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同位どうい素もと标记

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同位どうい素もと标记是ぜ一项用于追踪同位どうい素もと在ざい某ぼう个化学がく反はん应、代だい谢通路ろ、或ある细胞定位ていい中ちゅう的てき路ろ径みち和わ去さ向こう的てき技わざ术。在ざい使用しよう时，通つう过把特定とくてい的てき反はん应物分子ぶんし中ちゅう的てき某ぼう个原子げんし替がえ换为其同位い素もと来らい进行“标记”，再さい让标记过后きさき的てき反はん应物发生反はん应，产物分ぶん子中こなか同位どうい素もと标记的てき位置いち就反映はんえい了りょう反はん应过程ほど中ちゅう被ひ标记原子げんし的てき变化。在ざい同位どうい素もと标记中ちゅう使用しよう的てき核かく素もと可か以是稳定核かく素もと，也可以是放射ほうしゃ性せい核かく素もと，在ざい后きさき面めん这种情じょう况中，特称とくしょう放射ほうしゃ性せい示しめせ踪技术。

在ざい同位どうい素もと标记技わざ术中，检测同位どうい素もと标记的てき方法ほうほう有ゆう很多种。质谱可か以用于检测不同どう同位どうい素的すてき质量差さ异，而红外光こう谱可か以检测同位い素もと原子げんし的てき振ふ动模式しき，核かく磁共振きょうしん技わざ术则可か以分辨べん原子げんし的てき磁旋比ひ，放射ほうしゃ性せい衰おとろえ变一般通过电离室或者放射ほうしゃ性せい显影检测。

同位どうい素もと标记的てき一个应用实例是对苯酚在水中溶解性的研究。通つう过把苯酚加入かにゅう氘代水すい（加入かにゅう了りょう重水じゅうすい的てき水みず），在ざい苯酚的てき羟基上じょう可か以检测到氘原子げんし，说明苯酚在ざい不断ふだん与あずか水みず发生质子交换。而只有ゆう酚羟基もと受到了りょう影かげ响，说明苯酚的てき其他5个氢原子げんし并不参与さんよ质子交换。

同位どうい素もと示しめせ踪剂[编辑]

用もちい一いち个碳-13标记确定了りょう苯基取と代だい炔前体たい1的てき1,2-1,3-二脱氢苯转化机理。[1]

同位どうい素もと示しめせ踪剂（或ある同位どうい素もと标记）可用かよう于化学かがく和わ生物せいぶつ化学かがく，以帮助じょ理解りかい化学かがく反はん应和かず相互そうご作用さよう。 在ざい这种技わざ术中，目もく标分子ぶんし的てき一个或多个原子げんし被ひ同一どういつ化学かがく元素げんそ的てき另一种不同ふどう的てき同位どうい素もと（如放射ほうしゃ性せい示しめせ踪中ちゅう使用しよう的てき放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと）取と代だい。因よし为标记的原子げんし具有ぐゆう相しょう同どう的てき原子げんし序じょ数すう，它的反はん应方式しき几乎与あずか未み标记的てき原子げんし相しょう同どう，而且（除じょ了りょう少数しょうすう例外れいがい）也不会かい干ひ扰正在ざい研究けんきゅう的てき反はん应。但ただし是ぜ，中子なかご数すう的てき差さ异又使し我わが们可以把同位どうい素もと标记与あずか同どう一いち元素げんそ的てき原子げんし区分くぶん开来。

核かく磁共振きょうしん（NMR）和わ质谱法ほう（MS）被ひ用もちい来らい研究けんきゅう化学かがく反はん应的机つくえ理り。核かく磁共振きょうしん和わ质谱仪可以检测到同位どうい素之もとゆき间的差さ异，从而可か以确定てい产物结构中ちゅう标记原子げんし的てき位置いち信しん息いき。利用りよう同位どうい素もと标记在ざい产物分ぶん子中こなか的てき定位ていい，我わが们就可か以确定てい反はん应物转化为产物的ぶってき反はん应途径みち。放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと可か以用凝しこり胶电泳的てき自じ显影图进行ぎょう检测，含有がんゆう放射ほうしゃ性せい同位どうい素的すてき化合かごう物ぶつ所しょ发出的てき辐射会かい使し一いち块胶片变色，从而显现出で标记原子げんし在ざい凝しこり胶中的てき相しょう对位置いち。

