同位素示蹤法及其在中學(xué)生物學(xué)中的應(yīng)用

1、同位素示蹤法及其在中學(xué)生物學(xué)中的應(yīng)用 婁志義 (安徽省合肥市中國(guó)科技大學(xué)附屬中學(xué)230026) 左麗麗 (山東省壽光市第五中學(xué)262735) 同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行標(biāo)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(yùn)動(dòng)、遷移，再用放射性探測(cè)儀器進(jìn)行追蹤，就可知道放射性原子通過(guò)什么路徑，運(yùn)動(dòng)到哪里了，是怎樣分布的。示蹤實(shí)驗(yàn)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(xué)生物課本中介紹的實(shí)驗(yàn)越來(lái)越多，涉及的同位素示蹤法也頻繁地出現(xiàn)，本文對(duì)同位素示蹤法的原理及其應(yīng)用做一介紹 1

2、 同位素示蹤法基本原理和特點(diǎn) 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(chēng)同位素，如16O、17O和18O是氧的三個(gè)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(gè)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(yīng)普通元素及其化合物之間的化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)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(biāo)記，制成含有同位素的標(biāo)記化合物(如標(biāo)記食物，藥物和代謝物質(zhì)等)代替相應(yīng)的非標(biāo)記化合物。利用放射性同位素不斷地放出特征射線(xiàn)(如a、B一、B、Y、X射線(xiàn)等)的核物理性質(zhì)，就可以用核探測(cè)器隨時(shí)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(xiàn)，但可以利用它與普通相應(yīng)同位素的質(zhì)量之差，通過(guò)質(zhì)譜儀、氣相層析儀、核磁共振等質(zhì)量分析儀器來(lái)測(cè)定。 。1 2放射性同位素示蹤法的特點(diǎn) 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(lèi)少，價(jià)格較昂貴，其應(yīng)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(cè)量方法簡(jiǎn)便易行，而且具有能準(zhǔn)確地定量，準(zhǔn)確地定位及符合研究對(duì)象的生理?xiàng)l件等特點(diǎn)：靈敏度高。放射性示蹤法可以檢測(cè)10-1810-19放射性核素，比普通化學(xué)分析法的靈敏度(1012g)要高得多。方法簡(jiǎn)便。放射性測(cè)定不受其它非放射性物質(zhì)的干擾，

4、可以省略許多復(fù)雜的物質(zhì)分離步驟，體內(nèi)示蹤時(shí)，可以利用某些放射性同位素釋放 出穿透力強(qiáng)的Y射線(xiàn)，在體外測(cè)量而獲得結(jié)果，這就大大簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)過(guò)程，做到非破壞性分析。定位定量準(zhǔn)確。放射性同位素示蹤法能準(zhǔn)確定量地測(cè)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(duì)組織器官的定位準(zhǔn)確度可達(dá)細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平乃至分子水平。符合生理?xiàng)l件。在放射性同位素實(shí)驗(yàn)中，所引用的放射性標(biāo)記化合物的化學(xué)量是極微量的，它對(duì)體內(nèi)原有的相應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量改變是微不足道的，體內(nèi)生理過(guò)程仍保持正常的平衡狀態(tài)，獲得的分析結(jié)果符合生理?xiàng)l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(xué)生物學(xué)中的應(yīng)用21 氫的同

5、位素 已知?dú)溆腥N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(fù)B射線(xiàn)，因而可以通過(guò)探測(cè)器進(jìn)行追蹤。3H標(biāo)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(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物。例如，在高中生物選修本中，介紹科學(xué)家在研究分泌蛋白的合成和分泌時(shí)，曾經(jīng)做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他們?cè)陔嗍蟮囊扰K腺泡細(xì)胞中注射3H標(biāo)記的亮氨酸，3min后，被標(biāo)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(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)的小泡中，以及釋放到細(xì)胞外的分泌物中，這個(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)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(xì)胞膜的方向運(yùn)輸?shù)模瑥亩C明了細(xì)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(xiàn)，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(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物。例如教材中介紹了科學(xué)家用含有14C的二氧化碳來(lái)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(lèi)。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(guò)放射性進(jìn)行追蹤。在示蹤研究中，常用180代替化合物中的16O進(jìn)行標(biāo)記，最后通過(guò)質(zhì)譜儀測(cè)定代

7、謝物的質(zhì)量的方法進(jìn)行確定。例如在教材中，介紹的魯賓和卡門(mén)的實(shí)驗(yàn)，研究光合作用中釋放的氧到底是來(lái)自于水，還是來(lái)自于二氧化碳。他們用氧的同位素180分別標(biāo)記H20和C02，使它們分別成為H2180和C1802，然后進(jìn)行兩組光合作用實(shí)驗(yàn)：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(duì)兩組光合作用釋放的氧進(jìn)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(lái)自水。 24 P的同位素磷是一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)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(zhǎng)的時(shí)間可以作為示蹤物之用，32和33都可以發(fā)射負(fù)B射線(xiàn)。在教材中介紹了 用32標(biāo)記噬菌體的DNA，然后用被標(biāo)記的噬菌體去感染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。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(shí)別性，從而和細(xì)菌的DNA相區(qū)別開(kāi)來(lái)。 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(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中，介紹了35S的標(biāo)記應(yīng)用。即是用35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)外殼來(lái)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(kāi)來(lái)。 除了課本中介紹的這些實(shí)驗(yàn)中涉及到同位素標(biāo)記法的應(yīng)用之外