WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
О.В. МОСИН МЕТОД МЕЧЕНЫХ АТОМОВ.

Техника меченых атомов приобрела широкую популярность в наше время. Теоретически эта методика очень проста. По существу, она сводится к введению особого изотопа в биологически важный метаболит (или продукт питания), после чего прослеживаются последовательные реакции этого метаболита в организме путем наблюдения за судьбой меченого изотопа в продуктах распада, крови, моче и т.д. На основании этих данных строится метаболизм. Использование меченых изотопов стало возможным благодаря широкому развитию методов получения изотопов.

Большинство химических элементов в природных условиях существует в различных изотопных модификациях. Все изотопы данного химического элемента имеют одинаковые химические свойства, но разные атомные веса. Атомный вес изотопа равен сумме чисел нейтронов и протонов, находящихся в ядре.

Химические свойства элемента определяются только числом протонов, т. е. атомным номером. (благодаря различию в атомных весах два изотопа элемента могут характеризоваться несколько различными скоростями реакции.) Например, изотопы углерода, такие, как С11, С12 и С13, имеют шесть протонов и соответственно 5, 6 и 7 нейтронов в ядре.

Некоторые природные изотопы радиоактивны; они испускают либо -частицы (ядра гелия Не4), либо отрицательные -лучи (быстрые электроны). Кроме того, многие радиоактивные изотопы испускают -излучение — фотоны высокой энергии.

Большинство искусственно полученных изотопов оказывается -активными (встречается как электронная, так и позитронная активность). В ряде случаев бывает легче обнаружить -излучение (фотоны), сопровождающее распад, нежели -лучи (электроны).

Искусственно полученные изотопы служат основой для биологических исследований с использованием метода меченых атомов.

Таблица. Некоторые изотопы, используемые в биологии и химии.

Изотоп Природное Тип излучения Период полураспада содержание 1 H 99,98 - H 1,56. 10-2 - H - 12,3 лет C 1,108 - C - 5730 лет N 0,365 - O 0,204 - P - 14,2 сут S - 87 сут Cl - 3. 105 лет K - 12,4 года, Co - 5,22 лет, Fe - Рентгеновское 4 года излучение Fe - 45 сут, J - 8 сут, Нерадиоактивные стабильные изотопы тоже могут быть использованы в методе меченых атомов, позволяя менять встречающиеся в природе изотопные соотношения. Содержание данного изотопа можно измерять с помощью массспектрометрической техники. Применяемые методы распространены на примере нерадиоактивного изотопа N15, который обычно встречается в концентрациях много меньших, чем N14. Вводя соединения с высоким содержанием N15, можно приготовить образцы метаболитов с избытком данного изотопа.

Обычно радиоактивный элемент используют в виде примеси в растворе — носителе, например радиоактивный Сиспользуют растворенным в избытке нерадиоактивного С12. Такие соединения могут быть тогда применены в системах, которые находятся в полном термодинамическом равновесии относительно атомов углерода, но далеких от равновесия относительно меченого изотопа. Метод меченых атомов позволяет изучать равновесные биологические процессы без нарушения химического равновесия.

МЕЧЕНЫЕ АТОМЫ В ходе эксперимента радиоактивные атомы распадаются.

Распад данного атома представляет собой случайное событие;

число распадов в секунду пропорционально числу радиоактивных атомов, существующих в настоящий момент. В аналитической форме сказанное записывается в виде dN/dt = -N; (1) где N — число радиоактивных атомов, существующих в данное время, t — время, N, — постоянная, характерная для выбранного изотопа. Интегрируя уравнение (1), получаем N = N0e-t (2) где N0 — число.радиоактивных атомов в начальный момент. Из формулы (2) может быть определено время т, за которое число N уменьшается вдвое:

= ln2/ (3) Время называют периодом полураспада элемента. В течение каждого периода полураспада число атомов изотопа уменьшается в два раза.

Чтобы изотоп можно было использовать, применяя метод меченых атомов, должно быть в разумных пределах. Если слишком мало (порядка секунд), то изотоп распадется до того, как можно будет поставить большинство экспериментов. Но если слишком велико, то число распадов за 1 сек получится недопустимо низким для обнаружения обычно употребляемых концентраций меченых атомов. Изотоп С14 с периодом полураспада 5700 лет находится близко от этого нижнего предела.

Активность образцов радиоактивного материала выражают числом распадов в секунду. Число распадов, происходящих в г радия за 1 сек, равное 3,7-1010, называют кюри. Для биологических исследований с помощью меченых атомов наиболее удобно использовать одну тысячную этой единицы, т. е.

