高考生物學(xué)備課素材：同位素示蹤

同位素示蹤同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律，借助同位素原子以研究反應(yīng)歷程的方法稱為同位素示蹤法。

高考答題模板：作為*****合成原料之一，根據(jù)其放射性變化分析該物質(zhì)變化情況；作為*****合成原料之一，追蹤這些物質(zhì)在細(xì)胞中的轉(zhuǎn)移路徑及分布情況

用示蹤元素標(biāo)記的化合物，其化學(xué)性質(zhì)不變，與相應(yīng)的非放射性元素在生物體內(nèi)所發(fā)生的化學(xué)變化及生物學(xué)過程完全相同，科學(xué)家通過追蹤元素標(biāo)記的化合物可以弄清反應(yīng)歷程中學(xué)生物學(xué)上經(jīng)常使用的同位是組成細(xì)胞的主要元素,即C、H、O、N、P的同位素，它們又分為放射性同位素（如3H、14C、35S、32P）和穩(wěn)定性同位素（如18O、15N）。

生物學(xué)研究中常用放射性同位素標(biāo)記某一前體物質(zhì)然后使用放射性自顯影技術(shù)確定與追蹤這些物質(zhì)在細(xì)胞中的轉(zhuǎn)移路徑及分布情況,而穩(wěn)定性同位素在生物學(xué)研究中經(jīng)常用作標(biāo)記進(jìn)行于實(shí)驗(yàn),一般只用于測(cè)量分子質(zhì)量或密度梯度離心技術(shù)來區(qū)別不同的原子或分子,而不能用放射性自顯影技術(shù)來顯示追蹤其位置和去向。1.1必修Ⅰ《分子與細(xì)胞》模塊1.1.1第一章第一節(jié)“分子與和離子”，同位素示蹤技術(shù)的概念及應(yīng)用舉例。還講到示蹤原子不僅用于科學(xué)研究，還用于疾病的診斷和治療。例如，甲狀腺可以選擇性地吸收碘，通過碘釋放的射線破壞甲狀腺細(xì)胞，使甲狀腺腫大得到緩解。因此，碘的放射性同位素就可以用于治療甲狀腺腫大。1.1.2第二章第三節(jié)“細(xì)胞質(zhì)”，放射性同位素應(yīng)用于細(xì)胞中的轉(zhuǎn)移路徑及分布情況。科學(xué)家在研究分泌蛋白的合成和分泌時(shí)，在豚鼠的胰臟腺泡細(xì)胞中注射3H標(biāo)記的亮氨酸，3分鐘后，放射性出現(xiàn)在粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，17分鐘后，出現(xiàn)在釋放到細(xì)胞外的分泌中。1.1.3

第三章第五節(jié)“光合作用”，穩(wěn)定性同位素應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)中的該原子的轉(zhuǎn)移路徑。研究光合作用所釋放的O2，究竟來自CO2，還是來自H2O?？茖W(xué)家用18O標(biāo)記的二氧化碳和水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，只有供給H218O時(shí)，光合作用所釋放的才是18O。1945年以后，碳的放射性同位素14C被發(fā)現(xiàn)，于是卡爾文想到，如果讓植物以14C標(biāo)記的CO2為原料進(jìn)行光合作用，然后尋找14C轉(zhuǎn)變的路徑，就可以解決光合作用中的重要問題了。于是他和同事們進(jìn)行研究，經(jīng)過努力，1954年完全闡明了光合作用中碳的轉(zhuǎn)變途徑，即卡爾文循環(huán)。1.2必修Ⅱ《遺傳與進(jìn)化》模塊1.2.1第三章第一節(jié)“核酸是遺傳物質(zhì)的證據(jù)”，放射性同位素應(yīng)用于其所標(biāo)記物質(zhì)轉(zhuǎn)移途徑。科學(xué)家用放射性同位素35S標(biāo)記了一部分噬菌體的蛋白質(zhì)，用放射性同位素32P標(biāo)記了另一部分噬菌體的DNA。然后，用兩種被標(biāo)記的T2噬菌體分別去侵染細(xì)菌。當(dāng)T2噬菌體在細(xì)菌內(nèi)大量繁殖后，科學(xué)家對(duì)標(biāo)記物質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果在子代噬菌體中檢測(cè)到32P。1.2.2第三章第三節(jié)“遺傳信息的傳遞”，穩(wěn)定性同位素探究DNA的復(fù)制過程。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者認(rèn)為，含的雙鏈DNA密度較大，離心后的條帶應(yīng)分布于離心管的下部；含14N的雙鏈DNA密度較小，離心后的條帶應(yīng)分布于離心管的上部；兩條鏈分別含14N和的雙鏈DNA密度應(yīng)該介于雙鏈均含15N和雙鏈均含14N的DNA之間，離心后的條帶應(yīng)分布于離心管的中部。根據(jù)同位素示蹤的結(jié)果，新合成的雙鏈DNA分子中，有一條鏈?zhǔn)莵碜杂H代的DNA，另一條鏈則是新合成的。因此細(xì)胞中DNA的復(fù)制被稱為半保留復(fù)制。例1、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CRD，求每組平均值并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。（要求與說明：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）略

