“同位素标记法”的应用

河北 张丽萍

“同位素标记法”的应用

河北 张丽萍

“同位素标记法”是生物学研究中一种常用的研究方法。同位素可用于追踪物质的运行和变化规律。用同位素标记的化合物（3H-亮氨酸、35S-蛋白质、32P-DNA、3H-胸腺嘧啶脱氧核苷，14C-IAA和14C-ABA），化学性质不变。科学家通过追踪同位素标记的化合物，可以弄清化学反应的详细过程。这种方法叫作同位素标记法。现将高考题中有关“同位素标记法”的应用进行归纳和总结。

一、研究分泌蛋白的合成、运输和分泌的实验

【例1】（2007·全国新课标卷Ⅰ）下图表示用3H-亮氨酸标记细胞内的分泌蛋白，追踪不同时间具有放射性的分泌蛋白颗粒在细胞内分布情况和运输过程。其中正确的是（ ）

【解析】3H-亮氨酸首先在附着在内质网的核糖体上合成蛋白质，经内质网初步加工后，再转移到高尔基体中，最后形成分泌小泡与细胞膜融合后排出细胞外。所以放射性颗粒数依次增加的顺序为附着有核糖体的内质网→高尔基体→分泌小泡。

【答案】C

二、研究DNA是遗传物质的实验

【例2】（2011·江苏卷）关于“噬菌体侵染细菌的实验”的叙述，正确的是 （ ）

A.分别用含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基培养噬菌体

B.分别用35S和32P标记的噬菌体侵染未被标记的大肠杆菌，进行长时间的保温培养

C.用35S标记的噬菌体侵染实验中，沉淀物存在少量放射性可能是搅拌不充分所致

D.32P、35S标记的噬菌体侵染实验分别说明DNA是遗传物质、蛋白质不是遗传物质

【解析】噬菌体是细菌病毒，不能离开大肠杆菌独立进行生命活动。赫尔希和蔡斯首先在分别含有35S和32P的培养基中培养大肠杆菌，再用上述大肠杆菌培养噬菌体，得到蛋白质含有35S 标记或DNA含有32P标记的噬菌体。然后，用35S或32P标记的噬菌体分别侵染未被标记的大肠杆菌，经过短时间的保温后，用搅拌器搅拌，离心。搅拌的目的是使吸附在大肠杆菌上的噬菌体蛋白质外壳与大肠杆菌分离，离心的目的是使上清液中析出重量较轻的噬菌体颗粒，而离心管的沉淀物中留下被感染的大肠杆菌。

用35S标记的噬菌体侵染实验中，沉淀物存在少量放射性可能是搅拌不充分，使吸附在大肠杆菌上35S标记的亲代噬菌体蛋白质外壳没有与大肠杆菌分离，经离心后分布于沉淀物中。用32P标记的噬菌体侵染实验中，上清液存在少量放射性可能是：（1）保温时间过短，部分亲代噬菌体未侵染大肠杆菌，经离心后分布于上清液中。（2）保温时间过长，亲代噬菌体侵染大肠杆菌增殖后释放出子代噬菌体，经离心后分布于上清液中。

32P标记的噬菌体侵染实验说明DNA是遗传物质，35S标记的噬菌体侵染实验不能说明蛋白质不是遗传物质，因为蛋白质外壳留在外面，其作用不能得到证明。

【答案】C

三、研究DNA复制方式的实验

【例3】（2010·山东卷）蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期，然后在不含放射性标记的培养基中继续分裂至中期，其染色体的放射性标记分布情况是 （ ）

A.每条染色体的两条单体都被标记

B.每条染色体中都只有一条单体被标记

C.只有半数的染色体中一条单体被标记

D.每条染色体的两条单体都不被标记

【解析】DNA分子的复制方式是半保留复制，蚕豆根尖细胞在含3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷培养基中完成一个细胞周期后，每个DNA分子有一条单链含放射性，然后在不含放射性的培养基中继续培养时，每个DNA分子复制产生了2个DNA分子，其中一个DNA分子有一条单链含放射性，而另一个DNA分子则不含放射性，且这2个DNA分子分别存在于一条染色体的2条染色单体之中，即每条染色体中，有一条染色单体含放射性，另一条不含放射性。

【答案】B

四、研究细胞有丝分裂的实验

【例4】（2014·浙江卷）某哺乳动物体细胞在培养中能够分裂，在培养过程中将适量的3H-TdR（3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷）和某促进细胞分裂的药物加入到培养液中，培养一段时间，可观察和测量到 （ ）

A.G1期变短，该期有大量3H-TdR进入细胞核

B.S期变长，该期有DNA复制和核糖体的增生

C.G2期变短，该期细胞核中有组蛋白

D.M期相对较短，该期细胞的核膜始终完整

【解析】在培养过程中加入促进细胞分裂的药物会使细胞周期的各个时期都变短。3H-TdR是DNA复制的原料，DNA复制在S期，所以在S期大量3H-TdR进入细胞核，S期无核糖体的增生。 G2期进行的是与有丝分裂有关蛋白质（组蛋白等）的合成。核膜在前期开始解体，中期和后期没有核膜，末期重新出现。

【答案】C

五、研究生长素和脱落酸运输方式的实验

【例5】（2014·江苏卷·改编）为研究吲哚乙酸（IAA）与脱落酸（ABA）的运输特点，用放射性同位素14C标记IAA和ABA开展如下图所示的实验。请回答下列问题：

（1）若图中AB为茎尖切段，琼脂块①和②中出现较强放射性的是___（填序号）；琼脂块③和④中均出现了较强放射性，说明ABA在茎尖的运输___（填“是”或“不是”）极性运输。若先用某种抑制剂（不破坏IAA、不影响细胞呼吸）处理茎尖切段，再重复上述实验，结果琼脂块①和②中放射性强度相近，该抑制剂的作用机理可能是_____________________________。

（2）若图中AB为成熟茎切段，琼脂块①②③和④均出现较强放射性，说明IAA在成熟茎切段中的运输_____（填“是”或“不是”）极性运输。

【解析】生长素的运输方式有两种：一种是极性运输，在胚芽鞘、芽、幼叶和幼根中，生长素只能从形态学上端到形态学下端运输，而不能反过来运输，也就是只能单方向地运输，称为极性运输。极性运输是细胞的主动运输，需要载体和能量。另一种是非极性运输，在成熟组织中，生长素可以通过韧皮部进行无极性的被动运输，称为非极性运输。

（1）在胚芽鞘中，吲哚乙酸（IAA）具有极性运输的特点，只能从形态学上端（A）向形态学下端（B）运输，故琼脂块①中出现较强的放射性。琼脂③块和④中均出现了较强放射性，说明脱落酸（ABA）在茎尖的运输不具有极性运输的特点。吲哚乙酸（IAA）的极性运输是主动运输，用抑制剂处理茎尖切段，琼脂块①和②中放射性强度相近，说明抑制了吲哚乙酸（IAA）的主动运输，因不影响细胞呼吸，故可能是抑制剂与运输IAA的载体结合，从而影响了IAA的主动运输。

（2）在成熟组织中，吲哚乙酸（IAA）通过韧皮部进行非极性运输，故不是极性运输。

【答案】（1）① 不是 抑制剂与运输IAA的载体结合（2）不是

（作者单位：河北省张家口市第一中学）