同位素示蹤法在“細胞代謝”中的應用

浙江 徐玉華

同位素示蹤法在“細胞代謝”中的應用

浙江 徐玉華

同位素示蹤法在高中生物學教材中有多處涉及，在歷年的高考試題中經常作為背景材料。同位素示蹤法是生物學實驗中的一項重要方法，它可以研究細胞內的元素或化合物的來源、組成、分布和去向等，進而了解細胞的結構和功能、化學物質的變化、反應機理等。本文僅對同位素示蹤法在“細胞代謝”中四方面的應用進行例析，希望能幫助同學解決相關的疑難問題。

一、研究分泌蛋白的合成、加工、運輸和分泌

1. 若3H標記的亮氨酸注射到細胞內，3H在細胞結構中出現的順序為：核糖體→內質網→高爾基體→細胞膜；若在含3H標記的亮氨酸的培養液中培養，3H在細胞結構中出現的順序為：細胞膜→核糖體→內質網→高爾基體→細胞膜。

2. 分泌蛋白，常考的有消化酶、抗體、蛋白質類激素、血漿蛋白等；常考的不屬于分泌蛋白的有血紅蛋白、載體蛋白、呼吸酶等。

3. 分泌蛋白運出細胞的方式為胞吐，該過程需消耗能量，體現了細胞膜具有流動性的結構特點。

例1（試題背景取材于2016年北京市西城區期末）把酵母菌培養在含3H標記的亮氨酸的培養液中，最后測得細胞分泌物中含有放射性的X。經誘變、篩選得到幾種基因A與基因B突變的酵母菌突變體，它們的蛋白質分泌過程異常，如下圖所示（①、②、③表示細胞結構）。下列敘述正確的是（ ）

A. 物質X可能表示某種消化酶、載體蛋白等

B. 分泌X時正常細胞的結構③膜面積會減小

C.3H在細胞結構中出現的順序為①→②→③

D. A、B基因雙突變體蛋白質沉積在①

【解析】物質X屬于分泌蛋白，而載體蛋白不屬于分泌蛋白，故A項錯誤；圖中①表示內質網、②表示高爾基體、③表示細胞膜，分泌X時正常細胞的細胞膜的膜面積會略微增大，故B項錯誤；由于放射性物質的起點為細胞外，3H在細胞結構中出現的順序為③→核糖體→①→②→③，故C項錯誤；A基因突變體蛋白沉積在①內質網，B基因突變體蛋白沉積在②高爾基體，則A、B基因雙突變體蛋白質沉積在①內質網，故D項正確。

【答案】D

二、研究ATP和DNA等物質的合成及其關系

1.細胞內產生與消耗ATP的生理過程舉例

_轉化場所 常見生理過程葉綠體產生ATP：光反應消耗ATP：碳反應和自身DNA復制、轉錄、蛋白____________質合成等線粒體 產生ATP：檸檬酸循環、電子傳遞鏈____________消耗ATP：自身DNA復制、轉錄、蛋白質合成等細胞溶膠 產生ATP：需氧呼吸和厭氧呼吸的糖酵解____________消耗ATP：一些需能反應__細胞膜 消耗ATP：主動轉運、胞吞、胞吐__核糖體 消耗ATP：蛋白質合成__細胞核 消耗ATP：DNA復制、轉錄等

2.ATP與RNA、DNA合成的關系

ATP去掉兩個磷酸基團后的剩余部分是腺嘌呤核糖核苷酸，是組成RNA的基本單位之一，如下圖所示。腺嘌呤脫氧核苷酸，是組成DNA的基本單位之一。腺嘌呤核糖核苷酸和腺嘌呤脫氧核苷酸的區別是其中的五碳糖不同，前者是核糖，后者是脫氧核糖。

例2（2016年全國卷Ⅰ，29改編）在有關DNA分子的研究中，常用32P來標記DNA分子。用α、β和γ表示ATP或dATP（d表示脫氧）上三個磷酸基團所處的位置（A—Pα～Pβ～Pγ或dA—Pα～Pβ～Pγ）。酶X可以催化ATP的一個磷酸基團轉移到DNA末端上，同時產生ADP。dATP可作為DNA生物合成的原料。下列敘述正確的是 （ ）

