同位素标记法在高中生物知识中的应用

同位素标记法在高中生物知识中的应用

【摘要】在中子和质子组成的原子核内，质子数相同，中子数不同的这一类原子称为同位素。同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫示踪元素，用示踪元素标记的化合物，其化学性质不变。人们根据这种化合物的放射性，对生物体内各种复杂的生理、生化过程进行追踪，这种科学研究方法就叫做同位素示踪法。同位素标记法是利用放射性同位素作为示踪剂对研究的对象的运行和变化规律进行追踪的分析法。

【关键词】同位素;标记;应用

一、概述

在中子和质子组成的原子核内，质子数相同，中子数不同的这一类原子称为同位素。同位素包括稳定同位素和放射性同位素。稳定同位素是指原子核结构稳定，不会发生衰变的同位素，如15N、18O等。放射性同位素是指原子核不稳定会发生衰变，发出α射线或β射线或γ射线的同位素，如3H、14C、32P、35S、131I、42K等。

同位素用于追踪物质运行和变化过程时，叫示踪元素，用示踪元素标记的化合物，其化学性质不变。人们根据这种化合物的放射性，对生物体内各种复杂的生理、生化过程进行追踪，这种科学研究方法就叫做同位素示踪法。同位素标记法是利用放射性同位素作为示踪剂对研究的对象的运行和变化规律进行追踪的分析法。在生物学科中，经常利用14C、18O、15N、3H、32P和35S等同位素作为示踪原子，来考察学生分析、判断和推断能力。

二、方法应用

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。用来研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。

三.放射性同位素示踪法的特点

⑴灵敏度高：放射性示踪法可测到10-14-10-18克水平，即可以从1015个非放射性原子中检出一个放射性原子。它比目前较敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最准确的化学分析法很难测定到10-12克水平。

⑵方法简便：放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，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r 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，随着液体闪烁计数的发展，14C和3H等发射软β射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。

⑶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，与某些形态学技术相结合，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。

⑷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重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

四、应用分析

⑴标记某元素，追踪其转移途径。

①碳的同位素：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

②氧的同位素：自然界中氧元素有三种同位素，即16O、17O、18O，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18O代替化合物中的16O进行标记，最后通过质谱仪测定代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18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。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18O2，第二组释放的氧全部是O2，从而证明了光合作用释放的氧全部来自水。

⑵标记特征元素，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32P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。

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踪法中，用的多是35S。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。

⑶标记特征化合物，探究详细生理过程，研究生物学原理。

①氢的同位素：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，17min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。

用3H 标记胸腺嘧啶脱氧核苷酸，研究有丝分裂过程中染色体的变化规律。

②氮的同位素：有13N 14N 15N 等，如用15N 标记的脱氧核苷酸研究DNA 复制的特点，证明DNA的复制为半保留复制。

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，利用N的同位素15N标记氨基酸，研究其在动植物体内的转移途径;用42K标记的培养基来研究矿质元素在植物体内的运输途径等。只要我们了解其中的原理便能触类旁通，解决学习中的困难。

参考文献：

[1]人教版高中生物必修I教材

[2]普通高中生物课程标准

[3]梁吉春2012生物创新大课堂

[4]中国生物器材网