同位どうい素もと示しめせ踪剂通常つうじょう以同位い素もと比率ひりつ的てき形式けいしき使用しよう。通つう过研究けんきゅう同どう一元素的两种同位素之间的自然比例，我わが们就可か以避免めん同位どうい素的すてき整体せいたい丰度的てき影かげ响，因いん为这通常つうじょう会かい掩盖同位どうい素もと丰度中ちゅう较小的てき变化。同位どうい素もと是ぜ地ち质学中ちゅう很重要じゅうよう的てき工具こうぐ，因いん为它们可以用来らい理解りかい地ち壳系统中复杂的てき混合こんごう过程。

同位どうい素もと示しめせ踪通常つうじょう由よし同位どうい素もと种类的てき不同ふどう，分ふん为稳定同位どうい素もと示しめせ踪剂和わ放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと示しめせ踪剂。稳定同位どうい素もと示しめせ踪剂只ただ涉わたる及非放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと，通常つうじょう依よ赖于质量的てき差さ异进行ぎょう分ぶん辨べん。理り论上，任にん何なん具有ぐゆう两个稳定同位どうい素的すてき元素げんそ都と可か以用作さく同位どうい素もと示しめせ踪剂。然しか而，最さい常用じょうよう的てき稳定同位どうい素もと示しめせ踪剂只ただ涉わたる及相对轻的てき同位どうい素もと，因いん为这些同位い素もと很容易ようい分ぶん离开来らい。放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと示しめせ踪剂则使用しよう可か发生放射ほうしゃ性せい衰おとろえ变的同位どうい素もと。[2]

稳定同位どうい素もと标记[编辑]

磷酸戊つちのえ糖とう途と径みち反はん应中的てき同位どうい素もと追つい踪。蓝色圆圈表示ひょうじ标记的てき碳原子げんし，而白色しょく圆圈是ぜ未み标记的てき碳原子げんし。[3]

最さい常つね见的稳定同位どうい素もと是ぜ2H、13C和わ15N，这些同位どうい素もと可か以进一いち步ほ用よう于合成ごうせい核かく磁共振きょうしん溶剂、氨基酸さん、核酸かくさん、脂あぶら类、代だい谢物和わ细胞生せい长介かい质。[4] 使用しよう稳定同位どうい素もと产生的てき化合かごう物ぶつ，要よう么是由よし同位どうい素もと标记的てき百ひゃく分ふん比ひ来らい确定（如，30%标记为13C的てき葡萄糖ぶどうとう即そく是ぜ一いち种混合こんごう物ぶつ，其中30%的てき葡萄糖ぶどうとう分子ぶんし被ひ13-碳标记，70%的てき分子ぶんし的てき碳则符合ふごう自然しぜん的てき碳同位い素もと比率ひりつ），要よう么是在ざい化合かごう物上ぶつじょう的てき特定とくてい原子げんし上じょう做标记（比ひ如在葡萄糖ぶどうとう的てき1号ごう碳位置いち上じょう做13-碳标记的1-13C 葡萄糖ぶどうとう）。

利用りよう稳定同位どうい素もと标记进行代だい谢通量りょう分析ぶんせき[编辑]

通つう过确定てい同位どうい素もと标记的てき百分比来研究反应过程。如果50%被ひ标记、50%未み标记的てき代だい谢分子ぶんし混合こんごう物ぶつ以如图所示しめせ的てき方式ほうしき反はん应，那な么每种反应方式しき的てき产物预期百分比都可以推算。 蓝色圆圈表示ひょうじ标记的てき原子げんし，而白色しょく圆圈表示ひょうじ未み标记的てき原子げんし。

