放射性同位素標(biāo)記

李順字

放射性同位素標(biāo)記是運(yùn)用同位素來追蹤物質(zhì)運(yùn)行、變化規(guī)律，用放射性同位素標(biāo)記的化合物化學(xué)性質(zhì)不會(huì)變化。科學(xué)家通過追蹤放射性同位素的化合物，可以弄清化學(xué)反應(yīng)的詳細(xì)過程，這種技術(shù)核心理念就是“區(qū)別理念”。高中教材中主要應(yīng)用的同位素是氫的同位素3H(細(xì)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(fù)制)等，在這些同位素的研究中，無不凸顯“區(qū)別”理念的應(yīng)用。

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

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

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

【例1】從某腺體的細(xì)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(biāo)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(biāo)記的氨基酸出現(xiàn)在核糖體和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中的情況，結(jié)果如圖1所示。請(qǐng)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(shí)驗(yàn)中，培養(yǎng)液相當(dāng)于細(xì)胞中的______。

解析：在腺體細(xì)胞合成蛋白質(zhì)時(shí)，其要吸收放射性標(biāo)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(yīng)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(jìn)入內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中進(jìn)行加工

(3)細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)

2通過放射性物質(zhì)標(biāo)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(shí)，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(shí)光合作用的卡爾文循環(huán)中對(duì)二氧化碳中“c的標(biāo)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(yīng)碳元素的具體去向也是這一“區(qū)別理念”的應(yīng)用)。

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

【例2】圖2是利用小球藻進(jìn)行光合作用時(shí)的實(shí)驗(yàn)示意圖，圖中A物質(zhì)和B物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量比為()

A，1：2B，2：1C，8：9D，9：8

解析：因?yàn)樾∏蛟暹M(jìn)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(jī)制

理論：在生物的反饋調(diào)節(jié)中某一種物質(zhì)的變化，會(huì)引起一系列的調(diào)節(jié)反應(yīng)，在這一過程中會(huì)引起其他物質(zhì)的相應(yīng)變化。標(biāo)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(duì)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(jī)制。

【例3】為了探究動(dòng)物體內(nèi)甲狀腺激素分泌的調(diào)節(jié)機(jī)理，某同學(xué)設(shè)計(jì)了如下實(shí)驗(yàn)：

知識(shí)準(zhǔn)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(shí)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(jì)算平均值。

第三步：3 d后，將15只實(shí)驗(yàn)兔隨機(jī)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(shí)間，分別測定三組兔子甲狀腺中碘的放射量，記錄并計(jì)算平均值。回答下列問題：

(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(yù)計(jì)A、B、c三組兔子的甲狀腺中碘的放射量應(yīng)如圖3中的

。

解析：放射性同位素標(biāo)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(yīng)在甲狀腺器官積累，但是，因合成的甲狀腺激素的分泌，而導(dǎo)致甲狀腺器官的放射性發(fā)生變化。通過對(duì)于A、B、c三組的不同處理，對(duì)于A組給予甲狀腺激素后，因其量達(dá)到一定的水平，而導(dǎo)致甲狀腺激素的合成減少，導(dǎo)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(dǎo)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(duì)照組，減少的速度居中，因此，選乙。

4放射性標(biāo)記DNA來“區(qū)別”新、老DNA，進(jìn)而研究DNA復(fù)制的具體過程

理論：通過放射性的標(biāo)記來“區(qū)別”親代與子代的DNA，如放射性標(biāo)記15N，因?yàn)榉派湫晕镔|(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(shí)為重帶；一鏈?zhǔn)?5N、一鏈?zhǔn)?4N的DNA分子，離心時(shí)為中帶；兩鏈都是14N的DNA分子，離心時(shí)為輕帶。以此來研究分析DNA復(fù)制究竟是半保留復(fù)制還是全保留復(fù)制。

研究手段：不同時(shí)間段(注：以DNA復(fù)制一次為一個(gè)時(shí)間段)進(jìn)行DNA進(jìn)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(fù)制是全保留復(fù)制還是半保留復(fù)制。

【例4】某校一個(gè)生物興趣小組要進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，對(duì)生物學(xué)史上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，也是研究學(xué)習(xí)內(nèi)容之一。這個(gè)小組借助某大學(xué)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)有關(guān)DNA復(fù)制的方式進(jìn)行探索，有人認(rèn)為DNA是全保留復(fù)制，也有人認(rèn)為是半保留復(fù)制。為了證明這假設(shè)，這個(gè)小組設(shè)計(jì)了下列實(shí)驗(yàn)程序，請(qǐng)完成實(shí)驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行預(yù)測。

實(shí)驗(yàn)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(jié)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(qǐng)分析：

(1)如果其DNA分布的位置是______，

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

(2)第三步：為了進(jìn)一步驗(yàn)證第二步的推測結(jié)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(qǐng)分析：

如果其DNA分布的位置是_____，則是全保留復(fù)制；如果其DNA分布的位置是_____，則是半保留復(fù)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(fù)制方式，如果輕帶和重帶各占1／2，則一定為半保留復(fù)制。

你認(rèn)為這位同學(xué)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?yàn)椴徽撌侨Ａ魪?fù)制還是半保留復(fù)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(biāo)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(biāo)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(jìn)入細(xì)胞并產(chǎn)生子代中作用。

研究手段：分別標(biāo)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(guān)DNA研究的科學(xué)實(shí)驗(yàn)：

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

①寫出第一步如何標(biāo)記上述實(shí)驗(yàn)噬菌體操作具體過程：

1：_________；

2：________；

第二步：_______。

②以上實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)，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(xì)胞培養(yǎng)兩個(gè)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(yù)測：另一條染色單體中有——條鏈含有BrdU，該實(shí)驗(yàn)?zāi)茏C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(biāo)記的大腸桿菌

②噬菌體的蛋白質(zhì)外殼沒有進(jìn)入到細(xì)菌體內(nèi)

(2)2半保留復(fù)制