| 13986122 15360 8522 910 1 качестве метки при изучении самых разнообразных процессов. Роль изотопной метки выполняют стабильные или радиоактивные изотопы хим. элементов, к-рые легко могут быть обнаружены и определены количественно. Высокая чувствительность и специфичность И. и. позволяют проследить за ними в сложных процессах перемещения, распределения и превращения веществ в сколь угодно сложных системах, в т. ч. и в живых организмах.
Метод И. и. (наз. также методом меченых атомов) был впервые предложен Д. Хевеши и Ф. Пакетом в 1913. Широкое использование И. и. стало возможным благодаря развитию ядерной техники, позволившей получать изотопы в массовом масштабе.
Метод И. и. основан на том, что хим. свойства разных изотопов одного элемента почти одинаковы (благодаря чему поведение меченых атомов в изучаемых процессах практически не отличается от поведения др. атомов того же элемента), и на лёгкости обнаружения изотопов, особенно радиоактивных. При использовании метода необходим учёт возможных реакций изотопного обмена, приводящих к перераспределению меченых атомов (следовательно, к потере соединением метки), а иногда и учёт радиационных эффектов, связанных с влиянием радиоактивных излучений на ход процесса. Изотоп, используемый в качестве метки, вводится в состав изучаемых соединений. Могут быть использованы как стабильные, так и радиоактивные изотопы.
Преимущество стабильных изотопов - их устойчивость и отсутствие ядерных излучений. Однако только небольшое число элементов имеет подходящие стабильные изотопы. Малая доступность последних и сравнительно сложная техника обнаружения составляют недостатки метода И. и. с применением стабильных изотопов. Преимущество радиоактивных изотопов - возможность их получения практически для всех элементов периодич. системы, высокая чувствительность, специфичность и точность определения, простота и доступность измерительной аппаратуры. Поэтому большинство исследований, использующих метод И. и., выполнено с радиоактивными изотопами.
Такие элементы, как водород, углерод, сера, хлор, свинец, имеют удобные для использования как стабильные - 2H, 13C, 34S, 35Cl, 37Cl, 204Pb, так и радиоактивные изотопы - 3H, 11C, 14C, 35S, 36Cl, 212Pb. В качестве изотопов азота и кислорода чаще всего применяются стабильные 15N и 18O и др. Стабильные И. и. получают обогащением природных изотопных смесей путём многократного повторения операции разделения (перегонка, диффузия, термодиффузия, изотопный обмен, электролиз; см. Изотопов разделение), а также на масс-спектромет-рич. установках и при ядерных реакциях.
Для элементов, существующих в природе в виде одного изотопа (Be, F, Na, Al, P, I), в качестве меченых атомов используют только искусств, радиоактивные изотопы; примером часто применяемых радиоактивных изотопов служат 3H, 14C, 32P, 33S, 45Ca, 51Cr, 59Fe, 60Co,89Sr, 95Zr, 93Nb, 110Ag, 131I и др. Выбор радиоактивного изотопа определяется его ядерными характеристиками - периодом полураспада,типом и энергией излучения. Для индикации пригодны радиоактивные изотопы, период полураспада к-рых не очень мал, что позволяет работать в течение времени, необходимого для эксперимента, но и не очень велик, что даёт возможность работать с весьма малыми количествами индикатора.
Осн. методом анализа стабильных изотопов служит масс-спектрометрия (чувствительность 10-4 % изотопа при точности 0,1-1% для проб массой в доли мг). Всё большее применение находят спектральные методы и парамагнитный резонанс. Дейтерий, 18O и нек-рые др. изотопы определяют по изменению показателя преломления, теплопроводности, плотности как самого элементарного вещества, так и его соединений. Радиоактивные изотопы определяют по их излучению при помощи счётчиков Гейгера или сцинтил-ляционных счётчиков. Так, с помощью счётчика Гейгера можно уловить излучение 10-11 г углерода 14C, 10-16 г фосфора 32P и иода 131I, 10-1а г углерода 11C и т. д. Совр. жидкостные сцинтилляционные счётчики позволяют с высокой эффективностью и точностью проводить определение изотопов с мягким бета-излучением (3H, 14C, 35S и др.). Введение в практику этого метода изотопного анализа повышает его производительность и позволяет работать с незначит. активностями, приближающимися к активности космич. фона.
Широкое применение в биологии получил метод авторадиографии. При работе с радиоактивными изотопами необходимо соблюдать правила техники безопасности в соответствии с существующими нормами.
Известны различные способы синтеза меченых соединений. Наряду с обычным хим. синтезом используются реакции изотопного обмена и биол. синтез. В большинстве случаев изотопная метка занимает определённое положение в молекуле; напр., пропионовую кислоту можно пометить по углероду тремя способами:
Имеются [1007-72.jpg] три осн. направления использования И. и. Методом И. и. изучают характер распределения веществ и пути их перемещения. И. и. вводят в ту или иную систему и через определённые промежутки времени устанавливают наличие И. и.
