高中生物中用到同位素标记法的实验

“同位素标记法”的总结利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以检测和追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。

同位素标记在工业、农业生产、日常生活和科学科研等方面都有着极其广泛的应用。

在生物学领域可用来测定生物化石的年代，也可利用其射线进行诱变育种、防治病虫害和临床治癌，还可利用其射线作为示踪原子来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理。

高中生物教材中的实验（或内容）和相关习题中许多知识都涉及同位素标记法的应用。

下面我就相关内容通过有关例题进行归纳阐述，以便大家对这项技术有一个深刻的体会，并学会同位素标记的应用。

一、氢（3H）例1：科学家用含3H标记的亮氨酸的培养液培养豚鼠的胰腺腺泡细胞，下表为在腺泡细胞几种结构中最早检测到放射性的时间表。

下列叙述中正确的是（）A．形成分泌蛋白的多肽最早在内质网内合成B．高尔基体膜向内与内质网膜相连，向外与细胞膜相连C．高尔基体具有转运分泌蛋白的作用D．靠近细胞膜的囊泡可由高尔基体形成解析：分泌蛋白的多肽最早在核糖体上合成，高尔基体并不直接和内质网与细胞膜相连，而是通过囊泡间接连接。

答案：CD。

知识盘点：1.科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，曾经做过这样一个实验：他们在豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3min后，被标记的氨基酸出现在附着有核糖体的内质网中，17min后，出现在高尔基体中，117min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附着于内质网上的核糖体中合成之后，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生物膜在功能上是紧密联系的。

2．研究肝脏细胞中胆固醇的来源时，用3H—胆固醇作静脉注射的示踪实验，结果放射性大部分进入肝脏，再出现在粪便中。

3．用3H标记的尿苷或胸腺嘧啶可用来检测转录或复制。

[技能必备]理解含义同位素标记法也叫同位素示踪法，它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。

同位素是具有相同原子序数但质量数不同的核素。

同一元素的不同核素之间互称为同位素。

例如，氢有如1H、2H、3H三种核素互称同位素。

同位素可分为稳定性同位素和放射性同位素两类，稳定性同位素是原子核结构稳定，不会发生衰变的同位素。

放射性同位素是原子核不稳定会自发衰变的同位素。

同位素示踪法即同位素标记法，包括稳定性同位素示踪法和放射性同位素示踪法。

放射性同位素示踪法在实践中运用较广，因为其灵敏度高，且容易测定。

常用的放射性同位素有3H、14C、32P、35S、131I、42K等。

如对孕妇及儿童某些疾病诊断中，要将食物或药物成分用示踪剂标记，就不能使用或多或少具有毒副作用的1放射性同位素，而只能使用对人体无害，使用安全的稳定性同位素。

常用的稳定同位素有2H、13C、15N和18O等。

高中生物学教材中涉及的鲁宾和卡门研究光合作用氧气来源的实验中，就是用18O分别标记CO2和H2O。

还有梅塞尔森做的DNA半保留复制实验中，是用15N标记亲代的DNA分子。

[技能提升]1.(2019·山师附中模拟)下列关于同位素示踪法的叙述错误的是( )A.将用14N标记了DNA的大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖一代，若子代大肠杆菌的DNA分子中既有14N，又有15N，则可说明DNA的半保留复制B.将洋葱根尖培养在含同位素标记的胸腺嘧啶的培养液中，经过一次分裂，子代细胞中的放射性会出现在细胞质和细胞核中C.用DNA探针进行基因鉴定时，如果待测DNA是双链，则需要采用加热的方法使其形成单链，才可用于检测D.由噬菌体侵染细菌实验可知，进入细菌体内的是噬菌体的DNA，而不是噬菌体的蛋白质，进而证明了DNA是噬菌体的遗传物质解析将用14N标记了DNA的大肠杆菌在含有15N的培养基中繁殖一代，无论DNA复制方式是半保留复制、全保留复制还是混合复制，子一代大肠杆菌的DNA 分子中都既有14N，又有15N，所以由此不能证明DNA的复制方式是半保留复制，A错误；胸腺嘧啶是合成DNA的原料，而DNA主要分布在细胞核中，此外在2洋葱根尖细胞的细胞质(线粒体)中也含有少量DNA，所以子代细胞中的放射性会出现在细胞质和细胞核中，B正确；DNA探针是单链DNA，用于检测双链DNA 时，需先将双链DNA打开形成单链，才能进行检测，C正确；噬菌体侵染细菌时，只有DNA进入细菌细胞中，所以噬菌体侵染细菌实验证明了DNA是遗传物质，但不能证明蛋白质不是遗传物质，D正确。