利用りよう稳定同位どうい素もと标记的てき代だい谢通量りょう分析ぶんせき（MFA）是ぜ一种重要的工具，通つう过细胞内的ないてき代だい谢通路ろ和かず反はん应来研究けんきゅう某ぼう些元素的すてき代だい谢通量りょう。把わ同位どうい素もと标记引入到いた细胞的てき生なま长介质中，细胞就会使用しよう带有标记的てき营养分子ぶんし进行代だい谢和生せい长。对于静せい态的代だい谢通量りょう分析ぶんせき，细胞必须达到一いち个稳态（进入和わ排出はいしゅつ细胞的てき同位どうい素もと量りょう不随ふずい时间变化）或ある准じゅん稳态（在ざい一段时间内达到稳态）[5]。一旦确定了产出代谢物的同位素比率，我わが们就可か以用它来确定反はん应途径みち中代なかだい谢通量りょう，即そく反はん应物对产物的ぶってき转化速そく率りつ的てき大小だいしょう。[6]

如图所しょ示しめせ，假かり设一种三碳化合物，既すんで可か以裂解かい成なり一个二碳代谢物和一个一碳代谢物并重组，也可以保持ほじ不ふ变。如果在ざい反はん应中提供ていきょう两种同等どうとう比例ひれい的てき反はん应物，一いち种完全ぜん标记（蓝色圆圈），另一种完全没有标记（白色はくしょく圆圈）。图左侧的代だい谢路径みち没ぼつ有ゆう代だい谢物的てき任にん何なん变化，而右侧则显示出で分裂ぶんれつ和重かずえ组。如果代だい谢物只ただ是ぜ沿着左ひだり侧的路ろ径みち，它仍然しか是ぜ一いち个50：50的てき比率ひりつ，一半是完全标记的，一半いっぱん完全かんぜん未み标记。如果代だい谢物只ただ从右侧的一路径反应，就会出で现新的てき标记模も式しき——4种相同どう比例ひれい的てき不同ふどう标记产物。其他比例ひれい的てき情じょう况也可能かのう发生，取と决于多少たしょう原始げんし反はん应物选择左ひだり侧的路ろ径みち与あずか右みぎ侧的路ろ径みち。图片中ちゅう间显示しめせ的てき情じょう况下，则是一半的代谢物采取左侧，和わ一半采取右侧路径的情况[7] 。这些标记和わ未み标记的てき原子げんし在ざい同どう一种化合物中的不同分布代表了不同的同位どうい素もと异构体たい。通つう过测定てい不同ふどう代だい谢物的てき同位どうい素もと异构体たい比例ひれい，可か以最终确定じょう通どおり过每个反应的通どおり量りょう[8]。

将はた从同位い素もと标记中ちゅう获取的てき数すう据すえ与あずか每まい个反应、边界条件じょうけん和わ最さい优化过程结合起おこり来らい，就可以绘成なり通どおり量りょう图。不可ふか逆ぎゃく反はん应提供ていきょう了りょう确定通どおり量りょう所しょ需的热力学がく约束，反はん应的化学かがく计量用よう于构造づくり矩のり阵，细胞内的ないてき代だい谢通量りょう则是通どおり过迭代だい法ほう来らい估计的てき。模かたぎ拟的通どおり量りょう显示在ざい一个通量图中，它显示しめせ每まい个反应的反はん应物转换成なり产品的てき速そく率りつ。 在ざい大だい多数たすう通どおり量りょう图中，箭や头越粗あら，说明反はん应的通どおり量りょう值就越えつ大だい。[9]

同位どうい素もと标记测量技わざ术[编辑]

理り论上，任にん何なん可か以测量りょう同位どうい素もと异构体たい之の间差异的技わざ术都可か以使用しよう。不ふ过，为了测定稳定同位どうい素もと标记中ちゅう的てき质量同位どうい素もと，现已经开发出了りょう两种主要しゅよう方法ほうほう——核かく磁共振きょうしん（NMR）和わ质谱法ほう（MS）。

