同位素示踪法在“细胞代谢”中的应用

浙江 徐玉华

同位素示踪法在“细胞代谢”中的应用

浙江 徐玉华

同位素示踪法在高中生物学教材中有多处涉及，在历年的高考试题中经常作为背景材料。同位素示踪法是生物学实验中的一项重要方法，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。本文仅对同位素示踪法在“细胞代谢”中四方面的应用进行例析，希望能帮助同学解决相关的疑难问题。

一、研究分泌蛋白的合成、加工、运输和分泌

1. 若3H标记的亮氨酸注射到细胞内，3H在细胞结构中出现的顺序为：核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜；若在含3H标记的亮氨酸的培养液中培养，3H在细胞结构中出现的顺序为：细胞膜→核糖体→内质网→高尔基体→细胞膜。

2. 分泌蛋白，常考的有消化酶、抗体、蛋白质类激素、血浆蛋白等；常考的不属于分泌蛋白的有血红蛋白、载体蛋白、呼吸酶等。

3. 分泌蛋白运出细胞的方式为胞吐，该过程需消耗能量，体现了细胞膜具有流动性的结构特点。

例1（试题背景取材于2016年北京市西城区期末）把酵母菌培养在含3H标记的亮氨酸的培养液中，最后测得细胞分泌物中含有放射性的X。经诱变、筛选得到几种基因A与基因B突变的酵母菌突变体，它们的蛋白质分泌过程异常，如下图所示（①、②、③表示细胞结构）。下列叙述正确的是（ ）

A. 物质X可能表示某种消化酶、载体蛋白等

B. 分泌X时正常细胞的结构③膜面积会减小

C.3H在细胞结构中出现的顺序为①→②→③

D. A、B基因双突变体蛋白质沉积在①

【解析】物质X属于分泌蛋白，而载体蛋白不属于分泌蛋白，故A项错误；图中①表示内质网、②表示高尔基体、③表示细胞膜，分泌X时正常细胞的细胞膜的膜面积会略微增大，故B项错误；由于放射性物质的起点为细胞外，3H在细胞结构中出现的顺序为③→核糖体→①→②→③，故C项错误；A基因突变体蛋白沉积在①内质网，B基因突变体蛋白沉积在②高尔基体，则A、B基因双突变体蛋白质沉积在①内质网，故D项正确。

【答案】D

二、研究ATP和DNA等物质的合成及其关系

1.细胞内产生与消耗ATP的生理过程举例

_转化场所 常见生理过程叶绿体产生ATP：光反应消耗ATP：碳反应和自身DNA复制、转录、蛋白____________质合成等线粒体 产生ATP：柠檬酸循环、电子传递链____________消耗ATP：自身DNA复制、转录、蛋白质合成等细胞溶胶 产生ATP：需氧呼吸和厌氧呼吸的糖酵解____________消耗ATP：一些需能反应__细胞膜 消耗ATP：主动转运、胞吞、胞吐__核糖体 消耗ATP：蛋白质合成__细胞核 消耗ATP：DNA复制、转录等

2.ATP与RNA、DNA合成的关系

ATP去掉两个磷酸基团后的剩余部分是腺嘌呤核糖核苷酸，是组成RNA的基本单位之一，如下图所示。腺嘌呤脱氧核苷酸，是组成DNA的基本单位之一。腺嘌呤核糖核苷酸和腺嘌呤脱氧核苷酸的区别是其中的五碳糖不同，前者是核糖，后者是脱氧核糖。

例2（2016年全国卷Ⅰ，29改编）在有关DNA分子的研究中，常用32P来标记DNA分子。用α、β和γ表示ATP或dATP（d表示脱氧）上三个磷酸基团所处的位置（A—Pα～Pβ～Pγ或dA—Pα～Pβ～Pγ）。酶X可以催化ATP的一个磷酸基团转移到DNA末端上，同时产生ADP。dATP可作为DNA生物合成的原料。下列叙述正确的是 （ ）

A. 若用酶X把32P标记到DNA末端上，则带有32P的磷酸基团应在ATP的α位上

B. 若用酶X把32P标记到DNA末端上，则带有32P的磷酸基团应在ATP的β位上

C. 若将32P标记到新合成的DNA分子上，则带有32P的磷酸基团应在dATP的α位上

D. 若用32P标记的噬菌体去侵染未标记的细菌，则子代含有32P的噬菌体为2个

【解析】ATP中远离腺苷（A）的高能磷酸键容易断裂，产生ADP和一个磷酸基团。若用酶X把32P标记到DNA末端上，则带有32P的磷酸基团应在ATP的γ位上，故A、B项错误；DNA的基本组成单位为脱氧核苷酸，即dATP脱去两个磷酸基团，产生的脱氧核苷酸可用于合成DNA，则32P标记的磷酸基团应在dATP的α位上，故C项正确；确保亲代为一个含有32P标记的噬菌体，子代含有32P的噬菌体才为2个，故D项错误。

【答案】C

三、研究光合作用和细胞呼吸中元素的去向

例3（原创）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18O2，每天给予充足的光照。下列叙述错误的是 （ ）

A. 在根尖成熟区细胞的细胞质中可能出现18O

B. 一段时间后，植物和小白鼠体内均含有18O

C. 若给植物提供H218O，释放的O2全部含18O

D. 若给植物提供C18O2，释放的O2不会含有18O

【解析】18O2中的18O在绿色植物体内的转移途径如下：

18O2能扩散到根尖成熟区细胞的细胞质中，在线粒体中转变成故A项正确；绿色植物体内的被动物摄食，通过同化作用转变成自身的有机物，植物和小白鼠体内的有机物都含有18O，故B项正确；若给植物提供光反应中在光下裂解产生18O2，释放的O2全部含18O，故C项正确；若给植物提供C18O2，通过碳反应产生再通过光反应产生18O2，故D项错误。

【答案】D

四、研究细胞核与细胞质之间的物质交流

1.实验方案

（1）将正常生活而没有分裂活动的变形虫（单细胞动物）随机分为三组，每组有若干变形虫。A组：含32P标记的尿嘧啶核苷酸食物饲喂变形虫；B组：将变形虫的细胞核去掉；C组：不作处理。

（2）用放射自显影技术检测到A组每只变形虫的细胞核中出现放射性后，将细胞核移植到B、C两组的变形虫细胞内。

（3）一段时间后检测B、C两组的放射性。

2.预期结果

例4（原创）用32P标记的四膜虫喂养变形虫多代，变形虫的细胞核被标记，再将这些标记的变形虫的核移植到正常的没有去核的变形虫内，不久细胞质中出现了放射性（经鉴定其化学成分为RNA），但正常核中一直没有放射性。下列对该实验的分析不合理的是 （ ）

A. 证明细胞核中的RNA能运输到细胞质中

B. 证明细胞质中的RNA不能运输到细胞核中

C. 细胞核中被标记的物质是胸腺嘧啶脱氧核苷酸

D. 换用35S作为示踪同位素，不能获得上述实验结果

【解析】将标记的变形虫的核移植到正常的没有去核的变形虫内，不久细胞质中出现了放射性（经鉴定其化学成分为RNA），证明细胞核中的RNA能运输到细胞质中，故A项正确；但正常核中一直没有放射性，证明细胞质中的RNA不能运输到细胞核中，故B项正确。细胞核中被标记的物质最可能是含32P标记的尿嘧啶核苷酸的RNA，故C项错误；换用35S作为示踪同位素，最可能标记的是蛋白质，而细胞核中不能合成蛋白质，故D项正确。

【答案】C

（作者单位：浙江省桐庐中学）