Name: tracking cell chemistry with metabolic labels
Uploaded: 2023-04-30T06:31:10.000Z
Duration: 8 min 28 s
Channel: JoVE

K12 Standards

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

High School

Physical Science

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

Metabolic Labeling

תיוג מטבולי משמש כדי לחקור את התמורות הביוכימיות ושינויים המתרחשים בתא. זה מושג באמצעות אנלוגים כימיים המחקים את המבנה של biomolecules טבעי. תאים משתמשים באנלוגים בתהליכים הביוכימיים האנדוגניים שלהם, ומייצרים תרכובות המסומנות. התווית מאפשרת שילוב של תגי זיהוי זיקה, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בהם כדי לפרט מסלולים מטבוליים באמצעות טכניקות אנליטיות ביוכימיות אחרות, כגון SDS-PAGE ו- NMR.
וידאו זה מציג את המושגים של תיוג מטבולי ומציג שני הליכים כלליים.  הראשון משתמש תיוג איזוטופי, כדי לאפיין את הזרחן של חלבון. השני מכסה תיוג פוטו-אקטיבי כדי לאפיין אינטראקציה בין חלבון חלבון בתוך שלושה יישומים של תיוג מטבולי מוצגים גם: תיוג חומר צמחי, תיוג RNA למדידת קינטיקה ותיוג גליקנים בפיתוח עוברים.

תיוג מטבולי

תיוג מטבולי משמש כדי לחקור את התמורות הביוכימיות ושינויים המתרחשים בתא. זה מושג באמצעות אנלוגים כימיים המחקים את המבנה של biomolecules טבעי. תאים משתמשים באנלוגים בתהליכים הביוכימיים האנדוגניים שלהם, ומייצרים תרכובות המסומנות. התווית מאפשרת שילוב של תגי זיהוי זיקה, אשר לאחר מכן ניתן להשתמש בהם כדי לפרט מסלולים מטבוליים באמצעות טכניקות אנליטיות ביוכימיות אחרות, כגון SDS-PAGE ו- NMR.
וידאו זה מציג את המושגים של תיוג מטבולי ומציג שני הליכים כלליים.  הראשון משתמש תיוג איזוטופי, כדי לאפיין את הזרחן של חלבון. השני מכסה תיוג פוטו-אקטיבי כדי לאפיין אינטראקציה בין חלבון חלבון בתוך שלושה יישומים של תיוג מטבולי מוצגים גם: תיוג חומר צמחי, תיוג RNA למדידת קינטיקה ותיוג גליקנים בפיתוח עוברים.