质子核かく磁共振きょうしん（Proton NMR）是ぜ第だい一いち种用于13-碳标记实验的技わざ术。 使用しよう这种方法ほうほう，可か以分别观察在特定とくてい代だい谢物池ち中ちゅう的てき每ごと一个有氢原子连接的碳原子[10]。这样就可以知道どう在ざい这一特定位置上标记的同位素的百分比。质子核かく磁共振きょうしん的てき缺陷けっかん在ざい于，如果一种代谢物中存在n个碳原子げんし，那な么最多た只ただ能のう存在そんざいn个不同ふどう的てき位置いち富とみ集しゅう值，这只是ぜ同位どうい素もと信しん息いき总量的てき一いち小しょう部分ぶぶん。虽然如此，但ただし纯质子こ核かく磁共振きょうしん实验也要比ひ用よう更さら多た的てき同位どうい素もと信しん息いき进行实验容易ようい得とく多た。

除じょ了りょう质子核かく磁共振きょうしん技わざ术外，13C核かく磁共振きょうしん技わざ术可以使人じん们能够更详细地ち了解りょうかい同位どうい素的すてき分布ぶんぷ情じょう况。 一个标记的碳原子会产生不同的超细分裂信号，这取决于它在分子ぶんし中ちゅう直接ちょくせつ相しょう邻的原子げんし的てき标记状じょう态。 如果相しょう邻的碳原子げんし没ぼつ有ゆう被ひ标记，一个单线峰就会出现。 如果只ただ有ゆう一个邻近的碳原子被标记，那な么双峰ほう就会出で现。双そう重じゅう分裂ぶんれつ的てき大小だいしょう取と决于邻近碳原子げんし的てき官能かんのう团。如果两个相しょう邻且化学かがく等とう价的碳原子げんし被ひ标记，一个双重峰就可能退化为一个三重峰。

使用しようNMR技わざ术进行ぎょう代だい谢通量りょう分析ぶんせき的てき缺点けってん是ぜ，不同ふどう于其他た核かく磁共振きょうしん应用，这是一个相当专业的领域。一般的研究团队可能无法直接使用NMR光こう谱仪，因いん为NMR测量参さん数すう的てき优化和わ峰ほう值结构的正せい确分析ぶんせき往往おうおう需要じゅよう一个熟练的核磁共振专家。某ぼう些代谢物也可能かのう需要じゅよう专门的てき测量程ほど序じょ来らい获得额外的てき同位どうい素数そすう据すえ。此外，还需要よう特とく别的软件工具こうぐ来らい确定峰ほう值区的てき精せい确数量りょう，以及识别纠缠单重峰ほう、双そう重じゅう峰みね和かず三重みえ峰ほう的てき分解ぶんかい。

与あずか核かく磁共振きょうしん相反あいはん，质谱法ほう是ぜ另一种更适用于代谢通量分析实验的方法。依よ据すえ使用しよう场合的てき不同ふどう，质谱法的ほうてき工具こうぐ可か以有不同ふどう的てき变体。与あずか二に维核磁共振きょうしん（2D-NMR）不同ふどう的てき是ぜ，质谱仪能够直接ちょくせつ对水解かい产物进行分析ぶんせき。

在ざい气相色しょく谱-质谱法ほう（GC-MS）中ちゅう，质谱仪与气相色しょく谱仪配合はいごう，对水解かい产物进行分ぶん离。从气相しょう色しょく谱柱中ちゅう洗あらい脱だつ出来でき的てき化合かごう物ぶつ被ひ同どう时电离和分散ぶんさん。使用しよう气相色しょく谱-质谱仪的好こう处是，不ふ仅测量りょう了りょう同位どうい素もと离子的てき质量，而且还有数すう个同位い素もと碎片さいへん的てき质量光こう谱，大だい大だい增加ぞうか了りょう测量所得しょとく到いた的てき信しん息いき。

在ざい液えき相しょう色しょく谱-质谱法ほう（LC-MS）中ちゅう，用よう液えき相しょう色しょく谱仪代替だいたい气相色しょく谱。[11] 然しか而，LC-MS在ざい代だい谢通量りょう分析ぶんせき中ちゅう的てき应用并不常つね见。

