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放射性同位素标记法的应用归类例析

放射性同位素标记法是利用放射性元素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，也是高中生物实验中常用的一种实验方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。以研究生物相应的生理过程。一般常用的放射性元素有： 15N、3H、35S、32P、14C、18O等，在实验时应根据实验的目的来选择好被标记的元素。根据实验研究的对象可以分为研究元素转移的实验、研究物质转移的实验以及研究结构转移的实验：
一、研究元素转移的实验
1、研究光合作用、细胞呼吸中元素去向：
光合作用： H218O 2[H]+1/218O2

C3植物：14CO2 14C3 （14CH2O）
C4植物：14CO2 14C4 （14CH2O）

细胞呼吸：C6H12O6+6H2O+618O2 6CO2+12H2O
酶
CO2
+ H2O

例1：如果用含18O的水浇灌某盆栽植物，并将该盆栽植物置于光照下。过上一段时间，在植物周围的空气中，能够收集到哪些含18O的气态物质？ ，这些物质是由植物体内的哪些生理过程产生的？ 。
0 10 20 30 40 50 60
与根尖顶端的距离（mm）
40
30
20
10
32p
放
射
性
强
度
相
对
值
运输量
积累量
2、研究植物对矿质元素吸收部位及运输途径：
例2：科学家用大麦幼苗进行实验，探究根尖
吸收矿质元素最活跃的区域，测量结果如下图：
请分析上述曲线回答下列问题：
（1）该实验的原理是：
。
（2）分析根尖顶端积累磷较多的可能原因：
。
（3）根尖某区域吸收32P的量与积累量和运
输量的关系是什么？ 。
（4）由该实验可得出什么结论？

例3：科学家用不透水的蜡纸将柳树茎的韧皮部和木质部隔开，对照组则不插入蜡纸，然后在土壤中施予含含放射性42K的无机盐溶液，5h后，测得42K在柳茎各部分的分布情况。
实验结果A：有蜡纸隔开的木质部含有大量的42K，而韧皮部几乎没有42K。
实验结果B：在实验组枝条上韧皮部和木质部没被剥离的部分以及对照实验中，韧皮部都有较多的42K。
试运用所学的生物学知识，对上述研究结果作出解释：
（1）解释结果A：
（2）解释结果B：
3、研究甲状腺分泌激素的特点：
例4：用体重等方面大体相同的三组兔子进行实验。将含有放射性碘的注射液注射到A、B、C三组兔子的体内，然后，定时测定兔子甲状腺的放射量，发现三只兔子甲状腺内的放射量变化为：第1天都增加且增加速度相同，第2天到第4天时间段内都减少且减少速度相同。4天后，向A组兔子注射无放射性的甲状腺激素，向B组兔子注射无放射性的促甲状腺激素，向C组兔子注射生理盐水，随后发现三只兔子甲状腺的放射量变化速率为：A组兔子的减少速率减慢，B组兔子的减少速率增大，C组兔子的减少速率不变。
（1）开始的4天内，三组兔子体内甲状腺放射量升降的原因是： 。
（2第二次注射后，三组兔子甲状腺放射量下降的速率不同，其原因是： 。
4、在物质循环中的应用：
例5：人们最早在一堆垃圾里的有机物中检测到了放射性，随后又在附近的植物中检测到了放射性，接着在其周围生活的动物体内也检测到了放射性。动物体内的放射性的强弱情况如下图所示
5
15
25
35（天）
放射击性强度
蚱蜢（G）
蜘蛛（S）
蚂蚁（A）
（1）这种放射性物质是如何进入到植物体内的？

（2）为什么曲线S滞后于曲线G？

（3）曲线S的最大值大于曲线G，说明什么？

（4）为什么最迟在蚂蚁体内检测到放射性？

（5）放射性元素的半衰期很长，而在上述三种生物体内却很快衰退减了，为什么？

二、研究物质转移的实验
1、研究DNA半保留复制特点：
14N14N
14N15N
14N15N
14N15N
15N15N
14N15N
15N15N
15N
复制
1次
+
15N
复制
2次
+
2
2
15N
复制
n次
2
+
（2n-2）
将不含15N的DNA分子放到15N标记的脱氧核苷酸的培养基中让其进行复制，数代后检测所有DNA分子的放射性强度或比例，证明DNA复制具有半保留复制的特点，如下图示：

