“同位素標(biāo)記法”的應(yīng)用

河北 張麗萍

“同位素標(biāo)記法”的應(yīng)用

河北 張麗萍

“同位素標(biāo)記法”是生物學(xué)研究中一種常用的研究方法。同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。用同位素標(biāo)記的化合物（3H-亮氨酸、35S-蛋白質(zhì)、32P-DNA、3H-胸腺嘧啶脫氧核苷，14C-IAA和14C-ABA），化學(xué)性質(zhì)不變?？茖W(xué)家通過追蹤同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程。這種方法叫作同位素標(biāo)記法?，F(xiàn)將高考題中有關(guān)“同位素標(biāo)記法”的應(yīng)用進(jìn)行歸納和總結(jié)。

一、研究分泌蛋白的合成、運(yùn)輸和分泌的實(shí)驗(yàn)

【例1】（2007·全國新課標(biāo)卷Ⅰ）下圖表示用3H-亮氨酸標(biāo)記細(xì)胞內(nèi)的分泌蛋白，追蹤不同時間具有放射性的分泌蛋白顆粒在細(xì)胞內(nèi)分布情況和運(yùn)輸過程。其中正確的是（ ）

【解析】3H-亮氨酸首先在附著在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的核糖體上合成蛋白質(zhì)，經(jīng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)初步加工后，再轉(zhuǎn)移到高爾基體中，最后形成分泌小泡與細(xì)胞膜融合后排出細(xì)胞外。所以放射性顆粒數(shù)依次增加的順序?yàn)楦街泻颂求w的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→分泌小泡。

【答案】C

二、研究DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)

【例2】（2011·江蘇卷）關(guān)于“噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)”的敘述，正確的是 （ ）

A.分別用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培養(yǎng)基培養(yǎng)噬菌體

B.分別用35S和32P標(biāo)記的噬菌體侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌，進(jìn)行長時間的保溫培養(yǎng)

C.用35S標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)中，沉淀物存在少量放射性可能是攪拌不充分所致

D.32P、35S標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)分別說明DNA是遺傳物質(zhì)、蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)

【解析】噬菌體是細(xì)菌病毒，不能離開大腸桿菌獨(dú)立進(jìn)行生命活動。赫爾希和蔡斯首先在分別含有35S和32P的培養(yǎng)基中培養(yǎng)大腸桿菌，再用上述大腸桿菌培養(yǎng)噬菌體，得到蛋白質(zhì)含有35S 標(biāo)記或DNA含有32P標(biāo)記的噬菌體。然后，用35S或32P標(biāo)記的噬菌體分別侵染未被標(biāo)記的大腸桿菌，經(jīng)過短時間的保溫后，用攪拌器攪拌，離心。攪拌的目的是使吸附在大腸桿菌上的噬菌體蛋白質(zhì)外殼與大腸桿菌分離，離心的目的是使上清液中析出重量較輕的噬菌體顆粒，而離心管的沉淀物中留下被感染的大腸桿菌。

用35S標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)中，沉淀物存在少量放射性可能是攪拌不充分，使吸附在大腸桿菌上35S標(biāo)記的親代噬菌體蛋白質(zhì)外殼沒有與大腸桿菌分離，經(jīng)離心后分布于沉淀物中。用32P標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)中，上清液存在少量放射性可能是：（1）保溫時間過短，部分親代噬菌體未侵染大腸桿菌，經(jīng)離心后分布于上清液中。（2）保溫時間過長，親代噬菌體侵染大腸桿菌增殖后釋放出子代噬菌體，經(jīng)離心后分布于上清液中。

32P標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)說明DNA是遺傳物質(zhì)，35S標(biāo)記的噬菌體侵染實(shí)驗(yàn)不能說明蛋白質(zhì)不是遺傳物質(zhì)，因?yàn)榈鞍踪|(zhì)外殼留在外面，其作用不能得到證明。

【答案】C

三、研究DNA復(fù)制方式的實(shí)驗(yàn)

【例3】（2010·山東卷）蠶豆根尖細(xì)胞在含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷培養(yǎng)基中完成一個細(xì)胞周期，然后在不含放射性標(biāo)記的培養(yǎng)基中繼續(xù)分裂至中期，其染色體的放射性標(biāo)記分布情況是 （ ）