Б различных частях системы. Наиболее наглядные картины распределения получаются без разрушения образца при помощи радиоавтограмм (см. Авторадиография).
Др. направление использования И. и.- количественный анализ. Один из самых простых и распространённых вариантов метода И. и.- метод изотопного разбавления, при к-ром к анализируемому веществу добавляют дозированное количество И. и. и по степени его разбавления судят об исходном количестве вещества. Этот метод позволяет производить определение ничтожно малых количеств трудноопределяемых веществ и, наоборот, больших масс веществ; анализировать сложные смеси, анализ и разделение к-рых др. методами невозможны. Широкими возможностями отличается примыкающий к методу И. и. активационпый анализ, где меткой служит изотоп другого элемента, образованный из данного в результате ядерной реакция. Особенно большое значение этот метод имеет при определении микроэлементов в металлах, сплавах, минералах, тканях, при быстром контроле технология, процессов. Количеств, анализ природных изотопов, входящих в естественные радиоактивные ряды урана и тория, а также количественное определение изотопа 14C в умерших организмах позволяют определять возраст горных пород и археология, находок.
Третьим направлением использования И. и. является выяснение механизма различных процессов и изучение строения хим. соединений. Введение изотопной метки в определённое положение молекулы устраняет хим. неразличимость атомов, допуская возможность однозначного выяснения механизма тех или иных реакций, для к-рых обычные хим. методы описывают только начальное и конечное состояния.
Все указанные направления применения И. и. широко представлены в различных областях химии, биологии, медицины, техники, с. х-ва и т. д. Ниже приводятся отд. примеры их использования.
Лит.: Радиоактивные изотопы в химических исследованиях, Л.- JM., 1965; Pогинский С. 3., Теоретические основы изотопных методов изучения химических реакций, M., 1956; Ядернофизические методы анализа веществ, M., 1971 (Всесоюзная научно-техническая конференция "XX лет производства и применения изотопов и источников ядерных излучений в народном хозяйстве СССР", Минск, 1968). К. Б. Заборенко.
В биологии И. и. применяют для решения как фундаментальных, так и прикладных биол. проблем, изучение которых др. методами затруднено или невозможно. Существенное для биологии преимущество метода меченых атомов состоит в том, что использование И. и. не нарушает целостности организма и его осн. жизненных отправлений. С применением И. и. связаны MH. крупные достижения совр. биологии, определившие расцвет биол. наук во 2-й пол. 20 в. С помощью стабильных и радиоактивных изотопов водорода (2H и 3H), углерода (13C н 14C), азота (15N), кислорода (18O), фосфора (32P), серы (35S), железа (59Fe), иода (131I) и др. были выяснены и детально изучены сложные и взаимосвязанные процессы биосинтеза и распада белков, нуклеиновых к-т, углеводов, жиров и др. биологически активных соединений, а также хим. механизмы их превращений в живой клетке (рис. 1-3). Применение И. и. привело к пересмотру прежних представлений о природе фотосинтеза, а также о механизмах, обеспечивающих усвоение растениями неорганич. веществ - карбонатов, нитратов, фосфатов и др.
С помощью И. и. выполнено огромное число исследований в самых разнообразных направлениях биологии и биохимии. Одно из направлений включает работы по изучению динамики и путей перемещения популяций в биосфере и отд. особей внутри данной популяции, миграции микробов, а также отд. соединений внутри организма. Вводя в организмы с пищей или путём инъекций метку, удалось изучить скорость и пути миграции мн. насекомых (москитов, мух, саранчи), птиц, грызунов и др. мелких животных и получить данные о численности их популяций. В области физиологии и биохимии растений с помощью И. и. решён ряд теоретич. и прикладных проблем: выяснены пути поступления минеральных веществ, жидкостей и газов в растения, а также роль различных хим. элементов, в т. ч. микроэлементов, в жизни растений (рис. 4). Показано, в частности, что углерод поступает в растения не только через листья, но и через корневую систему, установлены пути и скорости передвижения ряда веществ из корневой системы в стебель и листья и из этих органов к корням. В области физиологии и биохимии животных и человека изучены скорости поступления различных веществ в их ткани (в т. ч. скорость включения железа в гемоглобин, фосфора - в нервную н мышечные ткани, кальция - в кости).
Важная группа работ охватывает исследования механизмов хим. реакций в организме. Так, во мн. случаях удалось установить связь между исходными и вновь образующимися молекулами, проследить за "судьбой" отд. атомов и хим. групп в процессах обмена веществ, а также выяснить последовательность и скорость этих превращений. Полученные данные сыграли решающую роль при построении совр. схем биосинтеза и метаболизма (метаболических карт), путей превращения пищи, лекарственных препаратов и ядов в живых организмах. К работам этой группы относится выяснение вопроса о происхождении кислорода, выделяемого в процессе фотосинтеза: оказалось, что его источником является вода, а не двуокись углерода. С др. стороны, применение 14CO2 позволило выяснить пути превращений двуокиси углерода в процессе фотосинтеза. Использование "меченой" пищи привело к новому представлению о скоростях всасывания и распространения пищевых веществ, об их "судьбе" в организме и помогло проследить за влиянием внутр. и внеш. факторов (голодание, асфиксия, переутомление и т. д.) на обмен веществ. Метод И. и. позволил изучить процессы обратимого транспорта веществ через биологические мембраны. Было показано, что концентрации веществ по обе стороны мембраны остаются постоянными с сохранением градиентов концентрации, характерных для каждой из разделённых мембранами сред.
