同位素標(biāo)記法在高中生物教材中的應(yīng)用及拓展

穆凱利 宋麗艷

同位素標(biāo)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(jìn)行標(biāo)記的微量分析方法，可用于追蹤物質(zhì)的運(yùn)行和變化規(guī)律。用反射性同位素標(biāo)記的化合物，化學(xué)性質(zhì)不會(huì)改變?？茖W(xué)家通過追蹤放射性同位素標(biāo)記的化合物，可以弄清楚化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程。

1、同位素示蹤法基本原理和特點(diǎn)

同位素示蹤所利用的放射性核素（或穩(wěn)定性核素）及它們的化合物，與自然界存在的相應(yīng)普通元素及其化合物之間的化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)是相同的，只是具有不同的核物理性質(zhì)。因此，就可以用同位素作為一種標(biāo)記，制成含有同位素的標(biāo)記化合物代替相應(yīng)的非標(biāo)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(zhì)，就可以用核探測器隨時(shí)追蹤它在體內(nèi)或體外的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等，穩(wěn)定性同位素雖然不釋放射線，但可以利用它與普通相應(yīng)同位素的質(zhì)量之差，通過質(zhì)譜儀，氣相層析儀，核磁共振等質(zhì)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(zhì)的干擾，可以省略許多復(fù)雜的物質(zhì)分離步驟，體內(nèi)示蹤時(shí)，可以利用某些放射性同位素釋放出穿透力強(qiáng)的r射線，在體外測量而獲得結(jié)果，這就大大簡化了實(shí)驗(yàn)過程，做到非破壞性分析，隨著液體閃爍計(jì)數(shù)的發(fā)展，14C和3H等發(fā)射軟β射線的放射性同位素在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

1.2 定位定量準(zhǔn)確

放射性同位素示蹤法能準(zhǔn)確定量地測定代謝物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)變，與某些形態(tài)學(xué)技術(shù)相結(jié)合（如病理組織切片技術(shù)，電子顯微鏡技術(shù)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(zhǔn)確度可達(dá)細(xì)胞水平、亞細(xì)胞水平乃至分子水平。

1.3 符合生理?xiàng)l件

在放射性同位素實(shí)驗(yàn)中，所引用的放射性標(biāo)記化合物的化學(xué)量是極微量的，它對體內(nèi)原有的相應(yīng)物質(zhì)的重量改變是微不足道的，體內(nèi)生理過程仍保持正常的平衡狀態(tài)，獲得的分析結(jié)果符合生理?xiàng)l件，更能反映客觀存在的事物本質(zhì)。

2、同位素示蹤法在高中生物教材中的應(yīng)用

放射性同位素示蹤法在生物化學(xué)和分子生物學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛，它為揭示體內(nèi)和細(xì)胞內(nèi)理化過程的秘密，闡明生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)起了極其重要的作用。下面僅就同位素示蹤技術(shù)在人教版新教材必修本與選修本中的應(yīng)用方面作一介紹。

2.1 研究分泌蛋白的合成和運(yùn)輸

經(jīng)典實(shí)驗(yàn)： 帕拉德在豚鼠的胰腺細(xì)胞內(nèi)一次性注射適量3H標(biāo)記的亮氨酸。3分鐘后放射性出現(xiàn)在附有核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中；17分鐘后，出現(xiàn)在高爾基體中；117分鐘后，出現(xiàn)在靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的運(yùn)輸?shù)鞍踪|(zhì)的囊泡中，以及釋放到細(xì)胞外的分泌物中。

分泌蛋白合成與運(yùn)輸過程概述：在核糖體上合成的蛋白質(zhì)，進(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔后，還要經(jīng)過一些加工，如折疊、組裝、加上一些糖基團(tuán)等，才能成為比較成熟的蛋白質(zhì)。然后，由內(nèi)質(zhì)網(wǎng)腔膨大、出芽形成具膜的小泡，包裹著蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)移到高爾基體，把蛋白質(zhì)輸送到高爾基體腔內(nèi)，做進(jìn)一步的加工。接著，高爾基體邊緣突起形成小泡，把蛋白質(zhì)包裹在小泡里，運(yùn)輸?shù)郊?xì)胞膜，小泡與細(xì)胞膜融合，把蛋白質(zhì)釋放到細(xì)胞外。此過程體現(xiàn)了細(xì)胞器之間的協(xié)調(diào)配合。

