高中生物學(xué)中常見(jiàn)同位素示蹤法實(shí)驗(yàn)

高中生物學(xué)中常見(jiàn)同位素示蹤法實(shí)驗(yàn)高中生物學(xué)中常見(jiàn)同位素示蹤法實(shí)驗(yàn)高中生物學(xué)中常見(jiàn)同位素示蹤法實(shí)驗(yàn)V:1.0精細(xì)整理，僅供參考高中生物學(xué)中常見(jiàn)同位素示蹤法實(shí)驗(yàn)日期：20xx年X月同位素示蹤法在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用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。同位素示蹤法是生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常應(yīng)用的一項(xiàng)重要方法，它可以研究細(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?？傊?，同位素示蹤法正在更大規(guī)模地應(yīng)用于生物研究領(lǐng)域。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、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。在高中生物學(xué)教材中有多處涉及到放射性同位素的應(yīng)用，下面筆者對(duì)教材中的相關(guān)知識(shí)進(jìn)行歸納如下：1研究蛋白質(zhì)或核酸合成的原料及過(guò)程把具有反射性的原子參到合成蛋白質(zhì)或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，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)到哪里以及分布如何。

2研究分泌蛋白的合成和運(yùn)輸

用3H標(biāo)記亮氨酸，探究分泌性蛋白質(zhì)在細(xì)胞中的合成、運(yùn)輸與分泌途徑。在一次性給予放射性標(biāo)記的氨基酸的前提下，通過(guò)觀察細(xì)胞中放射性物質(zhì)在不同時(shí)間出現(xiàn)的位置，就可以明確地看出細(xì)胞器在分泌蛋白合成和運(yùn)輸中的作用。例如，通過(guò)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)?，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。

3研究細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能

用同位素標(biāo)記氨基酸或核苷酸并引入細(xì)胞內(nèi)，探測(cè)這些放射性標(biāo)記出現(xiàn)在哪些結(jié)構(gòu)中，從而推斷該細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。

4探究光合作用中元素的轉(zhuǎn)移

利用放射性同位素18O、14C、3H作為示蹤原子來(lái)研究光合作用過(guò)程中某些物質(zhì)的變化過(guò)程，從而揭示光合作用的機(jī)理。例如，美國(guó)的科學(xué)家魯賓和卡門(mén)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。他們用氧的同位素18O分別標(biāo)記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2，然后進(jìn)行兩組光合作用實(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。在相同條件下，他們對(duì)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(lái)自水。另外，卡爾文等用14C標(biāo)記的CO2，供小球藻進(jìn)行光合作用，追蹤檢測(cè)其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中轉(zhuǎn)化成有機(jī)物中碳的途徑。

5研究細(xì)胞呼吸過(guò)程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)變途徑

利用18O作為示蹤原子研究細(xì)胞呼吸過(guò)程中物質(zhì)的轉(zhuǎn)變途徑，揭示呼吸作用的機(jī)理。例如，用18O標(biāo)記的氧氣（18O），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部無(wú)放射性，即18O→H218O。用18O標(biāo)記的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部無(wú)放射性，即C6H1218O6→C18O2。例如將一只實(shí)驗(yàn)小鼠放入含有放射性18O2氣體的容器內(nèi)，18O2進(jìn)入細(xì)胞后，最先出現(xiàn)的放射性化合物是水。

6研究某些礦質(zhì)元素在植物體內(nèi)的吸收、運(yùn)輸過(guò)程

研究礦質(zhì)元素的吸收部位時(shí)，常用放射性同位素32P等來(lái)做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)根毛區(qū)是根尖吸收礦質(zhì)離子最活躍的部位。研究礦質(zhì)離子在莖中的運(yùn)輸部位時(shí)，用不透水的蠟紙將柳樹(shù)的韌皮部和木質(zhì)部隔開(kāi)，并在土壤中施用含42K的肥料，5小時(shí)后測(cè)定42K在柳莖各部位的分布；有蠟紙隔開(kāi)的木質(zhì)部含有大量42K，韌皮部幾乎無(wú)42K，說(shuō)明運(yùn)輸42K的是木質(zhì)部；柳莖在用蠟紙隔開(kāi)韌皮部和木質(zhì)部的以下區(qū)段以及不插入蠟紙的對(duì)照實(shí)驗(yàn)中，韌皮部中也有很多42K，說(shuō)明42K可從木質(zhì)部橫向運(yùn)輸?shù)巾g皮部。

