2024屆高考生物一輪總復(fù)習(xí)必修2第六單元基因的本質(zhì)和表達(dá)第4講同位素標(biāo)記法在遺傳物質(zhì)研究中的應(yīng)用課件

同位素標(biāo)記法是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常應(yīng)用的一種重要方法，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(jī)理等。在近年的高考生物考試中多以選擇題的形式考查同位素標(biāo)記法在遺傳物質(zhì)研究中的應(yīng)用，試題常以高中生物學(xué)教材中涉及的放射性同位素應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)為載體進(jìn)行命題，較好地體現(xiàn)了對學(xué)生的科學(xué)探究、科學(xué)思維、社會責(zé)任的考查。深化提素養(yǎng)1．(2020·江蘇高考)同位素可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。在生物科學(xué)史中，下列科學(xué)研究未采用同位素標(biāo)記法的是

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)A．卡爾文(M.Calvin)等探明CO2中的碳在光合作用中的轉(zhuǎn)化途徑B．赫爾希(A.D.Hershey)等利用T2噬菌體侵染大腸桿菌證明DNA是遺傳物質(zhì)C．梅塞爾森(M.Meselson)等證明DNA進(jìn)行半保留復(fù)制D．溫特(F.W.Went)證明胚芽鞘產(chǎn)生促進(jìn)生長的化學(xué)物質(zhì)解析：溫特的研究中利用胚芽鞘和瓊脂塊開展實(shí)驗(yàn)，該研究沒有采用同位素標(biāo)記法。答案：D2．(2021·浙江1月選考)現(xiàn)建立“動物精原細(xì)胞(2n＝4)有絲分裂和減數(shù)分裂過程”模型。1個精原細(xì)胞(假定DNA中的P元素都為32P，其他分子不含32P)在不含32P的培養(yǎng)液中正常培養(yǎng)，分裂為2個子細(xì)胞，其中1個子細(xì)胞發(fā)育為細(xì)胞①。細(xì)胞①和②的染色體組成如圖所示，H(h)、R(r)是其中的兩對基因，細(xì)胞②和③處于相同的分裂時期。下列敘述正確的是

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)A．細(xì)胞①形成過程中沒有發(fā)生基因重組B．細(xì)胞②中最多有兩條染色體含有32PC．細(xì)胞②和細(xì)胞③中含有32P的染色體數(shù)相等D．細(xì)胞④～⑦中含32P的核DNA分子數(shù)可能分別是2、1、1、1解析：從圖中染色體的顏色可以看出，同源染色體的非姐妹染色單體之間發(fā)生了互換，所以細(xì)胞①中發(fā)生了基因重組，A錯誤；從細(xì)胞①到②③進(jìn)行的是減數(shù)分裂，其中細(xì)胞②處于減數(shù)分裂Ⅱ后期，正常情況下，細(xì)胞①中的每條染色體上兩條染色單體的兩個DNA分子中一個只含31P，另一個含32P和31P，正常減數(shù)分裂Ⅱ后期應(yīng)該為2條含有32P，但是發(fā)生了互換，就可能有更多的染色體含有32P，B錯誤；由于發(fā)生互換，導(dǎo)致染色單體上元素標(biāo)記情況不同，所以細(xì)胞②和細(xì)胞③含有32P的染色體數(shù)目可能不同，C錯誤；細(xì)胞④～⑦是減數(shù)分裂形成的子細(xì)胞，如果細(xì)胞②H中含有32P和R所在染色體含32P，且細(xì)胞②中h所在染色體含有32P，則r所在染色體中不含32P，因此形成的細(xì)胞④含32P的核DNA分子數(shù)為2個，形成的細(xì)胞⑤含有32P的核DNA分子數(shù)為1個，由于細(xì)胞③的基因型為Hhrr(h為互換的片段)，h所在的染色體與其中一個r所在染色體含有32P(H和另一個r所在染色體不含32P)，如果含有32P的2條染色體不在同一極，則形成的細(xì)胞⑥⑦都含32P的核DNA分子數(shù)為1個，D正確。答案：D

