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

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High School

Physical Science

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

Metabolic Labeling

代謝ラベリング

代謝ラベリングを使用して、生化学的変換とセルに発生する変更をプローブします。自然の生体分子の構造を模倣する化学類縁体を使用して、これは。セルは、類縁体の内因性の生化学的プロセスは、ラベル付けされている化合物を生産を利用します。ラベル検出および親和性の札は、SDS-PAGE や NMR などの他の生化学的分析手法を用いた代謝経路を解明するために使用することができることができます。
このビデオは、代謝ラベリングとショー 2 つの一般的な手順の概念を紹介します。 最初は、同位体標識を使用して蛋白質のリン酸化の特徴します。2 番目のカバー代謝ラベリングのも 3 つのアプリケーション内でのタンパク質間相互作用を特徴付けるための光反応性ラベリング表示されます: 植物素材をラベル付け、分類の速度を測定するための RNA および初期胚の糖鎖をラベリングします。

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代謝ラベリングを使用して、セルの機械を調査します。これは生化学的変換と発生する変更をプローブする化学類縁体を使って実現されます。このビデオは、同位体およびプロシージャ、およびいくつかのアプリケーションをラベリング光反応性代謝ラベリング、一般的な原則が表示されます。
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代謝ラベリングは、さまざまな方法を使用して実施できます。ここで同位体、光反応性、およびバイオ直交のラベル付けについて説明します。
自然相手のこと化学的に同一構造の類似を使用して実行は同位体標識しますですが、珍しい同位体組み込まれている構造。この L-リジン アナログ炭素・窒素原子、炭素 13、窒素 15 に置き換えられます。同位体の類縁体の存在下で培養した細胞は、その生化学的構造にそれらを組み込む予定します。代謝産物は細胞から収集および分析のための精製します。安定同位体のサンプルを分析するには、質量分析法や核磁気共鳴分光法などの技術を使用しています。放射性ラベルとサンプル同位体ラベリング プロトコルで示される液体のシンチレーション カウントと x 線フィルムを用いています。
光反応性ラベルは、紫外線にさらされるまで安定なタンパク質に組み込む機能グループです。機能グループは、最も近い蛋白質に結合する反応性官能基を形成します。一般的な例では、L-写真-ロイシン, 光反応性架橋剤の光反応基ジアジリン リングが含まれています。同位体ラベリングと対照をなして光反応性化学類縁体と自然相手のいくつかの化学類似があります。細胞は優先的に類縁体の天然化合物を組み込むことができます。したがって、模倣されている化合物の中で光反応性ラベリングを行うことが重要です。紫外線にさらされ、一度分類された蛋白質の光反応性グループ不安定になり、反応性の高いタンパク質の複雑な作成の原因に相互作用の蛋白質と相互リンク。架橋複合体は、SDS-PAGE と質量分析法を使用して、分析することができますスナップショットとして機能します。これはどんな反応が反応種を識別することによって代謝経路で発生しているし、の結合部位を決定することでやり取りする方法に洞察力を提供します。
Bioorthogonal ラベリング戦略は、自然な生体分子がほとんどない反応性を持つ小型の官能基を持つ類縁体を利用します。たとえば、アザイドと言われてその反応の生化学的反応に直交する、小規模の機能グループです。シュタウディンガー結紮のホスフィン グループのアジドフェニル グループを攻撃します。これは近くのエステル、アミン結合リガンドの結果と分子反応遷移状態を得られます。Bioorthogonal 機能グループ分子に組み込まれては蛍光官能など検出タグで結紮することができ、親和性抗原などタグします。
いくつかの概念および新陳代謝の戦略が議論されている今、研究室では、プロセスを見てみましょう。
