同位素標記法在高中生物知識中的應(yīng)用

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1、同位素標記法在高中生物知識中的應(yīng)用 同位素標記法在高中生物知識中的應(yīng)用 【摘要】在中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi)，質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的這一類原子稱為同位素。同位素用于追蹤物質(zhì)運行和變化過程時，叫示蹤元素，用示蹤元素標記的化合物，其化學(xué)性質(zhì)不變。人們根據(jù)這種化合物的放射性，對生物體內(nèi)各種復(fù)雜的生理、生化過程進行追蹤，這種科學(xué)研究方法就叫做同位素示蹤法。同位素標記法是利用放射性同位素作為示蹤劑對研究的對象的運行和變化規(guī)律進行追蹤的分析法。 【關(guān)鍵詞】同位素;標記;應(yīng)用 一、概述 在中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi)，質(zhì)子數(shù)相同，中子數(shù)不同的這一

2、類原子稱為同位素。同位素包括穩(wěn)定同位素和放射性同位素。穩(wěn)定同位素是指原子核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，不會發(fā)生衰變的同位素，如15N、18O等。放射性同位素是指原子核不穩(wěn)定會發(fā)生衰變，發(fā)出α射線或β射線或γ射線的同位素，如3H、14C、32P、35S、131I、42K等。 同位素用于追蹤物質(zhì)運行和變化過程時，叫示蹤元素，用示蹤元素標記的化合物，其化學(xué)性質(zhì)不變。人們根據(jù)這種化合物的放射性，對生物體內(nèi)各種復(fù)雜的生理、生化過程進行追蹤，這種科學(xué)研究方法就叫做同位素示蹤法。同位素標記法是利用放射性同位素作為示蹤劑對研究的對象的運行和變化規(guī)律進行追蹤的分析法。在生物學(xué)科中，經(jīng)常利用14C、18O、15N、3H、3

3、2P和35S等同位素作為示蹤原子，來考察學(xué)生分析、判斷和推斷能力。 二、方法應(yīng)用 同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對研究對象進行標記的微量分析方法，即把放射性同位素的原子參到其他物質(zhì)中去，讓它們一起運動、遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑，運動到哪里了，是怎樣分布的。用來研究細胞內(nèi)的元素或化合物的來源、組成、分布和去向等，進而了解細胞的結(jié)構(gòu)和功能、化學(xué)物質(zhì)的變化、反響機理等。 三.放射性同位素示蹤法的特點 ⑴靈敏度高：放射性示蹤法可測到10-14-10-18克水平，即可以從1015個非放射性原子中檢出一個放射性原子。它比目前較

4、敏感的重量分析天平要敏感108-107倍，而迄今最準確的化學(xué)分析法很難測定到10-12克水平。 ⑵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)別離步驟，體內(nèi)示蹤時，可以利用某些放射性同位素釋放出穿透力強的r射線，在體外測量而獲得結(jié)果，這就大大簡化了實驗過程，做到非破壞性分析，隨著液體閃爍計數(shù)的開展，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)實驗中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 ⑶定位定量準確：放射性同位素示蹤法能準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，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確度可達細胞

5、水平、亞細胞水平乃至分子水平。 ⑷符合生理條件：在放射性同位素實驗中，所引用的放射性標記化合物的化學(xué)量是極微量的，它對體內(nèi)原有的相應(yīng)物質(zhì)的重量改變是微缺乏道的，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)果符合生理條件，更能反映客觀存在的事物本質(zhì) 四、應(yīng)用分析 ⑴標記某元素，追蹤其轉(zhuǎn)移途徑。 ①碳的同位素：自然界中碳元素有三種同位素，即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C。14C能夠發(fā)射 B射線，因此可以用放射性14C取代化合物中它的穩(wěn)定同位素12C，并以14C作為標記的放射性標記化合物。例如教材中介紹了科學(xué)家用含有14C的二氧化碳來追蹤光合作用中的C

