同位素示蹤法在“細(xì)胞代謝”中的應(yīng)用

浙江 徐玉華

同位素示蹤法在“細(xì)胞代謝”中的應(yīng)用

浙江 徐玉華

同位素示蹤法在高中生物學(xué)教材中有多處涉及，在歷年的高考試題中經(jīng)常作為背景材料。同位素示蹤法是生物學(xué)實驗中的一項重要方法，它可以研究細(xì)胞內(nèi)的元素或化合物的來源、組成、分布和去向等，進(jìn)而了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能、化學(xué)物質(zhì)的變化、反應(yīng)機理等。本文僅對同位素示蹤法在“細(xì)胞代謝”中四方面的應(yīng)用進(jìn)行例析，希望能幫助同學(xué)解決相關(guān)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(biāo)記的亮氨酸注射到細(xì)胞內(nèi)，3H在細(xì)胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的順序為：核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細(xì)胞膜；若在含3H標(biāo)記的亮氨酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)，3H在細(xì)胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的順序為：細(xì)胞膜→核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細(xì)胞膜。

2. 分泌蛋白，常考的有消化酶、抗體、蛋白質(zhì)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(xì)胞的方式為胞吐，該過程需消耗能量，體現(xiàn)了細(xì)胞膜具有流動性的結(jié)構(gòu)特點。

例1（試題背景取材于2016年北京市西城區(qū)期末）把酵母菌培養(yǎng)在含3H標(biāo)記的亮氨酸的培養(yǎng)液中，最后測得細(xì)胞分泌物中含有放射性的X。經(jīng)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(zhì)分泌過程異常，如下圖所示（①、②、③表示細(xì)胞結(jié)構(gòu)）。下列敘述正確的是（ ）

A. 物質(zhì)X可能表示某種消化酶、載體蛋白等

B. 分泌X時正常細(xì)胞的結(jié)構(gòu)③膜面積會減小

C.3H在細(xì)胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的順序為①→②→③

D. A、B基因雙突變體蛋白質(zhì)沉積在①

【解析】物質(zhì)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)、②表示高爾基體、③表示細(xì)胞膜，分泌X時正常細(xì)胞的細(xì)胞膜的膜面積會略微增大，故B項錯誤；由于放射性物質(zhì)的起點為細(xì)胞外，3H在細(xì)胞結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)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(nèi)質(zhì)網(wǎng)，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(zhì)沉積在①內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，故D項正確。

【答案】D

二、研究ATP和DNA等物質(zhì)的合成及其關(guān)系

1.細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生與消耗ATP的生理過程舉例

_轉(zhuǎn)化場所 常見生理過程葉綠體產(chǎn)生ATP：光反應(yīng)消耗ATP：碳反應(yīng)和自身DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、蛋白____________質(zhì)合成等線粒體 產(chǎn)生ATP：檸檬酸循環(huán)、電子傳遞鏈____________消耗ATP：自身DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成等細(xì)胞溶膠 產(chǎn)生ATP：需氧呼吸和厭氧呼吸的糖酵解____________消耗ATP：一些需能反應(yīng)__細(xì)胞膜 消耗ATP：主動轉(zhuǎn)運、胞吞、胞吐__核糖體 消耗ATP：蛋白質(zhì)合成__細(xì)胞核 消耗ATP：DNA復(fù)制、轉(zhuǎn)錄等

2.ATP與RNA、DNA合成的關(guān)系

ATP去掉兩個磷酸基團(tuán)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(qū)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(guān)DNA分子的研究中，常用32P來標(biāo)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(tuán)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(tuán)轉(zhuǎn)移到DNA末端上，同時產(chǎn)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(biāo)記到DNA末端上，則帶有32P的磷酸基團(tuán)應(yīng)在ATP的α位上

B. 若用酶X把32P標(biāo)記到DNA末端上，則帶有32P的磷酸基團(tuán)應(yīng)在ATP的β位上

C. 若將32P標(biāo)記到新合成的DNA分子上，則帶有32P的磷酸基團(tuán)應(yīng)在dATP的α位上

D. 若用32P標(biāo)記的噬菌體去侵染未標(biāo)記的細(xì)菌，則子代含有32P的噬菌體為2個

【解析】ATP中遠(yuǎn)離腺苷（A）的高能磷酸鍵容易斷裂，產(chǎn)生ADP和一個磷酸基團(tuán)。若用酶X把32P標(biāo)記到DNA末端上，則帶有32P的磷酸基團(tuán)應(yīng)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(tuán)，產(chǎn)生的脫氧核苷酸可用于合成DNA，則32P標(biāo)記的磷酸基團(tuán)應(yīng)在dATP的α位上，故C項正確；確保親代為一個含有32P標(biāo)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(xì)胞呼吸中元素的去向

例3（原創(chuàng)）一個密閉的透明玻璃容器內(nèi)，放有綠色植物和小白鼠（小白鼠以植物為食），容器內(nèi)供應(yīng)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(qū)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中可能出現(xiàn)18O

B. 一段時間后，植物和小白鼠體內(nèi)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(nèi)的轉(zhuǎn)移途徑如下：

18O2能擴(kuò)散到根尖成熟區(qū)細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中，在線粒體中轉(zhuǎn)變成故A項正確；綠色植物體內(nèi)的被動物攝食，通過同化作用轉(zhuǎn)變成自身的有機物，植物和小白鼠體內(nèi)的有機物都含有18O，故B項正確；若給植物提供光反應(yīng)中在光下裂解產(chǎn)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(yīng)產(chǎn)生再通過光反應(yīng)產(chǎn)生18O2，故D項錯誤。

【答案】D

四、研究細(xì)胞核與細(xì)胞質(zhì)之間的物質(zhì)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(xì)胞動物）隨機分為三組，每組有若干變形蟲。A組：含32P標(biāo)記的尿嘧啶核苷酸食物飼喂變形蟲；B組：將變形蟲的細(xì)胞核去掉；C組：不作處理。

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

（3）一段時間后檢測B、C兩組的放射性。

2.預(yù)期結(jié)果

例4（原創(chuàng)）用32P標(biāo)記的四膜蟲喂養(yǎng)變形蟲多代，變形蟲的細(xì)胞核被標(biāo)記，再將這些標(biāo)記的變形蟲的核移植到正常的沒有去核的變形蟲內(nèi)，不久細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)了放射性（經(jīng)鑒定其化學(xué)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(xì)胞核中的RNA能運輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中

B. 證明細(xì)胞質(zhì)中的RNA不能運輸?shù)郊?xì)胞核中

C. 細(xì)胞核中被標(biāo)記的物質(zhì)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(jié)果

【解析】將標(biāo)記的變形蟲的核移植到正常的沒有去核的變形蟲內(nèi)，不久細(xì)胞質(zhì)中出現(xiàn)了放射性（經(jīng)鑒定其化學(xué)成分為RNA），證明細(xì)胞核中的RNA能運輸?shù)郊?xì)胞質(zhì)中，故A項正確；但正常核中一直沒有放射性，證明細(xì)胞質(zhì)中的RNA不能運輸?shù)郊?xì)胞核中，故B項正確。細(xì)胞核中被標(biāo)記的物質(zhì)最可能是含32P標(biāo)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(biāo)記的是蛋白質(zhì)，而細(xì)胞核中不能合成蛋白質(zhì)，故D項正確。

【答案】C

（作者單位：浙江省桐廬中學(xué)）