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放射性同位素自被發(fā)現(xiàn)以來，人類很快在將其作為標(biāo)記物應(yīng)用于物學(xué)研究，為探究生命過程的奧秘起了非常重要的作用。放射性同位素用于追蹤物質(zhì)運行和變化過程時，叫示蹤元素。用示蹤元素標(biāo)記的化合物，其化學(xué)性質(zhì)不變。人們可以根據(jù)這種化合物的放射性，對有關(guān)的一系列化學(xué)反應(yīng)進行追蹤。這種科學(xué)研究方法叫做同位素標(biāo)記法。同位素示蹤法是生物學(xué)實驗中經(jīng)常應(yīng)用的一項重要方法，它能讓我們更好地理解不同生理過程中物質(zhì)變化與轉(zhuǎn)移的途徑。同位素示蹤法在《遺傳與進化》中有廣泛應(yīng)用，主要分布在DNA是主要的遺傳物質(zhì)、DNA的分子結(jié)構(gòu)、DNA復(fù)制、基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成、基因工程等部分。現(xiàn)結(jié)合必修1《分子與細胞》中所學(xué)的知識，就放射性同位素的應(yīng)用原理及例析歸納如下：
1.研究蛋白質(zhì)或核酸合成的原料及過程
原理：把具有放射性的原子摻到合成蛋白質(zhì)或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，讓它們一起運動、遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑、運動到哪里以及分布如何。 典例1 愈傷組織細胞在一種包含所有必需物質(zhì)的培養(yǎng)基中培養(yǎng)了幾個小時，其中一種化合物具有放射性(3H標(biāo)記)。當(dāng)這些細胞被固定后進行顯微鏡檢，利用放射性自顯影技術(shù)發(fā)現(xiàn)放射性集中于細胞核、線粒體和葉綠體?？梢杂欣碛煽隙ū粯?biāo)記的化合物是 A.一種氨基酸 B.尿嘧啶核苷 C.胸腺嘧啶脫氧核苷酸 D.葡萄糖 解析 細胞中的DNA只存在于細胞核、線粒體和葉綠體中，而胸腺嘧啶脫氧核苷酸是構(gòu)成DNA的基本結(jié)構(gòu)單位之一。答案：C 2.研究分泌蛋白的合成和分泌 原理：研究細胞器在分泌蛋白合成中的作用時，標(biāo)記某一氨基酸如亮氨酸的3H，在一次性給予放射性標(biāo)記的氨基酸的前提下，通過觀察細胞中放射性物質(zhì)在不同時間出現(xiàn)的位置，就可以明確地看出細胞器在分泌蛋白合成和運輸中的作用。研究手段：觀察放射性在不同細胞器中出現(xiàn)的時間，來觀察不同細胞器在分泌蛋白中的作用。 典例2 （多選）科學(xué)家用含3H標(biāo)記的亮氨酸培養(yǎng)豚鼠的胰腺腺泡細胞，下表為在腺泡細胞幾種結(jié)構(gòu)中最早檢測到放射性的時間表。下列敘述中正確的是
A.形成分泌蛋白的多肽最早在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)內(nèi)合成
B.高爾基體膜向內(nèi)與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜相連，向外與細胞膜相連 C.高爾基體具有轉(zhuǎn)運分泌蛋白的作用 D.靠近細胞膜的囊泡可由高爾基體形成 解析 本題考查分泌蛋白的合成和分泌過程。形成分泌蛋白的多肽最早是在核糖體上合成的，而不是內(nèi)質(zhì)網(wǎng)；在細胞的膜結(jié)構(gòu)中，高爾基體是一個獨立的細胞器，與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜和細胞膜并沒有直接相連，而是通過小囊泡發(fā)生間接的聯(lián)系；高爾基體的作用是進一步加工蛋白質(zhì)并且通過形成小囊泡將加工成熟的蛋白質(zhì)分泌到細胞膜外。分泌蛋白的形成過程：核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細胞膜→膜外。答案：CD 3.研究細胞的結(jié)構(gòu)和功能 原理：用同位素標(biāo)記氨基酸或核苷酸并引入細胞內(nèi)，探測這些放射性標(biāo)記出現(xiàn)在哪些結(jié)構(gòu)中，從而推斷該細胞的結(jié)構(gòu)和功能。 典例3 將用3H標(biāo)記的尿苷引入植物細胞內(nèi)，然后設(shè)法獲得各種細胞結(jié)構(gòu)，其中能表現(xiàn)出放射性的一組結(jié)構(gòu)是 A.細胞核、核仁、中心體 B.