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1、热点专题突破系列（四）同位素标记法的应用,【三年考情分析】在近几年的高考试题中,同位素标记法多有涉及。试题的内容多与经典生物学实验联系,有时也设置新情境来进行命题,考查内容涉及细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向以及细胞的结构和功能,化学物质的变化、反应机理等。对近三年高考分析如下：,【分类突破通关】类型一 元素的转移途径通关典例(2014宝鸡模拟)同位素的发现为探明许多生命的奥秘起了很重要的作用。(1)用18O标记二氧化碳,使其参与光合作用,再经有氧呼吸,则18O转移的途径是(),(2)如果用含15N的蛋白质饲料饲养体内不含15N的大白鼠,较长一段时间后,从大白鼠的组织中分离出下列物
2、质,其中含有15N的是(多选)()A.脂肪酸B.淀粉酶C.肌糖原D.生长激素(3)植物光合作用产生的O2来自H2O,还是来自CO2?请写出简单实验思路证明你的结论。_。,【解题指南】解答本题需注意以下两点：(1)识记CO2中氧的转移途径：CO2(CH2O)CO2。(2)知道哪些化合物含有N元素,如氨基酸、蛋白质、核苷酸、核酸、ATP等。,【解析】(1)二氧化碳在光合作用中参与暗反应，生成有机物(CH2O)，有机物(葡萄糖)又在细胞呼吸中首先分解成丙酮酸，丙酮酸在有氧呼吸第二阶段分解成CO2，所以二氧化碳中18O的转移途径是：C18O2(CH218O)C18O2。(2)淀粉酶和生长激素是蛋白质类
3、化合物，含有N元素。(3)本小题的实验设计可用同位素标记法。分别将用同位素18O标记的H218O和C18O2提供给两组植物进行光合作用实验，分析两组植物光合作用释放的氧气，18O2仅在提供H218O的那组植物中产生，即可证明光合作用产生的O2来自H2O。,答案：(1)B(2)B、D(3)来自H2O。分别将C18O2和H218O提供给两组植物，分析两组植物光合作用释放的氧气，18O2仅在提供H218O的那组植物中产生，即可证明上述结论,【通关锦囊】化学元素转移途径的实例分析1.光合作用产物中O元素的来源：(1)若用18O标记的H218O和未标记的CO2一起做实验,结果产生的氧气全是18O2。(2
4、)若用18O标记的C18O2和未标记的H2O一起做实验,结果产生的氧气全是16O2。(3)结论：光合作用过程中O2中的O全部来自H2O。2.暗反应过程中C元素的去向：(1)标记方法：用14C标记CO2中的C。(2)转移途径：随着14CO2的固定,14C首先出现在C3中,然后C3被还原,14C进入C5和(CH2O)中。,3.研究细胞呼吸过程中物质的转移途径：(1)用18O标记氧气(18O2)，生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部无放射性，即18O2H218O。(2)用18O标记葡萄糖(C6H1218O6)，生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部无放射性，即C6H1218O6C18O2。,【
5、通关特训】(2014汕头模拟)科学家利用同位素标记法搞清了许多化学反应的详细过程。下列说法正确的是()A.用15N标记核苷酸搞清了分裂期染色体形态和数目的变化规律B.用18O标记H2O和CO2有力地证明了CO2是光合作用的原料C.用14C标记CO2最终探明了CO2中碳元素在光合作用中的转移途径D.用35S标记噬菌体的DNA并以此侵染细菌证明了DNA是遗传物质,【解析】选C。用15N标记核苷酸只能搞清核苷酸(或DNA)的数量变化规律;用18O标记H2O和CO2可证明光合作用释放的氧全部来自水;用32P标记噬菌体的DNA,用35S标记噬菌体的蛋白质,才能证明DNA是遗传物质。,【加固训练】(201
