同位素示踪法在生物学中的应用

来源:用户上传      作者: 何莹莹

　　同位素示踪法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掺到其他物质中去，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，是怎样分布的。同位素示踪法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、分布和去向等，进而了解细胞的结构和功能、化学物质的变化、反应机理等。用于示踪技术的放射性同位素一般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放射性同位素的应用，下面对教材中的相关知识进行归纳如下：
　　一、研究分泌蛋白的合成和运输
　　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，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。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，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是紧密联系的。
　　二、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，美国的科学家鲁宾和卡门研究光合作用中释放的氧到底是来自于水，还是来自二氧化碳。他们用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2，然后进行两组光合作用实验：第一组向绿色植物提供H218O和CO2，第二组向同种绿色植物提供H2O和C18O2。在相同条件下，他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是18O2，第二组释放的氧全部是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。
　　三、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（18O2），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部无放射性，即18O2→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是水。
　　四、证明DNA是遗传物质
　　在研究蛋白质和DNA在遗传中的作用时，分别放射性标记蛋白质和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，进入细菌体内的是噬菌体的DNA，而不是噬菌体的蛋白质，进而证明了DNA是噬菌体的遗传物质。
　　五、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的原子量和14N的原子量不同，因此DNA的相对分子质量不同。如果DNA分子的两条链都是15N，则离心时为重带；如果DNA分子的一条链是15N，一条链是14N，则离心时为中带；如果DNA分子的两条链都是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复制是全保留复制还是半保留复制。
　　六、探究基因的转录和翻译
　　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。
　　七、在生物诱变育种方面的应用
　　诱变育种是利用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的突变体，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。
　　总之，同位素示踪法正在更大规模地应用于生物研究领域，作为中学生物教师，了解更多的有关同位素标记技术的知识和实验，无疑将开拓自身的知识视野，构建自身坚实的知识支架，教学中适当讲授一些同位素标记技术的原始实验，有利于把与生物学相关的复杂知识点更科学、更原始地传授给学生，同时，也使学生对这项技术有一个更深刻的认识和把握。
　　（作者单位：安徽省繁昌县一中）
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