7研究有絲分裂過(guò)程中染色體的變化規(guī)律

在處于連續(xù)分裂的細(xì)胞的分裂期用3H標(biāo)記胸腺嘧啶脫氧核苷酸，根據(jù)胸腺嘧啶被利用的情況，可以確定DNA合成期的起始點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間，以研究有絲分裂過(guò)程中染色體的變化規(guī)律。例如為了驗(yàn)證促進(jìn)有絲分裂的物質(zhì)對(duì)細(xì)胞分裂的促進(jìn)作用，將小鼠的肝細(xì)胞懸浮液分成等細(xì)胞數(shù)的甲、乙兩組，在甲組的培養(yǎng)液中加入3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷（3H-TdR）；乙組中加入等劑量的3H-TdR，加入促進(jìn)有絲分裂的物質(zhì)。培養(yǎng)一段時(shí)間后，分別測(cè)定甲、乙兩組細(xì)胞的總放射性強(qiáng)度。再如，有人為確定DNA合成期的時(shí)間長(zhǎng)度，在處于連續(xù)分裂的細(xì)胞的分裂期加入用3H標(biāo)記的胸腺嘧啶，根據(jù)胸腺嘧啶被利用情況，可以確定DNA合成期的起始點(diǎn)和持續(xù)時(shí)間。

8證明DNA是遺傳物質(zhì)

在研究蛋白質(zhì)和DNA在遺傳中的作用時(shí)，分別放射性標(biāo)記蛋白質(zhì)和DNA的特征元素，用32P標(biāo)記噬菌體的DNA，大腸桿菌內(nèi)發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)，用35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)，大腸桿菌內(nèi)未發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)；從而驗(yàn)證噬菌體在侵染細(xì)菌的過(guò)程中，進(jìn)入細(xì)菌體內(nèi)的是噬菌體的DNA，而不是噬菌體的蛋白質(zhì)，進(jìn)而證明了DNA是噬菌體的遺傳物質(zhì)。

9探究DNA分子半保留復(fù)制的特點(diǎn)

通過(guò)放射性標(biāo)記來(lái)“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)15N的原子量和14N的原子量不同，因此DNA的相對(duì)分子質(zhì)量不同。如果DNA分子的兩條鏈都是15N，則離心時(shí)為重帶；如果DNA分子的一條鏈?zhǔn)?5N，一條鏈?zhǔn)?4N，則離心時(shí)為中帶；如果DNA分子的兩條鏈都是14N，則離心時(shí)為輕帶。因此可以根據(jù)重帶、中帶、輕帶DNA出現(xiàn)的比例，判斷DNA復(fù)制是全保留復(fù)制還是半保留復(fù)制。

10探究基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯

用放射性同位素標(biāo)記尿嘧啶核糖核苷酸（RNA的特征堿基為U）、氨基酸，則在基因轉(zhuǎn)錄、翻譯的產(chǎn)物中就會(huì)含有放射性同位素，還可以用來(lái)確定轉(zhuǎn)錄、翻譯的場(chǎng)所。

11基因探針在基因診斷中的應(yīng)用

在基因診斷中可利用放射性同位素15N、32P等標(biāo)記的DNA分子做基因探針，將某一致病基因放到含放射性15N或32P的培養(yǎng)基中進(jìn)行擴(kuò)增，加熱得到被標(biāo)記的致病基因單鏈即基因探針，利用DNA分子雜交原理，將待測(cè)者的DNA分子加熱處理形成DNA分子單鏈并與基因探針混合，讓其雜交，檢測(cè)是否形成雙鏈，若完全形成雙鏈，證明該待測(cè)者患有該病，否則不患。該基因診斷的方法可迅速地檢測(cè)出肝炎病毒、腸道病毒等多種病毒，以及鐮刀型細(xì)胞貧血癥、苯丙酮尿癥、白血病等。根據(jù)雜交帶情況可檢測(cè)生物親緣關(guān)系或轉(zhuǎn)基因生物是否插入目的基因，應(yīng)用同樣的原理還可檢測(cè)飲用水中病毒的含量。例如我國(guó)科學(xué)工作者利用DNA分子雜交的原理，利用基因工程研制出“非典”診斷盒，快速診斷“非典”。

