高中生物中同位素示蹤法應(yīng)用的實(shí)例

何桂蘭

摘 要：同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對(duì)研究對(duì)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(yùn)動(dòng)，遷移，再用放射性探測(cè)儀器進(jìn)行追蹤，就可知道放射性原子通過(guò)什么路徑，運(yùn)動(dòng)到哪里了，是怎樣分布的等等。

關(guān)鍵詞：同位素示蹤法；高中生物教學(xué)實(shí)例

中圖分類號(hào)：G632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1002-7661（2015）09-280-01

同位素在生產(chǎn)、生活和科研等方面都有著極其廣泛的應(yīng)用。在生物學(xué)領(lǐng)域可用來(lái)測(cè)定生物化石的年代，也利用其射線進(jìn)行誘變育種、防治病蟲(chóng)害和臨床治癌，還可利用其射線作為示蹤原子來(lái)研究細(xì)胞內(nèi)的元素或化合物的來(lái)源、組成、分布和去向等，進(jìn)而了解細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能、化學(xué)物質(zhì)的變化、反應(yīng)機(jī)理等等。

同位素示蹤法是利用放射性核素作為示蹤劑對(duì)研究對(duì)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(yùn)動(dòng)，遷移，再用放射性探測(cè)儀器進(jìn)行追蹤，就可知道放射性原子通過(guò)什么路徑，運(yùn)動(dòng)到哪里了，是怎樣分布的等。同位素標(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物，與未標(biāo)記的相應(yīng)化合物具有相同的化學(xué)與生物學(xué)性質(zhì)，不同的只是它們帶有放射性，可以利用放射性探測(cè)技術(shù)來(lái)追蹤。用于示蹤技術(shù)的放射性同位素一般是用于構(gòu)成細(xì)胞化合物的重要元素。如3H、15N、14C、18O、32P、35S等。

現(xiàn)行高中生物教材中的內(nèi)容和相關(guān)習(xí)題中頻繁出現(xiàn)同位素示蹤法，展示了此方法的多種應(yīng)用價(jià)值和對(duì)科學(xué)研究的重要貢獻(xiàn)。以下就教材相關(guān)內(nèi)容結(jié)合實(shí)例進(jìn)行歸納闡述，以期達(dá)到較深刻地認(rèn)識(shí)這項(xiàng)技術(shù)，進(jìn)而達(dá)到認(rèn)識(shí)生物某些重要代謝途徑的目的。

一、分泌蛋白在細(xì)胞中合成部位及運(yùn)輸方向

在必修一課本中，介紹科學(xué)家在研究分泌蛋白的合成和分泌時(shí)，曾經(jīng)做過(guò)這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：他們?cè)陔嗍蟮囊扰K腺泡細(xì)胞中注射3H標(biāo)記的亮氨酸，3 min后，被標(biāo)記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核糖體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，17 min后，出現(xiàn)在高爾基體中，117 min后，出現(xiàn)在靠近細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)的運(yùn)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(gè)實(shí)驗(yàn)說(shuō)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)→高爾基體→細(xì)胞膜的方向運(yùn)輸?shù)摹亩C明了細(xì)胞內(nèi)的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。

二、研究生物的新陳代謝

教材在介紹光合作用的相關(guān)內(nèi)容時(shí)，提及19世紀(jì)30年代美國(guó)科學(xué)家魯賓和卡門研究光合作用中釋放的氧到底是來(lái)自于水，還是來(lái)自于二氧化碳。他們進(jìn)行了這樣兩組實(shí)驗(yàn)：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。在相同的條件下，對(duì)兩組光合作用實(shí)驗(yàn)釋放出的氧進(jìn)行分析，結(jié)果表明，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中釋放的氧全部來(lái)自水。同樣，也是用此方法，20世紀(jì)40年代，美國(guó)科學(xué)家卡爾文用碳的同位素14C標(biāo)記的CO2 ，探明了碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中碳的轉(zhuǎn)移途徑，被稱為卡爾文循環(huán)。除了光合作用，細(xì)胞呼吸等重要的生物代謝過(guò)程的很多問(wèn)題也可以用同位素示蹤法來(lái)研究。

三、證明DNA是遺傳物質(zhì)：噬菌體侵染細(xì)菌實(shí)驗(yàn)

必修二第3章第一節(jié)：DNA是主要的遺傳物質(zhì)。這一節(jié)中有幾個(gè)經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)，其中噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)正是運(yùn)用了同位素示蹤法。1952年赫爾希和蔡斯把大腸桿菌分別培養(yǎng)在含有35S和32P的培養(yǎng)基中， 大腸桿菌在生長(zhǎng)過(guò)程中， 就分別被35S和32P所標(biāo)記。然后，赫爾希等人用T2噬菌體分別去侵染被35S和32P標(biāo)記的大腸桿菌。噬菌體在大腸桿菌細(xì)胞內(nèi)增殖，裂解后釋放出很多子代噬菌體，在這些子代噬菌體中，前者被35S標(biāo)記，后者被32P標(biāo)記。用被35S和32P標(biāo)記的噬菌體分別去侵染未標(biāo)記的大腸桿菌，然后測(cè)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(cè)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(cè)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)留在細(xì)菌的外面。可見(jiàn)：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)。故證明DNA是遺傳物質(zhì)。

四、證明DNA的半保留復(fù)制

在必修二課本DNA的復(fù)制一節(jié)，選學(xué)內(nèi)容DNA半保留復(fù)制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)部分，就介紹了用同位素示蹤法證明半保留復(fù)制機(jī)制的實(shí)驗(yàn)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)步驟：

第一步：在氮源為14N的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)的大腸桿菌，其DNA分子均為14 N-DNA；在氮源15N的培養(yǎng)基上生長(zhǎng)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)果如右圖所示，其DNA分別分布在輕帶和重帶上。

第二步：將親代大腸桿菌（含15N-DNA）轉(zhuǎn)移到含14 N的培養(yǎng)基上繁殖一代（Ⅰ），請(qǐng)分析：如果DNA離心后位置為重帶和輕帶兩個(gè)條帶，則是全保留復(fù)制，如果DNA離心后位置為只存在中帶，則是半保留復(fù)制。

第三步：為了進(jìn)一步驗(yàn)證第二步的推測(cè)結(jié)果，將親代大腸桿菌（含15N-DNA）轉(zhuǎn)移到含14N的培養(yǎng)基上連續(xù)繁殖二代（Ⅱ），請(qǐng)分析：

如果DNA離心后位置為重帶和輕帶，輕帶加粗，則是全保留復(fù)制；如果DNA離心后位置為出現(xiàn)重帶和輕帶兩個(gè)條帶，則是半保留復(fù)制。

五、DNA探針

在生物的選修教材部分，多次涉及到DNA探針的相關(guān)知識(shí)，包括環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、基因診斷、基因工程中目的基因的檢測(cè)等等。所謂DNA探針，就是用放射性同位素標(biāo)記或者熒光標(biāo)記的DNA分子，利用DNA分子雜交技術(shù)，達(dá)到檢測(cè)和篩選的目的。

除此之外，同位素示蹤法在生物領(lǐng)域的應(yīng)用還有其他很多方面，如研究細(xì)胞的增殖歷程、生物的生命活動(dòng)調(diào)節(jié)以及動(dòng)物胚胎發(fā)育過(guò)程等方面。同位素示蹤技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，幫助人類更深入地了解生命活動(dòng)的規(guī)律。