6、4南京模拟)光合作用是地球上最重要的化学反应。同位素标记法的引入,为探寻和建立光合作用的化学反应过程,做出了巨大的贡献。(1)1941年,鲁宾用同位素标记法追踪光合作用中O2的来源。,鲁宾用H218O和普通的CO2进行小球藻光合作用实验(见图A),结果放出的O2具有放射性。若用C18O2和普通的H2O进行光合作用实验(见图B),结果产生的O2不具有放射性。综合实验,可获得的结论是。(2)美国科学家卡尔文用同位素标记法来追踪CO2是如何转变成碳水化合物的。卡尔文给小球藻悬浮液通入14CO2,光照一定时间(从1秒到数分钟)后杀死小球藻,同时提取产物并分析。实验发现,仅仅30秒的时间,CO2已经转化
7、为许多种类的化合物。想要探究CO2转化成的第一个产物是什么,可能的实验思路是_。,实验发现,在光照下物质A和物质B的浓度很快达到饱和并保持稳定。此时突然中断CO2的供应,A、B物质的变化如图C所示。以上实验说明,固定CO2的化合物是,CO2转化成的第一个产物是。,【解析】(1)由图A中CO2+H218O18O2和图B中C18O2+H2OO2可知,光合作用释放的O2来源于H2O。(2)卡尔文实验中仅30秒的时间,CO2已经转化为许多种类的化合物,无法判断哪种化合物是第一个产物,因此要探究CO2转化成的第一个产物,只有尽可能缩短光照时间,然后杀死小球藻,同时提取产物分析,当检测到的产物只有一种时,
8、该化合物就是第一个产物。突然中断CO2供应,固定CO2的化合物的消耗将减少,其含量将逐渐增多(如物质B),而CO2转化成的第一个产物将开始减少(如物质A)。,答案：(1)光合作用释放的O2来源于H2O,而不是CO2(2)缩短光照时间,当检测到的产物只有一种时,这个化合物就是第一个产物BA,类型二 生理过程及发生场所通关典例(2012山东高考)假设一个双链均被32P标记的噬菌体DNA由5 000个碱基对组成,其中腺嘌呤占全部碱基的20%。用这个噬菌体侵染只含31P的大肠杆菌,共释放出100个子代噬菌体。下列叙述正确的是()A.该过程至少需要3105个鸟嘌呤脱氧核苷酸B.噬菌体增殖需要细菌提供模板
9、、原料和酶等C.含32P与只含31P的子代噬菌体的比例为149D.该DNA发生突变,其控制的性状即发生改变,【解题指南】解答本题的关键是：(1)题干中的关键信息：1个被32P标记的噬菌体;共释放出100个子代噬菌体。(2)DNA复制n次后需要加入某种脱氧核苷酸的个数=(2n-1)1个DNA中的某种脱氧核苷酸数。(3)1种氨基酸可以由多个密码子编码,所以DNA发生基因突变对应的氨基酸可能不变,控制的性状可能不变。,【解析】选C。具体分析如下：A项错误,A=T=5 000220%=2 000个,G=C=5 000230%=3 000个。DNA复制n次后需要加入鸟嘌呤脱氧核苷酸的个数为(2n-1)1
10、个,DNA中的鸟嘌呤脱氧核苷酸数为993 000=2.97105。B项错误,噬菌体侵染细菌时,噬菌体的DNA进入作为模板,不需要细菌提供。C项正确,1个被32P标记的噬菌体经半保留复制形成的100个子代中有2个子代噬菌体含32P,98个只含31P,所以含32P的子代噬菌体与只含31P的子代噬菌体的比例为298=149。D项错误,由于一种氨基酸可以由多个密码子编码,所以DNA发生基因突变对应的氨基酸可能不变,控制的性状可能不变。,【通关锦囊】同位素标记法示踪生理过程及发生场所的分析1.研究分泌蛋白的合成和运输：(1)目的：用3H标记亮氨酸,探究分泌蛋白在细胞中的合成、运输与分泌途径。(2)方法：
11、在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下,通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置,就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。(3)转移途径：通过实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体上合成之后,是按照内质网高尔基体细胞膜的方向运输的,从而证明了细胞内的各种膜结构在功能上是紧密联系的。,2.探究DNA分子半保留复制的特点：(1)DNA分子复制n次后,计算子代DNA分子数、子代DNA分子的脱氧核苷酸链数所占比例。原理：DNA分子复制过程的特点是半保留复制。过程：将全部N原子被15N标记的DNA分子(0代)转移到含14N的培养基中培养(复制)n代后,子代DNA分子总数为2n个,脱氧核