[1007-73.jpg]
Рис. 4. Схема опыта по изучению поглощения радиоактивных изотопов раздельно корнями и плодами арахиса: 1 - среда для корней; 2 - среда для плодов.
Метод И. и. нашёл применение в исследовании процессов, решающую роль в к-рых играет передача информации в организме (проводимость нервных импульсов, ,инициация и рецепция раздражения и др.). Эффективность метода И. и. в работах этого рода обусловлена тем, что исследования проводятся на целостных, интактных организмах, сохраняющих неповреждённой всю сложную систему нервных и гуморальных связей. Наконец, группа работ включает исследования статических характеристик биол. структур, начиная с молекулярного уровня (белки, нуклеиновые к-ты) и кончая надмолекулярными структурами (рибосомы, хромосомы и др. органел-лы). Напр., исследования относительной устойчивости белков и нуклеиновых к-т в 1H2O, 2H2O и в H218O способствовали выяснению природы сил, стабилизирующих структуру биополимеров, в частности роли водородных связей в биол. системах.
Важное значение при выборе изотопа имеет вопрос о чувствительности метода изотопного анализа, а также о типе радиоактивного распада и энергии излучения. Преимущество стабильных изотопов (2H, 18O, 15N и др.) - отсутствие излучений, часто оказывающих побочное воздействие на исследуемую живую систему. В то же время, сравнительно низкая чувствительность методов их определений (масс-спектроскопия, денситометрия), а также необходимость выделения меченого соединения ограничивают применение стабильных изотопов в биологии. Высокая чувствительность регистрации гамма-активных изотопов (59Fe, 131I и др.) позволила в живом организме измерить скорость кроветока, определить кол-во крови и время её полного кругооборота, исследовать работу желез внутр. секреции.
Лит.: Камеи M., Радиоактивные индикаторы в биологии, пер. с англ., M., 1948; Xевеши Г., Радиоактивные индикаторы, их применение в биохимии, нормальной физиологии и патологической физиологии человека и животных, пер. с англ., M-, 1950; Метод меченых атомов в биологии, M., 1955; Рогинский С. 3., Шноль С. Э., Изотопы в биохимии, M., 1963; В анг Ч., Уиллис Д., Радиоиндикаторный метод в биологии, пер. с англ.. JM., 1969; Радиоактивные изотопы во внешней среде и организме, M., 1970. Я. H. Верховская.
И. и. в медицине. С помощью И. и. были раскрыты механизмы развития (патогенез) ряда заболеваний; их применяют также для изучения обмена веществ и диагностики мн. заболеваний (см. Радиоизотопная диагностика).И., и. вводят в организм в крайне малых количествах, не способных вызвать к.-л. па-тологич. сдвиги. Различные элементы неравномерно распределяются в организме. Аналогично им распределяются и И. и. Излучение, возникающее при распаде изотопа, регистрируют радиометрич. приборами, скенированием, авторадиографией и др. Так, состояние большого и малого круга кровообращения, сердечного кровообращения, скорости кроветока, изображение полостей сердца определяют с помощью соединений, включающих 24Na, 131I, 99мТс; для изучения лёгочной вентиляции и заболеваний спинного мозга применяют 99mTc, 133Xe; макроагрегаты альбумина человеческой сыворотки с 131I используют для диагностики различных воспалительных процессов в лёгких, их опухолей и при различных заболеваниях щитовидной железы. Концентрационную и выделительную функции печени изучают при помощи краски бен-гал-роз с 131I, 198Au; функцию почек - при ренографии с 13Ч-гиппураном и скен-нированием после введения неогидрина, меченого 203Hg или 89мТс. Изображение кишечника, желудка получают, используя 99mTc, селезёнки - применяя эритроциты с 99mTc или 51Cr; с помощью 75Se диагностируют заболевания поджелудочной железы. Диагностич. применение имеют также 85Sr и 34P. А. В. Козлова.
И. и. в сельском хозяйстве (3H, 14C, 22Na, 32P, 35S, 42К, 43Ca, 60Co, 65Zn, 99Mo и др.) широко используются для определения физич. свойств почвы и запасов в ней элементов пищи растений, для изучения взаимодействия почвы и удобрений, процессов усвоения растениями питательных элементов из минеральных туков, поступления в растения минеральной пищи через листья и др. вопросов почвоведения и агрохимии. Пользуются И. и. для выявления действия на растительный организм пестицидов, в частности гербицидов, что позволяет установить концентрацию и сроки обработки ими посевов. Применяя метод И. и., исследуют важнейшие биол. свойства с.-х. культур (п |