3．(2022·海南高考)科學(xué)家曾提出DNA復(fù)制方式的三種假說：全保留復(fù)制、半保留復(fù)制和分散復(fù)制(圖1)。對此假說，科學(xué)家以大腸桿菌為實(shí)驗(yàn)材料，進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)(圖2)：下列有關(guān)敘述正確的是

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)A．第一代細(xì)菌DNA離心后，試管中出現(xiàn)1條中帶，說明DNA復(fù)制方式一定是半保留復(fù)制B．第二代細(xì)菌DNA離心后，試管中出現(xiàn)1條中帶和1條輕帶，說明DNA復(fù)制方式一定是全保留復(fù)制C．結(jié)合第一代和第二代細(xì)菌DNA的離心結(jié)果，說明DNA復(fù)制方式一定是分散復(fù)制D．若DNA復(fù)制方式是半保留復(fù)制，繼續(xù)培養(yǎng)至第三代，細(xì)菌DNA離心后試管中會出現(xiàn)1條中帶和1條輕帶

解析：第一代細(xì)菌DNA離心后，試管中出現(xiàn)1條中帶，說明DNA復(fù)制方式一定不是全保留復(fù)制，可能為半保留復(fù)制或分散復(fù)制，A錯誤；若DNA復(fù)制方式為全保留復(fù)制，則第二代細(xì)菌DNA離心后，4個子代DNA分子中，1個為15N15N,3個為14N14N，會在試管中出現(xiàn)1條重帶和1條輕帶，與題圖信息不符，B錯誤；結(jié)合第一代和第二代的離心結(jié)果，說明DNA復(fù)制方式是半保留復(fù)制，C錯誤；若DNA復(fù)制方式為半保留復(fù)制，繼續(xù)培養(yǎng)至第三代，得到的8個子代DNA分子中，2個為15N14N,6個為14N14N，細(xì)菌DNA離心后試管中會出現(xiàn)1條中帶和1條輕帶，D正確。答案：D

提能點(diǎn)(一)同位素標(biāo)記法在實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用同位素標(biāo)記法是用示蹤元素標(biāo)記化合物，根據(jù)化合物的放射性確定物質(zhì)的轉(zhuǎn)移途徑或?qū)τ嘘P(guān)的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行追蹤，也稱為同位素示蹤法。1．噬菌體親子代個體與細(xì)菌之間的同位素標(biāo)記關(guān)系

比較項(xiàng)目DNA蛋白質(zhì)DNA和蛋白質(zhì)親代噬菌體32P35S14C、3H、18O、15N培養(yǎng)細(xì)菌31P32S12C、2H、16O、14N子代噬菌體32P、31P32SC、H、O、N兩種都有(1)該實(shí)驗(yàn)不能標(biāo)記C、H、O、N這些DNA和蛋白質(zhì)共有的元素，否則無法將DNA和蛋白質(zhì)區(qū)分開。(2)35S(標(biāo)記蛋白質(zhì))和32P(標(biāo)記DNA)不能同時標(biāo)記在同一噬菌體上，因?yàn)榉派湫詸z測時只能檢測到放射性存在的部位，不能確定是何種元素的放射性。2．常用同位素標(biāo)記法的實(shí)例同位素標(biāo)記物質(zhì)研究內(nèi)容結(jié)論(結(jié)果)14CCO2暗反應(yīng)中碳的轉(zhuǎn)移途徑發(fā)現(xiàn)卡爾文循環(huán)3H亮氨酸分泌蛋白的合成、分泌過程核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細(xì)胞膜18OH2O和CO2光合作用中O2的來源產(chǎn)生的O2來自H2O，而不是CO215NDNADNA的復(fù)制DNA半保留復(fù)制32PDNA生物的遺傳物質(zhì)DNA是生物的遺傳物質(zhì)35S蛋白質(zhì)[針對訓(xùn)練]1．用DNA雙鏈均被32P標(biāo)記的一個T2噬菌體侵染被

