高中生物學中常見同位素示蹤法實驗

高中生物學中常見同位素示蹤法實驗高中生物學中常見同位素示蹤法實驗高中生物學中常見同位素示蹤法實驗V:1.0精細整理，僅供參考高中生物學中常見同位素示蹤法實驗日期：20xx年X月同位素示蹤法在高中生物學實驗中的應用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行標記的微量分析方法，即把放射性同位素的原子參到其他物質中去，讓它們一起運動、遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，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。同位素示蹤法是生物學實驗中經常應用的一項重要方法，它可以研究細胞內的元素或化合物的來源、組成、分布和去向等，進而了解細胞的結構和功能、化學物質的變化、反應機理等?？傊?，同位素示蹤法正在更大規(guī)模地應用于生物研究領域。用于示蹤技術的放射性同位素一般是用于構成細胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S、131I等。在高中生物學教材中有多處涉及到放射性同位素的應用，下面筆者對教材中的相關知識進行歸納如下：1研究蛋白質或核酸合成的原料及過程把具有反射性的原子參到合成蛋白質或核酸的原料（氨基酸或核苷酸）中，讓它們一起運動、遷移，再用放射性探測儀器進行追蹤，就可知道放射性原子通過什么路徑、運動到哪里以及分布如何。

2研究分泌蛋白的合成和運輸

用3H標記亮氨酸，探究分泌性蛋白質在細胞中的合成、運輸與分泌途徑。在一次性給予放射性標記的氨基酸的前提下，通過觀察細胞中放射性物質在不同時間出現的位置，就可以明確地看出細胞器在分泌蛋白合成和運輸中的作用。例如，通過實驗說明分泌蛋白在附著于內質網上的核糖體中合成之后，是按照內質網→高爾基體→細胞膜的方向運輸的，從而證明了細胞內的各種生物膜在功能上是緊密聯(lián)系的。

3研究細胞的結構和功能

用同位素標記氨基酸或核苷酸并引入細胞內，探測這些放射性標記出現在哪些結構中，從而推斷該細胞的結構和功能。

4探究光合作用中元素的轉移

利用放射性同位素18O、14C、3H作為示蹤原子來研究光合作用過程中某些物質的變化過程，從而揭示光合作用的機理。例如，美國的科學家魯賓和卡門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。他們用氧的同位素18O分別標記H2O和CO2，使它們分別成為H218O和C18O2，然后進行兩組光合作用實驗：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，他們對兩組光合作用釋放的氧進行了分析，結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自水。另外，卡爾文等用14C標記的CO2，供小球藻進行光合作用，追蹤檢測其放射性，探明了CO2中的碳在光合作用中轉化成有機物中碳的途徑。

5研究細胞呼吸過程中物質的轉變途徑

利用18O作為示蹤原子研究細胞呼吸過程中物質的轉變途徑，揭示呼吸作用的機理。例如，用18O標記的氧氣（18O），生成的水全部有放射性，生成的二氧化碳全部無放射性，即18O→H218O。用18O標記的葡萄糖（C6H1218O6），生成的二氧化碳全部有放射性，生成的水全部無放射性，即C6H1218O6→C18O2。例如將一只實驗小鼠放入含有放射性18O2氣體的容器內，18O2進入細胞后，最先出現的放射性化合物是水。

6研究某些礦質元素在植物體內的吸收、運輸過程

研究礦質元素的吸收部位時，常用放射性同位素32P等來做實驗，發(fā)現根毛區(qū)是根尖吸收礦質離子最活躍的部位。研究礦質離子在莖中的運輸部位時，用不透水的蠟紙將柳樹的韌皮部和木質部隔開，并在土壤中施用含42K的肥料，5小時后測定42K在柳莖各部位的分布；有蠟紙隔開的木質部含有大量42K，韌皮部幾乎無42K，說明運輸42K的是木質部；柳莖在用蠟紙隔開韌皮部和木質部的以下區(qū)段以及不插入蠟紙的對照實驗中，韌皮部中也有很多42K，說明42K可從木質部橫向運輸到韌皮部。

7研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律

在處于連續(xù)分裂的細胞的分裂期用3H標記胸腺嘧啶脫氧核苷酸，根據胸腺嘧啶被利用的情況，可以確定DNA合成期的起始點和持續(xù)時間，以研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律。例如為了驗證促進有絲分裂的物質對細胞分裂的促進作用，將小鼠的肝細胞懸浮液分成等細胞數的甲、乙兩組，在甲組的培養(yǎng)液中加入3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷（3H-TdR）；乙組中加入等劑量的3H-TdR，加入促進有絲分裂的物質。培養(yǎng)一段時間后，分別測定甲、乙兩組細胞的總放射性強度。再如，有人為確定DNA合成期的時間長度，在處于連續(xù)分裂的細胞的分裂期加入用3H標記的胸腺嘧啶，根據胸腺嘧啶被利用情況，可以確定DNA合成期的起始點和持續(xù)時間。