милликюри. Число атомов на 1 мкюри связано с периодом полураспада. Если имеется 1 кюри данного радиоактивного изотопа, то N = /ln2 x З,7-107 атомов.

Радиоактивные изотопы идентифицируют по их характеристическому излучению. В случае искусственных радиоактивных изотопов оно обычно складывается из -лучей и из -излучения. В случае орбитального электронного захвата (когда один из электронов поглощается ядром с уменьшением атомного номера на единицу) испускаются лишь фотоны.

Характеристикой излучения данного изотопа является максимальная энергия -лучей и энергия -излучения (фотонов).

Удобными единицами измерения при этом являются электронвольты (эв), килоэлектрон-вольты (кэв) или мегаэлектрон-вольты (Мэв); 1 эв — это энергия, приобретаемая электроном в результате прохождения ускоряющей разности потенциалов в 1 в2).

Частицы, испускаемые в результате радиоактивного распада, обнаруживаются при помощи специального детектора излучения.

Его показания могут быть затем подсчитаны с помощью любой электронной схемы. В прошлом наиболее широко распространенным типом детектора была трубка Гейгера — Мюллера, называемая счетчиком Гейгера. Он состоит из цилиндрической камеры, наполненной газом, с натянутой по ее оси проволокой (рис. 1). Проволока изолирована от внешнего цилиндра и находится под высоким потенциалом. Ионизирующие частицы, попадая в счетчик, вызывают лавинную ионизацию в газе; если к счетчику приложена достаточно высокая разность потенциалов, возникающий импульс ионизационного тока будет зарегистрирован.

Рис. 1. Счётчик Гейгера.

В конструкции счётчиков Гейгера применяются трубки различного диаметра – от нескольких миллиметров до 25 см.

Длина трубки колеблется от 1 до 50 см. Газ, наполняющий счетчик, геометрия приборов и чистота материала стенок — все это влияет на работу счетчика. Импульсы счетчика Гейгера считают при помощи электронных схем. Обычно показания снимают с групп светодиодов, с электронного табло или с бумажной ленты. Другие электронные схемы позволяют осуществлять непосредственный счет импульсов.

Другим типом детектора радиоактивного излучения является сцинтилляционный счетчик. Принцип работы этого счетчика основан на использовании мельчайших вспышек света, образующихся при попадании ионизирующего излучения во многие типы кристаллов и жидкостей. Спектральный состав излучения этих вспышек характерен для данного сцинтиллятора.

Интенсивность сцинтилляционных вспышек пропорциональна энергии, израсходованной частицей. Сцинтилляцию в свою очередь обнаруживают с помощью фотоумножителя, выходной сигнал которого поступает на амплитудный анализатор. Таким образом, определенный изотоп может быть выделен из смеси или на фоне «шумов».

Сцинтилляционные счетчики могут быть изготовлены различных размеров и формы. Пропорциональность выходного сигнала энергии частицы в этом случае более строгая, чем для газового пропорционального счетчика. Применение жидкостных сцинтилляционных счетчиков позволяет растворять образцы, имеющие низкую интенсивность или же низкую энергию излучения, так как в этом случае для регистрации используется излучение, испускаемое во всех направлениях. Для обнаружения -излучения сцинтилляционные счетчики более эффективны, чем счетчики Гейгера. Однако в определенных случаях счетчики Гейгера имеют несколько лучшее отношение сигнала к шуму, чем большинство других сцинтилляционных счетчиков.

В некоторых случаях не так важно точно знать скорость распада, как выяснить, в какой части клетки локализован изотоп.

Аналогичная задача возникает в бумажной хроматографии, когда различные соединения распределяются на поверхности куска фильтровальной бумаги. Далее желательно найти на бумаге распределение радиоактивных участков. Чтобы их обнаружить, можно поместить срез ткани (или фильтровальную бумагу) на куске фотобумаги. Она будет засвечена излучением, а затем при проявлении позволит определить локализацию радиоактивных изотопов. Такой снимок называют радиоавтографом.

Любой из этих методов регистрации может быть использован для любого изотопа. Хотя известно существование радиоактивных изотопов для всех элементов, в биологических исследованиях используют лишь ограниченное их число. К наиболее известным относятся С14, J131 и Р32.

