同位素示蹤法及其在中學生物學中的應用

1、同位素示蹤法及其在中學生物學中的應用 婁志義 (安徽省合肥市中國科技大學附屬中學230026) 左麗麗 (山東省壽光市第五中學262735) 同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法，即把放射性同位素的原子參到其他物質(zhì)中去，讓它們一起運動、遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑，運動到哪里了，是怎樣分布的。示蹤實驗的創(chuàng)建者是Hevesy，HeX,esy于1923年首先用天然放射性z1Pb研究鉛鹽在豆科植物內(nèi)的分布和轉(zhuǎn)移。目前，由于中學生物課本中介紹的實驗越來越多，涉及的同位素示蹤法也頻繁地出現(xiàn)，本文對同位素示蹤法的原理及其應用做一介紹 1

2、 同位素示蹤法基本原理和特點 11基本原理具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子互稱同位素，如16O、17O和18O是氧的三個同位素。而具有放射性的同位素叫放射性同位素，如235U和236U是鈾元素的兩個放射性同位素。同位素示蹤所利用的放射性核素(或穩(wěn)定性核素)及它們的化合物，與自然界存在的相應普通元素及其化合物之間的化學性質(zhì)和生物學性質(zhì)是相同的，只是具有不同的核物理性質(zhì)。因此，就可以用同位素作為一種標記，制成含有同位素的標記化合物(如標記食物，藥物和代謝物質(zhì)等)代替相應的非標記化合物。利用放射性同位素不斷地放出特征射線(如a、B一、B、Y、X射線等)的核物理性質(zhì)，就可以用核探測器隨時追蹤它在體內(nèi)

3、或體外的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等；穩(wěn)定性同位素雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應同位素的質(zhì)量之差，通過質(zhì)譜儀、氣相層析儀、核磁共振等質(zhì)量分析儀器來測定。 。1 2放射性同位素示蹤法的特點 放射性同位素和穩(wěn)定性同位素都可作為示蹤劑，但是，穩(wěn)定性同位素作為示蹤劑其靈敏度較低，可獲得的種類少，價格較昂貴，其應用范圍受到限制；而用放射性同位素作為示蹤劑不僅靈敏度高，測量方法簡便易行，而且具有能準確地定量，準確地定位及符合研究對象的生理條件等特點：靈敏度高。放射性示蹤法可以檢測10-1810-19放射性核素，比普通化學分析法的靈敏度(1012g)要高得多。方法簡便。放射性測定不受其它非放射性物質(zhì)的干擾，

4、可以省略許多復雜的物質(zhì)分離步驟，體內(nèi)示蹤時，可以利用某些放射性同位素釋放 出穿透力強的Y射線，在體外測量而獲得結(jié)果，這就大大簡化了實驗過程，做到非破壞性分析。定位定量準確。放射性同位素示蹤法能準確定量地測定代謝物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)變，可以確定放射性示蹤劑在組織器官中的定量分布，并且對組織器官的定位準確度可達細胞水平、亞細胞水平乃至分子水平。符合生理條件。在放射性同位素實驗中，所引用的放射性標記化合物的化學量是極微量的，它對體內(nèi)原有的相應物質(zhì)的質(zhì)量改變是微不足道的，體內(nèi)生理過程仍保持正常的平衡狀態(tài)，獲得的分析結(jié)果符合生理條件，更能反映客觀存在的事物本質(zhì)。2各種同位素及其在中學生物學中的應用21 氫的同

5、位素 已知氫有三種同位素，即氕、氘和氚，氕和氘是穩(wěn)定的同位素，而氚具有放射性，能夠發(fā)射負B射線，因而可以通過探測器進行追蹤。3H標記化合物是指用放射性3H取代化合物中的穩(wěn)定同位素氕或氘，并以3H作為標記的放射性標記化合物。例如，在高中生物選修本中，介紹科學家在研究分泌蛋白的合成和分泌時，曾經(jīng)做過這樣一個實驗：他們在豚鼠的胰臟腺泡細胞中注射3H標記的亮氨酸，3min后，被標記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核酸體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，17rain后，出現(xiàn)在高爾基體中，117min后，出現(xiàn)在靠近細胞膜內(nèi)側(cè)的運輸?shù)鞍踪|(zhì)的小泡中，以及釋放到細胞外的分泌物中，這個實驗說明分泌蛋白在附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體中合成之后，是按照內(nèi)質(zhì)

6、網(wǎng)葉高爾基體一細胞膜的方向運輸?shù)?，從而證明了細胞內(nèi)的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。22 C的同位素 自然界中碳元素有三種同位素，即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C。14C能夠發(fā)射 B射線，因此可以用放射性14C取代化合物中它的穩(wěn)定同位素12C，并以14C作為標記的放射性標記化合物。例如教材中介紹了科學家用含有14C的二氧化碳來追蹤光合作用中的c原子的轉(zhuǎn)移途徑是：二氧化碳一三碳化合物一糖類。23 氧的同位素 自然界中氧元素有三種同位素，即16O、170、180，它們都不具有放射性，因此不能通過放射性進行追蹤。在示蹤研究中，常用180代替化合物中的16O進行標記，最后通過質(zhì)譜儀測定代

7、謝物的質(zhì)量的方法進行確定。例如在教材中，介紹的魯賓和卡門的實驗，研究光合作用中釋放的氧到底是來自于水，還是來自于二氧化碳。他們用氧的同位素180分別標記H20和C02，使它們分別成為H2180和C1802，然后進行兩組光合作用實驗：第一組向綠色植物提供H2180和C02，第二組向同種綠色植物提供H20和C1802。在相同條件下，他們對兩組光合作用釋放的氧進行了分析，結(jié)果表明第一組釋放的氧全部是180，第二 組釋放的氧全部是02，從而證明了光合作用釋放的氧全部來自水。 24 P的同位素磷是一個簡單的元素，除了質(zhì)量數(shù)為31的一種穩(wěn)定性同位素外，還有幾個放射性同位素，其質(zhì)量數(shù)為29、30、32、33

8、和34；但只有質(zhì)量數(shù)為32和33的同位素存在足夠長的時間可以作為示蹤物之用，32和33都可以發(fā)射負B射線。在教材中介紹了 用32標記噬菌體的DNA，然后用被標記的噬菌體去感染細菌的實驗。由于DNA中含有P元素，因而用放射性的32P取代DNA中的P，就使得DNA具有可識別性，從而和細菌的DNA相區(qū)別開來。 25 S的同位素硫的同位素32S、33S、34S、35S和36S中，除35S外，其它放射性同位素的半衰期都很短，因此在放射性同位素示蹤法中，用的多是35。 教材中同樣是在介紹噬菌體侵染細菌的實驗中，介紹了35S的標記應用。即是用35S標記噬菌體的蛋白質(zhì)外殼來顯示其最后的存在部位。由于蛋白質(zhì)含有S元素，而DNA中不含S元素，可以把蛋白質(zhì)和DNA區(qū)別開來。 除了課本中介紹的這些實驗中涉及到同位素標記法的應用之外