A. 若用酶X把32P標記到DNA末端上，則帶有32P的磷酸基團應在ATP的α位上

B. 若用酶X把32P標記到DNA末端上，則帶有32P的磷酸基團應在ATP的β位上

C. 若將32P標記到新合成的DNA分子上，則帶有32P的磷酸基團應在dATP的α位上

D. 若用32P標記的噬菌體去侵染未標記的細菌，則子代含有32P的噬菌體為2個

【解析】ATP中遠離腺苷（A）的高能磷酸鍵容易斷裂，產生ADP和一個磷酸基團。若用酶X把32P標記到DNA末端上，則帶有32P的磷酸基團應在ATP的γ位上，故A、B項錯誤；DNA的基本組成單位為脫氧核苷酸，即dATP脫去兩個磷酸基團，產生的脫氧核苷酸可用于合成DNA，則32P標記的磷酸基團應在dATP的α位上，故C項正確；確保親代為一個含有32P標記的噬菌體，子代含有32P的噬菌體才為2個，故D項錯誤。

【答案】C

三、研究光合作用和細胞呼吸中元素的去向

例3（原創）一個密閉的透明玻璃容器內，放有綠色植物和小白鼠（小白鼠以植物為食），容器內供應18O2，每天給予充足的光照。下列敘述錯誤的是 （ ）

A. 在根尖成熟區細胞的細胞質中可能出現18O

B. 一段時間后，植物和小白鼠體內均含有18O

C. 若給植物提供H218O，釋放的O2全部含18O

D. 若給植物提供C18O2，釋放的O2不會含有18O

【解析】18O2中的18O在綠色植物體內的轉移途徑如下：

18O2能擴散到根尖成熟區細胞的細胞質中，在線粒體中轉變成故A項正確；綠色植物體內的被動物攝食，通過同化作用轉變成自身的有機物，植物和小白鼠體內的有機物都含有18O，故B項正確；若給植物提供光反應中在光下裂解產生18O2，釋放的O2全部含18O，故C項正確；若給植物提供C18O2，通過碳反應產生再通過光反應產生18O2，故D項錯誤。

【答案】D

四、研究細胞核與細胞質之間的物質交流

1.實驗方案

（1）將正常生活而沒有分裂活動的變形蟲（單細胞動物）隨機分為三組，每組有若干變形蟲。A組：含32P標記的尿嘧啶核苷酸食物飼喂變形蟲；B組：將變形蟲的細胞核去掉；C組：不作處理。

（2）用放射自顯影技術檢測到A組每只變形蟲的細胞核中出現放射性后，將細胞核移植到B、C兩組的變形蟲細胞內。

（3）一段時間后檢測B、C兩組的放射性。

2.預期結果

例4（原創）用32P標記的四膜蟲喂養變形蟲多代，變形蟲的細胞核被標記，再將這些標記的變形蟲的核移植到正常的沒有去核的變形蟲內，不久細胞質中出現了放射性（經鑒定其化學成分為RNA），但正常核中一直沒有放射性。下列對該實驗的分析不合理的是 （ ）

A. 證明細胞核中的RNA能運輸到細胞質中

B. 證明細胞質中的RNA不能運輸到細胞核中

C. 細胞核中被標記的物質是胸腺嘧啶脫氧核苷酸

D. 換用35S作為示蹤同位素，不能獲得上述實驗結果

【解析】將標記的變形蟲的核移植到正常的沒有去核的變形蟲內，不久細胞質中出現了放射性（經鑒定其化學成分為RNA），證明細胞核中的RNA能運輸到細胞質中，故A項正確；但正常核中一直沒有放射性，證明細胞質中的RNA不能運輸到細胞核中，故B項正確。細胞核中被標記的物質最可能是含32P標記的尿嘧啶核苷酸的RNA，故C項錯誤；換用35S作為示蹤同位素，最可能標記的是蛋白質，而細胞核中不能合成蛋白質，故D項正確。

【答案】C

（作者單位：浙江省桐廬中學）