35S標(biāo)記的大腸桿菌，一段時間后釋放出了m個子代T2噬菌體。下列有關(guān)敘述正確的是

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)A．用32P標(biāo)記T2噬菌體的方法與用35S標(biāo)記大腸桿菌的方法相同B．這m個子代T2噬菌體中，含32P的T2噬菌體所占的比例為1/mC．若子代T2噬菌體均同時含32P和35S，則該T2噬菌體只繁殖了一代D．經(jīng)過培養(yǎng)，得到的m個子代T2噬菌體中有3/4含有35S解析：T2噬菌體為病毒，沒有細(xì)胞結(jié)構(gòu)，不能用培養(yǎng)基直接培養(yǎng)，而大腸桿菌屬于原核生物，能用培養(yǎng)基直接培養(yǎng)，A錯誤；這m個子代T2噬菌體中，含32P的T2噬菌體所占的比例為2/m，B錯誤；由于DNA的復(fù)制為半保留復(fù)制，若子代T2噬菌體均同時含32P和35S，則該T2噬菌體只繁殖了一代，C正確；T2噬菌體培養(yǎng)過程中繁殖所需的原料都來自大腸桿菌，所以得到的m個子代T2噬菌體中都有35S，D錯誤。答案：C

2．下列是應(yīng)用同位素標(biāo)記法進(jìn)行的幾種研究，其中錯誤的是

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)A．分別用32P和35S標(biāo)記噬菌體的DNA和蛋白質(zhì)用于證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)B．給予某人131I，通過測定甲狀腺的放射性可以反映甲狀腺的功能狀態(tài)C．用單細(xì)胞綠藻做14CO2示蹤實(shí)驗(yàn)，不同時間點(diǎn)對放射性碳分析可得出暗反應(yīng)的途徑D．用放射性同位素標(biāo)記某種氨基酸進(jìn)行示蹤，可得出分泌蛋白合成、加工和分泌的途徑解析：噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)中分別用32P標(biāo)記DNA、35S標(biāo)記蛋白質(zhì)的噬菌體侵染細(xì)菌，證明了DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)，不能證明DNA是主要的遺傳物質(zhì)，A錯誤；I是甲狀腺細(xì)胞合成甲狀腺激素的原料，給予某人131I，通過測定甲狀腺激素的放射性可以反映甲狀腺的功能狀態(tài)，B正確；用單細(xì)胞綠藻做14CO2示蹤實(shí)驗(yàn)，不同時間點(diǎn)對放射性碳分析可得出暗反應(yīng)的途徑是14CO2→14C3→(14CH2O)，C正確；用放射性同位素標(biāo)記某種氨基酸進(jìn)行示蹤，可得出分泌蛋白合成、加工和分泌的途徑，即核糖體→內(nèi)質(zhì)網(wǎng)→高爾基體→細(xì)胞膜，D正確。答案：

