В биологии и химии мы постоянно имеем дело с невидимыми процессами: куда идет атом углерода при фотосинтезе? Как именно копируется ДНК? Чтобы ответить на эти вопросы, ученые придумали гениальный способ — метод меченых атомов. Это один из самых изящных инструментов в науке, и задания на его понимание все чаще встречаются на ЕГЭ, проверяя не заученные факты, а глубину вашего мышления.
Давайте разберем этот метод от основ до прогноза будущих заданий.
Часть 1. Теория: в чем суть метода?
Суть метода — заменить один или несколько атомов в молекуле на их изотопы. Изотопы — это разновидности одного и того же химического элемента, которые имеют одинаковый заряд ядра (и, следовательно, одинаковые химические свойства), но разную массу из-за разного числа нейтронов.
Для "метки" используют два типа изотопов:
- Радиоактивные изотопы (например, ³H, ¹⁴C, ³²P, ³⁵S): Они нестабильны и со временем распадаются, испуская излучение, которое можно зафиксировать специальными приборами (например, счетчиком Гейгера или методом авторадиографии).
- Тяжелые стабильные изотопы (например, ¹⁵N, ¹⁸O): Они не радиоактивны, но тяжелее своих "обычных" собратьев. Их можно отделить от легких изотопов и обнаружить с помощью масс-спектрометрии или центрифугирования.
Главный принцип: "Меченая" молекула вступает во все те же химические реакции, что и обычная. Но благодаря своей "метке" (радиоактивности или массе), мы можем отследить ее путь, найти ее в продуктах реакции и понять, частью какого соединения она стала.
Часть 2. Классика ЕГЭ: три эксперимента, которые нужно знать
Эти три примера — основа, которая уже встречается в экзаменационных заданиях.
1. Откуда берется кислород при фотосинтезе? (Изотоп ¹⁸O)
- Вопрос: Кислород, выделяемый растениями, берется из молекулы воды (H₂O) или из углекислого газа (CO₂)?
- Эксперимент: Провели два опыта с растением хлорелла.
Опыт 1: Растению давали воду с "тяжелым" кислородом (H₂¹⁸O) и обычный углекислый газ (CO₂).
Опыт 2 (контрольный): Растению давали обычную воду (H₂O) и углекислый газ с "тяжелым" кислородом (C¹⁸O₂). - Результат: "Тяжелый" кислород (¹⁸O₂) выделился только в первом опыте.
- Вывод для ЕГЭ: Кислород, выделяющийся при фотосинтезе, образуется в результате фотолиза воды.
2. Как копируется ДНК? (Эксперимент Мезельсона и Сталь, изотоп ¹⁵N)
- Вопрос: Репликация ДНК идет по консервативному, полуконсервативному или дисперсивному механизму?
- Эксперимент:
Шаг 1: Кишечную палочку долго выращивали на среде с "тяжелым" азотом (¹⁵N). Весь азот в ее ДНК стал тяжелым.
Шаг 2: Бактерии перенесли на среду с обычным, "легким" азотом (¹⁴N) и дали им поделиться один раз.
Шаг 3: Дали бактериям поделиться еще раз на "легкой" среде. - Результат: После первого деления вся ДНК была "гибридной" (одна цепь тяжелая ¹⁵N, вторая — легкая ¹⁴N). После второго деления половина ДНК была "гибридной", а половина — полностью "легкой".
- Вывод для ЕГЭ: Репликация ДНК происходит по полуконсервативному механизму: материнская молекула расплетается, и на каждой ее цепи достраивается новая, дочерняя.
3. Как усваивается углерод при фотосинтезе? (Эксперимент Кальвина, изотоп ¹⁴C)
- Вопрос: Какой путь проходит атом углерода от CO₂ до глюкозы?
- Эксперимент: Растения освещали и на очень короткое время (несколько секунд) подавали им радиоактивный углекислый газ (¹⁴CO₂). Затем немедленно фиксировали клетки и анализировали, в каких органических молекулах появилась радиоактивная метка.
- Результат: Первыми "мечеными" соединениями оказались трехуглеродные молекулы (ФГК), затем — другие сахара.
- Вывод для ЕГЭ: Углекислый газ в темновой фазе фотосинтеза фиксируется и встраивается в органические молекулы (цикл Кальвина).
Часть 3. Прогноз: какие новые задания могут появиться?
Метод меченых атомов универсален. Скорее всего, на ЕГЭ появятся задания, где вам нужно будет спрогнозировать результат эксперимента, применив знания из других разделов биологии.
Прогноз 1: Путь белка (изотоп ³⁵S или ³H)
- Задание: Клеткам поджелудочной железы, активно синтезирующим ферменты на экспорт, на короткое время ввели аминокислоту метионин, содержащую радиоактивную серу (³⁵S). Составьте последовательность органоидов, в которых радиоактивная метка будет обнаруживаться со временем. Ответ поясните.
- Правильный ответ: 1) Рибосомы на шероховатой ЭПС (здесь идет синтез белковой цепи). 2) Полости ЭПС (здесь белок сворачивается и модифицируется). 3) Аппарат Гольджи (здесь белок "упаковывается" в пузырьки). 4) Секреторные пузырьки (транспорт к мембране). 5) За пределами клетки (после экзоцитоза).
Прогноз 2: Путь жиров (изотоп ¹⁴C)
- Задание: Животному с пищей дали жиры, содержащие жирные кислоты с радиоактивным углеродом (¹⁴C). В каких сосудах радиоактивность сначала резко возрастет: в кровеносных капиллярах ворсинок кишечника или в лимфатическом капилляре? Ответ поясните.
- Правильный ответ: В лимфатическом капилляре. Продукты расщепления жиров (глицерин и жирные кислоты) всасываются в эпителий ворсинок, там из них снова синтезируются собственные жиры, которые упаковываются в хиломикроны и поступают именно в лимфу, а не напрямую в кровь.
Прогноз 3: Путь йода (изотоп ¹³¹I)
- Задание: Пациенту с подозрением на гиперфункцию щитовидной железы ввели небольшое количество радиоактивного йода (¹³¹I). Где будет наблюдаться максимальное накопление изотопа? Какой гормон будет содержать радиоактивную метку?
- Правильный ответ: Максимальное накопление будет в щитовидной железе. Радиоактивную метку будет содержать гормон тироксин, так как йод является его незаменимым компонентом.
А какие еще эксперименты с использованием меченых атомов вы могли бы предложить для ЕГЭ? Поделитесь своими идеями в комментариях!