同位素示蹤實(shí)驗(yàn)專題復(fù)習(xí)

伊麗萍

摘要：從同位素標(biāo)記類型、標(biāo)記劑給入途徑和同位素檢測(cè)方法3個(gè)角度對(duì)高中階段涉及到同位素示蹤實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容進(jìn)行歸類復(fù)習(xí)，再通過例題的解題指導(dǎo)，不僅可以有效提高學(xué)生應(yīng)試能力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰秃诵乃仞B(yǎng)等都得到有效培養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：高中;生物;同位素示蹤法;專題復(fù)習(xí)

同位素標(biāo)記法（isotopic tracer method）是利用物理性質(zhì)特殊的同位素來標(biāo)記化學(xué)反應(yīng)中原子的去向[1]。同位素標(biāo)記可用于示蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律，通過追蹤同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清楚化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程[2]。因此，倍受生物科學(xué)家熱捧。同時(shí)，近幾年高考試題中幾乎都會(huì)出現(xiàn)關(guān)于同位素示蹤法的題目，因此，在高三二輪復(fù)習(xí)階段，以同位素示蹤實(shí)驗(yàn)作為一專題進(jìn)行歸類整合復(fù)習(xí)，對(duì)于學(xué)生理解基礎(chǔ)知識(shí)、分析和解決問題能力的提高是大有裨益的。

1 高中生物涉及到“同位素示蹤實(shí)驗(yàn)”的內(nèi)容

高中階段涉及到同位素示蹤實(shí)驗(yàn)除了普通高中生物教科書（以人民教育出版社2004版為例）中明顯指出用同位素示蹤方法研究的顯性經(jīng)典實(shí)驗(yàn)外，還有以教材知識(shí)為設(shè)計(jì)題材的同位素示蹤法實(shí)驗(yàn)以及平常練習(xí)中常見的同位素示蹤實(shí)驗(yàn)題，稱為“隱性實(shí)驗(yàn)”?，F(xiàn)在將這兩類同位素示蹤實(shí)驗(yàn)加以歸納整合（見表1）

2 同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)歸類復(fù)習(xí)

2.1從同位素標(biāo)記類型角度進(jìn)行歸類復(fù)習(xí)

第一種標(biāo)記某元素，追蹤該元素轉(zhuǎn)移過程。例如研究光合作用中氧氣的來源的實(shí)驗(yàn)中魯賓和卡門分別用18O標(biāo)記H218O和C18O2追蹤18O的轉(zhuǎn)移途徑;美國(guó)生物學(xué)家卡爾文等用單細(xì)胞的小球藻研究做實(shí)驗(yàn)研究光合作用中用14C標(biāo)記CO2追蹤碳轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的過程。

第二種標(biāo)記某化合物的特征元素，探究該化合物的生理作用。例如T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)中，分別將DNA特征元素P和蛋白質(zhì)的特征元素S用同位素加以標(biāo)記進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出DNA是遺傳物質(zhì)的結(jié)論。

第三種標(biāo)記某化合物的特征基團(tuán)，探究詳細(xì)某個(gè)生理過程。同位素不僅可標(biāo)記元素，也可標(biāo)記化學(xué)基團(tuán)。例如用3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷（3H-TdR），探究DNA復(fù)制過程。

2.2從標(biāo)記劑給入途徑角度進(jìn)行歸類復(fù)習(xí)

同位素標(biāo)記的方法主要有化學(xué)標(biāo)記法和代謝性標(biāo)記法兩種。前者是利用化學(xué)反應(yīng)方法在所需化合物的特殊位點(diǎn)引入同位素標(biāo)簽，適用于體外實(shí)驗(yàn)制備同位素標(biāo)記的化合物，例如制備3H標(biāo)記亮氨酸。后者借助生物新陳代謝過程，用經(jīng)同位素標(biāo)記的化合物取代體內(nèi)未標(biāo)記的化合物。例如用含15N氨基酸的培養(yǎng)基培養(yǎng)細(xì)胞，培養(yǎng)若干代后，蛋白質(zhì)將完全被同位素標(biāo)記。若要對(duì)病毒內(nèi)物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)記，需采用間接代謝性標(biāo)記法。先用含同位素標(biāo)記物的培養(yǎng)基培養(yǎng)宿主細(xì)胞，再用待標(biāo)記的病毒侵染宿主細(xì)胞，如T2噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)中獲得標(biāo)記噬菌體[3]。