細胞核、核糖體、高爾基體 C.細胞核、核糖體、線粒體、葉綠體 D.細胞核、核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)、液泡 解析 因為3H標(biāo)記的尿苷是合成RNA的原料，而在細胞核、核糖體、線粒體、葉綠體中均有新合成的RNA，所以這些結(jié)構(gòu)應(yīng)表現(xiàn)出放射性。答案：C 典例4 用14C標(biāo)記的葡萄糖培養(yǎng)去除細胞壁的植物細胞，三個小時后用放射自顯影技術(shù)觀察，該植物細胞內(nèi)含有14C最多的結(jié)構(gòu)是 A.核糖體 B.高爾基體 C.內(nèi)質(zhì)網(wǎng) D.細胞核 解析 本題考查細胞器的結(jié)構(gòu)和功能的有關(guān)知識以及對知識的理解、分析能力。去除細胞壁的植物細胞培養(yǎng)一段時間后會再生出細胞壁，細胞壁的主要成分是纖維素和果膠，其中纖維素是多糖，需要葡萄糖作原料合成，合成場所是高爾基體。答案：B 4.研究光合作用中某些物質(zhì)的變化過程 原理：利用放射性同位素18O、14C、3H作為示蹤原子來研究光合作用過程中某些物質(zhì)的變化過程，從而揭示光合作用的機理。①用18O標(biāo)記水(H218O)，生成的氧氣全部有放射性。②用18O標(biāo)記二氧化碳(C18O2)，除了碳水化合物(葡萄糖)有放射性外，部分水分子也有放射性，釋放的氧氣全部無放射性。③用18O、14C標(biāo)記二氧化碳(14C18O2)， CO2被固定后產(chǎn)生的三碳化合物有放射性(14C3)，光合作用產(chǎn)物葡萄糖(14C6H1218O6)有放射性、產(chǎn)物水(H218O)也有放射性。 典例5 如果用于光合作用的水中有0.20%的水分子含18O，二氧化碳中有0.68%的二氧化碳分子含18O，那么植物光合作用釋放的氧氣中，含18O的比例為 A.0.20% B.0.44% C.0.68% D.0.88% 解析 根據(jù)同位素示蹤可知，光合作用過程中釋放的氧氣全部來自水，因供給光合作用的水中有0.20%的水分子含18O，所以，光合作用釋放的氧氣中含18O的比例不變。答案：A 典例6 將生長旺盛的兩盆綠色植物分別置于兩個玻璃鐘罩內(nèi)。甲罩內(nèi)的花盆澆含18O的水；乙罩內(nèi)充滿含18O的二氧化碳，將兩個花盆用塑料袋包扎起來，并將玻璃鐘罩密封，在適宜溫度下光照1小時，請回答： (1)此時，甲罩的內(nèi)壁出現(xiàn)了許多含18O的水珠，這些水珠是經(jīng)植物的 作用產(chǎn)生的，甲罩內(nèi)還有許多18O2，這是植物進行 作用產(chǎn)生。 (2)乙罩的內(nèi)壁上有許多含18O的水珠，這是C18O2進行 作用產(chǎn)生的。 解析 由于甲罩內(nèi)的花盆澆含18O的水，甲罩內(nèi)壁出現(xiàn)的水珠是蒸騰作用的結(jié)果。同時，少量的含18O的水參與了光合作用的光反應(yīng)，形成了[H]和18O2；乙罩內(nèi)充滿了含18O的二氧化碳，在光合作用的暗反應(yīng)過程中生成了H218O和C6H1218O6。答案：(1)蒸騰 光合 (2)光合 5.研究細胞呼吸過程中某些物質(zhì)的變化過程 原理：利用18O作為示蹤原子研究細胞呼吸過程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)變途徑，揭示呼吸作用的機理。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放射性，即18O2→H218O。②用18O標(biāo)記葡萄糖(C6H1218O6)，生成的水全部無放射性，生成的二氧化碳全部有放射性，即C6H1218O6→C18O2。 典例7 給處于黑暗密閉環(huán)境中的某高等植物提供18O2，則存在18O的物質(zhì)為 A.只有CO2 B.只有H2O C.只有丙酮酸 D. CO2和H2O 解析 由題中“黑暗”“提供18O2”可知該植物不能進行光合作用，但能進行有氧呼吸。有氧呼吸過程中18O2只參與有氧呼吸第三階段的反應(yīng)，即與前兩個階段產(chǎn)生的[H]結(jié)合生成H218O。答案：B 6.研究有絲分裂過程 原理：在處于連續(xù)分裂的細胞的分裂期加入用3H標(biāo)記的胸腺嘧啶，根據(jù)胸腺嘧啶被利用的情況，可以確定DNA合成期的起始點和持續(xù)時間。還可用32P和35S分別標(biāo)記蠶豆根尖并做放射性自顯影，以了解分裂間期DNA復(fù)制、蛋白質(zhì)合成的相關(guān)情況。 