ИЗОТОП УГЛЕРОДА СВстречающийся в природе углерод почти полностью состоит из стабильного изотопа С12. Кроме того, всегда имеется немного (около 1%) стабильного изотопа С13 и ничтожное количество радиоактивного изотопа С14. Искусственным путем можно получить изотоп С14, а также радиоактивные изотопы С10 и С11. Изотопы С10 и С11 имеют период полураспада соответственно 19 сек и 20,5 мин; при распаде оба изотопа испускают положительные -лучи и образуют изотопы бериллия (Be). Их периоды полураспада настолько коротки, что в биологических исследованиях с использованием меченых атомов применяют лишь радиоактивный изотоп углерода С14. Так как углерод является существенной частью всех биологических соединений, то изотоп С14 используется очень широко. Получить изотоп С14 можно с помощью ряда реакций. Если углерод, обогащенный изотопом С13, бомбардировать нейтронами, то некоторая его часть превращается в С14 за счёт реакции.

C13 + n 1 ------- C14 + Если углерод, обогащенный С13, бомбардировать дейтронами, то образуется С14:

C13 + D ------- C14 + HНи одну из этих реакций нельзя считать удобной, так как для концентрации С13, а затем и С14 должен быть использован массспектрометр.

Наиболее эффективная реакция получения изотопа С14 состоит в бомбардировке N14 нейтронами:

N14 + n1 ------- C14 + HСоединения нитрат аммония (NH4NO3) и нитрит бериллия (BeNO2) часто используют как источники азота. Затем изотоп С14 может быть выделен стандартными электрохимическими методами. Некоторое количество его образуется таким способом в результате действия космических лучей на N14 в атмосфере, что дает около 10 отсчетов в 1 мин на 1 г углерода, находящийся в равновесии с атмосферным СО2.

Период полураспада С14 составляет около 5760 лет. Поэтоиу, для получения измеримого числа отсчетов необходима высокая концентрация этого изотопа. При распаде С14 испускает только электроны и превращается в N14; испускание -излучения отсутствует. Максимальная энергия электронов составляет примерно 0, 154 Мэв. Эта величина сравнима с энергией фотонов, излучаемых медицинской рентгеновской трубкой, и меньше энергии частиц многих других радиоактивных изотопов.

Применяются различные способы регистрации этих электронов.

Иногда образец, содержащий С14, заделывают в таблетку карбоната бария (ВаСО3) и помещают внутри счетчика Гейгера. Разработаны специальные счетчики Гейгера, предназначенные для наполнения их изотопом С14 в виде газа 14СО2. Используются также различные жидкие сцинтилляторы. Во всех случаях образец не должен быть очень толстым, так как все испускаемые им -лучи поглощаются при прохождении через несколько миллиметров твердого или жидкого вещества образца.

Изотоп С14 имеет большое значение при проведении исследований. Изучение синтеза протопорфирина и определение возраста органических веществ при помощи углерода — два характерных примера использования изотопа С14.

Протопорфирин является частью геминовой группы, которая представляет собой простетическую группу гемоглобина и некоторых ферментов (рис. 2).

Рис. 2. Основная порфириновая структура (а) и железопротопорфирин IX (б).Основная порфириновая структура представляет собой простетическую группу, общую для гемоглобина, миоглобина, каталазы, пероксидазы и цитохромов. Была также найдена в хлорофилле. К восьми «свободным» связям присоединяются различные группы.

Железопорфирин IX (основная часть многих геминовых белков) содержится в составе гемоглобина, миоглобина и каталазы.

Другие геминовые белки несут либо эту порфириновую структуру, либо ее производное, образованное простыми заменами. Атом железа находится в закисной форме в восстановленном и оксигемоглобине, а также в восстановленном и оксимиоглобине. В пероксидазе железо находится в окисном состоянии. У других геминовых белков атом железа в продолжение реакции может поочерёдно восстанавливаться и окисляться.

С помощью ряда экспериментов показано, что при образовании протопорфирина используется аминокислота глицин.

Соответственно этому было приготовлено две формы глицина (звездочкой обозначен меченый атом, в данном случае С14).

При использовании первой модификации было найдено, что радиоактивность включается в порфириновое кольцо, тогда как при использовании второй формы этот эффект не обнаруживался.

Эти эксперименты показали, что глицин участвует в биосинтезе протопорфирина, но что углерод карбоксильной группы [СООН] с синтезом не связан. Хотя этот пример кажется очень простым, было бы невозможно выяснить роль глицина каким-либо иным методом, кроме использования меченых атомов. Опыты с изотопом N1B также указывают на то, что глицин является предшественником протопорфирина.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.