A.每條染色體的兩條單體都被標(biāo)記

B.每條染色體中都只有一條單體被標(biāo)記

C.只有半數(shù)的染色體中一條單體被標(biāo)記

D.每條染色體的兩條單體都不被標(biāo)記

【解析】DNA分子的復(fù)制方式是半保留復(fù)制，蠶豆根尖細(xì)胞在含3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷培養(yǎng)基中完成一個細(xì)胞周期后，每個DNA分子有一條單鏈含放射性，然后在不含放射性的培養(yǎng)基中繼續(xù)培養(yǎng)時，每個DNA分子復(fù)制產(chǎn)生了2個DNA分子，其中一個DNA分子有一條單鏈含放射性，而另一個DNA分子則不含放射性，且這2個DNA分子分別存在于一條染色體的2條染色單體之中，即每條染色體中，有一條染色單體含放射性，另一條不含放射性。

【答案】B

四、研究細(xì)胞有絲分裂的實(shí)驗(yàn)

【例4】（2014·浙江卷）某哺乳動物體細(xì)胞在培養(yǎng)中能夠分裂，在培養(yǎng)過程中將適量的3H-TdR（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)一段時間，可觀察和測量到 （ ）

A.G1期變短，該期有大量3H-TdR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期相對較短，該期細(xì)胞的核膜始終完整

【解析】在培養(yǎng)過程中加入促進(jìn)細(xì)胞分裂的藥物會使細(xì)胞周期的各個時期都變短。3H-TdR是DNA復(fù)制的原料，DNA復(fù)制在S期，所以在S期大量3H-TdR進(jìn)入細(xì)胞核，S期無核糖體的增生。 G2期進(jìn)行的是與有絲分裂有關(guān)蛋白質(zhì)（組蛋白等）的合成。核膜在前期開始解體，中期和后期沒有核膜，末期重新出現(xiàn)。

【答案】C

五、研究生長素和脫落酸運(yùn)輸方式的實(shí)驗(yàn)

【例5】（2014·江蘇卷·改編）為研究吲哚乙酸（IAA）與脫落酸（ABA）的運(yùn)輸特點(diǎn)，用放射性同位素14C標(biāo)記IAA和ABA開展如下圖所示的實(shí)驗(yàn)。請回答下列問題：

（1）若圖中AB為莖尖切段，瓊脂塊①和②中出現(xiàn)較強(qiáng)放射性的是___（填序號）；瓊脂塊③和④中均出現(xiàn)了較強(qiáng)放射性，說明ABA在莖尖的運(yùn)輸___（填“是”或“不是”）極性運(yùn)輸。若先用某種抑制劑（不破壞IAA、不影響細(xì)胞呼吸）處理莖尖切段，再重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，結(jié)果瓊脂塊①和②中放射性強(qiáng)度相近，該抑制劑的作用機(jī)理可能是_____________________________。

（2）若圖中AB為成熟莖切段，瓊脂塊①②③和④均出現(xiàn)較強(qiáng)放射性，說明IAA在成熟莖切段中的運(yùn)輸_____（填“是”或“不是”）極性運(yùn)輸。

【解析】生長素的運(yùn)輸方式有兩種：一種是極性運(yùn)輸，在胚芽鞘、芽、幼葉和幼根中，生長素只能從形態(tài)學(xué)上端到形態(tài)學(xué)下端運(yùn)輸，而不能反過來運(yùn)輸，也就是只能單方向地運(yùn)輸，稱為極性運(yùn)輸。極性運(yùn)輸是細(xì)胞的主動運(yùn)輸，需要載體和能量。另一種是非極性運(yùn)輸，在成熟組織中，生長素可以通過韌皮部進(jìn)行無極性的被動運(yùn)輸，稱為非極性運(yùn)輸。

（1）在胚芽鞘中，吲哚乙酸（IAA）具有極性運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)，只能從形態(tài)學(xué)上端（A）向形態(tài)學(xué)下端（B）運(yùn)輸，故瓊脂塊①中出現(xiàn)較強(qiáng)的放射性。瓊脂③塊和④中均出現(xiàn)了較強(qiáng)放射性，說明脫落酸（ABA）在莖尖的運(yùn)輸不具有極性運(yùn)輸?shù)奶攸c(diǎn)。吲哚乙酸（IAA）的極性運(yùn)輸是主動運(yùn)輸，用抑制劑處理莖尖切段，瓊脂塊①和②中放射性強(qiáng)度相近，說明抑制了吲哚乙酸（IAA）的主動運(yùn)輸，因不影響細(xì)胞呼吸，故可能是抑制劑與運(yùn)輸IAA的載體結(jié)合，從而影響了IAA的主動運(yùn)輸。

（2）在成熟組織中，吲哚乙酸（IAA）通過韌皮部進(jìn)行非極性運(yùn)輸，故不是極性運(yùn)輸。

【答案】（1）① 不是 抑制劑與運(yùn)輸IAA的載體結(jié)合（2）不是

（作者單位：河北省張家口市第一中學(xué)）