（2）略

（3）實(shí)驗(yàn)中采用3H-TDR的原因是：答案：H-TdR是DNA合成的原料之一，可根據(jù)CRD變化來判斷細(xì)胞增殖（DNA合成）情況

。解析：3H-TDR是DNA合成的原料，培養(yǎng)液中加入3H-TDR，DNA合成時(shí)3H-TDR被利用，被利用的越多，細(xì)胞內(nèi)的放射性越高，可根據(jù)CRD變化判斷細(xì)胞增殖情況，所以實(shí)驗(yàn)中采用3H-TDR。

2、某哺乳動(dòng)物體細(xì)胞在培養(yǎng)中能夠分裂，在培養(yǎng)過程中將適量的3HTdR(3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷)和某促進(jìn)細(xì)胞分裂的藥物加入到培養(yǎng)液中，培養(yǎng)一段時(shí)間，可觀察和測(cè)量到()A．G1期變短，該期有大量3HTdR進(jìn)入細(xì)胞核B．S期變長，該期有DNA復(fù)制和核糖體的增生C．G2期變短，該期細(xì)胞核中有組蛋白D．M期相對(duì)較短，該期細(xì)胞的核膜始終完整答案：C解析：A選項(xiàng)錯(cuò)誤：3H-TdR是合成DNA的原料，大量3H-TdR進(jìn)入細(xì)胞核在S期（DNA復(fù)制期）；B選項(xiàng)錯(cuò)誤：促進(jìn)細(xì)胞分裂的藥物將會(huì)使細(xì)胞周期縮短，因此S期變短，而且S期無核糖體的增生；C選項(xiàng)正確：促進(jìn)細(xì)胞分裂的藥物將會(huì)使細(xì)胞周期縮短，因此G2期變短；組蛋白與DNA結(jié)合后形成染色質(zhì)；D選項(xiàng)錯(cuò)誤：核膜在M期的前期就已經(jīng)解體，到末期才會(huì)重建。

3、下面是關(guān)于植物光合作用的問題。請(qǐng)回答：

（1）光反應(yīng)發(fā)生在葉綠體的中,H20在光反應(yīng)中裂解為

。

（2）

若以14CO2作為光合作用的原料,在卡爾文循環(huán)中首先出現(xiàn)含的三碳化合物是

。該三碳化合物在NADPH的氫和ATP的

等物質(zhì)存在的情況下，被還原為三碳糖磷酸。

（3）給某植物提供C1802和H20,釋放的氧氣中含有18O是由于

，H218O又作為原料參與了光合作用之故。

(4)略。

答案：（1）類囊體膜中,

O2

H+、電子

。

（2）

三碳酸

。磷酸基團(tuán)

（3）

C1802的部分氧轉(zhuǎn)移到H2180中

，解析：（1）光合作用的光反應(yīng)場(chǎng)所是葉綠體的類囊體膜上，水在光反應(yīng)中裂解為氧氣、H+和電子。（2）卡爾文循環(huán)的第一個(gè)反應(yīng)是RuBP和CO2結(jié)合形成三碳酸，然后三碳酸在NADPH和ATP提供的氫、磷酸基團(tuán)和能量作用下被還原為三碳糖磷酸。（3）碳反應(yīng)的過程中也有水的產(chǎn)生，所以CO2參與光合作用會(huì)將其中的氧原子轉(zhuǎn)移到水中，而后水又作為原料參與光合作用。

4、若將處于G1期的胡蘿卜愈傷組織細(xì)胞置于含3H

標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸培養(yǎng)液中，培養(yǎng)至第二次分裂中期。下列敘述正確的是（）

A.每條染色體中的兩條染色單體均含3H

B.每個(gè)DNA分子的兩條脫氧核苷酸鏈均含3H

C．每個(gè)DNA分子中均只有一條脫氧核苷酸鏈含3H

D．每條染色單體均只有一個(gè)DNA

分子的兩條脫氧核苷酸鏈含3H

答案：A解析：A正確，第2次分裂中期時(shí)有一半DNA分子只有一條脫氧核苷酸鏈含3H，另一半DNA分子兩條脫氧核苷酸鏈均含3H,故BCD均錯(cuò)。

5、為了研究海拉細(xì)胞的細(xì)胞增殖,以總細(xì)胞數(shù)和細(xì)胞分裂指數(shù)(細(xì)胞群體中分裂細(xì)胞所占的百分比)為測(cè)定指標(biāo),完善實(shí)驗(yàn)思路,預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果并進(jìn)行分析與討論(要求:細(xì)胞培養(yǎng)至培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)不足。實(shí)驗(yàn)思路涉及的主要用具須寫出,但具體操作過程不做要求。實(shí)驗(yàn)條件適宜)

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