【高中】同位素标记与荧光标记技术

一、什么是同位素标记法？

同位素标记法是生物学实验和研究中常用的技术手段之一。是利用同位素作为示踪剂对研究对象进行标记，用于追踪研究对象的运行和变化规律。也叫同位素示踪法。

生物学上经常使用的同位素是组成原生质的主要元素，即H、N、C、S、P和O等的同位素。

【原理】

具有相同质子数，不同中子数的同一元素的不同核素互为同位素。

同位素可分为稳定同位素和放射性同位素。

1、稳定同位素：稳定同位素是指原子核结构稳定，不发生衰变的同位素，稳定同位素没有放射性，如：¹H、 ²H、¹⁵N、¹⁸O等。在实验或研究中如使用稳定同位素，不能采用自显影等技术来追踪同位素的去向，只能利用同位素的质量差，通过测量分子质量或离心技术来区别同位素。鲁宾和卡门就是用稳定性同位素¹⁸O分别标记H₂O和CO₂来研究光合作用过程中释放的氧气中O的来源。

2、放射性同位素：具有一定的半衰期，是不稳定的同位素。常用的有：¹⁴C、³²P、³⁵S、 ³H等。利用放射性同位素能不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用探测器随时追踪它在体内或体外的位置、数量及其转变等。

放射性同位素和稳定性同位素都可作为示踪剂，但是，稳定性同位素作为示踪剂其灵敏度较低，可获得的种类少，价格较昂贵，其应用范围受到限制；而用放射性同位素作为示踪剂不仅灵敏度，测量方法简便易行，能准确地定量，准确地定位及符合所研究对象的生理条件等特点。

【高中阶段有哪些应用？】

1、研究分泌蛋白的合成和分泌  

研究细胞器在分泌蛋白合成中的作用时，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，就可以明确地看出细胞器在分泌蛋白合成和运输中的作用。研究手段：观察放射性在不同细胞器中出现的时间，来观察不同细胞器在分泌蛋白中的作用。 

2、研究光合作用中氧气的来源 

1939年，鲁宾和卡门用¹⁸O分别标记H₂O和CO₂，然后进行两组对比实验：一组提供H₂O和C¹⁸O₂，另一组提供H₂¹⁸O和CO₂。在其他条件相同情况下，分析出第一组释放的氧气全部为O₂，第二组全部为¹⁸O₂，有力地证明了植物释放的O₂来自于H₂O而不是CO₂。

3、研究光合作用中CO₂中的碳原子转移途径

20世纪40年代美国生物学家卡尔文等把单细胞的小球藻短暂暴露在含¹⁴C的CO₂里，然后把细胞磨碎，分析¹⁴C出现在哪些化合物中。经过10年努力终于探索出了光合作用的“三碳途径”——卡尔文循环。

3、证明DNA是遗传物质 

1952年，赫尔希和蔡斯以T2噬菌体为实验材料，用³⁵S、³²P分别标记噬菌体的蛋白质外壳和DNA，再让被³⁵S、³²P分别标记的两种噬菌体去侵染大肠杆菌，经离心处理后，分析放射性物质的存在场所。此实验有力证明了DNA是遗传物质。

4、探究DNA分子半保留复制的特点 

1957年，美国科学家梅塞尔森和斯坦尔用含¹⁵N的培养基培养大肠杆菌，使之变成“重”细菌，再把它放在含¹⁴N的培养基中继续培养。在不同时间取样，并提取DNA进行密度梯度离心，根据轻重链浮力等的不同，就分出新生链和母链，这就证实了DNA复制的半保留性。

6、DNA分子杂交和分子杂交技术 

在目的基因的检测与鉴定中，采用了DNA分子杂交技术。将转基因生物的基因组DNA提取出来，在含有目的基因的DNA片段上用放射性同位素作标记，以此为探针使之与基因组DNA杂交，如果显示出杂交带，就表明目的基因已导入受体细胞中。

另外，还可采用同样方法检测目的基因是否转录出了mRNA，不同的是从转基因生物中提取的是mRNA。

二、荧光标记技术？

荧光标记技术指利用荧光物质共价结合或物理吸附在所要研究分子的某个基团上，利用它的荧光特性来提供被研究对象的信息。荧光标记具有无放射物污染，操作简便等优点，使得荧光标记物在许多研究领域的应用日趋广泛。

【高中阶段有哪些应用？】

1、“细胞融合实验”：

1970年，科学家用发绿色荧光的染料标记小鼠细胞表面的蛋白质分子，用发红色荧光的染料标记人细胞表面的蛋白质分子，将小鼠细胞和人细胞融合。这两种细胞刚融合时，融合细胞的一半发绿色荧光，另一半发红色荧光。在37℃下经过40min，两种颜色的荧光均匀分布。这一实验很有力地证明了细胞膜的结构特点是具有一定的流动性。           

  

2、端粒学说

每条染色体的两端都有一段特殊序列的DNA，称为端粒。科学家用黄色荧光标记端粒，可以追踪端粒在每次细胞分裂后的变化，以此研究端粒变化与细胞活动的关系。 

3、“基因在染色体上的实验证据”：

通过现代分子生物学技术，运用荧光标记的手段，可以很直观地观察到呈现基因在染色体上线性排列。 

4、在免疫学研究中的应用

在各种疾病的临床检测和科学研究中，根据抗原能和特异性抗体要结合的特性，用人工标记的抗体对组织内的抗原进行检测，可以帮助人们发现体内组织中的抗原。          

           

例如免疫荧光抗体标记法。将已知的抗体或抗原分子标记上荧光素，当与其相对应的抗原或抗体起反应时，在形成的复合物上就带有一定量的荧光素，在荧光显微镜下就可以看见发出荧光的抗原抗体结合部位，检测出抗原或抗体。