放射性同位素標記

李順字

放射性同位素標記是運用同位素來追蹤物質(zhì)運行、變化規(guī)律，用放射性同位素標記的化合物化學性質(zhì)不會變化?？茖W家通過追蹤放射性同位素的化合物，可以弄清化學反應的詳細過程，這種技術核心理念就是“區(qū)別理念”。高中教材中主要應用的同位素是氫的同位素3H(細胞器——系統(tǒng)內(nèi)的分工合作)、氧的同位素180(植物光合作用過程)、硫的同位素，35S和32P(DNA是主要遺傳物質(zhì))、碳的同位素14c(卡爾文循環(huán))、15N(DNA半保留復制)等，在這些同位素的研究中，無不凸顯“區(qū)別”理念的應用。

1通過放射性物質(zhì)標記用來“區(qū)別”不同細胞器在外分泌蛋白合成的作用

理論：研究細胞器在外分泌蛋白合成的作用時，標記某一氨基酸如亮氨酸的3H，在一次性給予放射性標記性的氨基酸的前提下，通過觀察細胞中放射性物質(zhì)在不同時間出現(xiàn)的位置，就可以看出明確的細胞器在外分泌蛋白的合成和運輸中的作用。

研究手段：觀察放射性在不同的細胞器出現(xiàn)的時間，來觀察不同細胞器在外分泌蛋白中作用。

【例1】從某腺體的細胞中，提取出附著有核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，放入含有放射性標記的氨基酸培養(yǎng)液中，該培養(yǎng)液中含有核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)完成其功能所需的物質(zhì)和條件。連續(xù)取樣，并分離核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)，測定標記的氨基酸出現(xiàn)在核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的情況，結果如圖1所示。請回答：

(1)放射性氨基酸首先在核糖體上大量累積，最可能的原因是________。

(2)放射性氨基酸在核糖體上積累之后，在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中也出現(xiàn)了，且數(shù)量不斷增多，最可能的原因是______。

(3)實驗中，培養(yǎng)液相當于細胞中的______。

解析：在腺體細胞合成蛋白質(zhì)時，其要吸收放射性標記的氨基酸，內(nèi)質(zhì)網(wǎng)和核糖體在合成蛋白質(zhì)中的作用是：核糖體合成蛋白質(zhì)的場所，而內(nèi)質(zhì)網(wǎng)是加工蛋白質(zhì)的場所，因此，放射性氨基酸應先出現(xiàn)在核糖體上，然后出現(xiàn)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上。

答案：(1)氨基酸在核糖體上形成了肽鏈

(2)肽鏈進入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中進行加工

(3)細胞質(zhì)基質(zhì)

2通過放射性物質(zhì)標記用來“區(qū)別”元素的來源或去向

理論：在光合作用過程的研究中，研究氧氣是來源于二氧化碳或水時，通過分別給予放射性H₂18O、C¹⁸O₂，分別看植物放出的氧氣是否有放射性，通過兩次給予兩種物質(zhì)的氧來“區(qū)別”氧氣到底來自與二氧化碳還是水(其實光合作用的卡爾文循環(huán)中對二氧化碳中“c的標記，根據(jù)其出現(xiàn)在不同物質(zhì)中，研究光合作用中暗反應碳元素的具體去向也是這一“區(qū)別理念”的應用)。

研究手段：分別標記二氧化碳或水，檢查產(chǎn)生的氧氣是否有放射性；或標記“c來研究其去向。

【例2】圖2是利用小球藻進行光合作用時的實驗示意圖，圖中A物質(zhì)和B物質(zhì)的相對分子質(zhì)量比為()

A，1：2B，2：1C，8：9D，9：8

解析：因為小球藻進行光合作用放出的氧氣來自于水，因此，左邊的試管中放出的氧氣不具有放射性，其分子量是32，而右邊的試管中放出的氧氣來自于帶有放射性的水中的氧，因此，其放出氧氣的分子量是36，故答案選c。

3通過放射性物質(zhì)“量”的變化用來“區(qū)別”研究反饋調(diào)節(jié)機制

理論：在生物的反饋調(diào)節(jié)中某一種物質(zhì)的變化，會引起一系列的調(diào)節(jié)反應，在這一過程中會引起其他物質(zhì)的相應變化。標記某一物質(zhì)，用一定方法處理，通過反饋調(diào)節(jié)中物質(zhì)放射性“量”的變化，來“區(qū)別”不同物質(zhì)對于反饋調(diào)節(jié)中合成某些物質(zhì)的影響。

研究手段：檢查放射性物質(zhì)在某器官中的變化量，研究反饋調(diào)節(jié)的機制。

【例3】為了探究動物體內(nèi)甲狀腺激素分泌的調(diào)節(jié)機理，某同學設計了如下實驗：

知識準備：碘是合成甲狀腺激素的原料。甲狀腺是合成、貯存、分泌甲狀腺激素的器官。

材料用具：略。

方法步驟：

第一步：取健康雄兔15只，將注射部位消毒后，分3組，給每只兔注射適量的放射性碘溶液。

第二步；每隔一定時間用放射性測量儀分別測定每只兔子甲狀腺中碘的放射量，記錄并計算平均值。

第三步：3 d后，將15只實驗兔隨機均分為A、B、C三組。

第四步：向A組注射一定量無放射性的甲狀腺激素溶液，向B組注射等量無放射性的促甲狀腺激素溶液，向c組注射等量生理鹽水。

第五步：每隔一定時間，分別測定三組兔子甲狀腺中碘的放射量，記錄并計算平均值?；卮鹣铝袉栴}：

(1)、(2)略

(3)若分別用A、B、c三條曲線代表A、B、c三組兔子的甲狀腺中碘的放射量，則預計A、B、c三組兔子的甲狀腺中碘的放射量應如圖3中的

。

解析：放射性同位素標記的碘是甲狀腺激素合成的原料，因此，一次性給予兔子放射性的碘應在甲狀腺器官積累，但是，因合成的甲狀腺激素的分泌，而導致甲狀腺器官的放射性發(fā)生變化。通過對于A、B、c三組的不同處理，對于A組給予甲狀腺激素后，因其量達到一定的水平，而導致甲狀腺激素的合成減少，導致碘在甲狀腺器官減少得最慢；而B組是給予促甲狀腺激素，導致甲狀腺激素的合成加速，因此放射性碘在甲狀腺器官中減少的速度最快；而c組是對照組，減少的速度居中，因此，選乙。

