同位素标记法在高中生物教学中的应用

在人教版高中生物教材的实验和相关习题中经常出现同位素标记法的应用,现将教材中所涉及到的相关内容进行归纳总结,以期能够较深刻地了解同位素标记技术,以便于掌握和应用该项技术。
  教材中关于同位素标记法的介绍比较简单: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,化学性质不会改变。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。这种方法叫做同位素标记法。现将同位素标记法相关内容进行归纳阐述,以期达到对这项技术的深刻理解。
  一、同位素标记法简介
  1.同位素
  同位素是指原子序数相同,在元素周期表上的位置相同,而化学性质相似,质量不同的元素,它们是质子数相同而中子数不同的原子。许多元素都存在同位素现象。有放射性的同位素称为“放射性同位素”,没有放射性的则称为“稳定同位素”,即并不是所有同位素都具有放射性。如碳的同位素有稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C;氧的同位素有16O、17O、18O,它们都不具有放射性;氮的同位素有13N、14N、15N等。
  2.同位素标记法
  同位素标记法是随同位素的发现而出现的一项科学应用技术。科学家通过追踪同位素标记的化合物,从而研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向,弄清化学反应的详细过程,进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。同位素标记法具有灵敏度高,方法简便,定位定量准确,符合生理条件等特点。
  二、同位素标记法在高中生物教材中的应用
  (一)标记某元素,追踪其转移途径
  1.光合作用产物O2中O元素的来源
  美国科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水,还是来自于二氧化碳。他们用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2,使它们分别成为H218O和C18O2。然后进行两组实验:第一组向植物提供H218O和CO2,结果释放的氧气全部是18O2;第二组向植物提供H2O和C18O2,结果释放的氧气全部是O2。这一事实有力地证明了光合作用过程中O2中的O全部来自H2O。
  2.光合作用暗反应阶段中C元素的去向
  标记方法:卡尔文用14C标记CO2中的C,供小球藻进行光合作用,追踪检测其放射性。
  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,从而证明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。
  (二)标记某元素,探究化合物的作用
  赫尔希和蔡斯利用放射性同位素标记法,研究了蛋白质和DNA在生物的遗传中的作用。
  1.标记方法
  分别用放射性元素32P和35S标记DNA和蛋白质。用含32P的噬菌体侵染大肠杆菌,上清液放射性低,沉淀物放射性高;用含35S的噬菌体侵染大肠杆菌,上清液放射性高,沉淀物放射性低。
  2.结论
  噬菌体在侵染细菌的过程中,进入细菌体内的是噬菌体的DNA,而不是噬菌体的蛋白质,从而证明了DNA是噬菌体的遗传物质。
  例:在证明DNA是生物遗传物质的实验中,用35S标记的T2噬菌体侵染未标记的大肠杆菌,以下对于沉淀物中含有少量放射性现象的解释,正确的是( )
  A.经搅拌与离心后有少量含35S的T2噬菌体吸附在大肠杆菌上
  B.离心速度太快,含35S的T2噬菌体有部分留在沉淀物中
  C.T2噬菌体的DNA分子上含有少量的35S
  D.少量含有35S的蛋白质进入大肠杆菌
  【解析】选A。35S标记的是噬菌体的蛋白质外壳,DNA分子中不含35S,噬菌体的蛋白质外壳不能进入大肠杆菌内,但能吸附在大肠杆菌表面,造成一定的实验误差;是否留在沉淀物中,与物质的相对分子质量有关,本题中T2噬菌体蛋白质外壳相对分子质量相同,与转速太快无关。
  (三)标记特征化合物,探究生理过程
  1.探究分泌蛋白合成和运输的过程
  在研究分泌蛋白在细胞中的合成、运输与分泌过程中,科学家在豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H 标记的亮氨酸,3 min 后,被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中,17 min 后,出现在高尔基体中,117 min后,出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的小泡中,以及释放到细胞外的分泌物中。这个实验说明分泌蛋白在[本文来自于www.JyqKw.com]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.证明DNA分子的半保留复制
  标记方法: 美国科学家梅塞尔森和斯塔尔用放射性同位素15N做标记,然后将被15N标记的DNA分子转移到含14N的培养基中培养n代后,离心,因为放射性物质15N的原子量和14N的原子量不同,因此DNA的相对分子质量不同。
  结果:如果DNA分子的两条链都是15N,则离心时为重带;如果DNA分子的一条链是15N,一条链是14N,则离心时为中带;如果DNA分子的两条链都是14N,则离心时为轻带。
  结论: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。最终证明了DNA的复制为半保留复制。
  例: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。下列叙述不正确的是 ( )
  A.该过程至少需要2.97×105个鸟嘌呤脱氧核苷酸
  B.噬菌体增殖不需要细菌提供DNA模板
  C.含32P与只含31P的子代噬菌体的比例为1∶50
  D.该DNA发生突变,其控制的性状可能发生改变
  【解析】选C。C项错误,1个被32P[本文来自于www.JYQKW.Com]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2∶98=1∶49。
  除此之外,同位素标记法在生物领域的应用还有其他很多方面,如研究细胞的增殖历程、生物的生命活动调节以及动物胚胎发育过程等方面。在教学中适当的讲授一些同位素标记的原初实验,有利于把代谢过程有关的复杂知识点更科学、更原始地传授给学生,同时,也使学生对这项技术有一个更深刻的认识和把握。
浏览次数:  更新时间:2016-09-20 09:55:54
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