<div class="chapter_text" id="script_0">
תיוג מטבולי משמש כדי לחקור את המכונות של תא. זה נעשה באמצעות אנלוגים כימיים כדי לחקור את התמורות הביוכימיות ושינויים המתרחשים. וידאו זה יציג את העקרונות של תיוג מטבולי, הליכי תיוג איזוטופיים ופוטורהאקטיביים טיפוסיים, וכמה יישומים.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
תיוג מטבולי יכול להתבצע באמצעות מספר אסטרטגיות. כאן נתאר תיוג איזוטופי, פוטו-אקטיבי וביו-אורתוגונלי.
תיוג איזוטופי מבוצע באמצעות אנלוגים מבניים זהים מבחינה כימית למקביליהם הטבעיים, אך יש להם איזוטופים נדירים המשולבים במבנה שלהם. באנלוגי L-ליסין זה אטומי הפחמן והחנקן מוחלפים בפחמן-13 וחנקן-15. תאים בתרבית בנוכחות אנלוגים איזוטופיים ישלבו אותם במבנים הביוכימיים שלהם. מטבוליטים נאספים מהתאים ומטוהרים לניתוח. דגימות עם איזוטופים יציבים מנותחות באמצעות טכניקות כגון ספקטרומטריית מסה או ספקטרוסקופיית NMR. דגימות עם תוויות רדיואקטיביות מנותחות באמצעות ספירת נוצצים נוזלי וסרטי רנטגן, אשר יתדגמו בפרוטוקול התיוג האיזוטופי.
תוויות פוטו-אקטיביות הן קבוצות פונקציונליות המשולבות בחלבונים, יציבים עד שהם נחשפים לאור אולטרה סגול. הקבוצה התפקודית יוצרת רדיקל תגובתי, הנקשר לחלבון הקרוב ביותר. דוגמה נפוצה, L-photo-לאוצין, מכילה טבעת דיאזרין, שהיא חוצה פוטו-ריאקטיבית. בניגוד לתיוג איזוטופי, יש שונות כימית מסוימת בין אנלוגים כימיים פוטו-תגובתיים לבין עמיתיהם הטבעיים. תאים עשויים לשלב באופן מועדף תרכובות טבעיות על פני אנלוגים. לכן, חשוב לבצע תיוג צילום תגובתי בינוני ללא תרכובת להיות מיליה. לאחר שנחשפו לקרינה אולטרה סגולה, הקבוצות התפעוליות בחלבון המסומן הופכות לבלתי יציבות ומגיבות מאוד, מה שגורם לו להצליב קשר עם חלבונים אינטראקציה, ויוצר קומפלקס חלבונים. מתחמים מקושרים, פעלו כתמונות שניתן לנתח בשיטות ספקטרומטריית SDS-PAGE ומסה. זה מספק תובנות על מה תגובות מתרחשות במסלול המטבולי על ידי זיהוי מינים תגובה וכיצד הם אינטראקציה על ידי קביעת אתרים מחייבים.
אסטרטגיות תיוג ביואורתוגונליות משתמשות באנלוגים עם קבוצות פונקציונליות קטנות שאין להן תגובתיות מועטה עד ללא תגובה עם ביומולקולים טבעיים. לדוגמה, אזידים הם קבוצות פונקציונליות קטנות, אשר התגובה שלה הוא אמר להיות אורתוגונלי לתגובות ביוכימיות. בקשירת סטאודינגר, קבוצת פוספין תוקפת את קבוצת האזידו. זה מניב מצב מעבר שמגיב תוך עינית עם אסתר סמוכה, וכתוצאה מכך ליגנד מכובס באמין. קבוצות פונקציונליות ביואורתוגניות המשולבות ביומולקולים ניתן קשר עם תגי זיהוי כגון קבוצות פונקציונליות פלורסנט, ותגי זיקה כגון אנטיגנים.
עכשיו, לאחר שנדונו כמה מושגים ואסטרטגיות לתיוג מטבולי, בואו נסתכל על התהליך במעבדה.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
הצעד הראשון בניסוי תיוג מטבולי הוא לאסוף את החלבון של עניין. כדי לעשות זאת, תאים גדלים על צלחת, שיטת ביטוי משמש כדי לקדם סינתזה של החלבון הרצוי. בדוגמה זו, קינאז חוזר עשיר בלאוצין, או LRRK, באים לידי ביטוי. דיסודיום פוספט, המכיל זרחן רדיואקטיבי-32, משמש כאנלוגי. יש לנקוט באמצעים מתאימים כדי להגן מפני קרינה מייננת. זה כולל הקמת אזור עבודה, לבישת ציוד מגן מתאים ובדיקת זיהום רדיואקטיבי. לאחר שננקטו אמצעי בטיחות, המדיום המכיל את האנלוגיות האיזוטופיות מוכן. המדיום מהתרבות מוסר, מוחלף באחד המכיל את האנלוגים הכימיים האיזוטופיים ולאחר מכן דגירה. לאחר הדגירה, התאים הם lysed. הלסייט נאסף ומטוהר.
לאחר הטיהור, חלבונים נפתרים באמצעות SDS-PAGE ולאחר מכן מועברים לקרום PVDF. אוטורדיוגרפיה מבוצעת על ידי חשיפת הממברנה לסרט רנטגן ונמדדת באמצעות צלם זרחן. סופג מערבי משמש למדידת רמות חלבון יחסית בקרום PVDF. בדוגמה זו נמדדו רמות הזרחן של קינאז חוזרות עשירות בלאוצין המסונתזות בתאי 293T. האוטורדיוגרמה מראה כמה זרחן שולב בחלבון. סופג מערבי מרומם את רמות החלבונים של LRRK. תוכנת ניתוח תמונה משמשת להשגת נתונים כמותיים של רמות הזרחן של החלבונים.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
בהליך הבא, תיוג פוטוראקטיבי מוצג. ראשית, התאים מוכנים ומתרבתים. האנלוגי הפוטו-אקטיבי נוסף לתאים בשלב אמצע יומן הרישום ודגורה. בהליך זה p-בנזוילפניללאנין משמש. דגימות נאספות על פני מרווחי זמן ומונחות על קרח. לאחר מכן הדגימות נחשפות לקבלת תמונות של המסלולים הביוכימיים לאורך זמן. החלבונים מעניינים מטוהרים ונפתרים באמצעות SDS-PAGE.
אסטרטגיית תיוג פוטו-אקטיבית שימשה לזיהוי תרכובות שמתקשרות עם חלבון העניין. אימונודיקציה עם סופג מערבי מראה רצועות חלבון המצביעות על חלבונים במשקל מולקולרי גבוה יותר נמצאים בדגימות המוקרן. אלה הם מקישור צולב עקב אינטראקציה חלבון חלבון המתרחשת במהלך הקרנת UV.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
כעת, לאחר שבדקנו הליכי תיוג מטבוליים, בואו נבחן כמה מהדרכים שבהן נעשה שימוש בתהליך.
מושגי תיוג מטבוליים יכולים להיות מורחבים לאורגניזמים רב תאיים. צמחים גדלים בסביבה אטומה, עשירים באיזוטופים יציבים לחומר צמחי מתויג. פחמן דו חמצני המכיל פחמן-13 מתווסף למתחם, בעוד דשן עשיר חנקן-15 משמש. החומר הצמחי שנקטף כתוצאה מכך יכול לעזור לענות על שאלות על רכיבה על אופניים פחמן וחנקן מן המערכת האקולוגית.
תיוג מאפשר הפרדה של RNA מסונתז חדש מ- RNA ישן יותר. על ידי שינוי הריכוז הראשוני של אנלוגי, ניתן לקבוע את הקינטיקה של סינתזת RNA חדשה. התוצאות מראות כי הריכוז של 4-תיורידין משפיע על כמה RNA חדש מתומלל. בנוסף, ניתן לכמת ישירות את שיעורי ההתאגדות של התווית ב-RNA באמצעות ספקטרופוטומטר.
באמצעות כימיה של קליק ביורטוגונל, ניתן לתייג גליקנים בעובר דג זברה. הביצים מוזרקות עם תרכובת תיוג שתוצאתה תוויות אלקין על הגליקנים. הגליקנים בזחלים נקשרים לתרכובת צבע בשלב הפיתוח הרצוי. לאחר מכן, הגליקנים בעוברים נצצו. ניתן לזהות גליקנים המיוצרים בנקודות זמן שונות על ידי תיוג באמצעות צבעים שונים בשלבים שונים של התפתחות העובר.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
הרגע צפית בסרטון של ג'וב על תיוג מטבולי. וידאו זה תיאר את המושגים מאחורי תיוג מטבולי והאסטרטגיות שלהם, עבר על שני הליכים כלליים, וכיסה חלק מהשימושים בטכניקות.
תודה שצפיתם!
</div>

