同位素標(biāo)記法在高中生物知識(shí)中的應(yīng)用

【摘要】在中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi)，質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的這一類原子稱為同位素。同位素用于追蹤物質(zhì)運(yùn)行和變化過(guò)程時(shí)，叫示蹤元素，用示蹤元素標(biāo)記的化合物，其化學(xué)性質(zhì)不變。人們根據(jù)這種化合物的放射性，對(duì)生物體內(nèi)各種復(fù)雜的生理、生化過(guò)程進(jìn)行追蹤，這種科學(xué)研究方法就叫做同位素示蹤法。同位素標(biāo)記法是利用放射性同位素作為示蹤劑對(duì)研究的對(duì)象的運(yùn)行和變化規(guī)律進(jìn)行追蹤的分析法。

【關(guān)鍵詞】同位素;標(biāo)記;應(yīng)用

一、概述

在中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi)，質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的這一類原子稱為同位素。同位素包括穩(wěn)定同位素和放射性同位素。穩(wěn)定同位素是指原子核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生衰變的同位素，如15N、18O等。放射性同位素是指原子核不穩(wěn)定會(huì)發(fā)生衰變，發(fā)出α射線或β射線或γ射線的同位素，如3H、14C、32P、35S、131I、42K等。

同位素用于追蹤物質(zhì)運(yùn)行和變化過(guò)程時(shí)，叫示蹤元素，用示蹤元素標(biāo)記的化合物，其化學(xué)性質(zhì)不變。人們根據(jù)這種化合物的放射性，對(duì)生物體內(nèi)各種復(fù)雜的生理、生化過(guò)程進(jìn)行追蹤，這種科學(xué)研究方法就叫做同位素示蹤法。同位素標(biāo)記法是利用放射性同位素作為示蹤劑對(duì)研究的對(duì)象的運(yùn)行和變化規(guī)律進(jìn)行追蹤的分析法。在生物學(xué)科中，經(jīng)常利用14C、18O、15N、3H、32P和35S等同位素作為示蹤原子，來(lái)考察學(xué)生分析、判斷和推斷能力。

二、方法應(yīng)用

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。用來(lái)研究細(xì)胞內(nèi)的元素或化合物的來(lái)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。

三.放射性同位素示蹤法的特點(diǎn)

⑴靈敏度高：放射性示蹤法可測(cè)到10-14-10-18克水平，即可以從1015個(gè)非放射性原子中檢出一個(gè)放射性原子。它比目前較敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最準(zhǔn)確的化學(xué)分析法很難測(cè)定到10-12克水平。

⑵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，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r射線，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，隨著液體閃爍計(jì)數(shù)的發(fā)展，14C和3H等發(fā)射軟β射線的放射性同位素在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

⑶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，與某些形態(tài)學(xué)技術(shù)相結(jié)合，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。

⑷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)的重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)

四、應(yīng)用分析

⑴標(biāo)記某元素，追蹤其轉(zhuǎn)移途徑。

①碳的同位素：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(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

②氧的同位素：自然界中氧元素有三種同位素，即16O、17O、18O，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18O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18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2，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H218O和CO2，第二組向同種綠色植物提供H2O和C18O2。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18O2，第二組釋放的氧全部是O2，從而證明了光合作用釋放的氧全部來(lái)自水。

⑵標(biāo)記特征元素，探究化合物的作用。

①磷的同位素：磷的同位素磷是一個(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。在教材中介紹了用32P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)。

②硫的同位素： 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35S。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)。

⑶標(biāo)記特征化合物，探究詳細(xì)生理過(guò)程，研究生物學(xué)原理。

①氫的同位素：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，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，17min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)網(wǎng)葉高爾基體一細(xì)胞膜的方向運(yùn)輸?shù)?，從而證明了細(xì)胞內(nèi)的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。

用3H 標(biāo)記胸腺嘧啶脫氧核苷酸，研究有絲分裂過(guò)程中染色體的變化規(guī)律。

②氮的同位素：有13N" 14N"" 15N" 等，如用15N" 標(biāo)記的脫氧核苷酸研究DNA復(fù)制的特點(diǎn)，證明DNA的復(fù)制為半保留復(fù)制。

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，利用N的同位素15N標(biāo)記氨基酸，研究其在動(dòng)植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移途徑;用42K標(biāo)記的培養(yǎng)基來(lái)研究礦質(zhì)元素在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑等。只要我們了解其中的原理便能觸類旁通，解決學(xué)習(xí)中的困難。

參考文獻(xiàn)：

[1]人教版高中生物必修I教材

[2]普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)

[3]梁吉春""" 2012生物創(chuàng)新大課堂

[4]中國(guó)生物器材網(wǎng)