使用しよう质谱技わざ术的缺点けってん是ぜ，对于气相色しょく谱法来らい说，样品必须通どおり过化学がく衍化制せい备以获得带电分子ぶんし。有ゆう许多化合かごう物ぶつ用よう来らい衍生样品。DMFDMA和わMTBSTFA是ぜ两个用よう于衍生せい氨基酸さん的てき化合かごう物ぶつ的てき例れい子こ。[12][13]

放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと标记[编辑]

放射ほうしゃ同位どうい素もと标记是ぜ一种用于跟踪一个物质样本通过一个系统的技术，这种物ぶつ质是通どおり过在其化学がく组成中ちゅう加入かにゅう放射ほうしゃ性せい核かく素もと来らい标记的てき。当とう这些放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと衰おとろえ变时，它们的てき存在そんざい可か以通过探测发出で的てき辐射来らい确定。 放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと标记是ぜ一种特殊的同位素标记。

为此目的もくてき，一种特别有用的放射性衰变是正せい电子发射。 当正とうせい电子与あずか一个电子发生碰撞时，它会释放出ほうしゅつ两个高だか能のう量りょう光子こうし向こう相反あいはん的てき方向ほうこう运动。 如果正せい电子是ぜ在ざい固体こたい内ない产生的てき，那な么它很可能かのう在ざい移うつり动一毫米以上之前就这样湮灭了。如果这两个光子こうし都と能のう被ひ探さがせ测到，那な么衰变事件じけん的てき位置いち就可以非常ひじょう精せい确地确定。[來らい源みなもと請求せいきゅう]

严格地ち说，放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと标记只ただ包括ほうかつ实验人じん员人为引入にゅう放射ほうしゃ性せい的てき情じょう况，但ただし是ぜ对一些自然现象也可以进行类似的分析，例れい如放射ほうしゃ性せい定年ていねん法ほう。

蛋白たんぱく质组学がく的てき应用[编辑]

在ざい蛋白たんぱく质组学がく中なか，研究けんきゅう由よし基もと因いん组表おもて达的一いち整せい套蛋白たんぱく质，识别疾病しっぺい的てき生物せいぶつ标记可能かのう涉わたる及到稳定同位どうい素もと标记的てき细胞培つちかえ养（SILAC），其中同位どうい素もと标记形式けいしき的てき氨基酸さん可か以用来らい估计蛋白たんぱく质代谢水平すいへい[14]。在ざい蛋白たんぱく质重组中，重じゅう组蛋白しろ质需要じゅよう被ひ大量たいりょう产生，而同位い素もと标记就是测试相しょう关蛋白しろ质产量的りょうてき有效ゆうこう工具こうぐ。为了提ひさげ高だか标记蛋白たんぱく质的产量，降くだ低てい同位どうい素もと标记介かい质的成本なりもと，一いち种替代だい的てき方法ほうほう主要しゅよう是ぜ先さき使用しよう未み标记的てき介かい质来增加ぞうか细胞的てき质量，然しか后きさき再さい用よう少量しょうりょう的てき同位どうい素もと介かい质来进行标记[15]。同位どうい素もと标记的てき另一个应用是针对体外细胞增殖，测定细胞DNA的てき合成ごうせい，一般いっぱん使用しようH3-胸腺きょうせん嘧啶标记来らい比ひ较细胞中的てきDNA合成ごうせい模も式しき或ある序列じょれつ特とく征せい。[16]

生なま态系统过程ほど分析ぶんせき中ちゅう的てき应用[编辑]

同位どうい素もと示しめせ踪剂可用かよう来らい检测自然しぜん系けい统中的てき过程，特とく别是陆地和水わすい生生せいせい态系统。在ざい土壤どじょう科学かがく中ちゅう，使用しよう15N示しめせ踪剂研究けんきゅう氮循环十じゅう分ふん普遍ふへん；而13C和わ14C，分ぶん别作为稳定性ていせい和わ放射ほうしゃ性せい同位どうい素もと，一般用于研究有机化合物的转换和自じ养生物せいぶつ对二に氧化碳的固定こてい。例れい如，Marsh等とう人じん于2005年ねん使用しよう双そう标记（15N和わ14C）尿素にょうそ来らい证明氨氧化か细菌既すんで可か以把这种化合かごう物ぶつ作さく为能源げん（氨氧化か），也可以把它作为碳源げん（化学かがく自じ养碳固定こてい）[17]。