Metabolic labeling is used to probe the biochemical transformations and modifications that occur in a cell. This is accomplished by using chemical analogs ...

תיוג מטבולי משמש לחקירת המנגנון של התא. זה מושג באמצעות אנלוגים כימיים כדי לחקור את הטרנספורמציות והשינויים הביוכימיים המתרחשים. סרטון זה יציג את עקרונות התיוג המטבולי, הליכי תיוג איזוטופיים ופוטו-ריאקטיביים אופייניים, וכמה יישומים. ניתן לבצע תיוג מטבולי באמצעות מספר אסטרטגיות. כאן נתאר תיוג איזוטופי, פוטו-ריאקטיבי וביו-אורתוגונלי. תיוג איזוטופי מתבצע באמצעות אנלוגים מבניים הזהים מבחינה כימית לעמיתיהם הטבעיים, אך יש להם איזוטופים נדירים המשולבים במבנה שלהם. באנלוגי L-ליזין זה אטומי הפחמן והחנקן מוחלפים בפחמן-13 וחנקן-15. תאים שגודלו בנוכחות אנלוגים איזוטופיים ישלבו אותם במבנים הביוכימיים שלהם. מטבוליטים נאספים מהתאים ומטוהרים לניתוח. דגימות עם איזוטופים יציבים מנותחות באמצעות טכניקות כגון ספקטרומטריית מסה או ספקטרוסקופיה NMR. דגימות עם תוויות רדיואקטיביות מנותחות באמצעות ספירת נצנוץ נוזלי וסרטי רנטגן, אשר יודגמו בפרוטוקול התיוג האיזוטופי. תוויות פוטו-ריאקטיביות הן קבוצות פונקציונליות המשולבות בחלבונים, שהן יציבות עד לחשיפה לאור אולטרה סגול. הקבוצה הפונקציונלית יוצרת רדיקל תגובתי, הנקשר לחלבון הקרוב ביותר. דוגמה נפוצה, L-photo-leucine, מכילה טבעת דיאזירין, שהיא קישור צולב פוטו-ריאקטיבי. בניגוד לתיוג איזוטופי, יש הבדל כימי מסוים בין אנלוגים כימיים תגובתיים-פוטו-ריאקטיביים לבין עמיתיהם הטבעיים. תאים עשויים להעדיף לשלב תרכובות טבעיות על פני אנלוגים. לכן, חשוב לבצע תיוג פוטו-ריאקטיבי במדיום ללא התרכובת המחקה. לאחר חשיפה לקרינה אולטרה סגולה, קבוצות הפוטו-ריאקטיביות בחלבון המסומן הופכות לא יציבות ותגובתיות מאוד, מה שגורם לו לקשר צולב עם חלבונים המקיימים אינטראקציה, ויוצר קומפלקס חלבונים. קומפלקסים צולבים, פועלים כתמונות שניתן לנתח לאחר מכן באמצעות שיטות SDS-PAGE וספקטרומטריית מסה. זה מספק תובנות לגבי אילו תגובות מתרחשות במסלול המטבולי על ידי זיהוי מיני תגובה וכיצד הם מתקשרים על ידי קביעת אתרי קשירה. אסטרטגיות תיוג ביואורתוגונליות משתמשות באנלוגים עם קבוצות פונקציונליות קטנות שיש להן מעט תגובתיות עם ביומולקולות טבעיות. לדוגמה, אזידים הם קבוצות פונקציונליות קטנות, שתגובתיות שלהן אמורה להיות אורתוגונלית לתגובות ביוכימיות. בקשירת סטאודינגר, קבוצת פוספין תוקפת את קבוצת האזידו. זה מניב מצב מעבר שמגיב תוך מולקולרית עם אסטר סמוך, וכתוצאה מכך ליגנד קשור אמין. ניתן לקשור קבוצות פונקציונליות ביו-אורתוגונליות המשולבות בביו-מולקולות עם תגי זיהוי כגון קבוצות פונקציונליות פלואורסצנטיות, ותגי זיקה כגון אנטיגנים. כעת, לאחר שנדונו כמה מושגים ואסטרטגיות לתיוג מטבולי, בואו נסתכל על התהליך במעבדה. הצעד הראשון בניסוי תיוג מטבולי הוא איסוף החלבון המבוקש. לשם כך מגדלים תאים על צלחת, ושיטת ביטוי משמשת לקידום סינתזה של החלבון הרצוי. בדוגמה זו, קינאזות חוזרות עשירות בלאוצין, או LRRK, באות לידי ביטוי. דיסודיום