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代謝標識実験の最初のステップは興味の蛋白質を集めることです。これを行うには、セル、プレート、育つ、表現方法は目的タンパク質の合成を促進するために使用されます。この例では、ロイシン豊富な繰り返しキナーゼまたはニラで表現されます。リン酸、放射性リン-32 を含む、アナログとして使用されます。電離放射線に対する保護するために適切な対策が必要です。これには、作業領域の設定、適切な保護具を身に着けている、放射能汚染のチェックが含まれます。安全対策が実行されると、同位体の類縁化合物を含む培地が用意しています。文化からメディアを削除、1 つを含む同位体化学類縁体に置き換えされ、培養します。次の培養細胞が分離します。ライセートの収集し、精製します。
浄化後、蛋白質は SDS ページを使用し、PVDF 膜に転送が解決されます。オートラジオグラフィーは、フィルムを x 線に膜を公開することによってされるので、蛍光イメージャを使用して測定します。西部にしみが付くこと、PVDF 膜のタンパク質の相対レベルを測定するために使用されます。この例ではロイシン豊富なリン酸化レベルは、キナーゼは、293 t 細胞を測定した合成を繰り返します。どのくらいリン ゲノムスキャニング ショーは、蛋白質に組み込まれました。ニラの蛋白質のレベルを解明西部にしみが付くこと。画像解析ソフトを使用して、蛋白質のリン酸化レベルの定量的なデータを取得します。
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この次の手順では、光反応性のラベルに示します。最初に、セルを準備して培養します。光反応性アナログ中間ログ段階でセルに追加し、培養します。この手順では、p benzoylphenylalanine が使用されます。サンプル間隔で収集、氷の上に置きます。サンプルは、時間の経過とともに生化学プロセスのスナップショットを取得する公開されます。興味の蛋白質は、精製し、SDS-PAGE を使用して解決します。
光反応性ラベリング戦略は興味の蛋白質と相互作用する化合物を識別するために使用されました。ウエスタンブロット高分子量蛋白質を示すショー タンパク質バンドとバイオアセッテイ照射試料に存在しています。これら紫外線照射時に発生する蛋白質蛋白質の相互作用により架橋からです。
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代謝ラベリング手順を確認しましたところ、今、いくつかのプロセスを使用する方法を見てみましょう。
代謝ラベリングの概念は、多細胞生物に拡張できます。植物は作り出されたラベルの付いた植物材料に安定同位体の豊富な密封された環境で育ちます。炭素 13 を含んでいる炭酸ガスは、窒素 15 の豊富な肥料を使用しながら、筐体に追加されます。結果収穫された植物材料は炭素・窒素循環の生態系からの質問に答えることができます。
ラベルは、古い RNA から新たに合成された RNA を分離をできます。アナログの初期濃度を変更すると、新しい RNA 合成の速度を決定できます。結果は、4 thiouridine の濃度がどのくらい新しい RNA の転写に影響を示します。さらに、分光光度計で直接 RNA にラベルの混入率を定量化することができます。
双直交クリックケミストリーを用いたゼブラフィッシュ胚の糖鎖がラベル付けできます。卵は、糖のアルキン ラベルでラベリング化合物が注入されます。幼虫の糖鎖が次に縛られる色素化合物に必要な開発段階で。胚の糖鎖はイメージします。異なる時点で生成される糖鎖は、胚の開発のさまざまな段階でさまざまな色を使用したラベリングによって識別できます。
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代謝ラベリング ゼウスのビデオを見てきただけ。このビデオ代謝ラベリングの概念と戦略を説明、2 つの一般的な手順を行って、技術の用途のいくつかをカバーします。
見てくれてありがとう!
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Metabolic labeling is used to probe the biochemical transformations and modifications that occur in a cell. This is accomplished by using chemical analogs ...