2.3從同位素檢測(cè)方法角度進(jìn)行歸類復(fù)習(xí)

同位素分為兩類，放射性同位素和穩(wěn)定性同位素。高中生物常見的3H、14C、32P、35S為放射性同位素，其檢測(cè)可用自顯影技術(shù)或液體閃爍計(jì)數(shù)器等射線測(cè)量、分析、記錄儀器進(jìn)行;穩(wěn)定性同位素不具放射性[4]，例如15N，18O，可用測(cè)量分子質(zhì)量或離心技術(shù)，如魯賓和卡門的實(shí)驗(yàn)、梅塞爾森用15N標(biāo)記親代DNA驗(yàn)證DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)。

3 同位素示蹤法相關(guān)試題的解題指導(dǎo)

根據(jù)同位素示蹤技術(shù)操作過程特點(diǎn)，同位素示蹤實(shí)驗(yàn)題的審答思維可以用圖1流程圖表示。首先，分析所要標(biāo)記化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出其特征元素或特征化學(xué)基團(tuán);其次，思考標(biāo)記劑給入的方法;最后，檢測(cè)標(biāo)記情況。有時(shí)可能還需要放射性去污染和放射性廢物處理。

【原題再現(xiàn)】（2017年全國(guó)新課標(biāo)Ⅰ卷，T29）根據(jù)遺傳物質(zhì)的化學(xué)組成，可將病毒分為RNA病毒和DNA病毒兩種類型，有些病毒對(duì)人類健康會(huì)造成很大危害，通常，一種新病毒出現(xiàn)后需要確定該病毒的類型。

假設(shè)在宿主細(xì)胞內(nèi)不發(fā)生堿基之間的相互轉(zhuǎn)換，請(qǐng)利用放射性同位素標(biāo)記的方法，以體外培養(yǎng)的宿主細(xì)胞等為材料，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以確定一種新病毒的類型，簡(jiǎn)要寫出（1）實(shí)驗(yàn)思路，（2）預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論即可。（要求：實(shí)驗(yàn)包含可相互印證的甲、乙兩個(gè)組）

【審答思維】本題審答思維過程如圖2：

根據(jù)同位素示蹤技術(shù)操作過程特點(diǎn)，同位素示蹤實(shí)驗(yàn)題的審答思維可以圖2流程圖表示。首先，分析所要標(biāo)記化合物的化學(xué)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，找出其特征元素或特征化學(xué)基團(tuán);其次，思考標(biāo)記劑給入的方法;最后，檢測(cè)標(biāo)記情況。有時(shí)可能還需要放射性去污染和放射性廢物處理。

同位素示蹤實(shí)驗(yàn)側(cè)重考查同位素示蹤技術(shù)的應(yīng)用，考查考生應(yīng)用技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)解決實(shí)際問題的科學(xué)探究能力。通過答題反饋，教師可在引導(dǎo)學(xué)生整理同位素示蹤實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)的實(shí)例過程中進(jìn)行歸納分析，形成同位素示蹤實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的一般思路，提高實(shí)驗(yàn)探究能力。

通過同位素示蹤實(shí)驗(yàn)歸納、同位素示蹤實(shí)驗(yàn)歸類和同位素示蹤實(shí)驗(yàn)題解題指導(dǎo)三個(gè)步驟對(duì)同位素示蹤法內(nèi)容進(jìn)行專題復(fù)習(xí)，既能拓展學(xué)生知識(shí)、開闊視野，又能提高學(xué)生分析問題、解決問題和實(shí)驗(yàn)技能。同時(shí)，學(xué)生的生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究和社會(huì)責(zé)任等學(xué)科素養(yǎng)有一定的提高。

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