1、同位素示蹤法及其在中學(xué)生物學(xué)中的應(yīng)用婁志義（安徽省合肥市中國科技大學(xué)附屬中學(xué)230026）左麗麗（山東省壽光市第五中學(xué)262735）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(jìn)行標(biāo) 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(jìn)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。示蹤實驗的創(chuàng) 建者是 Hevesy,Hevesy, HeX,esyHeX,esy 于 19231923 年首先用天然放射性 z1Pbz1Pb 研究鉛鹽 在豆科植物內(nèi)的分布和轉(zhuǎn)移。目前，由于中學(xué)生物課本中介紹的 實驗越來越多, 涉及的同位

2、素示蹤法也頻繁地出現(xiàn), 本文對同位素示 蹤法的原理及其應(yīng)用做一介紹1 1 同位素示蹤法基本原理和特點1 1 1 1 基本原理具有相同的質(zhì)子數(shù)和不同中子數(shù)的原子互稱同位素, 如16o o17O和18O是氧的三個同位素。而具有放射性的同位素叫放射性 同位素，如235U和236U是鈾元素的兩個放射性同位素。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 （如標(biāo)記食物,藥物和代謝物質(zhì)等 ） 代替相 應(yīng)的非標(biāo)記化合物

3、。利用放射性同位素不斷地放出特征射線（如 a a、 B B一、 B B、 Y Y、 X X 射線等 ）的核物理性質(zhì),就可以用核探測器隨時追蹤 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 2 2 放射性同位素示蹤法的特點放射性同位素和穩(wěn)定性同位素都可作為示蹤劑，但是，穩(wěn)定性 同位素作為示蹤劑其靈敏度較低，可獲得的種類少，價格較昂貴， 其應(yīng)用范圍受到限制；而用放射性同位素作為示蹤劑不僅靈敏度 高，測量方法簡便易行，而且具有能準(zhǔn)確地定量，準(zhǔn)確地定位及符 合研究對象的生理

4、條件等特點：靈敏度高。放射性示蹤法可以檢 測 10-1810-1810-1910-19 放射性核素，比普通化學(xué)分析法的靈敏度（1010 12g12g） 要高得多。 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，可以利用某些放 射性同位素釋放 出穿透力強(qiáng)的 Y Y 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。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，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。符合生理 條件。在放射性同位素實

5、驗中，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)的質(zhì)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 理條件，更能反映客觀存在的事物本質(zhì)。2 2 各種同位素及其在中學(xué)生物學(xué)中的應(yīng)用2 21 1 氫的同位素 已知氫有三種同位素，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(fù) B B 射線，因而可以通過探測器進(jìn)行追蹤。3H H 標(biāo)記化合物是指用放射性3H H 取代化合物中的穩(wěn) 定同位素氕或氘，并以3H H 作為標(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物。例如，在 高中生物選修本中， 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

6、們在豚鼠的胰臟腺泡細(xì)胞中注射3H H 標(biāo)記的亮氨酸，3min3min 后， 被標(biāo)記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核酸體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng) 中，17rain17rain后，出現(xiàn)在高爾基體中， 117min117min 后，出現(xiàn)在靠近細(xì)胞膜 內(nèi)側(cè)的運輸?shù)鞍踪|(zhì)的小泡中， 以及釋放到細(xì)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(xì)胞膜的方向運輸?shù)模?從而證明了細(xì)胞內(nèi)的各種生物 膜在功能上是緊密聯(lián)系的。2 22 2 C C 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 C、13C C 和放射性同位素14C C。14C C 能夠發(fā)射 B B 射線，因此

7、可以用放射性14C C 取代化合物中它的穩(wěn)定同位素12c,c,并以14C作為標(biāo)記的放射性標(biāo)記化 合物。例如教材中介紹了科學(xué)家用含有14c c 的二氧化碳來追蹤光合作 用中的 c c 原子的轉(zhuǎn)移途徑是：二氧化碳一三碳化合物一糖類。2 23 3 氧的同位素 自然界中氧元素有三種同位素，即16O O、170 0、180 0， 它們都不具有放射性， 因此不能通過放射性進(jìn)行追蹤 。在示蹤研究中， 常用180 0 代替化合物中的16O進(jìn)行標(biāo)記， 最后通過質(zhì)譜儀測定代謝物的 質(zhì)量的方法進(jìn)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18 1

8、8 18用氧的同位素 0 0 分別標(biāo)記 H H20 0 和 CQCQ,使它們分別成為 H H20 0和 C C 0 02, 然后進(jìn)行兩組光合作用實驗：第一組向綠色植物提供 H H2180 0 和 CQCQ,第二組向同種綠色植物提供 H H20 0 和 C C180 02。在相同條件下，他們對兩組光 合作用釋放的氧進(jìn)行了分析，結(jié)果表明第一組釋放的氧全部是180 0，第二 組釋放的氧全部是 0 02，從而證明了光合作用釋放的氧全部來自 水。2 2 4 4 P P 的同位素磷是一個簡單的元素，除了質(zhì)量數(shù)為 3131 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2929、3030、3232、

9、3333 和 3434；但只有質(zhì)量數(shù)為 3232 和 3333 的同位素存在足夠長的時間可以 作為示蹤物之用，3232 和 3333 都可以發(fā)射負(fù) B B 射線。在教材中介紹了用 3232 標(biāo)記噬菌體的 DNADNA 然后用被標(biāo)記的噬菌體去感染細(xì)菌的實32驗。由于 DNADNA 中含有 P P 元素，因而用放射性的 P P 取代 DNADNA 中的 P P, 就使得 DNDNA A具有可識別性，從而和細(xì)菌的 DNADNA 相區(qū)別開來。2 2 .5 5 S S 的同位素硫的同位素32S S、33S S、35S S 和36S S 中，除35S S 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 3535。 教材中同樣是在介紹噬菌體侵染細(xì)菌的實驗中，介紹 了35S S 的標(biāo)記應(yīng)用。即是用35S S標(biāo)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 S 元素，而 DNADNA 中不含 S S 元素，可以把 蛋白質(zhì)和 DNAIDNAI 區(qū)別開來。除了課本中介紹的這些實驗中涉及到同位素標(biāo)記法的應(yīng)用之外， 在