同位素技術在中學生物學中的應用

1、同位素技術在中學生物學中的應用,東城區(qū)教師研修中心楊建國,中學生物學中的同位素技術的應用在,示蹤元素 C、 H 、 O、 N、 P、 S K 輻射 鈷-60 γ射線,*半衰期——推斷古生物化石的年齡,,同位素,,,,輻射,,推斷化石年齡,基因突變,,誘變育種,,,抑制基因復制、轉(zhuǎn)錄或翻譯，損傷、破壞蛋白質(zhì)、生物膜等,,放療、消毒、滅菌、選擇性殺死細胞,,光合作

2、用產(chǎn)生氧的來源,噬菌體侵染細菌的實驗,,證明DNA,半保留復制,,示蹤原子,礦質(zhì)元素,,代謝追蹤,追蹤激素在體內(nèi)的動態(tài)變化,,高中教材對示蹤元素的解釋,同位素用于追蹤物質(zhì)運行和變化過程時，叫做示蹤元素。用示蹤元素標記的化合物，化學性質(zhì)不變。人們可以根據(jù)這種化合物的放射性，對有關的一系列化學反應進行追蹤。這種科學研究方法叫做同位素標記法。（必修.第一冊P.53）,,A 16O2 (O2)B 18O2,,,答案：B,光合作用

3、總反應式： 光能CO2+H218O (CH2O)+18O2 葉綠體CO2+H2*O (CH2O)+*O2,,,科學家以含有15N標記的NH4Cl培養(yǎng)液來培養(yǎng)大腸桿菌，讓大腸桿菌繁殖幾代，再將大腸桿菌轉(zhuǎn)移到14N的普通培養(yǎng)液中。 然后在不同時刻收集大

4、腸桿菌并提取DNA，再將DNA進行離心，記錄離心后試管中DNA的位置。,,,關于同位素的概念,定義：具有相同的質(zhì)子數(shù)而中子數(shù)不同的原子互稱同位素。 同位素是指原子序數(shù)相同，在元素周期表上地位相同，因而化學性質(zhì)相同，但質(zhì)量不同的元素；它們是質(zhì)子數(shù)相同，而中子數(shù)不同的原子。 這些元素稱某元素的同位素。,碳有三種同位素,質(zhì)子數(shù)與中子數(shù)之和,,12,C,6,,原子序數(shù)（質(zhì)子數(shù)）,13,C,6,14,C,6,同位素的分類（按原子核的穩(wěn)定性）,同

5、位素、同質(zhì)素、同中素三個概念的比較,15N和18O用質(zhì)譜儀或核磁共振儀進行測量,N和O沒有半衰期大于10分鐘的放射性同位素[13N （ T1/2=9.961分）、 15O （ T1/2=122秒）]，因此想要應用這些元素的放射性核素作為示蹤劑是不可能的。,一些天然放射性同位素,放射性同位素的發(fā)射（放射性）,放射性同位素是易分解、同時釋放出有害微粒和（或）射線的同位素。α 發(fā)射：能釋放出含兩個質(zhì)子和兩個中子的微粒（He原子核）的同位

6、素被稱為α 發(fā)射源，其中質(zhì)量數(shù)為4 的微粒為α 粒子。β 發(fā)射：能丟失一個電子的原子核稱為β 發(fā)射源，原子核放射出的電子流稱為β粒子。γ 發(fā)射：伴隨與天然放射性同位素衰變放射 α 粒子和β粒子的同時發(fā)射的一個能量光子的同位素。由于能量沒有質(zhì)量，因此稱之為γ射線。,射線的危害和疾病,原子射線是有害的，因為它能夠在生命體系中產(chǎn)生離子或自由基。它通過撞去原子中的電子而產(chǎn)生離子來實現(xiàn)這一過程。產(chǎn)生的離子和自由基能夠和別的分子反

7、應，如果這一反應發(fā)生在細胞中，將導致基因突變以及隨后的病變腫瘤生長。 高能量的射線能夠?qū)е录毎劳觥?超量照射對人體的影響,自從1895年倫琴發(fā)現(xiàn)X射線以來的一個多世紀里，無數(shù)慘痛的教訓告訴人們，超劑量的照射會造成嚴重的機體損傷以致危害生命。1896年，首次發(fā)現(xiàn)X射線能引起皮膚紅斑。1897年，據(jù)一個報告中稱，發(fā)現(xiàn)69例銀放射性引起的燒傷，同時發(fā)現(xiàn)輻射致癌效應。1911年，發(fā)現(xiàn)94例放射病患者，其中50例是放射學家。眾所周知的居

8、里夫人和她的大女兒的死因都與放射性有關。,放射性同位素在生物和醫(yī)學上的應用,食品的放射性處理：低至1 000Gy的輻射能夠有效根除殘留在作物上的任何昆蟲；更強的輻射（超過10 000Gy）可以殺死肉和魚類是品種的沙門氏菌，也可以用于防止軟水果如草莓的發(fā)霉。生命科學中的分析工具：32P用于DNA和RNA分子序列的常規(guī)分析。碳-14的半衰期是5730年，一半用于探測新陳代謝的途徑和古代化石的 “年齡”。用作醫(yī)學診斷與治療：X射線透視、電