例6：DNA复制方式，可以通过设想来进行预测，可能的情况是：全保留复制、半保留复制。请设计实验来证明DNA的复制方式。实验步骤如下：
①在氮源为14N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N—DNA（对照）。
②在氮源为15N的培养基中生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N—DNA（亲代）。
③将亲代15N大肠杆菌转移到含14N的培养基中，再连续繁殖两代（Ⅰ和Ⅱ），用密度递度离心方法分离。
（1）实验预测：
①如果与对照（14N/14N）相比，子代Ⅰ能分辨出两条DNA带，分别是 和 ，则可以排除 ，同时肯定是 。
②如果子代Ⅰ只有一条 ，则可以排除 。
③如果子代Ⅰ只有一条中密度带，再继续做子代ⅡDNA密度鉴定，子代Ⅱ可以分出 和 ，则肯定是 。
（2）有人提出：第一代（Ⅰ）的DNA用解旋酶处理后再离心，就能直接判断DNA的复制方式，如果轻带和重带各占1/2，则一定为半保留复制。你认为该同学的说法是否正确？ ，原因是； 。
14CO2 （14CH2O） 筛管
2、研究有机物在植物体内运输的途径；

例7：科研人员在研究植物叶片合成的有机物的运输途径时做了如下实验：
（1）将植物茎（基部无叶部分）的韧皮部和木质部剥离分开，中间插入不透水的蜡纸，对照组不插入蜡纸。
（2）用透明的塑料袋装含有14CO2混合气体，将实验组与对照组中植物顶端的枝叶套住并封紧袋口，将装置放于适宜的环境中
（3）一段时间后测定14C在该植物茎各部分的分布。
实验结果A：实验组中有蜡纸隔开的韧皮部含有大量的14C，而木质部几乎没有14C
实验结果B：实验组中韧皮部和木质部没被剥离的部分以及对照组中，木质部都有较多的14C
请结合已学知识对上述结果作出解释：
解释结果A：
解释结果B：
氨基酸
（15N）
核糖体
（15N）
内质网
（15N）
高尔基体
（15N）
经细胞膜分泌到细胞外
3、研究合成分泌蛋白的场所、运输通道及分泌过程：

例8：在动物实验中，如果用含有15N的蛋白质饲料饲养体内不含15N的大白鼠，在饲料适量的情况下，15N将首先出现在该动物体内细胞的哪一种细胞器中？ （线粒体、中心体、内质网、高尔基体）。如果上述饲养过程继续下去，可以发现从大白鼠的组织中分离出的哪些代谢产物中有15N？ （脂肪酸、肠淀粉酶、肌糖元、胰岛素）
4、在证明遗传物质方面的应用：
由于噬菌体的蛋白质外壳含S而几乎不含P，噬菌体的DNA含P而几乎不含S，因而用35S、32P标记噬菌体可以分别研究蛋白质、DNA的遗传功能。在噬菌体侵染细菌的过程中，侵入细菌内的是DNA，而不是蛋白质。从而证明了DNA分子能在前后代保持连续性，进而说明DNA是生物的遗传物质。
例9：（1）实验室已制备好分别含3H、14C、15N、18O、32P、35S等6种放射性同位素的微生物培养基。为了证明噬菌体侵染细菌时，进入细菌的是噬菌体DNA，而不是它的蛋白质外壳，你将选择哪两种培养基分别用于噬菌体的蛋白质外壳和DNA的标记？
（2）你用这两种培养基怎样去实现对噬菌体的标记？请简要说明实验的设计方法和这样设计的理由。 。
5、在基因诊断中的应用：
在基因诊断中可利用放射性同位素15N、32P等制备基因探针：将某一致病基因放到含放射性15N或32P的培养基中进行扩增，加热得到标记的致病基因单链即制备了基因探针。利用DNA分子杂交原理，将待测者的DNA分子加热处理形成DNA分子单链并与基因探针混合，让其杂交，检测是否形成双链，若完全形成双链，证明该待测者患有基因病，否则不患。