海洋かいよう学がく的てき应用[编辑]

在ざい海洋かいよう学がく中なか，同位どうい素もと示しめせ踪剂也被广泛用よう来らい研究けんきゅう一いち系列けいれつ的てき过程。这里所しょ使用しよう的てき同位どうい素もと通常つうじょう是ぜ自然しぜん形成けいせい的てき，其来源げん和わ形成けいせい和わ衰おとろえ变速率りつ都と很明确。然しか而，人工じんこう同位どうい素もと也可能かのう很有利用りよう价值。研究けんきゅう人じん员测量りょう不同ふどう地点ちてん和わ不同ふどう时间的てき同位どうい素もと比率ひりつ，以推断すいだん海洋かいよう物理ぶつり过程的てき信しん息いき。

颗粒传输[编辑]

海洋かいよう是ぜ一个巨大的粒子运输网络，而钍同位どうい素もと可か以帮助じょ研究けんきゅう人じん员破译物质的垂直すいちょく和わ水平すいへい运动。钍234在ざい海洋かいよう中有ちゅうう一いち个固定こてい的てき、明あきら确的产生速度そくど，半はん衰おとろえ期き为24天てん，其含量りょう随ずい深度しんど呈てい线性变化。因よし此，这个线性模も式しき的てき任にん何なん变化都と可か以体现为钍234粒子りゅうし的てき传输。例れい如，在ざい表面ひょうめん水すい层中同位どうい素もと比ひ值很低てい，但ただし几米以下いか就达到一いち个较高だか的てき值，就表明ひょうめい向こう下方かほう向むかい有一ゆういち个垂直通ちょくつう量りょう。此外，钍同位い素もと可か以追溯さかのぼ到いた一いち个特定とくてい的てき深度しんど，以研究けんきゅう粒子りゅうし的てき横よこ向こう运输。[18]

循环[编辑]

局部きょくぶ系けい统内的てき循环，如海湾わん、河口かわぐち和かず地下水ちかすい，可か以用镭同位い素もと进行检测。 镭223的てき半はん衰おとろえ期き为11天てん，可か自然しぜん产生在ざい河かわ流りゅう和わ地下水ちかすい源げん的てき特定とくてい地点ちてん。随ずい着ぎ河水こうすい进入一いち个海湾わん或ある河口かこう，镭的同位どうい素もと比例ひれい将はた随ずい之の降くだ低てい。通つう过在许多不同ふどう的てき地点ちてん测量镭223的てき数量すうりょう，就可以发现一个循环模式しき[19]。同どう样的过程也可以用来らい研究けんきゅう地下水ちかすい的てき运动和わ排はい放ひ情じょう况[20]。

各かく种铅的てき同位どうい素もと可か以用来らい研究けんきゅう全ぜん球たま范围内ない的てき循环。 不同ふどう的てき海洋かいよう（如大西洋せいよう、太平洋たいへいよう、印度いんど洋よう等とう）有ゆう不同ふどう的てき同位どうい素もと特とく征せい。这是由よし于不同どう海洋かいよう中ちゅう沉积物ぶつ和わ岩石がんせき的てき同位どうい素もと比例ひれい的てき差さ异[21]。由よし于不同ふどう的てき铅同位い素的すてき半はん衰おとろえ期き为50-200年ねん，因いん此没有ゆう足あし够的时间使し同位どうい素もと比率ひりつ在ざい整せい个海洋かいよう均ひとし匀化。因よし此，可か以利用りよう铅同位い素もと比ひ的てき精せい确分析ぶんせき来らい研究けんきゅう不同ふどう海洋かいよう的てき环流。[22]

同位どうい素もと标记的てき方法ほうほう[编辑]

  • 化学かがく合成ごうせい
  • 酶促交换
  • 在ざい同位どうい素もと标记介かい质中的てき重じゅう组蛋白しろ表ひょう达

参まいり见[编辑]

参考さんこう文献ぶんけん[编辑]

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