高考生物学备课素材：同位素在高中教材中的应用及易错点.docx

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1、同位素在高中教材中的应用及易错点元素是具有相同质子数（核电荷数）的一类原子的总称。也就是说，同种元素原子的原子核中质子数是相同的。但中子数不一定相同，如氢元素的原子核：氕（1H）,氘（2H），氚（3H），质子数都是1，都是中子数分别是0,1,2。把具有一定数目质子和一定数目中子的一种原子叫做核素，如1H,2H和3H就各为一种核素。质子数相同而中子数不同的的同一元素的不同原子互称同位素（即同一元素的不同核素），如1H，2H和3H互为同位素。“同位”是指核素的质子数相同，在元素周期表中占有相同的位置。同一元素的不同核素的中子数不同，质量数也不相同。每一种元素都有着多种同位素，其中大多具有放射性，称

2、为放射性同位素，例如氚（3H），碳-14（14C）等。若某元素的所有同位素都具有放射性，则该元素会被称为放射性元素，如铀、镭等。同位素标记法在科学中的应用非常广泛，在高中生物学教材中出现的也非常多。用物理性质特殊的同位素来标记化学反应中原子的去向就是同位素标记法。生物学研究中常用的同位素有的具有放射性，如14C、32P、3H、35S等；有的不具有放射性，是稳定同位素，如15N、18O等。同位素在高中教材中的应用有：生物学必修1分子与细胞第3章第2节细胞器之间的分工合作中“分泌蛋白的合成和运输”，向豚鼠的胰腺腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，然后观察放射性标记的物质出现的位置。生物学必修1分子与细

3、胞第5章第4节光合作用与能量转化中美国科学家卡尔文用经过14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后追踪放射性14C的去向，最终探明了CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳的。“探索光合作用原理的部分实验”，1941年，美国科学家鲁宾和卡门用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，最后测定产生的O2是16O2还是18O2，从而研究光合作用中氧气的来源。生物学必修2遗传与进化第3章第1节DNA是主要的遗传物质 “噬菌体侵染细菌的实验”，赫尔希和蔡斯分别用35S和32P标记的T2噬菌体分别侵染未标记的大肠杆菌，通过检测上清液和沉淀物的放射性证明DNA是遗传物质。生物学必修2遗传与进化第4章

4、第3节DNA的复制 “证明DNA半保留复制的实验”，梅塞尔森和斯塔尔先用含15NH4Cl的培养液培养大肠杆菌若干代，再转移到14NH4Cl的普通培养液中，再用离心法分离提取的DNA，记录试管中DNA的位置。选择性必修3现代生物科技专题专题1中“基因工程的基本操作程序”，用放射性同位素标记含有目的基因的DNA片段做探针，使探针与基因组DNA杂交，通过是否有杂交带判断目的基因是否已插入受体细胞染色体的DNA中。那究竟应该选择稳定性同位素还是放射性同位素，应该用哪种元素去标记时该如何取舍，教材中的同位素的应用暗藏着什么呢？应该怎么区分所用的同位素是否具有放射性？放射性标记化合物是指用放射性核素取代分

5、子的一种或几种原子，使之能被放射性探测技术识别用作示踪剂的化合物。采用放射性标记化合物的示踪检测技术，具有灵敏度高、干扰少、方法简便、准确性好等优点，在研究物质分布。揭示反应机制、阐明迁移过程、微量物质分析、生物活性测定、医学临床诊断等方面扮演着重要的角色，已广泛地应用在工业、农业、医学及科学研究的各个领域。用于制备放射性标记化合物的放射性核素主要有3H、14C、32P、35S、125I等。3H与14C标记化合物作为示踪剂具有半衰期长，应用时不需要考虑衰变校正，放射性能量低因而防护容易，对操作人员辐射损伤小；毒性低、检测灵敏度高等优点。3H与14C就还是生命元素的同位素，在制备标记化合物时不会