9、子計算機X線體層攝影（ CT ）、鈷-60 （60Co）治療癌癥的放射源、123I用于檢查甲狀腺功能、131I用于治療甲狀腺癌。,例：古生物年齡的測定,已知14C屬長壽命放射性元素，其半衰期為5730年?，F(xiàn)測得某生物化石中14C只剩下常量的1/16，說明該生物死亡至今已經(jīng) （ ）年。 A.17190 B.22920 C.28650 D.34380答案：B,解析,14C又稱“考

10、古鐘” ? 。（1）半衰期長-5730年；（2）自然界含量穩(wěn)定，是宇生放射性同位素（3）進入生物的途徑14CO2 植物（光合） 動物，所有活體內(nèi)14C為一恒定值（4）生物死亡后，同外界交換停止，原來體內(nèi)的14C只衰變減少，不能再得到補充。? 化石中14C只剩下常量的1/16，(1/2)4=1/16，則可推算出該生物死亡已有：5370*4=22920年? 化石中14C經(jīng)過的半衰期數(shù)n：

11、 (1/2)n=常量的幾分之幾,,,證明DNA是遺傳物質(zhì),噬菌體侵染細菌的實驗,15N用于研究DNA半保留復制,注：15N—DNA為親代實驗，以14N—DNA為對照。請據(jù)此回答問題：（1）實驗所檢測的子代 I DNA分子的兩條鏈中一條是 ，另一條是 。（2）實驗結(jié)果能說明，DNA分子的復制的方式是“半保留”式的，即

12、 。（3）如果使子代II繼續(xù)在14N氮源培養(yǎng)基中培養(yǎng)，得到的子代III DNA分子的浮力密度值（g．ml—1）應該是 。,用15N-蛋白質(zhì)（氨基酸 ）飼料飼喂小動物研究動物細胞的氮代謝途徑與產(chǎn)物,14

13、C 在光合和呼吸作用研究中的作用,將兩個枝條分別置于營養(yǎng)液中。其中一枝僅保留一張葉片（甲），另一枝保留兩張葉片（乙、丙），葉片置玻璃盒中密封（玻璃盒大小足以保證實驗順利進行），在甲葉和乙葉的盒中注入14CO2，裝置如圖。照光一段時間后，可以檢測到放射性的葉片 （ ）A．僅在甲中 B．僅在甲和乙中 C．僅在甲和丙中 D．在甲、

14、乙和丙中,,答案：D,光合作用和呼吸作用中碳原子和氧原子的去向,14CO2 14C3 （磷酸丙糖） 14C6H12O6（光合）14C6H12O6 14C3（丙酮酸 ） 14CO2（呼吸）C18O2 C6H1218O6 C18O2

15、 光合作用 呼吸作用,,,,,,,用來研究光合藻類固定14CO2的儀器的圖解,用紙上層析法和自顯影檢測經(jīng)短期照光后藻類的14CO2固定的產(chǎn)物,不同照光時間后,柵列藻光合產(chǎn)物的放射自顯影照片,光合5秒,光合15秒,光合60秒,教科書上的練習（p.57）,某科學家用含有14C的二氧化碳來追蹤光合作用中的碳原子，這種碳原子的轉(zhuǎn)移途徑是：

16、 （ ）A.二氧化碳 葉綠素 ADPB.二氧化碳 葉綠素 ATPC.二氧化碳 乙醇 ATPD.二氧化碳 三碳化合物 糖類,,,,,,,,,放射性同位素32P用于核酸序列分析-1,下圖示意一種核酸分析方法，請據(jù)此分析回答問題。,,,（1）被分析的材料應屬于一條

17、 鏈。如果它存在另一條互補鏈，該互補鏈的堿基序列是：（2）如果選擇性斷開的位置是堿基G，那么隨機出現(xiàn)的被標記片段應有 種，在電泳帶上被分離的顯示位置應有 處，在泳動方向最先端的片段應是 序列段，與圖示泳動位置相比，在同樣電泳條件下該片段應位于 的位置上。,放射性同位素32P用于核酸序列分析-2,（3）應用上述原理分析了某種未知序列的核酸，結(jié)果如下圖所示：,,此結(jié)果說明，該

18、核酸含 個核苷酸，其A:T:G:C = ： ： ： ，同時也可推斷出其堿基序列是：,,,放射性同位素用于研究細胞周期中DNA與RNA合成的時段,某科學家用放射性同位素分別標記的胸腺嘧啶（T）和尿嘧啶（U）培養(yǎng)蠶豆，觀察其根尖分生區(qū)細胞的有絲分裂。已知蠶豆細胞一個有絲分裂周期是20小時。根據(jù)這兩種堿基被細胞利用的情況繪制成的曲線如下圖所示。下列對此結(jié)果的分析中，你認為不正確的是,,A．大量利用“T”的時期，