例10：单基因遗传病可以通过核酸杂交技术进行早期诊断。镰刀型细胞贫血症是一种在地中海地区发病率较高的单基因遗传病。已知红细胞正常个体
的基因型为BB、Bb，镰刀型细胞贫血症患
者的基因型为bb。有一对夫妇被检测出均
为该致病基因的携带者，为了能生下健康
的孩子，每次妊娠早期都进行产前诊断。
下图为其产前核酸分子杂交诊断和结果示意图。
(1)从图中可见，该基因突变是由于
引起的。巧合的是，这个位点的突变使得原
来正常基因的限制酶切割位点丢失。正常基
因该区域上有3个酶切位点，突变基因上只有2个酶切位点，经限制酶切割后，凝胶电泳分
离酶切片段，与探针杂交后可显示出不同的带谱，正常基因显示 条，突变基因显示
条。
(2)DNA或RNA分子探针要用 等标记。利用核酸分子杂交原理，根据图中突变基因的核苷酸序列(…ACGTGTT…)，写出作为探针的核糖核苷酸序列 。
(3)根据凝胶电泳带谱分析可以确定胎儿是否会患有镰刀型细胞贫血症。这对夫妇4次妊娠的胎儿Ⅱ-l～II-4中基因型BB的个体是 ，Bb的个体是 ，bb的个体是 。
6、研究细胞分裂间期的特点；

DNA中含碱基T，RNA中不含碱基T；RNA中含碱基U，DNA中不含碱基U。因此可用放射性同位素分别标记T和U来研究细胞分裂间时的DNA的复制和蛋白质的合成。
0
5
10
15
20
一个细胞周期
a
b
d
c
e
U
T
利用碱基的速率
例11：用放射性同位素分别标记U和T的培养基培养蚕豆根尖分生区细胞，观察其有丝分裂周期为20h，根据这两种碱基被细胞利用的速率，绘制成的曲线如图所示。下列对此结果的分析中，不正确的是：
A、b点时刻，细胞正大量合成RNA
B、d点时刻，细胞中DNA含量达到最高值。
C、c~e阶段，细胞内最容易发生基因突变
D、处于a~e阶段的细胞数目较多

三、研究结构转移的实验
1、研究植物细胞的转移
例12：胸腺嘧啶脱氧核苷（简称胸苷）在细胞内可以转化为胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸，后者是合成DNA的原料，用含有3H—胸苷的营养液，处理活的菜豆的幼根处，一定时间后洗去游离的3H—胸苷。连续48小时检测a和b部位（a是生长点，b是非生长点部位），则a和b处的放射性量为：
时间（秒）
3H
量
O
a
b
时间（秒）
3H
量
O
b
a
时间（秒）
3H
量
O
a
b
时间（秒）
3H
量
O
b
a
A
B
C
D

2、研究动物细胞的转移
例13：胸腺嘧啶脱氧核糖核苷（简称胸苷）在细胞内可以转化为胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸，后者是合成DNA的原料。用含有3H—胸苷的营养液，处理活的小肠黏膜层，半小时后洗去游离的3H—胸苷。连续48小时检测小肠绒毛的被标记部位，结果如图（黑点表示放射性部位）。请回答下列问题：
几小时检测
24小时检测
48小时检测

（1）处理后开始的几小时，发现只有a处可以能够检测到放射性，这说明什么？ 。
（2）处理后24小时左右，在b处可以检测到放射性；48小时左右，在c处可以检测到放射性。为什么？ 。
（3）如果继续跟踪检测，小肠黏膜层上的放射性将发生怎样的变化？ 。
（4）上述实验假如选用含有3H—尿嘧啶核糖核苷的营养液，请推测几小时内小肠黏膜层上放射性出现的情况将会怎样？为什么？ 。
解析：本题不仅要求学生能运用所学知识解答新情境中的问题，而且还需要有一定的推理和想象能力。在第一问中关键是想到胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸只用于细胞分裂时DNA复制。在第二和第三问中，要发挥一定的想象力，想象出小肠黏膜层的上皮细胞处于动态的推移过程中，事实上小肠黏膜层的上皮细胞的平均寿命只有三天左右，新的上皮细胞不断由基部细胞分裂产生，并逐渐上移替代那些脱落的顶部细胞。在第四问中，应该想到尿嘧啶核糖核苷酸可用于mRNA的合成，因此在小肠黏膜层的各处都可以检测到放射性。