8證明DNA是遺傳物質

在研究蛋白質和DNA在遺傳中的作用時，分別放射性標記蛋白質和DNA的特征元素，用32P標記噬菌體的DNA，大腸桿菌內發(fā)現放射性物質，用35S標記噬菌體的蛋白質，大腸桿菌內未發(fā)現放射性物質；從而驗證噬菌體在侵染細菌的過程中，進入細菌體內的是噬菌體的DNA，而不是噬菌體的蛋白質，進而證明了DNA是噬菌體的遺傳物質。

9探究DNA分子半保留復制的特點

通過放射性標記來“區(qū)別”親代與子代的DNA，如放射性標記15N，因為放射性物質15N的原子量和14N的原子量不同，因此DNA的相對分子質量不同。如果DNA分子的兩條鏈都是15N，則離心時為重帶；如果DNA分子的一條鏈是15N，一條鏈是14N，則離心時為中帶；如果DNA分子的兩條鏈都是14N，則離心時為輕帶。因此可以根據重帶、中帶、輕帶DNA出現的比例，判斷DNA復制是全保留復制還是半保留復制。

10探究基因的轉錄和翻譯

用放射性同位素標記尿嘧啶核糖核苷酸（RNA的特征堿基為U）、氨基酸，則在基因轉錄、翻譯的產物中就會含有放射性同位素，還可以用來確定轉錄、翻譯的場所。

11基因探針在基因診斷中的應用

在基因診斷中可利用放射性同位素15N、32P等標記的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)基中進行擴增，加熱得到被標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，檢測是否形成雙鏈，若完全形成雙鏈，證明該待測者患有該病，否則不患。該基因診斷的方法可迅速地檢測出肝炎病毒、腸道病毒等多種病毒，以及鐮刀型細胞貧血癥、苯丙酮尿癥、白血病等。根據雜交帶情況可檢測生物親緣關系或轉基因生物是否插入目的基因，應用同樣的原理還可檢測飲用水中病毒的含量。例如我國科學工作者利用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用

誘變育種是利用

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射線、γ射線、β射線或中子去輻照農作物的種子，植株或者某些器官，使它們產生的遺傳性發(fā)生改變，產生各種各樣的突變，在較短時間內獲得有利用價值得突變體，然后從中選擇出對人類有用的突變，經過培育而成的新品種。誘變育種常用的放射性同位素有35S、32P、45Ca（β射線）65Zn、60Co（γ射線）等，主要方法有浸泡種子、施入土壤、涂抹幼苗、注入植物組織內等。如是典型的γ放射源，可用于誘變育種。我國應用該方法培育出了許多農作物新品種。如棉花高產品種“魯棉1號”，年種植面積曾達到3000多萬畝，在我國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

科學家們常用PET技術對大腦皮層的高級功能進行定位。PET技術是指正電子反射型計算機斷層造影成像技術，是一種直接對腦功能造影的技術，運用該技術，科學家可以通過特制的探測元件測定大腦不聽區(qū)域物質的消耗情況，進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，通過特制的探測元件，就可以獲取示蹤劑在受試者大腦中的三維分布及其隨時間變化的情況。如讓受試者進行思維、語言、聆聽、書寫等高級機能活動，皮層中相應的中樞將處于高度興奮狀態(tài)，此時，通過觀察這些中樞對示蹤劑的消耗情況，就可以得出大腦皮層各功能區(qū)的位置和分布。例如讓受試者進行書寫時，大腦皮層中關于書寫的中樞將大量消耗葡萄糖，該神經中樞的位置就可以通過探測進行定位。目前該技術已廣泛用于多種疾病的診斷與鑒別診斷、病情判斷、療效評價、臟器功能研究和新藥開發(fā)等方面。

14研究反饋調節(jié)機制

在生物的反饋調節(jié)中，某一種物質的變化會引起一系列的調節(jié)反應，也會引起其他物質的相應變化。標記某一物質，用一定方法處理，通過檢測放射性物質在某器官中的變化量，研究反饋調節(jié)的機制。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，一般選用131I進行同位素原子的示蹤標記。因為人體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在免疫調節(jié)中的應用

給動物以高劑量的同位素標記的抗原，結果動物不但不發(fā)生免疫反應，而且以后對同樣的、但不同同位素標記的抗原也不再發(fā)生免疫反應。此時如給其他抗原，動物仍能發(fā)生正常免疫反應。這一實驗表明，同位素標記的抗原與帶有互補抗體的淋巴細胞結合，這種淋巴細胞全被射線殺死，因此不發(fā)生免疫反應。第二次給正常的同樣抗原時，由于帶有互補抗體的淋巴細胞已全被殺死，其他種類的淋巴細胞雖對其他抗原能正常反應，但不能對此種抗原發(fā)生反應，即不能轉變?yōu)榕c此種抗原互補的淋巴細胞。因此，動物就失去對此種抗原的免疫能力。由此可見，淋巴細胞的特異性是先天存在的，而不是由抗原的“教導”而產生的。

16研究生長素的極性運輸

證明植物生長素的極性運輸時，用同位素14C標記莖形態(tài)學上端的生長素（吲哚乙酸），可在莖的形態(tài)學下端探測到放射性同位素14C，而標記莖形態(tài)學