同位素示踪法及其在中学生物学中的应用

1、同位素示踪法及其在中学生物学中的应用 娄志义 (安徽省合肥市中国科技大学附属中学230026) 左丽丽 (山东省寿光市第五中学262735) 同位素示踪法是利用放射性核素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，即把放射性同位素的原子参到其他物质中去，让它们一起运动、迁移，再用放射性探测仪器进行追踪，就可知道放射性原子通过什么路径，运动到哪里了，是怎样分布的。示踪实验的创建者是Hevesy，HeX,esy于1923年首先用天然放射性z1Pb研究铅盐在豆科植物内的分布和转移。目前，由于中学生物课本中介绍的实验越来越多，涉及的同位素示踪法也频繁地出现，本文对同位素示踪法的原理及其应用做一介绍 1

2、 同位素示踪法基本原理和特点 11基本原理具有相同的质子数和不同中子数的原子互称同位素，如16O、17O和18O是氧的三个同位素。而具有放射性的同位素叫放射性同位素，如235U和236U是铀元素的两个放射性同位素。同位素示踪所利用的放射性核素(或稳定性核素)及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物(如标记食物，药物和代谢物质等)代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线(如a、B一、B、Y、X射线等)的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内

3、或体外的位置、数量及其转变等；稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪、气相层析仪、核磁共振等质量分析仪器来测定。 。1 2放射性同位素示踪法的特点 放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂，但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度高，测量方法简便易行，而且具有能准确地定量，准确地定位及符合研究对象的生理条件等特点：灵敏度高。放射性示踪法可以检测10-1810-19放射性核素，比普通化学分析法的灵敏度(1012g)要高得多。方法简便。放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，

4、可以省略许多复杂的物质分离步骤，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放 出穿透力强的Y射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到非破坏性分析。定位定量准确。放射性同位素示踪法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变，可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。符合生理条件。在放射性同位素实验中，所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的质量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。2各种同位素及其在中学生物学中的应用21 氢的同

5、位素 已知氢有三种同位素，即氕、氘和氚，氕和氘是稳定的同位素，而氚具有放射性，能够发射负B射线，因而可以通过探测器进行追踪。3H标记化合物是指用放射性3H取代化合物中的稳定同位素氕或氘，并以3H作为标记的放射性标记化合物。例如，在高中生物选修本中，介绍科学家在研究分泌蛋白的合成和分泌时，曾经做过这样一个实验：他们在豚鼠的胰脏腺泡细胞中注射3H标记的亮氨酸，3min后，被标记的氨基酸出现在附着有核酸体的内质网中，17rain后，出现在高尔基体中，117min后，出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的小泡中，以及释放到细胞外的分泌物中，这个实验说明分泌蛋白在附着于内质网上的核糖体中合成之后，是按照内质

6、网叶高尔基体一细胞膜的方向运输的，从而证明了细胞内的各种生物膜在功能上是紧密联系的。22 C的同位素 自然界中碳元素有三种同位素，即稳定同位素12C、13C和放射性同位素14C。14C能够发射 B射线，因此可以用放射性14C取代化合物中它的稳定同位素12C，并以14C作为标记的放射性标记化合物。例如教材中介绍了科学家用含有14C的二氧化碳来追踪光合作用中的c原子的转移途径是：二氧化碳一三碳化合物一糖类。23 氧的同位素 自然界中氧元素有三种同位素，即16O、170、180，它们都不具有放射性，因此不能通过放射性进行追踪。在示踪研究中，常用180代替化合物中的16O进行标记，最后通过质谱仪测定代

7、谢物的质量的方法进行确定。例如在教材中，介绍的鲁宾和卡门的实验，研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自于二氧化碳。他们用氧的同位素180分别标记H20和C02，使它们分别成为H2180和C1802，然后进行两组光合作用实验：第一组向绿色植物提供H2180和C02，第二组向同种绿色植物提供H20和C1802。在相同条件下，他们对两组光合作用释放的氧进行了分析，结果表明第一组释放的氧全部是180，第二 组释放的氧全部是02，从而证明了光合作用释放的氧全部来自水。 24 P的同位素磷是一个简单的元素，除了质量数为31的一种稳定性同位素外，还有几个放射性同位素，其质量数为29、30、32、33

8、和34；但只有质量数为32和33的同位素存在足够长的时间可以作为示踪物之用，32和33都可以发射负B射线。在教材中介绍了 用32标记噬菌体的DNA，然后用被标记的噬菌体去感染细菌的实验。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具有可识别性，从而和细菌的DNA相区别开来。 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踪法中，用的多是35。 教材中同样是在介绍噬菌体侵染细菌的实验中，介绍了35S的标记应用。即是用35S标记噬菌体的蛋白质外壳来显示其最后的存在部位。由于蛋白质含有S元素，而DNA中不含S元素，可以把蛋白质和DNA区别开来。 除了课本中介绍的这些实验中涉及到同位素标记法的应用之外