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1、同位素標(biāo)記法在高中生物知識中的應(yīng)用
同位素標(biāo)記法在高中生物知識中的應(yīng)用
【摘要】在中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi),質(zhì)子數(shù)相同,中子數(shù)不同的這一類原子稱為同位素。同位素用于追蹤物質(zhì)運(yùn)行和變化過程時(shí),叫示蹤元素,用示蹤元素標(biāo)記的化合物,其化學(xué)性質(zhì)不變。人們根據(jù)這種化合物的放射性,對生物體內(nèi)各種復(fù)雜的生理、生化過程進(jìn)行追蹤,這種科學(xué)研究方法就叫做同位素示蹤法。同位素標(biāo)記法是利用放射性同位素作為示蹤劑對研究的對象的運(yùn)行和變化規(guī)律進(jìn)行追蹤的分析法。
【關(guān)鍵詞】同位素;標(biāo)記;應(yīng)用 一、概述
在中子和質(zhì)子組成的原子核內(nèi),質(zhì)子數(shù)相同,中子數(shù)不同的這一
2、類原子稱為同位素。同位素包括穩(wěn)定同位素和放射性同位素。穩(wěn)定同位素是指原子核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,不會(huì)發(fā)生衰變的同位素,如15N、18O等。放射性同位素是指原子核不穩(wěn)定會(huì)發(fā)生衰變,發(fā)出α射線或β射線或γ射線的同位素,如3H、14C、32P、35S、131I、42K等。
同位素用于追蹤物質(zhì)運(yùn)行和變化過程時(shí),叫示蹤元素,用示蹤元素標(biāo)記的化合物,其化學(xué)性質(zhì)不變。人們根據(jù)這種化合物的放射性,對生物體內(nèi)各種復(fù)雜的生理、生化過程進(jìn)行追蹤,這種科學(xué)研究方法就叫做同位素示蹤法。同位素標(biāo)記法是利用放射性同位素作為示蹤劑對研究的對象的運(yùn)行和變化規(guī)律進(jìn)行追蹤的分析法。在生物學(xué)科中,經(jīng)常利用14C、18O、15N、3H、3
3、2P和35S等同位素作為示蹤原子,來考察學(xué)生分析、判斷和推斷能力。
二、方法應(yīng)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(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,再用放射性探測儀器進(jìn)行追蹤,就可知道放射性原子通過什么路徑,運(yùn)動(dòng)到哪里了,是怎樣分布的。用來研究細(xì)胞內(nèi)的元素或化合物的來源、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、反響機(jī)理等。
三.放射性同位素示蹤法的特點(diǎn)
⑴靈敏度高:放射性示蹤法可測到10-14-10-18克水平,即可以從1015個(gè)非放射性原子中檢出一個(gè)放射性原子。它比目前較
4、敏感的重量分析天平要敏感108-107倍,而迄今最準(zhǔn)確的化學(xué)分析法很難測定到10-12克水平。
⑵方法簡便:放射性測定不受其它非放射性物質(zhì)的干擾,可以省略許多復(fù)雜的物質(zhì)別離步驟,體內(nèi)示蹤時(shí),可以利用某些放射性同位素釋放出穿透力強(qiáng)的r射線,在體外測量而獲得結(jié)果,這就大大簡化了實(shí)驗(yàn)過程,做到非破壞性分析,隨著液體閃爍計(jì)數(shù)的開展,14C和3H等發(fā)射軟β射線的放射性同位素在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
⑶定位定量準(zhǔn)確:放射性同位素示蹤法能準(zhǔn)確定量地測定代謝物質(zhì)的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)變,與某些形態(tài)學(xué)技術(shù)相結(jié)合,可以確定放射性示蹤劑在組織器官中的定量分布,并且對組織器官的定位準(zhǔn)確度可達(dá)細(xì)胞
5、水平、亞細(xì)胞水平乃至分子水平。
⑷符合生理?xiàng)l件:在放射性同位素實(shí)驗(yàn)中,所引用的放射性標(biāo)記化合物的化學(xué)量是極微量的,它對體內(nèi)原有的相應(yīng)物質(zhì)的重量改變是微缺乏道的,體內(nèi)生理過程仍保持正常的平衡狀態(tài),獲得的分析結(jié)果符合生理?xiàng)l件,更能反映客觀存在的事物本質(zhì)
四、應(yīng)用分析
⑴標(biāo)記某元素,追蹤其轉(zhuǎn)移途徑。
