同位素標記法在高中生物教材中的應用及拓展

穆凱利 宋麗艷

同位素標記法（isotopic tracer method）是利用放射性同位素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法，可用于追蹤物質的運行和變化規律。用反射性同位素標記的化合物，化學性質不會改變。科學家通過追蹤放射性同位素標記的化合物，可以弄清楚化學反應的詳細過程。

1、同位素示蹤法基本原理和特點

同位素示蹤所利用的放射性核素（或穩定性核素）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和生物學性質是相同的，只是具有不同的核物理性質。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的核物理性質，就可以用核探測器隨時追蹤它在體內或體外的位置、數量及其轉變等，穩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量之差，通過質譜儀，氣相層析儀，核磁共振等質量分析儀器來測定。

1.1 方法簡便

放射性測定不受其它非放射性物質的干擾，可以省略許多復雜的物質分離步驟，體內示蹤時，可以利用某些放射性同位素釋放出穿透力強的r射線，在體外測量而獲得結果，這就大大簡化了實驗過程，做到非破壞性分析，隨著液體閃爍計數的發展，14C和3H等發射軟β射線的放射性同位素在醫學及生物學實驗中得到越來越廣泛的應用。

1.2 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的轉移和轉變，與某些形態學技術相結合（如病理組織切片技術，電子顯微鏡技術等），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。

1.3 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，它對體內原有的相應物質的重量改變是微不足道的，體內生理過程仍保持正常的平衡狀態，獲得的分析結果符合生理條件，更能反映客觀存在的事物本質。

2、同位素示蹤法在高中生物教材中的應用

放射性同位素示蹤法在生物化學和分子生物學領域應用極為廣泛，它為揭示體內和細胞內理化過程的秘密，闡明生命活動的物質基礎起了極其重要的作用。下面僅就同位素示蹤技術在人教版新教材必修本與選修本中的應用方面作一介紹。

2.1 研究分泌蛋白的合成和運輸

經典實驗： 帕拉德在豚鼠的胰腺細胞內一次性注射適量3H標記的亮氨酸。3分鐘后放射性出現在附有核糖體的內質網中；17分鐘后，出現在高爾基體中；117分鐘后，出現在靠近細胞膜內側的運輸蛋白質的囊泡中，以及釋放到細胞外的分泌物中。

分泌蛋白合成與運輸過程概述：在核糖體上合成的蛋白質，進入內質網腔后，還要經過一些加工，如折疊、組裝、加上一些糖基團等，才能成為比較成熟的蛋白質。然后，由內質網腔膨大、出芽形成具膜的小泡，包裹著蛋白質轉移到高爾基體，把蛋白質輸送到高爾基體腔內，做進一步的加工。接著，高爾基體邊緣突起形成小泡，把蛋白質包裹在小泡里，運輸到細胞膜，小泡與細胞膜融合，把蛋白質釋放到細胞外。此過程體現了細胞器之間的協調配合。

2.2 光合作用中的應用

光合作用的原料有水和二氧化碳，那么，光合作用釋放的氧氣到底是來自二氧化碳還是水？人們曾一度認為這些氧氣是來自二氧化碳。

隨著技術的進步，人們發現了放射性同位素，這為解決氧氣來自水還是二氧化碳提供了研究手段。1939年，美國科學家魯賓（S.Ruben）和卡門（M.Kamen）利用同位素標記法進行了探究。他們用氧的同位素18O分別標記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2。然后進行兩組實驗：

第一組向植物提供H2O和C18O2；第二組向同種植物提供H218O和CO2。在其他條件都相同的情況下，他們分析了兩組實驗釋放的氧氣。結果表明，第一組釋放的氧氣全部是O2；第二組釋放的氧氣全部是18O2。這一實驗有力地證明光合作用釋放的氧氣來自水。

光合作用產生的有機物又是怎樣合成的呢？進入20世紀40年代，科學家開始用放射性同位素14C做實驗研究這一問題。美國科學家卡爾文等用小球藻（一種單細胞的綠藻）做實驗：用14C標記的14CO2，供小球藻進行光合作用，然后跟蹤檢測其放射性，最終探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑，這一途徑稱為卡爾文循環。

2.3 噬菌體侵染大腸桿菌的實驗

噬菌體侵染大腸桿菌的實驗是證明DNA是遺傳物質的經典實驗。在艾弗里的肺炎雙球菌的轉化實驗中，已經提到把S型活細菌中的DNA、蛋白質、莢膜多糖進行提取、分離和鑒定。通過實驗得出S型細菌中的轉化因子是DNA。其實，把S型細菌中的蛋白質、DNA、多糖等成分進行分離和提取，是一種直接“分開”的方法。在這個實驗的基礎上，1952年赫爾希（A.D.Hershey，1908c）和蔡斯（M.Chase）用一種間接的“分開”方法，即同位素標記法，把噬菌體的蛋白質標記而DNA不標記；把噬菌體的DNA標記而蛋白質不標記。通過放射性同位素標記間接地把DNA和蛋白質分開，單獨地追蹤觀察它們在前后代之間的遺傳作用。赫爾希和蔡斯首先在分別含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培養基中培養細菌。然后，分別用上述細菌培養T2噬菌體，從而制備出DNA中含有32P或蛋白質中含有35S的噬菌體。”

同位素標記實驗的第二步，是用被35S和32P標記的噬菌體分別去侵染未標記的細菌，然后測定宿主細胞的同位素標記。當用35S標記的噬菌體侵染細菌時，測定結果顯示，宿主細胞內很少有同位素標記，而大多數35S標記的噬菌體蛋白質附著在宿主細胞的外面。當用32P標記的噬菌體感染細菌時，測定結果顯示宿主細胞的外面的噬菌體外殼中很少有放射性同位素32P，而大多數放射性同位素32P在宿主細胞內。以上實驗表明，噬菌體在侵染細菌時，進入細菌內的是DNA，而蛋白質在細菌的外面。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性的物質。因此，DNA是遺傳物質。

總之，同位素標記法是生物科學實驗中經常應用的一項重要方法，通過該方法的分析與運用，能夠使學生更好地理解不同生理過程，探討物質變化與轉移途徑。因此，將高中教材中涉及到的同位素標記法總結出來，適當拓展延伸，以便更好的引導學生理解與掌握該方法的實際應用。