代謝標識は、細胞の機構を調査するために使用されます。これは、化学類似体を使用して、発生する生化学的変換と修飾を調査して達成されます。このビデオでは、代謝標識の原理、典型的な同位体および光反応性標識手順、およびいくつかのアプリケーションを紹介します。代謝標識は、いくつかの戦略を使用して実施できます。ここでは、同位体標識、光反応性標識、および生体直交標識について説明します。同位体標識は、天然の同位体と化学的に同一であるが、その構造に一般的でない同位体が組み込まれている構造類似体を使用して行われます。このL-リジン類似体では、炭素原子と窒素原子は炭素13と窒素15に置き換えられています。同位体類似体の存在下で培養された細胞は、それらを生化学的構造に取り込む。代謝物は細胞から収集され、分析のために精製されます。安定同位体を含むサンプルは、質量分析やNMR分光法などの手法を使用して分析されます。放射性標識のあるサンプルは、液体シンチレーション計数とX線フィルムを使用して分析され、同位体標識プロトコルで実証されます。光反応性標識は、タンパク質に組み込まれた官能基であり、紫外線にさらされるまで安定です。官能基は反応性ラジカルを形成し、これは最も近いタンパク質に結合します。一般的な例であるL-フォトロイシンには、光反応性架橋剤であるジアジリン環が含まれています。同位体標識とは対照的に、光反応性化学類似体とそれらの天然の対応物との間には化学的に相違点があります。細胞は、類似体よりも天然化合物を優先的に取り込むことができます。したがって、模倣される化合物を含まない媒体で光反応性標識を行うことが重要です。紫外線にさらされると、標識タンパク質の光反応性基は不安定で反応性が高くなり、相互作用するタンパク質と架橋してタンパク質複合体を形成します。架橋錯体はスナップショットとして機能し、SDS-PAGEおよび質量分析法を使用して分析できます。これにより、反応種を特定することで代謝経路でどのような反応が起こっているのか、また、結合部位を決定することでそれらがどのように相互作用するかについての洞察が得られます。生体直交標識戦略は、天然の生体分子との反応性がほとんどまたはまったくない小さな官能基を持つ類似体を利用します。例えば、アジドは小さな官能基であり、その反応性は生化学反応と直交すると言われています。シュタウディンガーライゲーションでは、ホスフィン基がアジド基を攻撃します。これにより、分子内で近くのエステルと反応する遷移状態が得られ、アミン結合配位子が得られます。生体分子に取り込まれた生体直交性官能基は、蛍光官能基などの検出タグや抗原などのアフィニティータグでライゲーションすることができます。代謝標識の概念と戦略についていくつか説明したところで、研究室でのプロセスを見てみましょう。代謝標識実験の最初のステップは、目的のタンパク質を収集することです。これを行うには、細胞をプレート上で増殖させ、発現方法を使用して目的のタンパク質の合成を促進します。この例では、ロイシンリッチリピートキナーゼ(LRRK)が発現しています。放射性リン-32を含むリン酸二ナトリウムが類似体として使用されます。電離放射線から保護するために、適切な対策を講じる必要があります。これには、作業エリアの設置、適切な保護具の着用、放射能汚染のチェックが含まれます。安全対策が講じられたら、同位体類似体を含む培地を調製します。培養物から培地を取り出し、同位体化学類似体を含む培地と交換し、インキュベートします。インキュベーション後、細胞を溶解します。ライセートを回収し、精製します。精製後、タンパク質はSDS-PAGEを使用して分離され、PVDFメンブレンに転写されます。オートラジオグラフィーは、メンブレンをX線フィルムにさらし、蛍光体イメージャーを使用して測定することによって実行されます。ウェスタンブロッティングは、PVDFメンブレン内の相対的なタンパク質レベルを測定するために使用されます。この例では、293T細胞で合成されたロイシンリッチリピートキナーゼのリン酸化レベルを測定しました。オートラジオグラムは、タンパク質にどれだけのリンが取り込まれたかを示しています。ウェスタンブロッティングは、LRRKタンパク質のレベルを解明します。画像解析ソフトウェアを使用して、タンパク質のリン酸化レベルの定量データを取得します。この手順では、光反応性標識について説明します。まず、細胞を調製し、培養します。光反応性アナログは、中対数期で細胞に添加され、インキュベートされます。この手順では、p-ベンゾイルフェニルアラニンが使用されます。サンプルは間隔を空けて収集され、氷の上に置かれます。次に、サンプルを曝露して、経時的な生化学的経路のスナップショットを取得します。次に、目的のタンパク質を精製し、SDS-PAGEを使用して分離します。光反応性標識戦略を使用して、目的のタンパク質と相互作用する化合物を同定しました。ウェスタンブロッティングによる免疫検出では、照射されたサンプル中に高分子量のタンパク質が存在することを示すタンパク質バンドが示されました。これらは、UV照射中に発生するタンパク質間相互作用による架橋によるものです。メタボリックラベリングの手順を確認したので、このプロセスの使用方法をいくつか見てみましょう。代謝標識の概念は、多細胞生物に拡張できます。植物は密閉された環境で栽培され、安定した同位体が豊富で、生産された標識植物材料に富んでいます。炭素13を含む二酸化炭素がエンクロージャーに追加され、窒素15が豊富な肥料が使用されます。収穫された植物材料は、生態系からの炭素と窒素の循環に関する質問に答えるのに役立ちます。標識により、新しく合成されたRNAを古いRNAから分離することができます。アナログの初期濃度を変えることで、新規RNA合成の動態を決定することができます。その結果、4-チオウリジンの濃度が新しいRNAの転写量に影響を与えることが示されています。さらに、標識のRNAへの取り込み速度は、分光光度計で直接定量化できます。バイコンソネゴンクリックケミストリーを使用して、ゼブラフィッシュの胚の糖鎖を標識できます。卵には標識化合物が注入され、その結果、糖鎖にアルキン標識がもたらされます。その後、幼虫の糖鎖は、目的の発育段階で色素化合物にライゲーションされます。次に、胚の糖鎖を画像化します。異なる時点で産生された糖鎖は、胚発生の異なる段階で異なる色を使用して標識することにより同定できます。JoVEの代謝ラベリングに関するビデオをご覧になりました。このビデオでは、メタボリックラベリングの背後にある概念とその戦略を説明し、2つの一般的な手順について説明し、技術の使用の一部について説明しました。ご覧いただきありがとうございます!

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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

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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

このコレクションでは、親和性クロマトグラフィーなどの一般的に使用される精製方法や、MALDI-TOFなどの分析方法について紹介します。さらに、共同免疫沈降法や代謝標識法など、生体分子の相互作用や機能を評価する方法も紹介します。

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

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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 ...

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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 ...

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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 ...

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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 ...

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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. ...

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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 ...

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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 ...

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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 ...

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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 ...

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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 ...

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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 ...

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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 ...

An Overview of Genetics and Disease

Many human diseases are associated with mutations or variations in genetic sequences. Some of these genetic variants are heritable, passed down from ...

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

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