12、苷酸链总数为2n+1个。a.不同DNA分子占全部DNA分子之比不同：只含15N的DNA分子所占比例为0;含15N和14N的DNA分子所占比例为2/2n(或1/2n-1);只含14N的DNA分子所占比例为(2n-2)/2n=1-2/2n。,b.不同脱氧核苷酸链占全部脱氧核苷酸链之比也不同：含15N的脱氧核苷酸链所占比例为2/2n+1=1/2n;含14N的脱氧核苷酸链所占比例为(2n+1-2)/2n+1=1-1/2n。(2)研究DNA半保留复制的具体过程。原理：通过放射性标记来“区别”亲代与子代的DNA。判断依据：放射性物质15N的原子量和14N的原子量不同,因此由15N组成的DNA与由14N组成
13、的DNA的相对分子质量不同。,结果。a.两条链都含15N的DNA,离心时为重带。b.一条链含15N、一条链含14N的DNA,离心时为中带。c.两条链都含14N的DNA,离心时为轻带。意义：根据重带、中带、轻带DNA出现的比例可判断DNA复制是全保留复制还是半保留复制。,【通关特训】1.科学家用3H标记的氨基酸培养哺乳动物的乳腺细胞,测量细胞合成并分泌乳腺蛋白过程中各种膜结构的面积变化,结果如右图。下列选项表示a、b、c所代表的膜结构名称以及放射性标记出现的先后顺序,正确的是()A.a核糖体b内质网c高尔基体B.a内质网b高尔基体c细胞膜C.a高尔基体c内质网b细胞膜D.a内质网c高尔基体b细胞
14、膜,【解析】选D。乳腺细胞是分泌细胞,能进行蛋白质的合成、加工和分泌过程,蛋白质在核糖体上合成后,将依次经过内质网、高尔基体、细胞膜等具膜的细胞结构,所以内质网膜面积在此过程中会减小,细胞膜面积将增大,而高尔基体膜面积将基本不变,所以a是内质网、b是细胞膜、c是高尔基体。,2.(2013滨州模拟)蚕豆体细胞染色体数目2n=12,科学家用3H标记蚕豆根尖细胞的DNA,可以在染色体水平上研究真核生物的DNA复制方式。实验的基本过程如下：.将蚕豆幼苗培养在含有3H的胸腺嘧啶脱氧核苷酸的培养基中,培养一段时间后,探测细胞分裂中期染色体的放射性情况。.当DNA分子双链都被3H标记后,再将幼苗移到含有秋水
15、仙素的无放射性的培养基中,培养一段时间后,探测细胞分裂中期染色体的放射性情况。,请回答相关问题：(1)蚕豆根尖细胞进行的分裂方式是;秋水仙素能使部分细胞的染色体数目加倍,其作用的机理是_。(2)中,在根尖细胞进行第一次分裂时,每条染色体上带有放射性的染色单体有条,每个DNA分子中,有条链带有放射性。中,若观察到一个细胞中有24条染色体,且二分之一的染色单体具有放射性,则表明该细胞的DNA在无放射性的培养基中复制了次,该细胞含有个染色体组。(3)上述实验表明,DNA分子的复制方式是。,【解析】(1)蚕豆根尖细胞为体细胞,其分裂方式为有丝分裂。秋水仙素使细胞内染色体数目加倍的原理是体细胞在有丝分裂
16、过程中,染色体完成了复制,纺锤体的形成受到抑制,以致染色体不能被拉向两极,于是形成了染色体数目加倍的细胞。(2)中,第一次有丝分裂中期时,每个DNA分子中都有一条链被3H标记,每条染色体上有2条染色单体被3H标记。中,第一次分裂中期时,每个DNA分子中都有一条链具有放射性,故所有染色单体都具有放射性;第二次分裂中期时,二分之一的染色单体具有放射性,此时,该细胞含有4个染色体组。(3)该实验表明DNA分子的复制方式是半保留复制。,答案：(1)有丝分裂抑制纺锤体的形成(2)2124(3)半保留复制,类型三 化合物的作用通关典例(2011浙江高考)为了探究某物质(X)的作用,研究者提出了以下实验思路