A

提能點(diǎn)(二)細(xì)胞分裂過程中染色體和DNA的標(biāo)記問題1．DNA復(fù)制后DNA分子存在位置與去向(1)2個子DNA位置：當(dāng)1個DNA分子復(fù)制后形成2個新DNA分子后，這2個子DNA位于兩條姐妹染色單體上，且由著絲粒連在一起，如圖所示：(2)子DNA去向：在有絲分裂后期或減數(shù)分裂Ⅱ后期，當(dāng)著絲粒分裂時，兩條姐妹染色單體分開，分別移向細(xì)胞兩極，此時子DNA隨染色單體分開而分開。2．有絲分裂中染色體標(biāo)記情況分析(1)過程圖解(一般只研究一條染色體)：復(fù)制一次(母鏈標(biāo)記，培養(yǎng)液不含標(biāo)記同位素)：轉(zhuǎn)至不含標(biāo)記同位素培養(yǎng)液中再培養(yǎng)一個細(xì)胞周期：(2)規(guī)律總結(jié)：若只復(fù)制一次，產(chǎn)生的子染色體都帶有標(biāo)記；若復(fù)制兩次，產(chǎn)生的子染色體只有一半帶有標(biāo)記。3．減數(shù)分裂中染色體標(biāo)記情況分析(1)過程圖解：減數(shù)分裂一般選取一對同源染色體為研究對象，如下圖(母鏈標(biāo)記，培養(yǎng)液不含標(biāo)記同位素)：(2)規(guī)律總結(jié)：由于減數(shù)分裂沒有細(xì)胞周期，DNA只復(fù)制一次，因此產(chǎn)生的子染色體都帶有標(biāo)記。[針對訓(xùn)練]3．核DNA被32P標(biāo)記的精子與未被標(biāo)記的卵細(xì)胞受精后，在不含放射性標(biāo)記的培養(yǎng)基中連續(xù)分裂兩次，下列分析正確的是

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)A．放射性細(xì)胞數(shù)量與所有細(xì)胞數(shù)量之比逐代減少B．放射性DNA分子數(shù)與所有細(xì)胞總DNA分子數(shù)之比逐代減少C．可以確定含有放射性的細(xì)胞數(shù)，因?yàn)榉至押笃诮忝萌旧珕误w均分到兩極D．無法確定含有放射性的細(xì)胞數(shù)，因?yàn)榉至押笃诜峭慈旧w自由組合解析：由于DNA的半保留復(fù)制，含有標(biāo)記的DNA分子在未標(biāo)記的原料中連續(xù)復(fù)制兩次，帶有放射性標(biāo)記的DNA分子數(shù)與所有細(xì)胞總DNA分子數(shù)的比例將逐代減少，含有放射性的細(xì)胞數(shù)量與所有細(xì)胞數(shù)量之比不一定逐代減少，A錯誤，B正確；有絲分裂后期姐妹染色單體分開后隨機(jī)進(jìn)入兩個子細(xì)胞中，第一次分裂產(chǎn)生的子細(xì)胞都含有放射性，但第二次分裂后含有放射性的細(xì)胞數(shù)目無法確定，C錯誤；受精卵進(jìn)行有絲分裂，不會發(fā)生基因重組，D錯誤。答案：B

4．如圖表示某生物的精原細(xì)胞在條件X下最終形成了四個細(xì)胞，條件X可能是①精原細(xì)胞某一對同源染色體中的一條染色體上的DNA雙鏈均被15N標(biāo)記；②精原細(xì)胞某一對同源染色體中的兩條染色體上的DNA雙鏈均被15N標(biāo)記；③進(jìn)行減數(shù)分裂；④進(jìn)行有絲分裂。下列有關(guān)說法正確的是