12在生物誘變育種方面的應(yīng)用

誘變育種是利用

X

射線(xiàn)、γ射線(xiàn)、β射線(xiàn)或中子去輻照農(nóng)作物的種子，植株或者某些器官，使它們產(chǎn)生的遺傳性發(fā)生改變，產(chǎn)生各種各樣的突變，在較短時(shí)間內(nèi)獲得有利用價(jià)值得突變體，然后從中選擇出對(duì)人類(lèi)有用的突變，經(jīng)過(guò)培育而成的新品種。誘變育種常用的放射性同位素有35S、32P、45Ca（β射線(xiàn)）65Zn、60Co（γ射線(xiàn)）等，主要方法有浸泡種子、施入土壤、涂抹幼苗、注入植物組織內(nèi)等。如是典型的γ放射源，可用于誘變育種。我國(guó)應(yīng)用該方法培育出了許多農(nóng)作物新品種。如棉花高產(chǎn)品種“魯棉1號(hào)”，年種植面積曾達(dá)到3000多萬(wàn)畝，在我國(guó)自己培育的棉花品種中栽培面積最大。

13探究大腦皮層的功能

科學(xué)家們常用PET技術(shù)對(duì)大腦皮層的高級(jí)功能進(jìn)行定位。PET技術(shù)是指正電子反射型計(jì)算機(jī)斷層造影成像技術(shù)，是一種直接對(duì)腦功能造影的技術(shù)，運(yùn)用該技術(shù)，科學(xué)家可以通過(guò)特制的探測(cè)元件測(cè)定大腦不聽(tīng)區(qū)域物質(zhì)的消耗情況，進(jìn)而定位大腦皮層的不同功能區(qū)。將葡萄糖的基本元素（C、H、O）用超短“壽命”的放射性同位素標(biāo)記（如F18、C11等），制成放射性示蹤劑，然后把這種示蹤劑注射到受試者的血管中，通過(guò)特制的探測(cè)元件，就可以獲取示蹤劑在受試者大腦中的三維分布及其隨時(shí)間變化的情況。如讓受試者進(jìn)行思維、語(yǔ)言、聆聽(tīng)、書(shū)寫(xiě)等高級(jí)機(jī)能活動(dòng)，皮層中相應(yīng)的中樞將處于高度興奮狀態(tài)，此時(shí)，通過(guò)觀察這些中樞對(duì)示蹤劑的消耗情況，就可以得出大腦皮層各功能區(qū)的位置和分布。例如讓受試者進(jìn)行書(shū)寫(xiě)時(shí)，大腦皮層中關(guān)于書(shū)寫(xiě)的中樞將大量消耗葡萄糖，該神經(jīng)中樞的位置就可以通過(guò)探測(cè)進(jìn)行定位。目前該技術(shù)已廣泛用于多種疾病的診斷與鑒別診斷、病情判斷、療效評(píng)價(jià)、臟器功能研究和新藥開(kāi)發(fā)等方面。

14研究反饋調(diào)節(jié)機(jī)制

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)，也會(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(guò)檢測(cè)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。例如在研究甲狀腺腺體與甲狀腺激素、促甲狀腺激素的分泌時(shí)，一般選用131I進(jìn)行同位素原子的示蹤標(biāo)記。因?yàn)槿梭w從食物中吸收的碘元素幾乎全部集中在甲狀腺腺體，用于合成甲狀腺激素。

15在免疫調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

給動(dòng)物以高劑量的同位素標(biāo)記的抗原，結(jié)果動(dòng)物不但不發(fā)生免疫反應(yīng)，而且以后對(duì)同樣的、但不同同位素標(biāo)記的抗原也不再發(fā)生免疫反應(yīng)。此時(shí)如給其他抗原，動(dòng)物仍能發(fā)生正常免疫反應(yīng)。這一實(shí)驗(yàn)表明，同位素標(biāo)記的抗原與帶有互補(bǔ)抗體的淋巴細(xì)胞結(jié)合，這種淋巴細(xì)胞全被射線(xiàn)殺死，因此不發(fā)生免疫反應(yīng)。第二次給正常的同樣抗原時(shí)，由于帶有互補(bǔ)抗體的淋巴細(xì)胞已全被殺死，其他種類(lèi)的淋巴細(xì)胞雖對(duì)其他抗原能正常反應(yīng)，但不能對(duì)此種抗原發(fā)生反應(yīng)，即不能轉(zhuǎn)變?yōu)榕c此種抗原互補(bǔ)的淋巴細(xì)胞。因此，動(dòng)物就失去對(duì)此種抗原的免疫能力。由此可見(jiàn)，淋巴細(xì)胞的特異性是先天存在的，而不是由抗原的“教導(dǎo)”而產(chǎn)生的。

16研究生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸

證明植物生長(zhǎng)素的極性運(yùn)輸時(shí)，用同位素14C標(biāo)記莖形態(tài)學(xué)上端的生長(zhǎng)素（吲哚乙酸），可在莖的形態(tài)學(xué)下端探測(cè)到放射性同位素14C，而標(biāo)記莖形態(tài)學(xué)