17、：(1)实验分组。甲组：培养液+Y细胞+3H-TdR(3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷)+生理盐水乙组：培养液+Y细胞+3H-TdR+X(用生理盐水配制)每组设置若干个重复样品。(2)分别测定两组的CRD(细胞内的放射性强度),求每组的平均值。,(3)将各样品在适宜条件下培养合适时间后,测定其CRD,求每组平均值并进行统计分析。(提示与说明,答题时用X、CRD、3H-TdR表示相关名词;Y细胞是能增殖的高等动物体细胞),请回答：(1)实验目的：。(2)预测实验结果及结论：_。(3)实验中采用3H-TdR的原因是：_。,【解题指南】(1)理论基础：胸腺嘧啶脱氧核苷是合成DNA分子的原料。(2)分析细胞
18、内放射性强度不同的原因：若细胞内放射性强度较大,说明有大量的3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷合成了DNA,通过甲、乙两组放射性强度的比较,确定物质X对DNA分子复制的作用是促进、抑制还是无影响。,【解析】本题考查实验分析与探究能力。(1)(2)实验目的是探究物质X对Y细胞增殖(DNA合成)的影响。影响可能有三个方面：促进作用、抑制作用和无影响。通过比较甲、乙两组放射性的强度来判定：如果乙组CRD明显高于甲组,说明物质X对Y细胞增殖(DNA合成)有促进作用;如果乙组CRD与甲组基本相同,说明物质X对Y细胞增殖(DNA合成)无影响;如果乙组CRD明显低于甲组,说明物质X对Y细胞增殖(DNA合成)有抑制作
19、用。(3)由于3H-TdR是合成DNA的原料,所以两组的CRD(细胞内的放射性强度)表示细胞增殖程度。,答案：(1)探究物质X对Y细胞增殖(DNA合成)的影响(2)如果乙组CRD明显高于甲组,说明物质X对Y细胞增殖(DNA合成)有促进作用;如果乙组CRD与甲组基本相同,说明物质X对Y细胞增殖(DNA合成)无影响;如果乙组CRD明显低于甲组,说明物质X对Y细胞增殖(DNA合成)有抑制作用(3)3H-TdR是合成DNA的原料之一,可根据CRD变化来判断细胞增殖(DNA合成)的情况,【通关锦囊】运用同位素标记法研究化合物的作用1.用3H标记胸腺嘧啶脱氧核苷酸,研究有丝分裂过程中染色体的变化规律：(1
20、)标记方法：在处于连续分裂的细胞的分裂期加入3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸。(2)目的：根据胸腺嘧啶被利用情况,确定DNA合成期的起始点和持续时间。(3)判断依据：根据放射性元素3H在DNA中出现的时间确定合成期的起点;根据放射性元素积累量的最大值的终止时间和起始时间来确定DNA分子复制的持续时间。,2.35S、32P在证明DNA是遗传物质中的作用：(1)标记方法：在研究蛋白质和DNA在遗传中的作用时,分别用放射性元素标记蛋白质和DNA的特征元素,如用32P标记噬菌体的DNA,在大肠杆菌内发现放射性物质,用35S标记噬菌体的蛋白质,在大肠杆菌内未发现放射性物质。(2)结论：验证噬菌体在侵染细菌的
21、过程中,进入细菌体内的是噬菌体的DNA,而不是噬菌体的蛋白质,进而证明了DNA是噬菌体的遗传物质。,【通关特训】(2013嘉兴模拟)在证明DNA是遗传物质的T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验中,正确的技术手段是()A.用化学方法把DNA和蛋白质分开B.用32P和35S分别标记T2噬菌体和大肠杆菌C.用32P和35S同时标记T2噬菌体D.用标记过的大肠杆菌培养T2噬菌体,【解析】选D。T2噬菌体是专门寄生在细菌中的病毒,无独立的代谢能力,只由蛋白质外壳和中心的核酸组成,应利用其侵染性,分别在含放射性32P和35S的培养基中培养大肠杆菌,然后用标记过的大肠杆菌再去培养T2噬菌体,从而将DNA和蛋白质区分开,但是并没有用化学方法真正地将DNA和蛋白质分开;不能用32P和35S同时标记T2噬菌体,否则区分不开是DNA发挥作用,还是蛋白质发挥作用。,