פוספט, המכיל זרחן רדיואקטיבי -32, משמש כאנלוגי. יש לנקוט באמצעים נאותים להגנה מפני קרינה מייננת. זה כולל הקמת אזור עבודה, לבישת ציוד מגן מתאים ובדיקת זיהום רדיואקטיבי. לאחר שננקטו אמצעי בטיחות, מכינים את המדיום המכיל את האנלוגים האיזוטופיים. המדיום מהתרבית מוסר ומוחלף במדיום המכיל את האנלוגים הכימיים האיזוטופיים ולאחר מכן מודגר. לאחר הדגירה, התאים עוברים ליזה. הליזאט נאסף ומטוהר. לאחר הטיהור, חלבונים נפתרים באמצעות SDS-PAGE ולאחר מכן מועברים לקרום PVDF. אוטורדיוגרפיה מבוצעת על ידי חשיפת הממברנה לסרט רנטגן ונמדדת באמצעות מצלמת זרחן. Western Blotting משמש למדידת רמות חלבון יחסיות בקרום PVDF. בדוגמה זו נמדדו רמות הזרחן של קינאזות חוזרות עשירות בלאוצין המסונתזות בתאי 293T. האוטורדיוגרמה מראה כמה זרחן שולב בחלבון. Western Blotting מבהיר את רמות חלבוני LRRK. תוכנת ניתוח תמונות משמשת להשגת נתונים כמותיים של רמות הזרחן של החלבונים. בהליך הבא מודגם תיוג פוטו-ריאקטיבי. ראשית, התאים מוכנים ומתורבתים. האנלוגי הפוטו-ריאקטיבי מתווסף לתאים בשלב אמצע הלוג ומודגר. בהליך זה משתמשים ב-p-benzoylphenylalanine. דגימות נאספות במרווחים ומונחות על קרח. לאחר מכן הדגימות נחשפות כדי לקבל תמונות של המסלולים הביוכימיים לאורך זמן. לאחר מכן החלבונים המעניינים מטוהרים ונפתרים באמצעות SDS-PAGE. נעשה שימוש באסטרטגיית תיוג פוטו-ריאקטיבית לזיהוי תרכובות המקיימות אינטראקציה עם החלבון המבוקש. זיהוי חיסוני עם כתמים מערביים מראה רצועות חלבון המצביעות על חלבונים בעלי משקל מולקולרי גבוה יותר קיימים בדגימות המוקרנות. אלה נובעים מקישור צולב עקב אינטראקציה בין חלבון לחלבון המתרחשת במהלך קרינת ה-UV. כעת, לאחר שסקרנו את נהלי התיוג המטבולי, בואו נסתכל על כמה מהדרכים שבהן נעשה שימוש בתהליך. ניתן להרחיב את מושגי התיוג המטבולי לאורגניזמים רב-תאיים. צמחים גדלים בסביבה אטומה, עשירה באיזוטופים יציבים לייצור חומר צמחי מסומן. פחמן דו חמצני המכיל פחמן-13 מתווסף למתחם, בעוד שנעשה שימוש בדשן עשיר בחנקן-15. החומר הצמחי שנקטף שנוצר יכול לעזור לענות על שאלות לגבי מחזור פחמן וחנקן מהמערכת האקולוגית. התיוג מאפשר הפרדה של RNA מסונתז חדש מ-RNA ישן יותר. על ידי שינוי הריכוז הראשוני של אנלוגי, ניתן לקבוע את הקינטיקה של סינתזת RNA חדשה. התוצאות מראות כי ריכוז 4-תיורידין משפיע על כמות ה-RNA החדש המשועתק. בנוסף, ניתן לכמת ישירות את שיעורי השילוב של התווית ב-RNA באמצעות ספקטרופוטומטר. באמצעות כימיית קליק דו-אורתוגונלית, ניתן לסמן גליקנים בעובר של דג זברה. הביצים מוזרקות עם תרכובת תיוג המביאה לתוויות אלקין על הגליקנים. לאחר מכן הגליקנים בזחלים נקשרים לתרכובת צבע בשלב ההתפתחות הרצוי. לאחר מכן מדמים את הגליקנים בעוברים. ניתן לזהות גליקנים המיוצרים בנקודות זמן שונות על ידי תיוג באמצעות צבעים שונים בשלבים שונים של התפתחות העובר. זה עתה צפיתם בסרטון של JoVE על תיוג מטבולי. סרטון זה תיאר את המושגים מאחורי תיוג מטבולי ואת האסטרטגיות שלהם, עבר על שני הליכים כלליים וכיסה חלק מהשימושים בטכניקות. תודה שצפית!

