“同位素標記法”的應用

河北 張麗萍

“同位素標記法”的應用

河北 張麗萍

“同位素標記法”是生物學研究中一種常用的研究方法。同位素可用于追蹤物質的運行和變化規律。用同位素標記的化合物（3H-亮氨酸、35S-蛋白質、32P-DNA、3H-胸腺嘧啶脫氧核苷，14C-IAA和14C-ABA），化學性質不變。科學家通過追蹤同位素標記的化合物，可以弄清化學反應的詳細過程。這種方法叫作同位素標記法。現將高考題中有關“同位素標記法”的應用進行歸納和總結。

一、研究分泌蛋白的合成、運輸和分泌的實驗

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

【解析】3H-亮氨酸首先在附著在內質網的核糖體上合成蛋白質，經內質網初步加工后，再轉移到高爾基體中，最后形成分泌小泡與細胞膜融合后排出細胞外。所以放射性顆粒數依次增加的順序為附著有核糖體的內質網→高爾基體→分泌小泡。

【答案】C

二、研究DNA是遺傳物質的實驗

【例2】（2011·江蘇卷）關于“噬菌體侵染細菌的實驗”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的培養基培養噬菌體

B.分別用35S和32P標記的噬菌體侵染未被標記的大腸桿菌，進行長時間的保溫培養

C.用35S標記的噬菌體侵染實驗中，沉淀物存在少量放射性可能是攪拌不充分所致

D.32P、35S標記的噬菌體侵染實驗分別說明DNA是遺傳物質、蛋白質不是遺傳物質

【解析】噬菌體是細菌病毒，不能離開大腸桿菌獨立進行生命活動。赫爾希和蔡斯首先在分別含有35S和32P的培養基中培養大腸桿菌，再用上述大腸桿菌培養噬菌體，得到蛋白質含有35S 標記或DNA含有32P標記的噬菌體。然后，用35S或32P標記的噬菌體分別侵染未被標記的大腸桿菌，經過短時間的保溫后，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標記的噬菌體侵染實驗中，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標記的親代噬菌體蛋白質外殼沒有與大腸桿菌分離，經離心后分布于沉淀物中。用32P標記的噬菌體侵染實驗中，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，經離心后分布于上清液中。

32P標記的噬菌體侵染實驗說明DNA是遺傳物質，35S標記的噬菌體侵染實驗不能說明蛋白質不是遺傳物質，因為蛋白質外殼留在外面，其作用不能得到證明。

【答案】C

三、研究DNA復制方式的實驗

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

A.每條染色體的兩條單體都被標記

B.每條染色體中都只有一條單體被標記

C.只有半數的染色體中一條單體被標記

D.每條染色體的兩條單體都不被標記

【解析】DNA分子的復制方式是半保留復制，蠶豆根尖細胞在含3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷培養基中完成一個細胞周期后，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基中繼續培養時，每個DNA分子復制產生了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、研究細胞有絲分裂的實驗

【例4】（2014·浙江卷）某哺乳動物體細胞在培養中能夠分裂，在培養過程中將適量的3H-TdR（3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷）和某促進細胞分裂的藥物加入到培養液中，培養一段時間，可觀察和測量到 （ ）

A.G1期變短，該期有大量3H-TdR進入細胞核

B.S期變長，該期有DNA復制和核糖體的增生

C.G2期變短，該期細胞核中有組蛋白

D.M期相對較短，該期細胞的核膜始終完整

【解析】在培養過程中加入促進細胞分裂的藥物會使細胞周期的各個時期都變短。3H-TdR是DNA復制的原料，DNA復制在S期，所以在S期大量3H-TdR進入細胞核，S期無核糖體的增生。 G2期進行的是與有絲分裂有關蛋白質（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。

【答案】C

五、研究生長素和脫落酸運輸方式的實驗

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

（1）若圖中AB為莖尖切段，瓊脂塊①和②中出現較強放射性的是___（填序號）；瓊脂塊③和④中均出現了較強放射性，說明ABA在莖尖的運輸___（填“是”或“不是”）極性運輸。若先用某種抑制劑（不破壞IAA、不影響細胞呼吸）處理莖尖切段，再重復上述實驗，結果瓊脂塊①和②中放射性強度相近，該抑制劑的作用機理可能是_____________________________。

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

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

（1）在胚芽鞘中，吲哚乙酸（IAA）具有極性運輸的特點，只能從形態學上端（A）向形態學下端（B）運輸，故瓊脂塊①中出現較強的放射性。瓊脂③塊和④中均出現了較強放射性，說明脫落酸（ABA）在莖尖的運輸不具有極性運輸的特點。吲哚乙酸（IAA）的極性運輸是主動運輸，用抑制劑處理莖尖切段，瓊脂塊①和②中放射性強度相近，說明抑制了吲哚乙酸（IAA）的主動運輸，因不影響細胞呼吸，故可能是抑制劑與運輸IAA的載體結合，從而影響了IAA的主動運輸。

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

【答案】（1）① 不是 抑制劑與運輸IAA的載體結合（2）不是

（作者單位：河北省張家口市第一中學）