19、細胞正在進行DNA分子的復制 B．大量利用“U”的時期，細胞正在進行大量蛋白質(zhì)的合成C．大量利用“T”的時期，細胞正在大量合成轉(zhuǎn)運RNAD．大量利用“T”和“U”的時期，細胞正處在分裂間期,放射性同位素用于研究細胞周期的各時段,在細胞傳代連續(xù)培養(yǎng)的培養(yǎng)液中，一次加入含3H的胸腺嘧啶（3H-T），結(jié)果使DNA復制期的細胞被3H-T標記，復制期之外的細胞不能被3H-T標記，隨即在一定時間內(nèi)觀測分裂期細胞中被3H-T標記細胞所占百分比

20、。假如可以控制培養(yǎng)細胞都同步發(fā)生細胞周期，則可以得到如下圖所示的曲線結(jié)果。請據(jù)此回答問題：,,（1）加入3H-T后為什么只標記復制期的細胞？ （2）t1時間里沒有被3H-T標記的細胞出現(xiàn)在分裂期，說明什么？ （3）能夠代表分裂期的時間段是t1~t5中的哪些部分？一個細胞周期的時間是多少？ （4）實驗結(jié)果是否能說明復制期與分裂期時間哪一段更長？為什么？能代表復制期的是哪段？ （5）用t1~t5時間中相應段標示一個細胞周期中分裂期、

21、復制期及二者之間復制前、后時間段，在下圖中表示出來：,,答案：,（1）只有復制期的細胞吸收3H-T用于合成DNA（2）復制之后，細胞沒有立即進入分裂期（3）能代表分裂期時間段的是t2或t4。一個細胞周期的時間是t2+t3+t4+t5。（4）能說明復制期時間要比分裂期長。因為t2期間被標記細胞不僅達到100%，而且100%的比例還維持了t3時間。能代表復制期時間的是t2+t3或t3+t4。（5）如圖所示，0~1為復制前期=t5—t

22、11~2為復制期=t2+t3或t3+t42~3為復制后期=t13~0為分裂期=t2或t4,,,,,,,,2,3,0,1,用3H-胸苷研究DNA的復制和細胞轉(zhuǎn)移路徑,(03.新課程)胸腺嘧啶脫氧核糖核苷（簡稱胸苷）在細胞內(nèi)可以轉(zhuǎn)化為胸腺嘧啶脫氧核糖核苷酸，后者是合成DNA的原料，用含有3H-胸苷的營養(yǎng)液，處理活的小腸黏膜層，半小時后洗去游離的3H-胸苷。連續(xù)48小時檢測小腸絨毛的被標記部位，結(jié)果如下圖（黑點表示放射性部位）。請回答：

23、,,（1）處理后開始的幾小時，發(fā)現(xiàn)只有a處能檢測到放射性，這說明什么？（2）處理后24小時左右，在b處可以檢測到放射性，48小時左右，在c處檢測到放射性，為什么？（3）如果繼續(xù)跟蹤檢測，小腸黏膜層上的放射性將發(fā)生怎樣的變化？（4）上述實驗假如選用含有3H-尿嘧啶核糖核苷的營養(yǎng)液，請推測幾小時內(nèi)小腸黏膜層上放射性出現(xiàn)的情況將會怎樣？,用3H-氨基酸（蛋白質(zhì)）研究細胞代謝-1,右圖為某動物細胞結(jié)構(gòu)示意圖，如果在一定時間內(nèi)，讓該細胞吸

24、收放射性同位素標記的氨基酸，請回答下列問題：（1）放射性同位素將依次出現(xiàn)在圖中的哪些部位（用圖中號碼表示）。（2）[⑤ ] 部位的物質(zhì) （圖上方的黑圓點）首先是附著在[ ] 上的[ ] 合成的 類物質(zhì)。（3）它是由[ ] 加工后形成的。（4）此細胞對該物質(zhì)還具有 的功能

25、。,,用3H-氨基酸（蛋白質(zhì)）研究細胞代謝-2,從某腺體的細胞中，提取出附著有核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，放入含有放射性標記的氨基酸的培養(yǎng)液中。培養(yǎng)液中含有核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)完成其功能所需的物質(zhì)和條件。很快連續(xù)取樣，并分離核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)。測定標記的氨基酸出現(xiàn)在核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的情況，結(jié)果如圖所示。請回答：,（1）放射性氨基酸首先在核糖體上大量積累，最可能的解釋是 。（2）放射性氨基酸繼在核

26、糖體上積累之后，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中也出現(xiàn)，且數(shù)量不斷增多，最可能的解釋是 。（3）實驗中，培養(yǎng)液相當于細胞中的 。,,60Co,27,誘變育種,60Co是典型的γ射線源，射線處理作物后主要引起遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，從而產(chǎn)生基因突變。,27,14C-吲哚乙酸用來研究生長素的極性運輸,根據(jù)14C-吲哚乙酸示蹤研究得出，玉米胚芽鞘中生長素的運輸速度是以5—15毫