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)A．若條件X為①③，則處于減數(shù)分裂Ⅱ后期的兩個次級精母細(xì)胞中均含被15N標(biāo)記的染色體B．若條件X為②③，則處于減數(shù)分裂Ⅱ后期的兩個次級精母細(xì)胞中均含有兩條被15N標(biāo)記的染色體C．若條件X為①③，則產(chǎn)生的四個精細(xì)胞一定均含被15N標(biāo)記的染色體D．若條件X為②④，則產(chǎn)生的四個子細(xì)胞一定均含被15N標(biāo)記的染色體解析：若只標(biāo)記了某一對同源染色體中的一條染色體上的DNA雙鏈，進(jìn)行減數(shù)分裂時，DNA只復(fù)制一次，在減數(shù)分裂Ⅰ中隨著同源染色體分開，被15N標(biāo)記的染色體只能進(jìn)入一個次級精母細(xì)胞中，A錯誤；若精原細(xì)胞某一對同源染色體中的兩條染色體上的DNA雙鏈均被15N標(biāo)記，那么減數(shù)分裂Ⅰ時該對同源染色體中的四條染色單體都被15N標(biāo)記，則減數(shù)分裂Ⅱ后期時兩個次級精母細(xì)胞均含有兩條被15N標(biāo)記的染色體，B正確；若精原細(xì)胞某一對同源染色體中的一條染色體上的DNA雙鏈均被15N標(biāo)記，經(jīng)減數(shù)分裂產(chǎn)生的四個精細(xì)胞中，只有兩個精細(xì)胞含有被15N標(biāo)記的染色體，C錯誤；若精原細(xì)胞某一對同源染色體中的兩條染色體上的DNA雙鏈均被15N標(biāo)記，進(jìn)行有絲分裂時，第一次有絲分裂產(chǎn)生的兩個細(xì)胞中都含有一條DNA單鏈被15N標(biāo)記的染色體，在第二次有絲分裂中期，被標(biāo)記的染色體中的兩條姐妹染色單體中，只有一條姐妹染色單體含15N標(biāo)記，另一條不含15N標(biāo)記，有絲分裂后期染色體向細(xì)胞兩極移動是隨機(jī)的，因此產(chǎn)生的子細(xì)胞中可能含15N標(biāo)記也可能不含15N標(biāo)記，D錯誤。答案：B

提能點(diǎn)(三)用同位素標(biāo)記法研究DNA復(fù)制的方式1．實(shí)驗(yàn)方法同位素標(biāo)記法和離心技術(shù)。2．實(shí)驗(yàn)原理含15N的雙鏈DNA密度大，含14N的雙鏈DNA密度小，一條鏈含14N、一條鏈含15N的雙鏈DNA密度居中。3．實(shí)驗(yàn)假設(shè)DNA以半保留的方式復(fù)制。4．實(shí)驗(yàn)預(yù)期離心后應(yīng)出現(xiàn)3條DNA帶。重帶(密度最大)兩條鏈都為15N標(biāo)記的親代雙鏈DNA中帶(密度居中)一條鏈為14N標(biāo)記，另一條鏈為15N標(biāo)記的子代雙鏈DNA輕帶(密度最小)兩條鏈都為14N標(biāo)記的子代雙鏈DNA5.實(shí)驗(yàn)過程6．過程分析(1)立即取出，提取DNA→離心→全部重帶。(2)繁殖一代后取出，提取DNA→離心→全部中帶。(3)繁殖兩代后取出，提取DNA→離心→1/2輕帶、1/2中帶。7．實(shí)驗(yàn)結(jié)論：DNA復(fù)制是以半保留的方式進(jìn)行。[針對訓(xùn)練]5．科學(xué)家為了探究DNA復(fù)制方式，先用含有15NH4Cl的原料來培養(yǎng)大腸桿菌若干代作為親本，再將親本大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含14NH4Cl的原料中培養(yǎng)，收集不同時期的大腸桿菌并提取DNA，再將提取的DNA進(jìn)行離心，記錄離心后試管中DNA的位置。(1)用含有15NH4Cl的原料來培養(yǎng)大腸桿菌若干代作為親本，培養(yǎng)若干代的目的是________________________________________________________________________________________________________________________。(2)有科學(xué)家認(rèn)為DNA的復(fù)制是全保留復(fù)制，復(fù)制形成的兩條子鏈結(jié)合在一起，兩條模板鏈重新結(jié)合在一起。若是全保留復(fù)制，則實(shí)驗(yàn)結(jié)果是子一代的DNA位置是___________________________________________________。(3)科學(xué)家進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是子一代的DNA位置全在中帶，子二代的DNA位置一半在中帶，一半在輕帶。這個結(jié)果否定了全保留復(fù)制，你對此的解釋是____________________________________________________________________________________________________________