6、原子的轉(zhuǎn)移途徑是：二氧化碳一→三碳化合物一→糖類 ②氧的同位素：自然界中氧元素有三種同位素，即16O、17O、18O，它們都不具有放射性，因此不能通過放射性進行追蹤。在示蹤研究中，常用18O代替化合物中的16O進行標記，最后通過質(zhì)譜儀測定代謝物的質(zhì)量的方法進行確定。例如在教材中，介紹的魯賓和卡門的實驗，研究光合作用中釋放的氧到底是來自于水，還是來自于二氧化碳。他們用氧的同位素18O分別標記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2，然后進行兩組光合作用實驗：第一組向綠色植物提供H218O和CO2，第二組向同種綠色植物提供H2O和C18O2。在相同條件下，他們對兩組光合作用釋放

7、的氧進行了分析，結(jié)果說明第一組釋放的氧全部是18O2，第二組釋放的氧全部是O2，從而證明了光合作用釋放的氧全部來自水。 ⑵標記特征元素，探究化合物的作用。 ①磷的同位素：磷的同位素磷是一個簡單的元素，除了質(zhì)量數(shù)為31的一種穩(wěn)定性同位素外，還有幾個放射性同位素，其質(zhì)量數(shù)為29、30、32、33和34;但只有質(zhì)量數(shù)為32和33的同位素存在足夠長的時間可以作為示蹤物之用，32和33都可以發(fā)射負B射線。在教材中介紹了用32P標記噬菌體的DNA，然后用被標記的噬菌體去感染細菌的實驗。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具有可識別性，從而和細菌的DNA

8、相區(qū)別開來。 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蹤法中，用的多是35S。教材中同樣是在介紹噬菌體侵染細菌的實驗中，介紹了35S的標記應(yīng)用。即是用35S標記噬菌體的蛋白質(zhì)外殼來顯示其最后的存在部位。由于蛋白質(zhì)含有S 元素，而DNA中不含S元素，可以把蛋白質(zhì)和DNA區(qū)別開來。 ⑶標記特征化合物，探究詳細生理過程，研究生物學(xué)原理。 ①氫的同位素：氫有三種同位素，即氕、氘和氚，氕和氘是穩(wěn)定的同位素，而氚具有放射性，能夠發(fā)射負B射線，因而可以通過探測器進行追蹤。3H標記化合物是指用放

9、射性3H取代化合物中的穩(wěn)定同位素氕或氘，并以3H作為標記的放射性標記化合物。例如，在介紹科學(xué)家在研究分泌蛋白的合成和分泌時，曾經(jīng)做過這樣一個實驗：他們在豚鼠的胰臟腺泡細胞中注射3H標記的亮氨酸，3min后，被標記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核酸體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，17min后，出現(xiàn)在高爾基體中，117min后，出現(xiàn)在靠近細胞膜內(nèi)側(cè)的運輸?shù)鞍踪|(zhì)的小泡中，以及釋放到細胞外的分泌物中，這個實驗說明分泌蛋白在附著于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的核糖體中合成之后，是按照內(nèi)質(zhì)網(wǎng)葉高爾基體一細胞膜的方向運輸?shù)模瑥亩C明了細胞內(nèi)的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。 用3H 標記胸腺嘧啶脫氧核苷酸，研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律。 ②氮的同位素：有13N14N15N等，如用15N標記的脫氧核苷酸研究DNA復(fù)制的特點，證明DNA的復(fù)制為半保存復(fù)制。 除了課本中介紹的這些實驗中涉及到同位素標記法的應(yīng)用之外，利用N的同位素15N標記氨基酸，研究其在動植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移途徑;用42K標記的培養(yǎng)基來研究礦質(zhì)元素在植物體內(nèi)的運輸途徑等。只要我們了解其中的原理便能觸類旁通，解決學(xué)習(xí)中的困難。 參考文獻： 【1】人教版高中生物必修I教材 【2】普通高中生物課程標準 【3】梁吉春2021生物創(chuàng)新大課堂 【4】中國生物器材網(wǎng)