放射性同位素标记

李顺字

放射性同位素标记是运用同位素来追踪物质运行、变化规律，用放射性同位素标记的化合物化学性质不会变化。科学家通过追踪放射性同位素的化合物，可以弄清化学反应的详细过程，这种技术核心理念就是“区别理念”。高中教材中主要应用的同位素是氢的同位素3H(细胞器——系统内的分工合作)、氧的同位素180(植物光合作用过程)、硫的同位素，35S和32P(DNA是主要遗传物质)、碳的同位素14c(卡尔文循环)、15N(DNA半保留复制)等，在这些同位素的研究中，无不凸显“区别”理念的应用。

1通过放射性物质标记用来“区别”不同细胞器在外分泌蛋白合成的作用

理论：研究细胞器在外分泌蛋白合成的作用时，标记某一氨基酸如亮氨酸的3H，在一次性给予放射性标记性的氨基酸的前提下，通过观察细胞中放射性物质在不同时间出现的位置，就可以看出明确的细胞器在外分泌蛋白的合成和运输中的作用。

研究手段：观察放射性在不同的细胞器出现的时间，来观察不同细胞器在外分泌蛋白中作用。

【例1】从某腺体的细胞中，提取出附着有核糖体的内质网，放入含有放射性标记的氨基酸培养液中，该培养液中含有核糖体和内质网完成其功能所需的物质和条件。连续取样，并分离核糖体和内质网，测定标记的氨基酸出现在核糖体和内质网中的情况，结果如图1所示。请回答：

(1)放射性氨基酸首先在核糖体上大量累积，最可能的原因是________。

(2)放射性氨基酸在核糖体上积累之后，在内质网中也出现了，且数量不断增多，最可能的原因是______。

(3)实验中，培养液相当于细胞中的______。

解析：在腺体细胞合成蛋白质时，其要吸收放射性标记的氨基酸，内质网和核糖体在合成蛋白质中的作用是：核糖体合成蛋白质的场所，而内质网是加工蛋白质的场所，因此，放射性氨基酸应先出现在核糖体上，然后出现在内质网上。

答案：(1)氨基酸在核糖体上形成了肽链

(2)肽链进入内质网中进行加工

(3)细胞质基质

2通过放射性物质标记用来“区别”元素的来源或去向

理论：在光合作用过程的研究中，研究氧气是来源于二氧化碳或水时，通过分别给予放射性H₂18O、C¹⁸O₂，分别看植物放出的氧气是否有放射性，通过两次给予两种物质的氧来“区别”氧气到底来自与二氧化碳还是水(其实光合作用的卡尔文循环中对二氧化碳中“c的标记，根据其出现在不同物质中，研究光合作用中暗反应碳元素的具体去向也是这一“区别理念”的应用)。

研究手段：分别标记二氧化碳或水，检查产生的氧气是否有放射性；或标记“c来研究其去向。

【例2】图2是利用小球藻进行光合作用时的实验示意图，图中A物质和B物质的相对分子质量比为()

A，1：2B，2：1C，8：9D，9：8

解析：因为小球藻进行光合作用放出的氧气来自于水，因此，左边的试管中放出的氧气不具有放射性，其分子量是32，而右边的试管中放出的氧气来自于带有放射性的水中的氧，因此，其放出氧气的分子量是36，故答案选c。

3通过放射性物质“量”的变化用来“区别”研究反馈调节机制

理论：在生物的反馈调节中某一种物质的变化，会引起一系列的调节反应，在这一过程中会引起其他物质的相应变化。标记某一物质，用一定方法处理，通过反馈调节中物质放射性“量”的变化，来“区别”不同物质对于反馈调节中合成某些物质的影响。

研究手段：检查放射性物质在某器官中的变化量，研究反馈调节的机制。

【例3】为了探究动物体内甲状腺激素分泌的调节机理，某同学设计了如下实验：

知识准备：碘是合成甲状腺激素的原料。甲状腺是合成、贮存、分泌甲状腺激素的器官。

材料用具：略。

方法步骤：

第一步：取健康雄兔15只，将注射部位消毒后，分3组，给每只兔注射适量的放射性碘溶液。

第二步；每隔一定时间用放射性测量仪分别测定每只兔子甲状腺中碘的放射量，记录并计算平均值。

第三步：3 d后，将15只实验兔随机均分为A、B、C三组。

第四步：向A组注射一定量无放射性的甲状腺激素溶液，向B组注射等量无放射性的促甲状腺激素溶液，向c组注射等量生理盐水。

第五步：每隔一定时间，分别测定三组兔子甲状腺中碘的放射量，记录并计算平均值。回答下列问题：

(1)、(2)略

(3)若分别用A、B、c三条曲线代表A、B、c三组兔子的甲状腺中碘的放射量，则预计A、B、c三组兔子的甲状腺中碘的放射量应如图3中的

。

解析：放射性同位素标记的碘是甲状腺激素合成的原料，因此，一次性给予兔子放射性的碘应在甲状腺器官积累，但是，因合成的甲状腺激素的分泌，而导致甲状腺器官的放射性发生变化。通过对于A、B、c三组的不同处理，对于A组给予甲状腺激素后，因其量达到一定的水平，而导致甲状腺激素的合成减少，导致碘在甲状腺器官减少得最慢；而B组是给予促甲状腺激素，导致甲状腺激素的合成加速，因此放射性碘在甲状腺器官中减少的速度最快；而c组是对照组，减少的速度居中，因此，选乙。