典例8 為了驗證促進有絲分裂的物質(zhì)對細胞分裂的促進作用，將小鼠的肝細胞懸浮液分成等量細胞數(shù)的甲、乙兩組，在甲組的培養(yǎng)液中加入3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷(3H-TdR)；乙組中加入等劑量的3H-TdR并加入促進有絲分裂的物質(zhì)。培養(yǎng)一段時間后，分別測定甲、乙兩組細胞的總放射性強度。據(jù)此回答下列問題：(1)細胞內(nèi)3H-TdR參與合成的生物大分子是 ，該種分子所在的細胞結(jié)構(gòu)名稱是 、 。 (2)乙組細胞的總放射性強度比甲組的 ，原因是 。 (3)細胞利用3H-TdR合成生物大分子的過程發(fā)生在細胞周期的 期。 (4)在上述的實驗中選用3H-TdR的原因是 。 解析 本題利用同位素標(biāo)記法來研究DNA合成的時期，考查有絲分裂的有關(guān)知識。要正確作答本題必須掌握以下知識點：①胸腺嘧啶脫氧核苷酸是合成DNA分子的原料。②真核細胞的DNA分子主要分布在細胞核中（染色體上）；動物細胞的線粒體中也含少量的DNA。③合成DNA的過程發(fā)生在有絲分裂的間期。乙組由于加入了促進有絲分裂的物質(zhì)，使其分裂產(chǎn)生的細胞比甲組的多，即乙組細胞的總放射性強度比甲組的高。④細胞有絲分裂過程中有DNA合成，而3H-TdR是合成DNA的原料，且放射性強度可被測定，所以實驗選用3H-TdR。答案：(1)DNA 細胞核(或染色體)、線粒體 (2)高 乙組中促進有絲分裂的物質(zhì)促進了細胞分裂，攝取的3H-TdR比甲組的多 (3)間 (4)細胞增殖有DNA的合成，而3H-TdR是合成DNA的原料，其放射性強度可被檢測到 . 現(xiàn)結(jié)合《遺傳與進化》內(nèi)容，就放射性同位素的應(yīng)用原理及例析歸納如下： 1.證明DNA是遺傳物質(zhì) 原理：在研究蛋白質(zhì)和DNA在遺傳中的作用時，分別放射性標(biāo)記蛋白質(zhì)和DNA的特征元素（指蛋白質(zhì)有的而DNA沒有的元素，或者是DNA有的而蛋白質(zhì)沒有的元素，如蛋白質(zhì)的特征元素是S，而DNA的特征元素是P），通過培養(yǎng)、離心等一系列手段，根據(jù)上清液或沉淀物中的放射性來“區(qū)別”觀察這兩種物質(zhì)在進入細胞并產(chǎn)生子代中的作用。 2.探究DNA分子半保留復(fù)制的特點 （1）DNA分子復(fù)制n次后，計算子代DNA分子數(shù)、子代DNA分子的脫氧核苷酸鏈數(shù) 原理：DNA分子在自我復(fù)制過程中，最鮮明的特點就是半保留復(fù)制。一個DNA分子無論復(fù)制多少代，這個DNA分子的兩條鏈不變，一直作為模板，分別進入兩個子代DNA分子中。已知某全部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）若干代后，其DNA分子數(shù)、脫氧核苷酸鏈數(shù)及相關(guān)比例見下表：
（2）研究DNA半保留復(fù)制的具體過程 原理：通過放射性標(biāo)記來“區(qū)別”親代與子代的DNA，如放射性標(biāo)記15N，因為放射性物質(zhì)15N的原子量和14N的原子量不同，因此DNA的相對分子質(zhì)量不同。兩鏈都是15N的DNA，離心時為重帶；一鏈?zhǔn)?/SPAN>15N、一鏈?zhǔn)?/SPAN>14N的DNA，離心時為中帶；兩鏈都是14N的DNA，離心時為輕帶。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。 3.探究基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯 原理：用放射性同位素標(biāo)記尿嘧啶核糖核苷酸（RNA的特征堿基為U）、氨基酸，則在基因轉(zhuǎn)錄、翻譯的產(chǎn)物中就會含有放射性同位素，還可以用來確定轉(zhuǎn)錄、翻譯的場所。 4.基因探針在基因診斷中的運用 原理：在基因診斷中可利用放射性同位素15N、32P等制備基因探針，將某一致病基因放到含放射性15N或32P的培養(yǎng)基中進行擴增，加熱得到被標(biāo)記的致病基因單鏈即基因探針，利用DNA分子雜交原理，將待測者的DNA分子加熱處理形成DNA分子單鏈并與基因探針混合，讓其雜交，檢測是否形成雙鏈，若完全形成雙鏈，證明該待測者患有該病，否則不患。根據(jù)雜交帶情況可檢測生物親緣關(guān)系或轉(zhuǎn)基因生物是否插入目的基因，應(yīng)用同樣的原理還可檢測飲用水中病毒的含量。 |
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