2.2 光合作用中的應(yīng)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(rèn)為這些氧氣是來自二氧化碳。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)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(xué)家魯賓（S.Ruben）和卡門（M.Kamen）利用同位素標(biāo)記法進(jìn)行了探究。他們用氧的同位素18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2。然后進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)：

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(shí)驗(yàn)釋放的氧氣。結(jié)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(shí)驗(yàn)有力地證明光合作用釋放的氧氣來自水。

光合作用產(chǎn)生的有機(jī)物又是怎樣合成的呢？進(jìn)入20世紀(jì)40年代，科學(xué)家開始用放射性同位素14C做實(shí)驗(yàn)研究這一問題。美國科學(xué)家卡爾文等用小球藻（一種單細(xì)胞的綠藻）做實(shí)驗(yàn)：用14C標(biāo)記的14CO2，供小球藻進(jìn)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(zhuǎn)化成有機(jī)物中碳的途徑，這一途徑稱為卡爾文循環(huán)。

2.3 噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)

噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)是證明DNA是遺傳物質(zhì)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)。在艾弗里的肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)中，已經(jīng)提到把S型活細(xì)菌中的DNA、蛋白質(zhì)、莢膜多糖進(jìn)行提取、分離和鑒定。通過實(shí)驗(yàn)得出S型細(xì)菌中的轉(zhuǎn)化因子是DNA。其實(shí)，把S型細(xì)菌中的蛋白質(zhì)、DNA、多糖等成分進(jìn)行分離和提取，是一種直接“分開”的方法。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(biāo)記法，把噬菌體的蛋白質(zhì)標(biāo)記而DNA不標(biāo)記；把噬菌體的DNA標(biāo)記而蛋白質(zhì)不標(biāo)記。通過放射性同位素標(biāo)記間接地把DNA和蛋白質(zhì)分開，單獨(dú)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(yǎng)基中培養(yǎng)細(xì)菌。然后，分別用上述細(xì)菌培養(yǎng)T2噬菌體，從而制備出DNA中含有32P或蛋白質(zhì)中含有35S的噬菌體?！?/p>

同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)的第二步，是用被35S和32P標(biāo)記的噬菌體分別去侵染未標(biāo)記的細(xì)菌，然后測定宿主細(xì)胞的同位素標(biāo)記。當(dāng)用35S標(biāo)記的噬菌體侵染細(xì)菌時(shí)，測定結(jié)果顯示，宿主細(xì)胞內(nèi)很少有同位素標(biāo)記，而大多數(shù)35S標(biāo)記的噬菌體蛋白質(zhì)附著在宿主細(xì)胞的外面。當(dāng)用32P標(biāo)記的噬菌體感染細(xì)菌時(shí)，測定結(jié)果顯示宿主細(xì)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(shù)放射性同位素32P在宿主細(xì)胞內(nèi)。以上實(shí)驗(yàn)表明，噬菌體在侵染細(xì)菌時(shí)，進(jìn)入細(xì)菌內(nèi)的是DNA，而蛋白質(zhì)在細(xì)菌的外面?？梢?，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(xù)性的物質(zhì)。因此，DNA是遺傳物質(zhì)。

總之，同位素標(biāo)記法是生物科學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常應(yīng)用的一項(xiàng)重要方法，通過該方法的分析與運(yùn)用，能夠使學(xué)生更好地理解不同生理過程，探討物質(zhì)變化與轉(zhuǎn)移途徑。因此，將高中教材中涉及到的同位素標(biāo)記法總結(jié)出來，適當(dāng)拓展延伸，以便更好的引導(dǎo)學(xué)生理解與掌握該方法的實(shí)際應(yīng)用。