高中生物中同位素示蹤法應(yīng)用的實(shí)例

何桂蘭

摘 要：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什么路徑，運(yùn)動(dòng)到哪里了，是怎樣分布的等等。

關(guān)鍵詞：同位素示蹤法；高中生物教學(xué)實(shí)例

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002-7661（2015）09-280-01

同位素在生產(chǎn)、生活和科研等方面都有著極其廣泛的應(yīng)用。在生物學(xué)領(lǐng)域可用來測(cè)定生物化石的年代，也利用其射線進(jìn)行誘變育種、防治病蟲害和臨床治癌，還可利用其射線作為示蹤原子來研究細(xì)胞內(nèi)的元素或化合物的來源、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)理等等。

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什么路徑，運(yùn)動(dòng)到哪里了，是怎樣分布的等。同位素標(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物，與未標(biāo)記的相應(yīng)化合物具有相同的化學(xué)與生物學(xué)性質(zhì)，不同的只是它們帶有放射性，可以利用放射性探測(cè)技術(shù)來追蹤。用于示蹤技術(shù)的放射性同位素一般是用于構(gòu)成細(xì)胞化合物的重要元素。如3H、15N、14C、18O、32P、35S等。

現(xiàn)行高中生物教材中的內(nèi)容和相關(guān)習(xí)題中頻繁出現(xiàn)同位素示蹤法，展示了此方法的多種應(yīng)用價(jià)值和對(duì)科學(xué)研究的重要貢獻(xiàn)。以下就教材相關(guān)內(nèi)容結(jié)合實(shí)例進(jìn)行歸納闡述，以期達(dá)到較深刻地認(rèn)識(shí)這項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)而達(dá)到認(rèn)識(shí)生物某些重要代謝途徑的目的。

一、分泌蛋白在細(xì)胞中合成部位及運(yùn)輸方向

在必修一課本中，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，3 min后，被標(biāo)記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，17 min后，出現(xiàn)在高爾基體中，117 min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)→高爾基體→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。

二、研究生物的新陳代謝

教材在介紹光合作用的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，提及19世紀(jì)30年代美國(guó)科學(xué)家魯賓和卡門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。他們進(jìn)行了這樣兩組實(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。在相同的條件下，對(duì)兩組光合作用實(shí)驗(yàn)釋放出的氧進(jìn)行分析，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中釋放的氧全部來自水。同樣，也是用此方法，20世紀(jì)40年代，美國(guó)科學(xué)家卡爾文用碳的同位素14C標(biāo)記的CO2 ，探明了碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中碳的轉(zhuǎn)移途徑，被稱為卡爾文循環(huán)。除了光合作用，細(xì)胞呼吸等重要的生物代謝過程的很多問題也可以用同位素示蹤法來研究。

三、證明DNA是遺傳物質(zhì)：噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)

必修二第3章第一節(jié)：DNA是主要的遺傳物質(zhì)。這一節(jié)中有幾個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，其中噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)正是運(yùn)用了同位素示蹤法。1952年赫爾希和蔡斯把大腸桿菌分別培養(yǎng)在含有35S和32P的培養(yǎng)基中， 大腸桿菌在生長(zhǎng)過程中， 就分別被35S和32P所標(biāo)記。然后，赫爾希等人用T2噬菌體分別去侵染被35S和32P標(biāo)記的大腸桿菌。噬菌體在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)增殖，裂解后釋放出很多子代噬菌體，在這些子代噬菌體中，前者被35S標(biāo)記，后者被32P標(biāo)記。用被35S和32P標(biāo)記的噬菌體分別去侵染未標(biāo)記的大腸桿菌，然后測(cè)定宿主細(xì)胞的同位素標(biāo)記，當(dāng)用35S標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，測(cè)定結(jié)果顯示：宿主細(xì)胞內(nèi)很少有同位素標(biāo)記，而大多數(shù)35S標(biāo)記的噬菌體蛋白質(zhì)附著在宿主細(xì)胞的外面 。當(dāng)用32P標(biāo)記的噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，測(cè)定結(jié)果顯示宿主細(xì)胞的外面的噬菌體外殼中很少有放射性同位素32P，而大多數(shù)放射性同位素32P在宿主細(xì)胞內(nèi)。以上實(shí)驗(yàn)表明：噬菌體在侵染細(xì)菌時(shí)，進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)的是DNA，而蛋白質(zhì)留在細(xì)菌的外面。可見：在噬菌體的生活史中，只有DNA是在親代和子代之間具有連續(xù)性的物質(zhì)。故證明DNA是遺傳物質(zhì)。

四、證明DNA的半保留復(fù)制

在必修二課本DNA的復(fù)制一節(jié)，選學(xué)內(nèi)容DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)部分，就介紹了用同位素示蹤法證明半保留復(fù)制機(jī)制的實(shí)驗(yàn)過程。實(shí)驗(yàn)步驟：

第一步：在氮源為14N的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的大腸桿菌，其DNA分子均為14 N-DNA；在氮源15N的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的大腸桿菌，其DNA分子均為15N-DNA。用某種離心方法分離得到的結(jié)果如右圖所示，其DNA分別分布在輕帶和重帶上。

第二步：將親代大腸桿菌（含15N-DNA）轉(zhuǎn)移到含14 N的培養(yǎng)基上繁殖一代（Ⅰ），請(qǐng)分析：如果DNA離心后位置為重帶和輕帶兩個(gè)條帶，則是全保留復(fù)制，如果DNA離心后位置為只存在中帶，則是半保留復(fù)制。

第三步：為了進(jìn)一步驗(yàn)證第二步的推測(cè)結(jié)果，將親代大腸桿菌（含15N-DNA）轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上連續(xù)繁殖二代（Ⅱ），請(qǐng)分析：

如果DNA離心后位置為重帶和輕帶，輕帶加粗，則是全保留復(fù)制；如果DNA離心后位置為出現(xiàn)重帶和輕帶兩個(gè)條帶，則是半保留復(fù)制。

五、DNA探針

在生物的選修教材部分，多次涉及到DNA探針的相關(guān)知識(shí)，包括環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、基因診斷、基因工程中目的基因的檢測(cè)等等。所謂DNA探針，就是用放射性同位素標(biāo)記或者熒光標(biāo)記的DNA分子，利用DNA分子雜交技術(shù)，達(dá)到檢測(cè)和篩選的目的。

除此之外，同位素示蹤法在生物領(lǐng)域的應(yīng)用還有其他很多方面，如研究細(xì)胞的增殖歷程、生物的生命活動(dòng)調(diào)節(jié)以及動(dòng)物胚胎發(fā)育過程等方面。同位素示蹤技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，幫助人類更深入地了解生命活動(dòng)的規(guī)律。