Education

JoVE Science Education

Chemistry

כימיה

Biochemistry

ביוכימיה

tracking cell chemistry with metabolic labels

Metabolic labeling tracks cell chemistry by using chemical analogs that cells take up and build into biomolecules. These labels help scientists follow biochemical changes and modifications inside cells. The labeled products can then be studied with tools such as SDS-PAGE and NMR to learn more about metabolic pathways.

Several labeling strategies are shown here. Isotopic labeling uses analogs that match the natural molecule but contain uncommon isotopes, such as carbon-13 and nitrogen-15 in an L-lysine analog. Photoreactive labeling uses groups that stay stable until they are exposed to ultraviolet light. Bioorthogonal labeling uses small functional groups, such as azides, that do not normally react with other biomolecules.

Isotopic labels are added to cultured cells, and the cells build them into their proteins and metabolites. The collected samples are purified and then analyzed by mass spectrometry or NMR spectroscopy when stable isotopes are used. When radioactive labels are used, liquid scintillation counting and x-ray film are used for detection. The protocol shown uses radioactive phosphorus-32 to study phosphorylation of leucine-rich repeat kinases, or LRRK, in 293T cells.

Proper safety steps are needed when working with radioactive material. The work area must be set up carefully, protective equipment must be worn, and the samples must be checked for contamination. After incubation with the labeled medium, the cells are lysed, the lysate is collected, and the proteins are purified. The proteins are then separated by SDS-PAGE, transferred to a PVDF membrane, and detected by autoradiography and Western blotting. Image analysis software is used to quantify phosphorylation levels.

Photoreactive labeling is used to capture protein-protein interactions. In this method, p-benzoylphenylalanine is added to cells during mid-log growth, and samples are collected over time and kept on ice. After UV exposure, the photoreactive group becomes highly reactive and cross-links with nearby proteins. The cross-linked complexes are then purified, run on SDS-PAGE, and examined by Western blotting. Higher molecular weight bands in irradiated samples show that cross-linking has occurred.

Bioorthogonal labeling uses reactions that are separate from normal cell chemistry. In the Staudinger ligation, a phosphine reacts with an azido group and forms a labeled product that can carry detection or affinity tags. This approach is useful for adding fluorescent tags or antigen tags to biomolecules without strongly disturbing their natural behavior.

The same labeling ideas can also be applied to plants, RNA, and embryos. Plants grown in a sealed environment can be labeled with carbon-13 carbon dioxide and nitrogen-15 fertilizer to study carbon and nitrogen cycling. New RNA can be separated from older RNA to measure synthesis kinetics, and the amount of 4-thiouridine affects how much new RNA is transcribed. In zebrafish embryos, glycans can be labeled by click chemistry, dyed at different developmental stages, and imaged in different colors to track when they are made.

Tracking Cell Chemistry with Metabolic Labels

tracking-cell-chemistry-with-metabolic-labels

dialysis: diffusion based separation

Dialysis for Buffer Exchange in Biochemistry

Dialysis is a common biochemistry technique for buffer exchange and desalting. It separates molecules by diffusion through a semipermeable membrane, which lets small molecules pass while holding larger biomolecules inside the sample. The membrane is the key part of the setup. Its pores create a molecular weight cutoff, so a membrane such as a 10 kDa membrane usually keeps molecules larger than 10 kilodaltons inside. This cutoff is not exact, because membranes have a range of pore sizes.

enzyme assays and kinetics

Measuring Enzyme Reaction Rates

Enzyme reaction rates can be measured with assays that track how substrate or product levels change over time. Enzymes are proteins, or sometimes RNAs, that speed up chemical reactions by lowering the activation energy needed to start them. They act on a specific substrate and help form a product that supports life processes. Enzymatic reactions are often described in three steps. First, the substrate binds to the enzyme active site and forms an enzyme-substrate complex. That complex can fall...

