蠶豆幼苗培養(yǎng)在含有3H的胸腺嘧啶脫氧核苷酸的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)一段時(shí)間后,探測(cè)細(xì)胞分裂中期染色體的放射性情況。Ⅱ

22、.當(dāng)DNA分子雙鏈都被3H標(biāo)記后,再將幼苗移到含有秋水仙素的無放射性的培養(yǎng)基中,培養(yǎng)一段時(shí)間后,探測(cè)細(xì)胞分裂中期染色體的放射性情況。,請(qǐng)回答相關(guān)問題：(1)蠶豆根尖細(xì)胞進(jìn)行的分裂方式是　　　　;秋水仙素能使部分細(xì)胞的染色體數(shù)目加倍,其作用的機(jī)理是_______________　　　　　　　　　　　。(2)Ⅰ中,在根尖細(xì)胞進(jìn)行第一次分裂時(shí),每條染色體上帶有放射性的染色單體有　　條,每個(gè)DNA分子中,有　　條鏈帶有放射性。Ⅱ中,若觀察

23、到一個(gè)細(xì)胞中有24條染色體,且二分之一的染色單體具有放射性,則表明該細(xì)胞的DNA在無放射性的培養(yǎng)基中復(fù)制了　　　次,該細(xì)胞含有　　　個(gè)染色體組。(3)上述實(shí)驗(yàn)表明,DNA分子的復(fù)制方式是　 。,【解析】(1)蠶豆根尖細(xì)胞為體細(xì)胞,其分裂方式為有絲分裂。秋水仙素使細(xì)胞內(nèi)染色體數(shù)目加倍的原理是體細(xì)胞在有絲分裂過程中,染色體完成了復(fù)制,紡錘體的形成受到抑制,以致染色體不能被拉向兩極,于是形成了染色體數(shù)目加倍的細(xì)胞。

24、(2)Ⅰ中,第一次有絲分裂中期時(shí),每個(gè)DNA分子中都有一條鏈被3H標(biāo)記,每條染色體上有2條染色單體被3H標(biāo)記。Ⅱ中,第一次分裂中期時(shí),每個(gè)DNA分子中都有一條鏈具有放射性,故所有染色單體都具有放射性;第二次分裂中期時(shí),二分之一的染色單體具有放射性,此時(shí),該細(xì)胞含有4個(gè)染色體組。(3)該實(shí)驗(yàn)表明DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制。,答案：(1)有絲分裂　抑制紡錘體的形成(2)2　1　2　4　(3)半保留復(fù)制,類型三 化合物的作用　通

25、關(guān)典例(2011·浙江高考)為了探究某物質(zhì)(X)的作用,研究者提出了以下實(shí)驗(yàn)思路：(1)實(shí)驗(yàn)分組。甲組：培養(yǎng)液+Y細(xì)胞+3H-TdR(3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷)+生理鹽水乙組：培養(yǎng)液+Y細(xì)胞+3H-TdR+X(用生理鹽水配制)每組設(shè)置若干個(gè)重復(fù)樣品。(2)分別測(cè)定兩組的CRD(細(xì)胞內(nèi)的放射性強(qiáng)度),求每組的平均值。,(3)將各樣品在適宜條件下培養(yǎng)合適時(shí)間后,測(cè)定其CRD,求每組平均值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。(提示與說明,

26、答題時(shí)用X、CRD、3H-TdR表示相關(guān)名詞;Y細(xì)胞是能增殖的高等動(dòng)物體細(xì)胞),請(qǐng)回答：(1)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模骸?。(2)預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論：____________________________　 。(3)實(shí)驗(yàn)中采用3H-TdR的原因是：_________________

27、_____　 。,【解題指南】(1)理論基礎(chǔ)：胸腺嘧啶脫氧核苷是合成DNA分子的原料。(2)分析細(xì)胞內(nèi)放射性強(qiáng)度不同的原因：若細(xì)胞內(nèi)放射性強(qiáng)度較大,說明有大量的3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷合成了DNA,通過甲、乙兩組放射性強(qiáng)度的比較,確定物質(zhì)X對(duì)DNA分子復(fù)制的作用是促進(jìn)、抑制還是無影響。,【解析】本題考查實(shí)驗(yàn)分析與探究能力。(1)(2)實(shí)驗(yàn)

28、目的是探究物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)的影響。影響可能有三個(gè)方面：促進(jìn)作用、抑制作用和無影響。通過比較甲、乙兩組放射性的強(qiáng)度來判定：如果乙組CRD明顯高于甲組,說明物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)有促進(jìn)作用;如果乙組CRD與甲組基本相同,說明物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)無影響;如果乙組CRD明顯低于甲組,說明物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)有抑制作用。(3)由于3H-TdR是合成DNA的原料,所以兩組的CRD(細(xì)胞內(nèi)的放射性強(qiáng)

29、度)表示細(xì)胞增殖程度。,答案：(1)探究物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)的影響(2)如果乙組CRD明顯高于甲組,說明物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)有促進(jìn)作用;如果乙組CRD與甲組基本相同,說明物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)無影響;如果乙組CRD明顯低于甲組,說明物質(zhì)X對(duì)Y細(xì)胞增殖(DNA合成)有抑制作用(3)3H-TdR是合成DNA的原料之一,可根據(jù)CRD變化來判斷細(xì)胞增殖(DNA合成)的情況,【通關(guān)錦囊】運(yùn)用同位素標(biāo)記法研究化

30、合物的作用1.用3H標(biāo)記胸腺嘧啶脫氧核苷酸,研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律：(1)標(biāo)記方法：在處于連續(xù)分裂的細(xì)胞的分裂期加入3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸。(2)目的：根據(jù)胸腺嘧啶被利用情況,確定DNA合成期的起始點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間。(3)判斷依據(jù)：根據(jù)放射性元素3H在DNA中出現(xiàn)的時(shí)間確定合成期的起點(diǎn);根據(jù)放射性元素積累量的最大值的終止時(shí)間和起始時(shí)間來確定DNA分子復(fù)制的持續(xù)時(shí)間。,2.35S、32P在證明DNA是遺傳物質(zhì)中的作用

31、：(1)標(biāo)記方法：在研究蛋白質(zhì)和DNA在遺傳中的作用時(shí),分別用放射性元素標(biāo)記蛋白質(zhì)和DNA的特征元素,如用32P標(biāo)記噬菌體的DNA,在大腸桿菌內(nèi)發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì),用35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì),在大腸桿菌內(nèi)未發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)。(2)結(jié)論：驗(yàn)證噬菌體在侵染細(xì)菌的過程中,進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)的是噬菌體的DNA,而不是噬菌體的蛋白質(zhì),進(jìn)而證明了DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。,【通關(guān)特訓(xùn)】(2013·嘉興模擬)在證明DNA是遺傳物質(zhì)的T2噬菌體侵染

32、大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)中,正確的技術(shù)手段是(　　)A.用化學(xué)方法把DNA和蛋白質(zhì)分開B.用32P和35S分別標(biāo)記T2噬菌體和大腸桿菌C.用32P和35S同時(shí)標(biāo)記T2噬菌體D.用標(biāo)記過的大腸桿菌培養(yǎng)T2噬菌體,【解析】選D。T2噬菌體是專門寄生在細(xì)菌中的病毒,無獨(dú)立的代謝能力,只由蛋白質(zhì)外殼和中心的核酸組成,應(yīng)利用其侵染性,分別在含放射性32P和35S的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌,然后用標(biāo)記過的大腸桿菌再去培養(yǎng)T2噬菌體,從而將DNA和蛋白質(zhì)區(qū)