4放射性标记DNA来“区别”新、老DNA，进而研究DNA复制的具体过程

理论：通过放射性的标记来“区别”亲代与子代的DNA，如放射性标记15N，因为放射性物质如15N的原子量和14N原子量不同，因此，DNA的分子量不同。两链都是15N的DNA，离心时为重带；一链是15N、一链是14N的DNA分子，离心时为中带；两链都是14N的DNA分子，离心时为轻带。以此来研究分析DNA复制究竟是半保留复制还是全保留复制。

研究手段：不同时间段(注：以DNA复制一次为一个时间段)进行DNA进行梯度离心，根据重带、中带、轻带DNA出现的比例来判断DNA复制是全保留复制还是半保留复制。

【例4】某校一个生物兴趣小组要进行研究性学习，对生物学史上的经典实验进行验证，也是研究学习内容之一。这个小组借助某大学的实验设备，对有关DNA复制的方式进行探索，有人认为DNA是全保留复制，也有人认为是半保留复制。为了证明这假设，这个小组设计了下列实验程序，请完成实验并对结果进行预测。

实验步骤：

第一步：在氮源为14N的培养基上生长的大肠杆菌，其DNA分子均为14N-DNA分子；在氮源为15N的培养基生长的大肠杆菌，其DNA分子均为15N-DNA。用某种离心方法分离得到的结果如图4所示，其DNA分别分布在轻带和重带上。

(1)第二步：将亲代大肠杆菌(含15N)转移到含14N的培养基上繁殖一代(I)，请分析：

(1)如果其DNA分布的位置是______，

则DNA的复制方式为全保留复制；如果DNA分布的位置是______，则是半保留复制。

(2)第三步：为了进一步验证第二步的推测结果，将子一代大肠杆菌转移到含14N的培养基上再繁殖一代(Ⅱ)，请分析：

如果其DNA分布的位置是_____，则是全保留复制；如果其DNA分布的位置是_____，则是半保留复制。

(3)有人提出：第一代(I)的DNA用解螺旋酶处理后再离心，就能直接判断DNA的复制方式，如果轻带和重带各占1／2，则一定为半保留复制。

你认为这位同学的说法是否正确?_____。原因是_______。

解析：见研究理论。

答案：(1)一半在轻带、一半在重带全部在中带

(2)3／4在轻带、1／4在重带一半在轻带、一半在中带

(3)不正确因为不论是全保留复制还是半保留复制。其第一代DNA分子用解旋酶处理后，都有一半的单链含15N，一半的单链含14N，离心后，都有一半单链在重带上，一半单链在轻带上

5分别放射性标记两种物质(DNA和蛋白质)用来“区别”这两种物质在遗传中作用

理论：在研究蛋白质和DNA在遗传中的作用，分别放射性的标记这两种物质的特征元素，通过培养、离心等一系列手段，根据上清液或沉淀物中的放射性，来“区别”观察这两种物质在进入细胞并产生子代中作用。

研究手段：分别标记蛋白质和DNA的特征元素(就是指蛋白质有的而DNA没有的，或者是DNA有的而蛋白质没有的，如蛋白质的特征元素是35S，而DNA的特征元素32P)，通过一系列的处理方法，观察二者的作用。

【例5】下面介绍的是有关DNA研究的科学实验：

(1)1952年，赫尔希和蔡斯利用同位素标记法，完成了著名的噬菌体侵染细菌的实验，图5是实验的部分过程。

①写出第一步如何标记上述实验噬菌体操作具体过程：

1：_________；

2：________；

第二步：_______。

②以上实验结果说明

(2)BrdU是一种嘧啶类似物，能替代胸腺嘧啶与腺嘌呤配对，掺入到新合成的DNA链中。将植物根尖分生组织放在含有BrdU的培养基中培养，待细胞培养两个分裂周期后，取出根尖组织，染色后观察一条染色体的两条姐妹染色单体：发现一条染色单体的两条脱氧核苷酸链中只有一条链含有BrdU。预测：另一条染色单体中有——条链含有BrdU，该实验能证明DNA分子为_______。

解析：参考(理论)。

答案：(1)①1：用含有放射性同位素35s的培养基培养大肠杆菌。

2：用上述的大肠杆菌培养噬菌体，得到蛋白质含有３５S的噬菌体

第二步：用培养的噬菌体感染未被标记的大肠杆菌

②噬菌体的蛋白质外壳没有进入到细菌体内

(2)2半保留复制