maldi-tof mass spectrometry

How MALDI-TOF Reads Biomolecules

MALDI-TOF mass spectrometry reads biomolecules by using a laser, a matrix, and a time-of-flight analyzer. MALDI, or matrix-assisted laser desorption ionization, helps fragile molecules keep their structure while they are moved into the mass analyzer. The analyzer then separates compounds based on size and charge. In MALDI, the sample is mixed into a matrix, usually an organic compound with aromatic and conjugated double bonds. A laser pulse strikes the spot, and the matrix absorbs most of the...

tandem mass spectrometry

Tandem Mass Spectrometry for Biomolecule Analysis

Tandem mass spectrometry is used to isolate a biomolecule and break it into smaller pieces so its makeup can be studied. Because biomolecules often have large, complex structures, it can be hard to identify their molecular composition and sequence from a single measurement. By linking mass spectrometers in series, the technique first selects one ion and then analyzes the fragments it produces. The process starts with an ion source that converts the sample into ions. A mass analyzer then...

protein crystallization

Protein Crystals for Structure Analysis

Protein crystals help scientists study protein structure and function. A crystal is a solid lattice made from purified protein molecules. These crystals are useful in structural biology because they reveal details that methods like mass spectrometry and SDS-PAGE cannot show on their own. Protein crystallization is paired with recombinant protein expression and x-ray diffraction to support this work. The process starts with a large amount of very pure protein. Researchers often make that...

chromatography-based biomolecule purification methods

chromatography-based-biomolecule-purification-methods

Protein Purification with SEC and IMAC

Protein purification with size-exclusion chromatography and affinity chromatography helps isolate biomolecules from complex mixtures. These methods are common in biochemistry because purified samples are needed before a biomolecule’s properties and activity can be studied. The video focuses on the principles behind size-exclusion chromatography, affinity chromatography, and immobilized metal affinity chromatography, or IMAC. Size-exclusion chromatography, or SEC, separates molecules by size. A...

two-dimensional gel electrophoresis

Protein Mapping with 2D Gel Electrophoresis

Protein mapping with 2D gel electrophoresis separates complex protein mixtures across two steps. The method combines isoelectric focusing, or IEF, with sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, or SDS-PAGE. Together, these methods can resolve thousands of biomolecules from a single sample by their isoelectric point and molecular weight. The first dimension is IEF. Each protein has an isoelectric point, or pI, which is the pH where its net charge is zero. Proteins are loaded...

metabolic labeling

Metabolic labeling tracks cell chemistry by using chemical analogs that cells take up and build into biomolecules. These labels help scientists follow biochemical changes and modifications inside cells. The labeled products can then be studied with tools such as SDS-PAGE and NMR to learn more about metabolic pathways. Several labeling strategies are shown here. Isotopic labeling uses analogs that match the natural molecule but contain uncommon isotopes, such as carbon-13 and nitrogen-15 in an...

electrophoretic mobility shift assay (emsa)

electrophoretic-mobility-shift-assay-emsa

Detecting Protein-DNA Binding by EMSA

Electrophoretic mobility shift assay, or EMSA, is a biochemical method used to detect binding between proteins and nucleic acids. It is also called a gel shift assay. The test compares how a labeled nucleic acid moves through a gel before and after it binds a protein. EMSA is used to see whether a specific protein binds to a specific nucleic acid. First, the nucleic acid is labeled to make a probe. The transcript describes radioactive phosphorus-32 as a common label. The probe is then mixed...

photometric protein determination

Measuring Protein Concentration with Absorbance

Measuring protein concentration with absorbance is a key step in many biochemical assays. Photometric methods use the fact that samples with more light-absorbing material transmit less light. Because concentration and absorption are directly related, this makes it possible to measure an unknown sample. The core idea comes from the Beer-Lambert Law. This law states that the concentration of a light-absorbing species is proportional to its absorbance. The video also introduces the Bradford assay...

density gradient ultracentrifugation

Sucrose Gradient Separation in an Ultracentrifuge

Sucrose gradient separation in an ultracentrifuge is a lab method for isolating cell parts and biomolecules. It uses differences in density to make particles sink or rise in a liquid. A high-speed ultracentrifuge speeds up this process so components can be separated without destroying them. The basic idea starts with a suspension, which is particles mixed in a liquid solvent. Particles that are denser than the solvent sediment, while less dense particles float. A rotor inside the...

co-immunoprecipitation and pull-down assays

co-immunoprecipitation-and-pull-down-assays

Protein Interaction Capture Methods in Cells

Co-immunoprecipitation and pull-down assays are laboratory methods used to capture stable protein-protein interactions. Protein-protein interactions help control many biological functions, but many of them have not yet been identified. These assays are related to immunoprecipitation, which isolates a target protein from a mixed sample using an antibody. In co-immunoprecipitation, or CoIP, an antibody binds the target protein, and that protein is already attached to another protein that the...

reconstitution of membrane proteins

Membrane Proteins in Liposome Models

Membrane proteins can be moved into liposome models so their function can be studied outside a cell. Reconstitution means restoring an isolated biomolecule to a working form. For membrane proteins, that usually means placing a purified protein into an artificial lipid membrane. Cell membranes are made mainly of phospholipids and membrane proteins. The phospholipids form a bilayer with hydrophilic phosphate heads facing water and hydrophobic fatty acid tails facing inward. Some membrane...