同位素示踪法在高中生物中的应用归纳1同位素示踪法，是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析的方法。

常用的标记元素有：（1）14C:常用于标记CO2,葡萄糖，生长素等物质中的C，也可用与标记生长素的运输方向（2）18O：常用于标记光合作用和呼吸作用过程中的H2O,CO2，O2,葡萄糖等，（3）3H：经常用于标记核苷酸示踪DNA，RNA的分布（4）15N：常用于标记无机盐，示踪在自然界中的N循环，也可用来标记氨基酸等（5）32P:常用于标记核酸，标记含P的无机盐可示踪无机盐在植物体内的利用状况，也可用来标记DNA的复制情况（6）35S：标记蛋白质，在研究遗传的物质基础实验中标记噬菌体例11.陆生植物光合作用所需要的碳源，主要是空气中的C02，CO2主要是通过叶片气孔进入叶内。

陆生植物能不能通过根部获得碳源，且用于光合作用?请做出假设，且根据提供的实验材料，完成相关实验问题。

(1)假设为：。

(2)利用实验器材，补充相关实验步骤。

(3)方法和步骤：①；②；③对菜豆幼苗的光合作用产物进行检查。

结果预测和结论：。

该实验最可能的结果是，原因是。

答案 (1)陆生植物能通过根部获得碳源 (2)①把适量含有NaH14CO3，的营养液置于锥形瓶中，并选取生长正常的菜豆幼苗放入锥形瓶中②将上述装置放在温暖、阳光充足的地方培养③结果预测和结论：在光合作用产物中发现有14C，说明陆生植物能通过根部获得碳源，用于光合作用。

如果是在光合作用产物中没有发现14C，说明陆生植物不能通过根部获得碳源，用于光合作用。

最可能的结果和结论是：在光合作用产物中发现有14C，说明陆生植物能通过根部获得碳源，用于光合作用。

原因是陆生植物的根部可以吸收土壤中的CO2和碳酸盐，用于光合作用。

例2将植物细胞放在有3H标记的胸腺嘧啶脱氧核糖核苷酸存在的环境中，温育数小时。

然后收集细胞，粉碎并轻摇匀浆，进行分级离心以获得各种细胞结构。

放射性3H将主存在于（）A．核仁、质体和高尔基体 B．细胞核、核仁和溶酶体C．细胞核、核糖体和液泡 D．细胞核、线粒体和叶绿体例3 从某腺体的细胞中提取一些细胞器，放入含有14C氨基酸的培养液中，培养液中有这些细胞器完成其功能所需的物质和条件，连续取样测定标记的氨基酸在这些细胞器中的数量，下图中能正确描述的曲线是（）例4．用32P标记了水稻体细胞（含24条染色体）的DNA分子双链，再次这些细胞转入不含32P的培养基中培养，在第二次细胞分裂的中期、后期，一个细胞中的染色体总条数和被32P标记的染色体条数分别是（）A．中期24和12、后期48和12 B．中期24和12、后期48和24C．中期24和24、后期48和12 D．中期24和24、后期48和24 例5．用32P和35S分别标记噬菌体的DNA分子和蛋白质外壳，然后去侵染含31P与32S的细菌，待细菌解体后，子代噬菌体的DNA分子和蛋白质外壳（）A．少数含32P、大多数含31P和全部含32SB．只含31P和少数含32SC．少数含32P、大多数含31P和少数含35S、大多数含32SD．只含32P和大多数含35S。

同位素标记法在高中生物教材中的应用及拓展作者：穆凯利宋丽艳来源：《高等教育》2016年第09期同位素标记法（isotopic tracer method）是利用放射性同位素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，可用于追踪物质的运行和变化规律。

