同位素标记法在高中生物教材中的应用及拓展

穆凯利 宋丽艳

同位素标记法（isotopic tracer method）是利用放射性同位素作为示踪剂对研究对象进行标记的微量分析方法，可用于追踪物质的运行和变化规律。用反射性同位素标记的化合物，化学性质不会改变。科学家通过追踪放射性同位素标记的化合物，可以弄清楚化学反应的详细过程。

1、同位素示踪法基本原理和特点

同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质。因此，就可以用同位素作为一种标记，制成含有同位素的标记化合物代替相应的非标记化合物。利用放射性同位素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等，稳定性同位素雖然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪，气相层析仪，核磁共振等质量分析仪器来测定。

1.1 方法简便

放射性测定不受其它非放射性物质的干扰，可以省略许多复杂的物质分离步骤，体内示踪时，可以利用某些放射性同位素释放出穿透力强的r射线，在体外测量而获得结果，这就大大简化了实验过程，做到非破坏性分析，随着液体闪烁计数的发展，14C和3H等发射软β射线的放射性同位素在医学及生物学实验中得到越来越广泛的应用。

1.2 定位定量准确

放射性同位素示蹤法能准确定量地测定代谢物质的转移和转变，与某些形态学技术相结合（如病理组织切片技术，电子显微镜技术等），可以确定放射性示踪剂在组织器官中的定量分布，并且对组织器官的定位准确度可达细胞水平、亚细胞水平乃至分子水平。

1.3 符合生理条件

在放射性同位素实验中，所引用的放射性标记化合物的化学量是极微量的，它对体内原有的相应物质的重量改变是微不足道的，体内生理过程仍保持正常的平衡状态，获得的分析结果符合生理条件，更能反映客观存在的事物本质。

2、同位素示踪法在高中生物教材中的应用

放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛，它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密，阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。下面仅就同位素示踪技术在人教版新教材必修本与选修本中的应用方面作一介绍。

2.1 研究分泌蛋白的合成和运输

经典实验： 帕拉德在豚鼠的胰腺细胞内一次性注射适量3H标记的亮氨酸。3分钟后放射性出现在附有核糖体的内质网中；17分钟后，出现在高尔基体中；117分钟后，出现在靠近细胞膜内侧的运输蛋白质的囊泡中，以及释放到细胞外的分泌物中。

分泌蛋白合成与运输过程概述：在核糖体上合成的蛋白质，进入内质网腔后，还要经过一些加工，如折叠、组装、加上一些糖基团等，才能成为比较成熟的蛋白质。然后，由内质网腔膨大、出芽形成具膜的小泡，包裹着蛋白质转移到高尔基体，把蛋白质输送到高尔基体腔内，做进一步的加工。接着，高尔基体边缘突起形成小泡，把蛋白质包裹在小泡里，运输到细胞膜，小泡与细胞膜融合，把蛋白质释放到细胞外。此过程体现了细胞器之间的协调配合。

2.2 光合作用中的应用

光合作用的原料有水和二氧化碳，那么，光合作用释放的氧气到底是来自二氧化碳还是水？人们曾一度认为这些氧气是来自二氧化碳。

随着技术的进步，人们发现了放射性同位素，这为解决氧气来自水还是二氧化碳提供了研究手段。1939年，美国科学家鲁宾（S.Ruben）和卡门（M.Kamen）利用同位素标记法进行了探究。他们用氧的同位素18O分别标记H2O和CO2，使它们分别成为H218O和C18O2。然后进行两组实验：

第一组向植物提供H2O和C18O2；第二组向同种植物提供H218O和CO2。在其他条件都相同的情况下，他们分析了两组实验释放的氧气。结果表明，第一组释放的氧气全部是O2；第二组释放的氧气全部是18O2。这一实验有力地证明光合作用释放的氧气来自水。

光合作用产生的有机物又是怎样合成的呢？进入20世纪40年代，科学家开始用放射性同位素14C做实验研究这一问题。美国科学家卡尔文等用小球藻（一种单细胞的绿藻）做实验：用14C标记的14CO2，供小球藻进行光合作用，然后跟踪检测其放射性，最终探明了CO2中的碳在光合作用中转化成有机物中碳的途径，这一途径称为卡尔文循环。

2.3 噬菌体侵染大肠杆菌的实验

噬菌体侵染大肠杆菌的实验是证明DNA是遗传物质的经典实验。在艾弗里的肺炎双球菌的转化实验中，已经提到把S型活细菌中的DNA、蛋白质、荚膜多糖进行提取、分离和鉴定。通过实验得出S型细菌中的转化因子是DNA。其实，把S型细菌中的蛋白质、DNA、多糖等成分进行分离和提取，是一种直接“分开”的方法。在这个实验的基础上，1952年赫尔希（A.D.Hershey，1908c）和蔡斯（M.Chase）用一种间接的“分开”方法，即同位素标记法，把噬菌体的蛋白质标记而DNA不标记；把噬菌体的DNA标记而蛋白质不标记。通过放射性同位素标记间接地把DNA和蛋白质分开，单独地追踪观察它们在前后代之间的遗传作用。赫尔希和蔡斯首先在分别含有放射性同位素35S和放射性同位素32P的培养基中培养细菌。然后，分别用上述细菌培养T2噬菌体，从而制备出DNA中含有32P或蛋白质中含有35S的噬菌体。”

同位素标记实验的第二步，是用被35S和32P标记的噬菌体分别去侵染未标记的细菌，然后测定宿主细胞的同位素标记。当用35S标记的噬菌体侵染细菌时，测定结果显示，宿主细胞内很少有同位素标记，而大多数35S标记的噬菌体蛋白质附着在宿主细胞的外面。当用32P标记的噬菌体感染细菌时，测定结果显示宿主细胞的外面的噬菌体外壳中很少有放射性同位素32P，而大多数放射性同位素32P在宿主细胞内。以上实验表明，噬菌体在侵染细菌时，进入细菌内的是DNA，而蛋白质在细菌的外面。可见，在噬菌体的生活史中，只有DNA是在亲代和子代之间具有连续性的物质。因此，DNA是遗传物质。

总之，同位素标记法是生物科学实验中经常应用的一项重要方法，通过该方法的分析与运用，能够使学生更好地理解不同生理过程，探讨物质变化与转移途径。因此，将高中教材中涉及到的同位素标记法总结出来，适当拓展延伸，以便更好的引导学生理解与掌握该方法的实际应用。