高中生物学中常见同位素示踪法实验

同位素示踪法在高中生物学实验中的应用

同位素示踪法就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她物质中去,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,就是怎样分布的。

同位素示踪法就是生物学实验中经常应用的一项重要方法,它可以研究细胞内的元素或化合物的来源、组成、分布与去向等,进而了解细胞的结构与功能、化学物质的变化、反应机理等。总之,同位素示踪法正在更大规模地应用于生物研究领域。

用于示踪技术的放射性同位素一般就是用于构成细胞化合物的重要元素,如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。在高中生物学教材中有多处涉及到放射性同位素的应用,下面笔者对教材中的相关知识进行归纳如下:

1 研究蛋白质或核酸合成的原料及过程

把具有反射性的原子参到合成蛋白质或核酸的原料(氨基酸或核苷酸)中,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、运动到哪里以及分布如何。

2 研究分泌蛋白的合成与运输

用3H标记亮氨酸,探究分泌性蛋白质在细胞中的合成、运输与分泌途径。在一次性给予放射性标记的氨基酸的前提下,通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置,就可以明确地瞧出细胞器在分泌蛋白合成与运输中的作用。例如,通过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,就是按照内质网→高尔基体→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就是紧密联系的。

3 研究细胞的结构与功能

用同位素标记氨基酸或核苷酸并引入细胞内,探测这些放射性标记出现在哪些结构中,从而推断该细胞的结构与功能。

4 探究光合作用中元素的转移

利用放射性同位素18O、14C、3H作为示踪原子来研究光合作用过程中某些物质的变化过程,从而揭示光合作用的机理。例如,美国的科学家鲁宾与卡门研究光合作用中释放的氧到底就是来自于水,还就是来自于二氧化碳。她们用氧的同位素18O分别标记H2O与CO2,使它们分别成为H218O与C18O2,然后进行两组光合作用实验:第一组向绿色植物提供H218O与CO2,第二组向同种绿色植物提供H2O与C18O2。在相同条件下,她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就是18O2,第二组释放的氧全部就是O2,从而证明了光合作用释放的氧全部来自水。另外,卡尔文等用14C标记的CO2,供小球藻进行光合作用,追踪检测其放射性,探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径。

5 研究细胞呼吸过程中物质的转变途径

利用18O作为示踪原子研究细胞呼吸过程中物质的转变途径,揭示呼吸作用的机理。例如,用18O标记的氧气(18O),生成的水全部有放射性,生成的二氧化碳全部无放射性,即18O→H218O。用18O标记的葡萄糖(C6H1218O6),生成的二氧化碳全部有放射性,生成的水全部无放射性,即C6H1218O6→C18O2。例如将一只实验小鼠放入含有放射性18O2气体的容器内,18O2进入细胞后,最先出现的放射性化合物就是水。

6 研究某些矿质元素在植物体内的吸收、运输过程

研究矿质元素的吸收部位时,常用放射性同位素32P等来做实验,发现根毛区就是根尖吸收矿质离子最活跃的部位。研究矿质离子在茎中的运输部位时,用不透水的蜡纸将柳树的韧皮部与木质部隔开,并在土壤中施用含42K的肥料,5小时后测定42K在柳茎各部位的分布;有蜡纸隔开的木质部含有大量42K,韧皮部几乎无42K,说明运输42K的就是木质部;柳茎在用蜡纸

隔开韧皮部与木质部的以下区段以及不插入蜡纸的对照实验中,韧皮部中也有很多42K,说明42K可从木质部横向运输到韧皮部。

7 研究有丝分裂过程中染色体的变化规律

在处于连续分裂的细胞的分裂期用3H标记胸腺嘧啶脱氧核苷酸,根据胸腺嘧啶被利用的情况,可以确定DNA合成期的起始点与持续时间,以研究有丝分裂过程中染色体的变化规律。例如为了验证促进有丝分裂的物质对细胞分裂的促进作用,将小鼠的肝细胞悬浮液分成等细胞数的甲、乙两组,在甲组的培养液中加入3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷(3H-TdR);乙组中加入等剂量的3H-TdR,加入促进有丝分裂的物质。培养一段时间后,分别测定甲、乙两组细胞的总放射性强度。再如,有人为确定DNA合成期的时间长度,在处于连续分裂的细胞的分裂期加入用3H标记的胸腺嘧啶,根据胸腺嘧啶被利用情况,可以确定DNA合成期的起始点与持续时间。

8 证明DNA就是遗传物质

在研究蛋白质与DNA在遗传中的作用时,分别放射性标记蛋白质与DNA的特征元素,用32P 标记噬菌体的DNA,大肠杆菌内发现放射性物质,用35S标记噬菌体的蛋白质,大肠杆菌内未发现放射性物质;从而验证噬菌体在侵染细菌的过程中,进入细菌体内的就是噬菌体的DNA,而不就是噬菌体的蛋白质,进而证明了DNA就是噬菌体的遗传物质。

9 探究DNA分子半保留复制的特点

通过放射性标记来“区别”亲代与子代的DNA,如放射性标记15N,因为放射性物质15N的原子量与14N的原子量不同,因此DNA的相对分子质量不同。如果DNA分子的两条链都就是15N,则离心时为重带;如果DNA分子的一条链就是15N,一条链就是14N,则离心时为中带;如果DNA 分子的两条链都就是14N,则离心时为轻带。因此可以根据重带、中带、轻带DNA出现的比例,判断DNA复制就是全保留复制还就是半保留复制。

10 探究基因的转录与翻译

用放射性同位素标记尿嘧啶核糖核苷酸(RNA的特征碱基为U)、氨基酸,则在基因转录、翻译的产物中就会含有放射性同位素,还可以用来确定转录、翻译的场所。

11 基因探针在基因诊断中的应用

在基因诊断中可利用放射性同位素15N、32P等标记的DNA分子做基因探针,将某一致病基因放到含放射性15N或32P的培养基中进行扩增,加热得到被标记的致病基因单链即基因探针,利用DNA分子杂交原理,将待测者的DNA分子加热处理形成DNA分子单链并与基因探针混合,让其杂交,检测就是否形成双链,若完全形成双链,证明该待测者患有该病,否则不患。该基因诊断的方法可迅速地检测出肝炎病毒、肠道病毒等多种病毒,以及镰刀型细胞贫血症、苯丙酮尿症、白血病等。根据杂交带情况可检测生物亲缘关系或转基因生物就是否插入目的基因,应用同样的原理还可检测饮用水中病毒的含量。例如我国科学工作者利用DNA分子杂交的原理,利用基因工程研制出“非典”诊断盒,快速诊断“非典”。

12 在生物诱变育种方面的应用

诱变育种就是利用X 射线、γ射线、β射线或中子去辐照农作物的种子,植株或者某些器官,使它们产生的遗传性发生改变,产生各种各样的突变,在较短时间内获得有利用价值得突变体,然后从中选择出对人类有用的突变,经过培育而成的新品种。诱变育种常用的放射性同位素有35S、32P、45Ca(β射线)65Zn、60Co(γ射线)等,主要方法有浸泡种子、施入土壤、

涂抹幼苗、注入植物组织内等。如就是典型的γ放射源,可用于诱变育种。我国应用该方法培育出了许多农作物新品种。如棉花高产品种“鲁棉1号”,年种植面积曾达到3000多万亩,在我国自己培育的棉花品种中栽培面积最大。