用反射性同位素标记的化合物，化学性质不会改变。

科学家通过追踪放射性同位素标记的化合物，可以弄清楚化学反应的详细过程。

1、同位素示踪法基本原理和特点同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。

因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物代替相应的非标记化合物。

利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。

1.1 方法简便放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到非破坏性分析，随着液体闪烁计数的发展，14C和3H等发射软β射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。

1.2 定位定量准确放射性同位素示踪法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变，与某些形态学技术相结合（如病理组织切片技术，电子显微镜技术等），可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。

1.3 符合生理条件在放射性同位素实验中，所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的重量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。

[技能必备]高中生物涉及的同位素的应用总结如下：实验目的标记物标记物转移情况实验结论研究光合作用过程中物质的利用H182O H182O→18O2光合作用的反应物H2O的O以O2的形式放出，CO2中的C用于合成有机物14CO214CO2→14C3→（14CH2O）探究生物的遗传物质亲代噬菌体中的32P（DNA）、35S（蛋白质）子代噬菌体检测到放射性32P，未检测到35SDNA是遗传物质验证DNA的复制方式亲代双链用15N标记亲代DNA→子一代DNA的一条链含15NDNA的复制方式为半保留复制生长素的极性运输含14C的生长素标记物放在形态学上端，在形态学下端可检测到标记物，反之不行生长素只能从植物体的形态学上端运输到形态学下端研究分泌蛋白的合成和分泌过程用3H标记的亮氨酸核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜各种细胞器既有明确的分工，相互之间又协调配合探究DNA复制、转录的原料3H或15N（胸腺嘧啶脱氧核苷酸、尿嘧啶核糖核苷酸）标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸主要集中在细胞核，尿嘧啶核糖核苷酸主要集中在细胞质标记的胸腺嘧啶脱氧核苷酸用于合成DNA，尿嘧啶核糖核苷酸用于合成RNA[技能展示]1.图中a、b、c、d为细胞器，3H—亮氨酸参与图示过程合成3H—X。

据图分析，下列叙述正确的是（）A.葡萄糖在c中被彻底分解成无机物B.a、c中均能产生水C.c、b、d三种具膜细胞器在图中所示过程中可以通过囊泡发生联系D.3H—X通过细胞膜需要载体和ATP解析a、b、c、d分别是核糖体、内质网、线粒体和高尔基体。

葡萄糖不能直接在线粒体中分解成无机物，A错误；a中能发生氨基酸的脱水缩合，线粒体内膜上能进行需氧呼吸的第三阶段，都能产生水，B正确；在分泌蛋白的合成、加工和运输过程中，线粒体仅提供ATP，不与其他细胞器发生结构上的联系，C错误；分泌蛋白运出细胞膜的方式是胞吐，需要ATP但不需要载体，D错误。

答案 B2.下列哪项实验或研究成果没有运用同位素示踪技术（）A.光合作用过程产生的氧气中的氧来自水B.CO2中的碳经卡尔文循环转化成有机物中的碳C.噬菌体侵染细菌的实验证明DNA是遗传物质D.生物学家研究患者遗传家系推测红绿色盲的遗传方式解析1941年鲁宾和卡门用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，证明光合作用释放的氧气来自水，A项不符合题意；20世40年代，美国科学家卡尔文利用14C 标记CO2，探明了CO2转化成有机物的途径，这一途径就是卡尔文循环，B项不符合题意；噬菌体侵染细菌的实验中，分别用32P和35S标记噬菌体，跟踪进入细菌内的化学物质是蛋白质还是DNA，从而证明DNA是遗传物质，C项不符合题意；生物学家研究患者遗传家系推测红绿色盲的遗传方式，没有使用同位素示踪技术，D项符合题意。