f&#246;rster resonance energy transfer (fret)

FRET as a Molecular Ruler in Cells

Föster resonance energy transfer, or FRET, is a way to study close-range biochemical interactions using light-emitting molecules. A donor fluorophore can pass energy to an acceptor fluorophore when their emission and absorption spectra overlap. This transfer happens only when the pair is very close together, usually within 10 nm. Because FRET depends on distance, it is often called a molecular or spectroscopic ruler. The strength of the signal is measured as FRET efficiency, which describes...

surface plasmon resonance (spr)

SPR Biosensors for Tracking Binding Kinetics

Surface plasmon resonance, or SPR, is a way to track biomolecular binding on a label-free biosensor. It is used to measure molecular affinity, kinetics, specificity, and concentration. The method works with a thin metal layer on a prism, where changes in reflected light reveal interactions in real time. SPR sensors use a thin layer of a noble metal on the face of a prism. Light is reflected from the prism-metal interface into a photodetector. At one specific angle, called the surface plasmon...

biochemistry

This collection presents commonly used purification methods, such as affinity chromatography, as well as analytical methods, like MALDI-TOF. In addition, the videos showcase methods for assessing biomolecule interaction and function, such as co-immunoprecipitation and metabolic labeling.

Learn how metabolic labels help trace protein changes, protein interactions, RNA synthesis, plant growth, and glycan development in cells and embryos.

Tracking Cell Chemistry with Metabolic Labels | JoVE K12

Life Science

matter-and-energy-in-organisms-and-ecosystems

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

HS-LS2-4.

Overview

Principles of Metabolic Labeling

Isotopic Labeling Procedure

Photoreactive Labeling Procedure

Applications

Summary

Travelling Waves

A wave is a disturbance that propagates from its source, repeating itself periodically, and is typically associated with simple harmonic motion. ...

Wave Parameters

The simplest mechanical waves are associated with simple harmonic motion and repeat themselves for several cycles. These simple harmonic waves can be ...

Equations of Wave Motion

Mathematically, the motion of a wave can be studied using a wavefunction. Consider a string oscillating up and down in simple harmonic motion, having a ...

Graphing the Wave Function

Consider the wave equation for a sinusoidal wave moving in the positive x-direction. The wave equation is a function of both position and time. From the ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14721.jpg

Velocity and Acceleration of a Wave

A wave propagates through a medium with a constant speed, known as a wave velocity. It is different from the speed of the particles of the medium, which ...

Speed of a Transverse Wave

The speed of a wave depends on the characteristics of the medium. For example, in the case of a guitar, the strings vibrate to produce the sound. The ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14722.jpg

problem-solving-tuning-of-a-guitar-string

Problem-Solving: Tuning of a Guitar String

In the case of stringed instruments like the guitar, the elastic property that determines the speed of the sound produced is its linear mass density or ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14744.jpg

Kinetic and Potential Energy of a Wave

All forms of waves carry energy; this is directly visualized in nature. For instance, the waves of earthquakes are so intense that they can shake huge ...

Energy and Power of a Wave

The total energy associated with a wavelength is the sum of the potential energy and the kinetic energy. The average rate of energy transfer associated ...

Interference and Superposition of Waves

When two waves of the same nature occur in the same region simultaneously, they result in interference. Interference of waves implies that the net effect ...

Reflection of Waves

When a wave travels from one medium to another, it gets reflected at the boundary of the second medium. A common example of this is when a person yells at ...

Propagation of Waves

When a wave propagates from one medium to another, part of it may get reflected in the first medium, and part of it may get transmitted to the second ...

Standing Waves

Sometimes waves do not seem to move; rather, they just vibrate in place. Unmoving waves can be seen on the surface of a glass of milk kept in a ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12783.jpg

Modes of Standing Waves - I

A close look at earthquakes provides evidence for the conditions appropriate for resonance, standing waves, and constructive and destructive interference. ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12784.jpg

Modes of Standing Waves: II

The starting point for expressing the modes of standing waves is understanding the boundary conditions that the waves must follow. The boundary conditions ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14723.jpg

Sound Waves

Sound waves can be thought of as fluctuations in the pressure of a medium through which they propagate. Since the pressure also makes the medium&#39;s ...

Sound as Pressure Waves

Sound waves, which are longitudinal waves, can be modeled as the displacement amplitude varying as a function of the spatial and temporal coordinates. As ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14724.jpg

Perception of Sound Waves

The human ear is not equally sensitive to all frequencies in the audible range. It may perceive sound waves with the same pressure but different ...

Speed of Sound in Solids and Liquids

Most solids and liquids are incompressible&#8212;their densities remain constant throughout. In the presence of an external force, the molecules tend to ...