①碳的同位素:自然界中碳元素有三種同位素,即穩(wěn)定同位素12C、13C和放射性同位素14C。14C能夠發(fā)射 B射線,因此可以用放射性14C取代化合物中它的穩(wěn)定同位素12C,并以14C作為標(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物。例如教材中介紹了科學(xué)家用含有14C的二氧化碳來追蹤光合作用中的C
6、原子的轉(zhuǎn)移途徑是:二氧化碳一→三碳化合物一→糖類
②氧的同位素:自然界中氧元素有三種同位素,即16O、17O、18O,它們都不具有放射性,因此不能通過放射性進(jìn)行追蹤。在示蹤研究中,常用18O代替化合物中的16O進(jìn)行標(biāo)記,最后通過質(zhì)譜儀測定代謝物的質(zhì)量的方法進(jìn)行確定。例如在教材中,介紹的魯賓和卡門的實(shí)驗(yàn),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(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,他們對兩組光合作用釋放
7、的氧進(jìn)行了分析,結(jié)果說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。
⑵標(biāo)記特征元素,探究化合物的作用。
①磷的同位素:磷的同位素磷是一個(gè)簡單的元素,除了質(zhì)量數(shù)為31的一種穩(wěn)定性同位素外,還有幾個(gè)放射性同位素,其質(zhì)量數(shù)為29、30、32、33和34;但只有質(zhì)量數(shù)為32和33的同位素存在足夠長的時(shí)間可以作為示蹤物之用,32和33都可以發(fā)射負(fù)B射線。在教材中介紹了用32P標(biāo)記噬菌體的DNA,然后用被標(biāo)記的噬菌體去感染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)。由于DNA中含有P元素,因而用放射性的32P取代DNA中的P,就使得DNA具有可識別性,從而和細(xì)菌的DNA
8、相區(qū)別開來。
②硫的同位素: 硫的同位素32S、33S、34S、35S和36S中,除35S外,其它放射性同位素的半衰期都很短,因此在放射性同位素示蹤法中,用的多是35S。教材中同樣是在介紹噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)中,介紹了35S的標(biāo)記應(yīng)用。即是用35S標(biāo)記噬菌體的蛋白質(zhì)外殼來顯示其最后的存在部位。由于蛋白質(zhì)含有S 元素,而DNA中不含S元素,可以把蛋白質(zhì)和DNA區(qū)別開來。
⑶標(biāo)記特征化合物,探究詳細(xì)生理過程,研究生物學(xué)原理。
①氫的同位素:氫有三種同位素,即氕、氘和氚,氕和氘是穩(wěn)定的同位素,而氚具有放射性,能夠發(fā)射負(fù)B射線,因而可以通過探測器進(jìn)行追蹤。3H標(biāo)記化合物是指用放
9、射性3H取代化合物中的穩(wěn)定同位素氕或氘,并以3H作為標(biāo)記的放射性標(biāo)記化合物。例如,在介紹科學(xué)家在研究分泌蛋白的合成和分泌時(shí),曾經(jīng)做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn):他們在豚鼠的胰臟腺泡細(xì)胞中注射3H標(biāo)記的亮氨酸,3min后,被標(biāo)記的氨基酸出現(xiàn)在附著有核酸體的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中,17min后,出現(xiàn)在高爾基體中,117min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)葉高爾基體一細(xì)胞膜的方向運(yùn)輸?shù)模瑥亩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。
用3H 標(biāo)記胸腺嘧啶脫氧核苷酸,研究有絲分裂過程中染色體的變化規(guī)律。
②氮的同位素:有13N14N15N等,如用15N標(biāo)記的脫氧核苷酸研究DNA復(fù)制的特點(diǎn),證明DNA的復(fù)制為半保存復(fù)制。
除了課本中介紹的這些實(shí)驗(yàn)中涉及到同位素標(biāo)記法的應(yīng)用之外,利用N的同位素15N標(biāo)記氨基酸,研究其在動(dòng)植物體內(nèi)的轉(zhuǎn)移途徑;用42K標(biāo)記的培養(yǎng)基來研究礦質(zhì)元素在植物體內(nèi)的運(yùn)輸途徑等。只要我們了解其中的原理便能觸類旁通,解決學(xué)習(xí)中的困難。
參考文獻(xiàn):
【1】人教版高中生物必修I教材
【2】普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)
【3】梁吉春2021生物創(chuàng)新大課堂
【4】中國生物器材網(wǎng)