例析同位素示踪法在高中生物学中的应用同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫示踪元素。

用示踪元素标记的化合物，化学性质不变。

人们可以根据这种化合物的放射性，对有关的一系列化学反应进行追踪。

这种科学研究方法叫同位素示踪法。

生物学上常用放射性同位素作为示踪元素，来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。

用于示踪的放射性元素一般是构成细胞化合物的重要元素，如3H 、15N 、18O 、32P 、35S 等。

在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用，下面笔者对教材中的相关知识进行归纳例析。

1 光合作用和呼吸作用过程中特征元素的示踪例1 一个密闭的透明玻璃容器内，放有绿色植物和小白鼠（小白鼠以植物为食），容器内供应18O 2，每天给予充足的光照，一段时间后，绿色植物和小白鼠体内的有机物含18O 的情况是 （ ）A ．只在植物体内 B.植物和小白鼠体内均含有C ．只在小白鼠体内 D. 植物和小白鼠体内均无解析 18O 在绿色植物体内的转移途径如下：18O 2−−−→−呼吸作用H 218O −−−→−呼吸作用C 18O 2−−−→−光合作用C 6H 1218O 6绿色植物体内的C 6H 1218O 6被动物摄食，通过同化作用转变成自身的有机物。

因此，植物和小白鼠体内的有机物都含有18O 。

答案 B2 研究C 4植物光合作用的途径例2 在光照下，供给玉米离体叶片少量的14C O 2，随着光合作用时间的延续，在光合作用固定C O 2形成C 3化合物与C 4化合物中，14C含量变化示意图正确的是 （ ） 时间/S14C 含量 时间/S14C含量B解析用14C标记C O2来追踪C4植物光合作用的途径：首先在C4植物叶肉细胞叶绿体内C O2与P EP相结合形成C4化合物，然后C4化合物进入维管束鞘细胞叶绿体并分解为C O2和丙酮酸，CO2与一个C5化合物相结合，形成2个C3化合物，C3化合物被还原为C6H12O6。

高中生物教材中的实验方法与操作一、高中教材中涉及的实验方法汇总（1）制作DNA分子双螺旋结构模型：构建物理模型法（2）种群数量增长模型：构建数学模型（3）分离各种细胞器：差速离心法（4）证明DNA的半保留复制：密度梯度离心法（5）分离叶绿体中的色素：纸层析法（6）观察线粒体：活体染色法（7）探究酵母菌的呼吸方式：对比实验法（8）分泌蛋白的合成和加工、噬菌体侵染细菌实验、追踪光合作用O和C的转移途径：同位素标记法（9）萨顿提出“基因在染色体上”的假说：类比推理法（10）孟德尔遗传规律的发现、摩尔根证明基因在染色体上、探究DNA的复制方式：假说演绎法（11）调查土壤中小动物类群的丰富度：取样器取样法（12）调查种群密度：标志重捕法、样方法二、常考的实验条件的控制（1）增加水中氧气：泵入空气、通入氧（2）减少水中氧气：容器密封、油膜覆盖、用凉开水（3）CO2的控制：除去密闭容器中的CO2：容器中放置NaOH溶液保持密闭容器中CO2浓度的恒定：容器中放置Na2CO3溶液（或CO2缓冲液）（4）光照强度的控制：改变光源与植物的距离或改变光源（灯泡）的瓦数（5）测定植物的呼吸速率（排除光合作用的干扰）：给植物遮光处理三、同位素标记法在高中教材实验中的应用（1）分泌蛋白的合成与分泌——用3H标记亮氨酸（2）光合作用中氧气的来源——用18O分别标记H2O和CO2（3）光合作用中碳的转移途径（卡尔文循环）——用14C标记CO2（4）噬菌体侵染细菌的实验——用35S、32P分别标记噬菌体的蛋白质外壳和DNA（5）DNA的半保留复制——用15N标记DNA四、盐酸和酒精在高中生物实验中的使用浓度及作用（一）盐酸1、实验“DNA和RNA在细胞在的分布”中8％盐酸的作用——水解（1）盐酸能改变细胞膜的通透性,加速染色剂的跨膜运输；（2）盐酸使染色体中的DNA与蛋白质分离，便于DNA与染色剂的结合2、实验“观察有丝分裂””和“低温诱导染色体加倍”中15％盐酸的作用——解离能够使组织细胞的细胞壁软化，并使细胞间的物质溶解，从而达到分离细胞的目的。