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Lexikon der Biologie: Isotope

Isotope [von *iso- , griech. topos = Ort], die zu einem chemischen Element gehörenden Atome gleicher Kernladungs-(Protonen-, Ordnungs-), aber verschiedener Massen-(Nukleonen-)Zahl. Isotope sind nur der Masse nach verschieden, die chemischen Eigenschaften sind gleich, und sie stehen an der gleichen Stelle im Periodensystem. Chlor z.B. besteht aus den Isotopen 35Cl (75,4%) und 37Cl (24,6%), so daß die Mischung eine relative Atommasse von 35,453 ergibt. Bei 20 Elementen (Reinelementen) fand man bisher nur eine einzige Atomsorte. Die restlichen Elemente (Mischelemente) setzen sich aus 2 oder mehr Isotopen zusammen. Isotope können stabil oder instabil (radioaktive Isotope, auch Radioisotope oder Radionuklide genannt) sein, wobei die radioaktiven Isotope sowohl natürlichen als auch künstlichen Ursprungs sein können. Chemische Verbindungen, die künstlich angereicherte Mengen von Isotopen enthalten, unterscheiden sich – abgesehen von speziellen Isotopeneffekten (Isotopieeffekte) – in ihren chemischen Reaktionen nicht von Verbindungen mit natürlichem Isotopenverhältnis. In Kombination mit der einfachen Detektion der radioaktiven Isotope führte dies zur breiten Anwendung isotopenmarkierter Verbindungen (Marker, Markierung). In den letzten Jahrzehnten trugen Isotopenmarkierungen zu entscheidenden Fortschritten in Biochemie, Molekularbiologie, Genetik und Cytologie, aber auch in der Medizin bei. In der Frühzeit der Molekularbiologie wurden die stabilen Isotope 15N, 13C und 2H (Deuterium) häufig zur Dichtemarkierung von Biomolekülen eingesetzt ( vgl. Tab. 1 ). So konnten Meselson und Stahl 1958 mit Hilfe 15N-markierter DNA den semikonservativen Verlauf der DNA-Replikation nachweisen (Meselson-Stahl-Experiment). In der modernen Molekularbiologie ( vgl. Infobox ) werden die radioaktiven Isotope 32P und 33P intensiv zur Markierung (Labeln) von DNA, RNA oder Oligonucleotidfragmenten (Oligonucleotide) eingesetzt, die in den verschiedenen Hybridisierungsverfahren (Northern Blot, Southern Blot, slot-blot-Methode usw.; blotting-Techniken) als Proben eingesetzt werden. Aufgrund des Risikopotentials radioaktiver Verbindungen (Strahlungsexposition, Entsorgung; Radioaktivität, Radiotoxizität, Strahlenbelastung) werden hier zunehmend auch nichtradioaktive Methoden, z.B. Digoxigenin/Antidigoxigenin- (Digoxigenin) oder Biotin/Avidin-Systeme (Biotin, Avidin) gekoppelt mit Fluoreszenz- (Fluoreszenzmarkierung), Chemolumineszenz- (Chemilumineszenz) oder Biolumineszenzverfahren (Biolumineszenz) als Nachweismethoden verwendet. Proteine und Peptide werden meist mit radioaktivem 35S markiert. In der Immunbiologie findet das Chromisotop 51Cr häufig Anwendung in Chromrelease-Assays, mit denen die cytotoxische Aktivität von T-Lymphocyten gemessen wird. 125I oder 3H werden in Radioimmunassays eingesetzt, mit denen geringste Konzentrationen von Hormonen oder Vitaminen in Körperflüssigkeiten bestimmt werden können. Die Verwendung der Isotope 3H (Tritium) und 14C als sog. Radiotracer zur Analyse von Stoffwechsel-, Transport- und Akkumulationsprozessen und Biosynthesewegen, zur Lokalisierung von Metaboliten, Enzymen und Stoffwechselreaktionen (Stoffwechsel) in Organen, Zellen oder Zellfraktionen sowie zur Messung von Umsatzraten zellulärer Stoffe wird als Isotopentechnik oder Tracertechnik (Tracer) bezeichnet. Verbindungen, die radioaktive Isotope enthalten, werden entweder organisch-chemisch bzw. – wenn die betreffenden Isotope definierte Positionen in einem Molekül einnehmen sollen, etwa das Isotop 32P in α-, β- oder γ-Stellung von Nucleosidtriphosphaten – enzymatisch synthetisiert oder nach Verfütterung einfacher Vorstufen (14CO2, 32P-Phosphat, 3H2O) biosynthetisch aus Mikroorganismen gewonnen. In letzterem Fall werden die C-, P- bzw. H-Positionen der Verbindungen gleichmäßig stark mit Isotopen markiert. Verbindungen, die radioaktive Isotope enthalten, werden durch die ionisierenden Strahlen, die beim Zerfall (Radioaktivität) der Isotope entstehen, im Geiger-Müller-Zählrohr, im Szintillationszähler oder durch Autoradiographie detektiert. Mit Hilfe der radioaktiven Isotopenmarkierung, die um 1935 entwickelt wurde, ist es heute möglich, geringste Mengen (10–15 Mol) der markierten Stoffe zu erfassen (Mikroanalyse). Auch einige Methoden der Altersbestimmung in der Geochronologie (radiometrische Datierung) basieren auf Isotopen-Analyse. So werden u.a. die Isotope 14C (Radio-Carbon-Methode) und 238U in der Paläontologie zur Datierung von Fossilien eingesetzt (Datierungsmethoden, Geochronologie). In der Medizin ( vgl. Tab. 2 ) werden Radioisotope in großem Umfang in der Tumortherapie (60Co; Strahlentherapie), als therapeutische Radiopharmaka (89Sr, 131I usw.; Strontium, Radioiodtherapie) oder als diagnostische Radiopharmaka (18F, 15O, 13N) verwendet (Austauschmarkierung, Emissionscomputertomographie, Fremdmarkierung, Ganzkörper-Szintigramm, Szintigraphie). Moderne Tomographieverfahren (Tomographie) wie die Positronenemissionstomographie (PET) nutzen Radioisotope zur Darstellung von Organquerschnittsbildern (bildgebende Verfahren) oder von Stoffwechselvorgängen in Patienten. Hevesy (G. de), Libby (W.F.), Massenspektrometrie, Paneth (F.A.), Schwerionenforschung, Urey (H.C.).

H.K./H.Z.

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