4放射性標記DNA來“區(qū)別”新、老DNA，進而研究DNA復制的具體過程

理論：通過放射性的標記來“區(qū)別”親代與子代的DNA，如放射性標記15N，因為放射性物質(zhì)如15N的原子量和14N原子量不同，因此，DNA的分子量不同。兩鏈都是15N的DNA，離心時為重帶；一鏈是15N、一鏈是14N的DNA分子，離心時為中帶；兩鏈都是14N的DNA分子，離心時為輕帶。以此來研究分析DNA復制究竟是半保留復制還是全保留復制。

研究手段：不同時間段(注：以DNA復制一次為一個時間段)進行DNA進行梯度離心，根據(jù)重帶、中帶、輕帶DNA出現(xiàn)的比例來判斷DNA復制是全保留復制還是半保留復制。

【例4】某校一個生物興趣小組要進行研究性學習，對生物學史上的經(jīng)典實驗進行驗證，也是研究學習內(nèi)容之一。這個小組借助某大學的實驗設備，對有關DNA復制的方式進行探索，有人認為DNA是全保留復制，也有人認為是半保留復制。為了證明這假設，這個小組設計了下列實驗程序，請完成實驗并對結果進行預測。

實驗步驟：

第一步：在氮源為14N的培養(yǎng)基上生長的大腸桿菌，其DNA分子均為14N-DNA分子；在氮源為15N的培養(yǎng)基生長的大腸桿菌，其DNA分子均為15N-DNA。用某種離心方法分離得到的結果如圖4所示，其DNA分別分布在輕帶和重帶上。

(1)第二步：將親代大腸桿菌(含15N)轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上繁殖一代(I)，請分析：

(1)如果其DNA分布的位置是______，

則DNA的復制方式為全保留復制；如果DNA分布的位置是______，則是半保留復制。

(2)第三步：為了進一步驗證第二步的推測結果，將子一代大腸桿菌轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上再繁殖一代(Ⅱ)，請分析：

如果其DNA分布的位置是_____，則是全保留復制；如果其DNA分布的位置是_____，則是半保留復制。

(3)有人提出：第一代(I)的DNA用解螺旋酶處理后再離心，就能直接判斷DNA的復制方式，如果輕帶和重帶各占1／2，則一定為半保留復制。

你認為這位同學的說法是否正確?_____。原因是_______。

解析：見研究理論。

答案：(1)一半在輕帶、一半在重帶全部在中帶

(2)3／4在輕帶、1／4在重帶一半在輕帶、一半在中帶

(3)不正確因為不論是全保留復制還是半保留復制。其第一代DNA分子用解旋酶處理后，都有一半的單鏈含15N，一半的單鏈含14N，離心后，都有一半單鏈在重帶上，一半單鏈在輕帶上

5分別放射性標記兩種物質(zhì)(DNA和蛋白質(zhì))用來“區(qū)別”這兩種物質(zhì)在遺傳中作用

理論：在研究蛋白質(zhì)和DNA在遺傳中的作用，分別放射性的標記這兩種物質(zhì)的特征元素，通過培養(yǎng)、離心等一系列手段，根據(jù)上清液或沉淀物中的放射性，來“區(qū)別”觀察這兩種物質(zhì)在進入細胞并產(chǎn)生子代中作用。

研究手段：分別標記蛋白質(zhì)和DNA的特征元素(就是指蛋白質(zhì)有的而DNA沒有的，或者是DNA有的而蛋白質(zhì)沒有的，如蛋白質(zhì)的特征元素是35S，而DNA的特征元素32P)，通過一系列的處理方法，觀察二者的作用。

【例5】下面介紹的是有關DNA研究的科學實驗：

(1)1952年，赫爾希和蔡斯利用同位素標記法，完成了著名的噬菌體侵染細菌的實驗，圖5是實驗的部分過程。

①寫出第一步如何標記上述實驗噬菌體操作具體過程：

1：_________；

2：________；

第二步：_______。

②以上實驗結果說明

(2)BrdU是一種嘧啶類似物，能替代胸腺嘧啶與腺嘌呤配對，摻入到新合成的DNA鏈中。將植物根尖分生組織放在含有BrdU的培養(yǎng)基中培養(yǎng)，待細胞培養(yǎng)兩個分裂周期后，取出根尖組織，染色后觀察一條染色體的兩條姐妹染色單體：發(fā)現(xiàn)一條染色單體的兩條脫氧核苷酸鏈中只有一條鏈含有BrdU。預測：另一條染色單體中有——條鏈含有BrdU，該實驗能證明DNA分子為_______。

解析：參考(理論)。

答案：(1)①1：用含有放射性同位素35s的培養(yǎng)基培養(yǎng)大腸桿菌。

2：用上述的大腸桿菌培養(yǎng)噬菌體，得到蛋白質(zhì)含有３５S的噬菌體

第二步：用培養(yǎng)的噬菌體感染未被標記的大腸桿菌

②噬菌體的蛋白質(zhì)外殼沒有進入到細菌體內(nèi)

(2)2半保留復制