6、影响该化合物具有的诸多优点，因而广泛地应用于生物技术、医药开发、农业、工业等领域。所以“分泌蛋白的合成和运输”中选择3H标记亮氨酸，然后观察放射性标记的物质出现的位置；卡尔文用经过14C标记的14CO2去探明CO2中的碳是如何转化为有机物中的碳；“噬菌体侵染细菌的实验”没有选择3H与14C标记化合物的原因是为了分别观察蛋白质和DNA的去向作用，而蛋白质和DNA都含有C、H、O、N元素，所以只能选择仅蛋白质含有的S，和几乎都存在于DNA中的P。最后通过探测放射性的分布就可以确定侵入噬菌体的成分，从而推出DNA是遗传物质。汤姆孙在1912年首次发现了非放射性同位素的存在，F.W.Aston随后使用

7、质谱仪发现了许多元素的稳定同位素。1941年，美国科学家鲁宾和卡门用16O的同位素18O分别标记H2O和CO2，最后测定产生的O2是16O2还是18O2，从而研究光合作用中氧气的来源。许多老师也不知道18O是否有放射性，鉴于课本上之前用的的同位素都有放射性，所以直觉应该也是具有放射性的，而且最终放出的O2如果没有放射性，他们也不知道怎么检测，也不知道该跟学生怎么说，所以很多人就直接跟学生说，通过检测放出来O2的是否有放射性来判断氧气的来源是H2O还是CO2。现在的新教材已经写出：18O与15N是稳定的同位素，不具有放射性。那怎么区分16O2与18O2呢？有老师就想到“证明DNA半保留复制的实验

8、”中用密度梯度离心法分离含15N和含14N的DNA ,认为鲁宾和卡门也用的是密度梯度离心法。实际上他们用的是质谱仪分离和检测16O2与18O2的。质谱仪又称质谱计，是分离和检测不同同位素的仪器。质谱方法最早于1913年由J.J汤姆孙确定，以后经F.W.阿斯顿等人改进完善。质谱仪最重要的应用是分离同位素并测定它们的原子质量及相对丰度。测定原子质量的精度超过化学测量方法，大约2/3以上的原子的精确质量是用质谱方法测定的。“证明DNA半保留复制的实验”中梅塞尔森和斯塔尔先用用离心法分离提取的DNA。所用的离心法是密度梯度离心法。氯化铯离心分离时,盐离子由于受到强大的离心力而被拉向离心管底部,同时溶液

9、中存在的扩散作用与离心力相对抗,使Cs+与Cl-分散在整个溶液中,CsCl经过离心后,溶液达到一个平衡状态,扩散和沉淀的两种相对力量保持平衡,形成一个连续的CsCl浓度梯度,溶液的密度在离心管底部最大,顶部最小.如果DNA分子溶解在CsCl中,它们会逐渐集中在一条狭窄的带上,则DNA分子的密度恰好与那一点的CsCl密度相等.若用同位素标记DNA分子,则使DNA的密度不同,然后利用DNA能吸收紫外线的特点,用光源照射在照相底板上就出现了DNA的不同位置。这个实验所用的15N是稳定的同位素，不具有放射性，不能测定放射性，也不适应用质谱仪分析，因为它需要将DNA提取，然后观察子代DNA中是否含有15N和14N及其比例，而不是看有无15N。梅塞尔森和斯塔尔最开始用重氢标记DNA，后来使用5-溴尿嘧啶标记是嗜菌体，但是被标记的嗜菌体在离心中不断被折断，所以又回到用重同位素来标记的原始想法上来。15N很容易被分离，它是能在高纯度下得到的第一个无放射性稀有同位素。梅塞尔森和斯塔尔把细菌在37摄氏度下培养14代，培养基中的唯一氮源是含有重氮（15N）的氯化氨。15小时后再细菌的浓度达到了每勺上亿个时，重氮就被结合到它们所有的DNA碱基中。学科网（北京）股份有限公司