参考答案

1、答案：水、CO2、O2； 光合作用、呼吸作用（有氧呼吸）、蒸腾作用。
2、答案：（1）利用放射性同位素追踪物质运行的过程，通过测定根尖不同区域矿质元素的吸收量的多少来确定吸收最活跃的区域。（2）根尖顶端吸收的矿质元素不能及时运出。（3）根尖某区域吸收32P的量等于该区域运输量和积累量的和。（4）距根尖顶端20—60mm的区段是根尖吸收矿质元素最活跃的部位，即根尖成熟区。
3、答案：（1）根部吸收的无机盐离子是通过木质部由下向上运输的。
（2）无机盐离子在茎中能从木质部横向运输到韧皮部。
4、答案：（1）甲状腺能聚集身体中的碘合成甲状腺激素，所以在开始一段时间甲状腺放射量增高，甲状腺分泌的甲状腺激素逐渐释放，进入血液，所以甲状腺的放射量随后又降低。（2）B组注射了促甲状腺激素，促进了甲状腺激素的合成和分泌，所以甲状腺的放射量降低；C组为对照组；A组注射了无放射性的甲状腺激素，血液中甲状腺激素升高，反馈调节使甲状腺激素合成和分泌量减少，故其甲状腺内的放射量仍较高。
5、答案：（1）微生物将有机物分解，该放射性物质以离子的形式进入土壤，再由植物的根，经主动运输进入植物体内。（2）蜘蛛是食肉动物，它会捕捉蚱蜢，当蚱蜢体内具有放射性后，蜘蛛体内才具有放射性，因此曲线S滞后于曲线G。（3）存在富集现象，因为营养级越高的生物，放射击性物质的含量会比营养级低的生物高。（4）国为蚂蚁一般只能吃到死亡的蚱蜢和蜘蛛。（5）在生物体内的放射性元素的半衰期并未发生变化，三种生物体内放射性衰减的原因是生物的新陈代谢将部分放射性元素排出体外。
6、答案：（1）①一条轻密度带（14N/14N） 一条重密度带（15N/15N） 半保留复制 全保留复制
②中密度带 全保留复制 ③1/2中密度带 1/2轻密度带 半保留复制
（2）不正确 因为不论是全保留复制，还是半保留复制，其第一代用解旋酶处理后，都有一半的单链含15N，一半的单链含14N，离心后都有一半在重带上，一半在轻带上
7、答案：解释结果A：植物叶片合成的有机物通过韧皮部运输。
解释结果B：植物叶片合成的有机物能从韧皮部横向运输到木质部。
8、答案：内质网；肠淀粉酶、胰岛素。
9、答案：（1）用32P标记DNA，用35S标记蛋白质外壳。（2）先将细菌分别放在32P或35S的培养基上培养，使细菌被标记上32P或35S，然后用噬菌体去侵染分别被32P或35S标记的细菌。因为噬菌体营寄生生活。
10、答案：(1)碱基对改变(或A变成T) 2 1
(2)放射性同位素(或荧光分子等) …UGCACAA…
(3)Ⅱ一l和Ⅱ一4 Ⅱ一3 Ⅱ一2
11、答案：B
12、答案：B
13、答案：（1）小肠黏膜层只有a处的细胞能进行DNA复制和细胞分裂
（2）a处的细胞连续分裂把带有放射性标记的细胞推向b处，直至c处。
（3）小肠黏膜细胞上的放射性将会因为细胞的衰老、死亡、脱落而消失。
（4）在小肠黏膜层的各处都可以检测到放射性，因为小肠黏膜层上的细胞不断进行mRNA的合成。