4.2 Radioaktív izotópok, mint a biológiai nyomjelzés eszközei

A radioaktív izotópokkal történő nyomjelzés kémiai, majd orvosi, biológiai, biokémiai alkalmazásainak kidolgozásában, s ezáltal egy új tudományág, a nukleáris medicina létrehozásában úttörő szerepe volt Hevesy Györgynek (1885-1966), aki ezirányú kutatásaiért 1943-ban kémiai Nobel-díjat kapott. Hevesy 1923-ban az élő szervezet számára nem specifikus Pb, Th és Po izotópokat juttatott be kísérleti állatokba. 1935-ben már az élő szervezetekben is előforduló P egyik izotópjával jelölt bizonyos folyamatokat.

A nyomjelzés célja megegyezik a kémiai indikátorokéval, azaz a nyomjelző radioaktív anyagok egy állapotot, vagy egy folyamatot jelölnek, úgy, hogy a vizsgálni kívánt jelenséget, folyamatot lényegében nem befolyásolják, de arról bizonyos információt nyújtanak. Az izotópos nyomjelzés egyik nagy előnye az érzékenység, a másik az, hogy az izotóp, mint jelző anyag akár a vizsgálandó reakcióban részt vevő partner is lehet. Az izotóp legtöbbször csak radioaktív sugárzó mivoltában különbözik a stabil elemtől, más lényeges tulajdonságában nem.

A radioaktív elemeknek – nyomjelző tulajdonságaikat figyelembe véve – három fő felhasználási területe van:

1. Lokalizáció vizsgálata, mivel a sugárzás a radioaktív elem atommagjainak bomlásakor egy jól meghatározható helyről emittálódik.

2. Mennyiségmérés, mivel a sugárzás mértéke a radioaktív elem mennyiségévei arányos.

3. Időmeghatározás, mivel a radioaktivitás az idővel arányosan változik.

A lokalizáció céljából történő izotópalkalmazás jelentheti valamely izotóppal jelölt anyag, vagy prekurzor akkumulációjának vizsgálatát valamely szervben, vagy pl. az áramlási sebesség mérését egy zárt rendszerben (pl. vérkeringés). Növényi vonatkozásban ilyen típusú alkalmazás az ionok gyökéren, hajtáson belüli, vagy akár szövetek, sejtek közötti eloszlásának, lokalizációjának vizsgálata.

A mennyiségmérésre az izotóphigításos analízis néhány esete nyújt szemléletes példát. A higítási elv lényege, hogy a zárt rendszerben levő izotóp összaktivitása nem változik azzal, hogy az inaktív közeg, a hordozók mennyisége megváltozik, specifikus aktivitása viszont igen. A specifikus aktivitás változása lesz az aktív/inaktív anyagmennyiségek arányának mértéke. Ennek az elvnek az alapján lehet például zárt rendszerekben térfogatot meghatározni, fázisok közötti ioncserét vizsgálni. Nyitott rendszerekben – és ilyenek a biológiai rendszerek is – az ún. dinamikus izotóphigítás módszerével határozható meg az akkumuláció, a kiürülés, a turnover, valamely tér, kompartment térfogata, vagy egy folyadék átfolyási sebessége.

Időmeghatározásra azt a példát említhetjük, amikor egy vegyületet in vivo jelzetté teszünk és a növény valamely szervében bekövetkező fokozatos aktivitáscsökkenésből következtetünk az adott anyag átlagos biológiai élettartamára az adott szervben. Az aktivitás csökkenése a vegyületnek az adott szervezetben, szervben történő metabolizmusa, kiürülése következtében fellépő biológiai felezésén, valamint a radioaktív izotóp fizikai bomlásán alapul. E két folyamatot együttesen jellemzi a tényleges felezési idő az alábbi összefüggés szerint:

ahol Tf a fizikai, Tb a biológiai, Teff a tényleges felezési idő.

Az időmeghatározás egyik speciális esete a kormeghatározás. A természetben előforduló radioaktív izotópok lehetőséget adnak arra, hogy valamilyen régen elhalt élőlény halálának időpontját megállapíthassuk. Az adott lény anyagcseréje ugyanis a halál időpontjában leáll, több radioaktív anyag nem jut már szervezetébe a környezetből, a benne lévők bomlása azonban időben állandóan tovább zajlik. Tehát az aktivitás csökkenéséből az anyagcsere leállásának időpontja kiszámítható. Legtöbbször ezt a 14C tartalom alapján mérik, mely módszert radiokarbonos kormeghatározásnak nevezik. A 12C/14C arány a természetben és így az élőlényekben is életük során többé-kevésbé állandó, 12 : 1. Az élőlények elhalása után ez az arány eltolódik, mert a 14C bomlik. A módszer kb. 10-12 ezer éves korig terjedően alkalmazható, bár nem túlságosan pontos, mert a légtér 14C koncentrációja a valóságban nem állandó és a levegő 14C tartalmának pontos meghatározása sem egyszerű.

Biológia kísérletekben nem ritka, hogy szükség van sugárzó radioaktív anyagokra. Itt most nem a diagnosztikai vagy terápiás célú alkalmazásokra gondolunk, hanem kifejezetten a nyomjelzésre, azaz arra, hogy megtudjuk, valamely anyagból mennyi és hol van. Növényélettani, növénybiokémiai kutatások során is gyakran alkalmazzák ezt a módszert, elsősorban akkor, ha nem áll rendelkezésre más, kellőképpen érzékeny analitikai technika valamely funkció, vagy lokalizáció vizsgálatára. Elég csak arra a tankönyvi esetre utalni, ami a fotoszintetikus CO2 fixáció és redukció útjának feltárását írja le M. Calvin és munkatársainak munkássága alapján. Ennek lényege, hogy radioaktívan jelölt H14CO3--t alkalmazva vizsgálták egysejtű zöldalgákban a fotoszintetikusan megkötött, radioaktívan jelölt C útját, s egy nagyon ötletes kísérletben megállapították, hogy a CO2 fixáció első stabil terméke a glicerinsav-3-foszfát, melynek karboxilcsoportjában volt a radioaktív jelölés. Ennek segítségével tárták fel a később Calvin-ciklusnak elnevezett folyamat részleteit is.