同位素示踪在生命科学中的应用(卷名：物理学)
application of isotopic tracer in life science
在生命科学中，示踪方法（见同位素示踪）主要用于测定组织的成分、研究物质在生物体内的转移以及物质代谢转变三个方面。
组织成分的测定 核素分析的测量灵敏度远比常用的化学分析高。最灵敏的化学分析能够测量 1μg左右的物质，而能够被验定的放射性物质，有时可以达到 10-8乃至10-11μg量级。常用的方法有以下几种。
同位素稀释法 适用于分析微量或测定难于同其他物质定量分离的物质。在生物化学中，使用同位素稀释法可以不作定量分离而对混合物的某一成分进行定量测定，从而解决了分离由化学性质相似的物质组成的混合物的困难。
如果要测定蛋白质水解液中某一种氨基酸，例如酪氨酸，可把具有放射性的(碳-14)-酪氨酸加到该水解液中，充分混合后，分出一部分酪氨酸溶液，加以提纯，测定其放射性。可以根据水解液中原有酪氨酸的重量 B同加入的(碳-14)-酪氨酸的重量A的关系
求出B，式中a0和a分别表示加入的(碳-14)-酪氨酸和分出的酪氨酸的放射性比活度。用同样的方法，也可以测定水解液中其他氨基酸的含量。利用同位素稀释法可以测定人的全身水量：注入含氘或氚的水，它同体液在两小时内达到平衡，取出血液样品，测定同位素含量。如注入的含氘或氚水量为V1，其同位素浓度为с0，稀释后的同位素浓度为с，则全身水量V2为
。这种方法用于水肿、脱水、消耗性疾病及外伤后恢复期的诊断。竞争放射分析法 是一种特殊的同位素稀释法，可以测定体液中极微量的具有生物活性的物质。这种方法灵敏度高、特异性强、标本及试剂用量少、操作比较简便、快速、应用范围广、可以用于常规诊断，以及疾病普查和医学科学研究。
在作竞争放射分析时，一般都需要三种试剂:①标准品。即被测物质的纯品；②标记物。其化学成分及结构与被测物质相同，但具有放射性；③结合试剂。能够同被测物质特异性结合。几乎所有生物活性物质都已用或有可能用这种方法测定，结合试剂也是多种多样的。所有以血浆中天然存在的蛋白质为结合试剂的竞争放射分析方法，称为竞争蛋白质结合分析法，它不涉及免疫反应。如在皮质醇测定中，可用血浆中能同皮质类固醇相结合的一种球蛋白作为结合试剂。
利用抗原－抗体反应的竞争放射分析，称为放射免疫分析。如果被测物质为蛋白质或其他抗原，结合试剂可用含有相应抗体的抗血清。
以血浆胰岛素的放射免疫分析为例，说明竞争放射分析的基本原理：标记抗原和非标记抗原都会同抗体相结合，而且同抗体结合的几率相等。当抗体的含量有限时，加入到血浆的标记胰岛素和血浆中的胰岛素互相竞争同抗体结合，如图1所示。
显然，非标记抗原越多，抗原－抗体复合物中的标记抗原就越少，放射性比度就越小。通过测定结合部分（或游离部分）的放射性，可以求出血浆胰岛素的含量。
全身计数 全身计数器是测定人体内总放射性的快速而灵敏的仪器。它能测出比容许剂量低得多的放射性和人体内存在的钾-40等天然放射性，即使每千克体重仅含10-8居里级的γ放射性，也能被它探测出来。体内钾-40占全身钾总量的比例(0.0118％)是恒定的，因此，从全身计数器所测出体内钾-40的含量，就可以算出全身钾总量。对肌肉萎缩患者，使用全身计数器，就能从测出体内的钾量确定疾病的严重程度。
采用活化分析结合全身计数的方法，可以测出体内铁、钴、钠、钙、镉、氮等许多元素。
物质在生物体内的转移 把待研究的物质加以标记，就有可能追踪这些物质在机体内的转移及其转移速度，研究吸收、摄取、浓集、分布、分泌、排泄、通透性、血流速度、肿瘤定位、分子内反应位置和药物作用原理等问题。例如，将磷-32标记的结核杆菌制成气溶胶，给小鼠吸入，于不同时间测定肺、食道、肝、肾等部位的放射性，就可以了解这种通过呼吸道感染的细菌在体内分布和贮留的规律。
放射性核素所产生的射线能使照相胶片感光。利用胶片来检查、测量和记录放射性的技术叫做放射自显影。放射自显影不但可以用来了解放射性物质在某些组织、器官、整体动物或其他标本（如放射层析谱、放射电泳谱等）内分布的情况，而且也是测量细胞水平生物样品内放射性的唯一方法。它已用于研究细胞结构、细胞生理、细胞病理及细胞的理化特性等问题。目前电子显微镜放射自显影技术的采用，对于开展亚细胞水平的实验研究更有利。
物质的代谢转变 同位素示踪在生物学中最重要的应用是研究物质的代谢转变，也就是研究生命活动中不断进行的生物化学过程。
前身和产物 如果将以核素标记的物质 A引入动物体，经过一段时间，从排出物或组织中分离出另一化合物B，含有相当数量的上述标记核素，即可得出结论：A在动物体内可以转变为B。例如，将碳-14标记的糖喂给大鼠，发现从其脂肪中分离出的脂肪酸含有很高的放射性。这个简单的示踪实验证明了一个很重要的代谢规律，即糖在动物体内可以变成脂肪。这也解释了为什么吃了很多高淀粉的食品后，胖人会长得更胖。
生物合成 示踪实验还证明了：体内许多大分子都是由很小的分子合成的。如胆固醇分子是由乙酸分子合成的。为了区分乙酸的两个碳原子， 人们可以用碳-13标记羧基酸，碳-14 标记甲基碳。在将此双标记的乙酸(14CH313COOH)同大鼠的肝切片保温一段时间后，从肝脏提取出胆固醇。利用有机化学的降解方法，可以区分胆固醇分子中的每一个碳原子。实验结果表明：胆固醇中的所有碳原子都来自乙酸，而乙酸的两个碳原子都参加胆固醇的合成。胆固醇分子中，乙酸的两个碳原子是有规律地排列着的，如图2所示。
转变的速度 如果给大鼠注射一种氮-15 标记的氨基酸，氮-15很快就标记了动物体内的各种蛋白质。通过观察发现肝脏蛋白质中氮-15 的含量在七天内减少了一半，即在七天中，一半的肝蛋白被更新了。组织内的各种成分，都在不断更新，单位时间内某一代谢物在一定组织中被合成或被分解的速度，称为此代谢物在该组织内的更新率，它一般都用示踪实验测定。
反应机制的探讨 示踪实验不仅确立了代谢转变中前身同产物的关系，也常用于探讨代谢转变是如何完成的。例如，将甲基用碳-14及氘双标记的蛋氨酸喂给大鼠后，从动物体内分离出的胆碱、肌酸及肌酸酐都含有两种标记，而且上述代谢产物中碳-14与氘的比值同蛋氨酸分子内该二核素的比值相等。这一事实证明，在转甲基过程中，甲基是作为一个整体转移的。
参考书目
王世真:同位素法，刘培楠等主编:《仪器分析及其在分子生物学中的应用》，第3册，科学出版社，北京，1978。