Speed of Sound in Gases

The speed of sound in a gaseous medium depends on various factors. Since gases constitute molecules that are free to move, they are highly compressible. ...

Shock Waves

While deriving the Doppler formula for the observed frequency of a sound wave, it is assumed that the speed of sound in the medium is greater than the ...

Echo

The human ear cannot distinguish between two sources of sound if they happen to reach within a specific time interval, typically 0.1 seconds apart. More ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14729.jpg

Use mathematical representations to support a claim regarding relationships among the period, frequency, wavelength, and speed of waves traveling and transferring energy (amplitude, frequency) in various media.

HS-PS4-1.

Using GIS to Investigate Urban Forestry

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Urban forests broadly include urban parks, street trees, landscaped ...

Evaluate questions about the advantages of using a digital transmission and storage of information.

HS-PS4-2.

concept-of-resonance-and-its-characteristics

Concept of Resonance and its Characteristics

If a driven oscillator needs to resonate at a specific frequency, then very light damping is required. An example of light damping includes playing piano ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12772.jpg

Sound Waves: Resonance

Resonance is produced depending on the boundary conditions imposed on a wave. Resonance can be produced in a string under tension with symmetrical ...

Sound Waves: Interference

Sound waves can be modeled either as longitudinal waves, wherein the molecules of the medium oscillate around an equilibrium position, or as pressure ...

Interference: Path Lengths

Consider two sources of sound, that may or may not be in phase, emitting waves at a single frequency, and consider the frequencies to be the same.
Two ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14727.jpg

The Wave Nature of Light

The nature of light has been a subject of inquiry since antiquity. In the seventeenth century, Isaac Newton performed experiments with lenses and prisms ...

The Electromagnetic Spectrum

The electromagnetic spectrum consists of all the types of electromagnetic radiation arranged according to their frequency and wavelength. Each of the ...

The Quantum-Mechanical Model of an Atom

Shortly after de Broglie published his ideas that the electron in a hydrogen atom could be better thought of as being a circular standing wave instead of ...

Quantum Numbers

It is said that the energy of an electron in an atom is quantized; that is, it can be equal only to certain specific values and can jump from one energy ...

Interference and Diffraction

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Interference and diffraction ...

Photoelectric Effect

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38;&#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Photoelectric effect ...

Reflection and Refraction

Source: Derek Wilson,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA
...

Evaluate the claims, evidence, and reasoning behind the idea that electromagnetic radiation can be described either by a wave model or a particle model (quantum theory), and that for some situations one model is more useful than the other.

HS-PS4-3.

Electric Charge in a Magnetic Field

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment duplicates J.J. Thomson's famous experiment at the end of ...

Electromagnetic Fields

Electric fields generated by static charges, often referred to as electrostatic fields, are characteristically different from electric fields created by ...

Electromagnetic Waves

James Clerk Maxwell formulated a single theory combining all the electric and magnetic effects scientists knew during that time, calling the phenomena his ...

Electromagnetic waves are categorized according to their wavelengths and frequencies, giving the electromagnetic spectrum. These waves are classified as ...

Plane Electromagnetic Waves I

The existence of combined electric and magnetic fields that propagate through space as electromagnetic (EM) waves is the most significant prediction of ...

Plane Electromagnetic Waves II

Consider a plane wavefront traveling in position x-direction with a constant speed. This wavefront can be utilized to obtain the relationship between ...

propagation-speed-of-electromagnetic-waves

Propagation Speed of Electromagnetic Waves

Electromagnetic waves are consistent with Ampere&#39;s law. Assuming there is no conduction current Ampere&#39;s law is given as:


Consider a plane ...

Electromagnetic Waves in Matter

Electromagnetic waves can travel in the vacuum as well as in matter. For example light, which is an electromagnetic wave, can travel through air, water, ...

Energy Carried By Electromagnetic Waves

Anyone who has used a microwave oven knows there is energy in electromagnetic waves. Sometimes, this energy is obvious, such as in the summer sun&#39;s ...

Intensity Of Electromagnetic Waves

The energy transport per unit area per unit time, or the Poynting vector, gives the energy flux of an electromagnetic wave at any specific time. For a ...

Momentum And Radiation Pressure

An object absorbing an electromagnetic wave would experience a force in the direction of propagation of the wave. This force occurs because ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging

Source: Frederick W. Damen and Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana
In this video, high ...

an-introduction-to-drosophila-melanogaster

An Introduction to Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster, also known as the fruit fly, is a powerful model organism widely used in biological research that has made significant ...

an-introduction-to-the-zebrafish-danio-rerio

An Introduction to the Zebrafish: Danio rerio

Zebrafish (Danio rerio) are small freshwater fish that are used as model organisms for biomedical research. The many strengths of these fish include their ...

Evaluate the validity and reliability of claims in published materials of the effects that different frequencies of electromagnetic radiation have when absorbed by matter.

HS-PS4-4.

Tracking Cell Chemistry with Metabolic Labels

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards