Etiquetado isotópico

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Etiquetado isotópico (o etiquetado isotópico) es una técnica utilizada para rastrear el paso de un Isótopo, o una átomo con una variación, a través de un reacción, vía metabólica, o célula. El reactivo se 'etiqueta' sustituyendo átomos específicos por su isótopo. El reactivo está permitido entonces someterse a la reacción. La posición de los isótopos en la productos se mide para determinar la secuencia del átomo isotópico seguido de la reacción o vía metabólica de la célula. El nucleidos puede ser utilizado en el etiquetado isotópico nucleidos estables o radionucleidos. En este último caso, el etiquetado se llama radiolabeling.

En el etiquetado isotópico, hay múltiples maneras de detectar la presencia de etiquetado isótopos; a través de sus masa, modo de vibración, o decaimiento radiactivo. Espectrometría de masas detecta que la diferencia en un isótopo 's masa, mientras que espectroscopia infrarroja detecta la diferencia en los modos vibracionales de los isótopos. Resonancia magnética nuclear detecta átomos con diferentes proporciones de gyromagnetic. El decaimiento radiactivo se puede detectar a través de un cámara de ionización o autorradiografías de geles.

Un ejemplo de la utilización de etiquetado isotópico es el estudio de fenol (C6H5OH) en agua mediante la sustitución de común hidrógeno (Protium) con deuterio (etiquetado de deuterio). Al agregar fenol a agua deuterado (agua que contiene D2O además de la habitual H2O), la sustitución del deuterio para el hidrógeno se observa en de fenol grupo hidroxilo (resultantes de C6H5OD), indicando fenol fácilmente sufre reacciones de intercambio de hidrógeno con agua. Sólo el grupo del oxhidrilo fue afectado, indicando que los otros 5 átomos de hidrógeno no participaron en estas reacciones de intercambio.

Contenido

  • 1 Trazador isotópico
  • 2 Estable isótopo etiquetado
    • 2.1 Análisis de flujo metabólico utilizando isótopos estables de etiquetado
    • 2.2 Técnicas de medición de etiquetado del isótopo
  • 3 Etiquetado radioisotópica
  • 4 Aplicaciones de la proteómica
  • 5 Aplicaciones para Oceanografía
    • 5.1 Transporte de partículas
    • 5.2 Circulación de
    • 5.3 Procesos tectónicos y el cambio climático
    • 5.4 Relacionadas con las armas nucleares de isótopos
  • 6 Métodos de etiquetado isotópico
  • 7 Véase también
  • 8 Referencias
  • 9 Enlaces externos

Trazador isotópico

10.1021/ja0213672 "> For example, the use of a carbon-13 label was used to determine the mechanism in the above proposed 1,2- to 1,3-didehydrobenzene conversion of the phenyl substituted aryne precursor 1 to acenaphthylene, reference: A m-Benzyne to o-Benzyne Conversion Through a 1,2-Shift of a Phenyl Group. Blake, M. E.; Bartlett, K. L.; Jones, M. Jr. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6485. doi:[//dx.doi.org/10.1021%2Fja0213672 10.1021/ja0213672

Un trazador isotópico, (también "marcador isotópico" o "etiqueta de isótopo"), se utiliza en química y Bioquímica para ayudar a entender química reacciones e interacciones. En esta técnica, uno o más de los átomos de de la molécula de de interés es sustituido por un átomo de la misma elemento químico, pero de una forma diferente Isótopo (como un radiactivo isótopos utilizados en Rastreo radiactivo). Porque el etiquetado átomo tiene el mismo número de protones, que se comporta en casi exactamente la misma forma que su homólogo sin etiqueta y, con pocas excepciones, no interferirá con la reacción bajo investigación. La diferencia en el número de neutrones, sin embargo, significa que puede ser detectado por separado de los otros átomos del mismo elemento.

Resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrometría de masas (MS) se utilizan para investigar los mecanismos de las reacciones químicas. RMN y MS detecta la diferencia isotópica, que permite que la información sobre la posición de los átomos marcados en la estructura de los productos que se determinarán. Con información sobre la colocación de los isótopos átomos en los productos, se puede determinar la vía de reacción que los metabolitos iniciales se utilizan para convertir en los productos. Isótopos radiactivos pueden analizarse utilizando la autorradiografías de geles en electroforesis en gel de. La radiación emitida por los compuestos que contienen isótopos radiactivos obscurece un pedazo de película fotográfica, registrando la posición de los compuestos marcados con respecto a uno otro en el gel.

Trazadores de isótopos se utilizan comúnmente en forma de cocientes del isótopo. Al estudiar la relación entre los dos isótopos del mismo elemento, evitamos los efectos que involucran la abundancia total del elemento, que generalmente las variaciones mucho más pequeñas en abundancias isotópicas de la Ciénaga. Trazadores isotópicos son algunas de las herramientas más importantes en Geología porque pueden ser utilizados para entender complejos procesos de mezcla en sistemas de la tierra. Discusión adicional de la aplicación de trazadores isotópicos en geología está cubierta bajo el título de geoquímica del isótopo.

Trazadores isotópicos se subdividen generalmente en dos categorías: Isótopo estable trazadores y radiogénico trazadores de isótopos. Trazadores de isótopos estables involucran sólo isótopos no radiogénicos y generalmente dependen de la masa. En teoría, cualquier elemento con dos isótopos estables puede utilizarse como un trazador isotópico. Sin embargo, los trazadores de isótopos estables más utilizados involucran isótopos relativamente ligeros, que fácilmente se someten a fraccionamiento en los sistemas naturales. Véase también firma isotópica. Un trazalíneas isótopo radiogénico [1] implica un isótopo producido por decaimiento radiactivo, que suele ser en una relación con un isótopos no radiogénicos (cuya abundancia en la tierra no varía debido a decaimiento radiactivo).

Estable isótopo etiquetado

Rastreo isotópico a través de reacciones de la pentosa fosfato. Los círculos azules indican un átomo de carbón etiquetado, mientras que los círculos blancos son un átomo de carbono sin etiqueta. [2]

Etiquetado del isótopo estable implica el uso de no radiactivo isótopos puede actuar como un trazalíneas utilizado para modelar varios sistemas químicos y bioquímicos. El isótopo elegido puede actuar como una etiqueta en que compuestos pueden ser identificados a través de resonancia magnética nuclear(RMN) y espectrometría de masas(MS). Algunos de los isótopos estables más comunes son 2H, 13C, y 15N, que además puede ser producido en Solventes de NMR, los aminoácidos, ácidos nucleicos, lípidos, común metabolitos y crecimiento de la célula medios de comunicación.[3] Los compuestos producidos utilizando isótopos estables o son especificados por el porcentaje de isótopos marcados (es decir, 30% uniformemente con la etiqueta 13C glucosa contiene una mezcla de 30% con 13 isótopo de carbono y 70% natural etiquetan carbono) o por las posiciones específicamente etiquetado de carbono en el compuesto (es decir, 1-13C glucosa que se etiqueta en la primera posición de carbono de la glucosa).

Una red de reacciones adoptada desde el vía de la glucólisis y de la pentosas fosfato se muestra en la que el isótopo de carbono etiquetado reorganiza a las posiciones de carbono diferentes a lo largo de la red de reacciones. La red se inicia con fructosa 6-fosfato (F6P), que tiene 6 átomos de carbono con una etiqueta 13C en la posición del carbono 1 y 2. 1,2-13C F6P se convierte en dos gliceraldehído 3-fosfato (G3P), uno de 2,3 -13C T3P y uno T3P sin etiqueta. El 2,3-13C T3P ahora puede ser reaccionado con sedoheptulosa 7-fosfato (S7P) para formar una etiqueta Erythrose 4-fosfato(E4P) y 5,613C F6P. T3P reaccionará con el S7P sintetizar productos sin etiqueta.[2] La figura muestra el uso de isótopos estables de etiquetado para descubrir el reordenamiento del átomo de carbono a través de reacciones con compuestos marcados específicos de posición.

Análisis de flujo metabólico utilizando isótopos estables de etiquetado

Determinar el porcentaje del isótopo etiquetado a través de una reacción. Si una etiqueta de 50% y 50% sin etiqueta metabolito se divide de la manera que se muestra, el porcentaje esperado de cada resultado se puede encontrar. Los círculos azules indican un átomo marcado, mientras que un círculo blanco indica un átomo sin etiqueta.

Análisis de flujo metabólico (MFA) con estable Isótopo el etiquetado es una herramienta importante para dilucidar el flujo de ciertos elementos a través de la vías metabólicas y reacciones dentro de un célula. Una etiqueta isotópica se alimenta a la célula y la célula puede crecer utilizando los alimentos etiquetados. Para el análisis estacionario de flujo metabólico debe llegar la célula una estado estacionario (los isótopos que entran y salen de la célula permanecen constantes con el tiempo) o de un estado cuasi-constante (estado constante se alcanza para un período determinado de tiempo).[4] El patrón de isótopos de la salida metabolito se determina. El patrón de isótopos de salida proporciona una valiosa información, que puede utilizarse para encontrar la magnitud de flujo, tasa de conversión de la reactivos Para productos, a través de cada reacción.[5]

La figura muestra la habilidad de usar diferentes etiquetas para determinar el flujo a través de una cierta reacción. Asumir que el metabolito original, un compuesto de tres carbono, tiene la capacidad de dividir en un metabolito de carbono y metabolitos de un carbono en una reacción entonces recombinar o permanecer un metabolito de tres carbono. Si la reacción está proporcionada de dos isótopos del metabolito en igual proporción, uno completamente etiquetados (círculos azules), comúnmente conocido como uniformemente marcada, y uno completamente sin etiqueta (círculos blancos). El camino hacia abajo el lado izquierdo del diagrama no muestra cualquier cambio en los metabolitos, mientras que el lado derecho muestra la división y la recombinación. Como se muestra, si el metabolito sólo toma el camino hacia el lado izquierdo, sigue siendo en una proporción 50-50 de metabolito uniformemente etiqueta a etiqueta. Si el metabolito sólo toma el lado derecho nuevo etiquetado patrones puede ocurrir, todos en igualan proporción. Otras proporciones pueden ocurrir dependiendo de la cantidad del metabolito original sigue el lado izquierdo de la vía frente a la derecha de la vía. Aquí se muestran las proporciones para una situación en la cual la mitad de los metabolitos tomar el lado izquierdo y el derecho de la mitad, pero pueden ocurrir otras proporciones.[6] Estos patrones de átomos etiquetados y sin etiquetar átomos en un compuesto representan isotopomers. Mediante la medición de la distribución del isotopomer de los metabolitos marcados diferentemente, se puede determinar el flujo a través de cada reacción.[7]

MFA combina los datos de isótopos de etiquetado con el estequiometría de cada reacción, restricción de[desambiguación necesitó]s y un procedimiento de optimización resolución un mapa de flujo. El irreacciones reversibles proporcionar las limitaciones termodinámicas necesarias para encontrar los flujos. A matriz de se construye que contiene la estequiometría de las reacciones. El intracelulares flujos son estimados usando un método iterativo en el que flujos simulados se enchufan el modelo estequiométrico. Se muestran los flujos simulados en un mapa de flujo, que muestra la tasa de reactantes a productos de cada reacción.[5] En la mayoría de mapas de flujo, cuanto más gruesa la flecha, cuanto mayor sea el valor de flujo de la reacción.[8]

Técnicas de medición de etiquetado del isótopo

Cualquier técnica en la medición de la diferencia entre isotopomers puede ser utilizado. Los dos métodos primarios, resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrometría de masas (MS), se han desarrollado para medir la masa isotopomers en el etiquetado del isótopo estable.

Protón NMR fue la primera técnica utilizada para 13C etiquetado experimentos. Usando este método, cada posición de carbono protonada solo dentro de un determinado piscina de metabolito puede observarse por separado de las otras posiciones.[9] Esto permite que el porcentaje de isotopomers etiquetados en esa posición específica que se conoce. El límite de a protón NMR es que si hay n átomos de carbono en un metabolito, sólo puede haber en la mayoría n valores diferentes enriquecimiento posicional, que es sólo una pequeña fracción de la información del isotopomer total. Aunque es limitar el uso de etiquetado protón NMR, experimentos de NMR del protón puro son mucho más fáciles de evaluar que experimentos con información isotopomer más.

Además Protón NMR, utilizando 13C NMR técnicas permitirá una visión más detallada de la distribución de la isotopomers. Un átomo de carbón etiquetado producirá diferente hiperfina partir señales dependiendo del estado del etiquetado de sus vecinos directos de la molécula.[9] Un pico de camiseta surge si los átomos de carbono vecinos no están etiquetados. Un pico de doblete emerge si sólo está etiquetado como un átomo de carbono vecino. El tamaño de la fractura de doblete depende del grupo funcional del átomo de carbono vecino. Si dos átomos de carbono vecinos están marcados, un doblete de dobletes puede degenerar en un trío si los doblete escisiones son iguales.

Las desventajas al uso de técnicas de RMN de Análisis de flujo metabólico propósitos es que es diferente de otras aplicaciones NMR debido a que es una disciplina bastante especializada. Un espectrómetro de RMN puede no estar directamente disponible para todos los equipos de investigación. La optimización de parámetros de medida NMR y análisis adecuado de las estructuras de pico requieren de especialista calificado en NMR. Ciertos metabolitos también pueden requerir procedimientos de medición especializados para obtener datos adicionales isotopomer. Además, se necesitan herramientas de software adaptadas para determinar la cantidad exacta de áreas de pico así como la identificación de la descomposición de enredados camiseta, doblete y triplete picos.

A diferencia de la resonancia magnética nuclear, espectrometría de masas (MS) es otro método que es más aplicable y sensible a los experimentos de análisis del flujo metabólico. Instrumentos de MS están disponibles en diferentes variantes. Diferente de () bidimensional de resonancia magnética nuclear2D-RMN), el MS trabajo directamente con los instrumentos hidrolizado de.[9]

En cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS), el MS es acoplado a un cromatógrafo de gases para separar los compuestos del hidrolizado. Los compuestos liberadores de la columna de GC son ionizados entonces y simultáneamente fragmentados. El beneficio en el uso de GC-MS es que no sólo la isotopomers masa del ion molecular se miden pero también el espectro de masa isotopomer de varios fragmentos, que aumenta significativamente la información medida.

En (cromatografía líquida-espectrometríaLC-MS), la GC se sustituye con un cromatógrafo líquido.[10] La principal diferencia es que derivatización química no es necesario. Aplicaciones de LC-MS para el Ministerio de relaciones exteriores, sin embargo, son raros.

En cada caso, MS instrumentos dividen una distribución particular isotopomer por su peso molecular. Isotopomers todos de un metabolito determinado que contienen el mismo número de átomos de carbono etiquetados se recogen en la señal de un pico. Porque cada isotopomer contribuye a exactamente un pico en el espectro de MS, el valor de porcentaje se puede calcular entonces para cada pico, produciendo la fracción de masa isotopomer.[9] Para un metabolito con átomos de carbono n, n + 1 las mediciones se producen. Después de la normalización, exactamente n informativo isotopomer masa cantidades permanecen.[9]

La desventaja de usar técnicas de MS es que para cromatografía de gases, la muestra debe ser preparada por derivatización química para obtener moléculas con carga. Hay numerosas cantidades de compuestos utilizados para muestras de derivatize. N, N-dimetilformamida dimetilacetal (DMFDMA)[11] y N-(tert-butyldimethylsilyl)-N-methyltrifluoroacetamide (MTBSTFA) [12] son dos ejemplos de compuestos que han sido utilizados para derivatize los aminoácidos.

Además, isótopo fuerte efectos observado afectan el tiempo de retención de isotopomers diferentemente marcadas en la columna de GC. Sobrecarga de la columna de GC también debe evitarse.[12]

Por último, la abundancia natural de otros átomos de carbono también conduce a una alteración en el espectro de masa isotopomer. Por ejemplo, cada átomo de oxígeno en la molécula también puede estar presente como un 17O isótopo como un 18O isótopo. Un impacto más significativo de la abundancia natural de isótopos es el efecto del silicio con una abundancia natural de los isótopos 29Si y 30Si. Si se utiliza en agentes derivatizando MS técnicas.[9]

Etiquetado radioisotópica

Artículo principal: Trazador radioactivo

Etiquetado radioisotópica, es una técnica para el pasaje de una muestra de sustancia a través de un sistema de seguimiento. La sustancia es "etiquetada" mediante la inclusión de radionucleidos en su composición química. Cuando estos caries, su presencia puede ser determinada mediante la detección de la radiación emitidos por ellos. Etiquetado radioisotópica, es un caso especial de etiquetado isotópico.

Para estos efectos, es un tipo especialmente útil de decaimiento radiactivo emisión del positrón. Cuando un positrón choca con un electrón, libera gran energía dos fotones viajando en direcciones diametralmente opuestas. Si el positrón se produce dentro de un objeto sólido, es probable que haga esto antes de viajar a más de un milímetro.[citación necesitada] Si ambos de estos fotones pueden ser detectadas, la ubicación del evento decaimiento puede determinarse precisamente.

Estrictamente hablando, etiquetado radioisotópica incluye solamente los casos donde radiactividad es introducida artificialmente por los experimentadores, pero algunos fenómenos naturales permiten análisis similares para llevar a cabo. En particular, datación radiométrica utiliza un principio estrechamente relacionado.

Aplicaciones de la proteómica

En proteómica, el estudio de todo el conjunto de proteínas expresada por un genoma, identificando enfermedades biomarcadores puede implicar el uso de estable isótopo etiqueta por los aminoácidos en cultura de célula (SILAC), que proporciona formas etiquetadas isotópicas de aminoácidos utilizados para estimar los niveles de proteínas.[13] Recombinante de la proteína, proteínas manipuladas son producidas en grandes cantidades y etiquetado del isótopo es una herramienta para detectar las proteínas correspondientes. El método usado para selectivamente unos se enriquecen con núcleos 13C o 15N o agotar 1H de ellos. Se expresaría la recombinante en e. coli con los medios que contienen 15N-cloruro de amonio como fuente de nitrógeno.[14] La resultante 15N etiquetado proteínas luego son purificadas por afinidad metal inmovilizado y su porcentaje estimado. Con el fin de aumentar la producción de proteínas marcadas y reducir el coste del isótopo marcado los medios de comunicación, un procedimiento alternativo principalmente incrementa la masa celular sin etiquetar medios antes de introducirlo en una cantidad mínima de media etiqueta.[15] Otra aplicación de etiquetado del isótopo estaría en la síntesis de ADN, que es la proliferación de la célula de medición en vitro. utiliza H3-timidina etiquetado para comparar el patrón de síntesis (o secuencia) en las células.[16]

Aplicaciones para Oceanografía

Trazadores isotópicos se utilizan extensivamente en Oceanografía para estudiar una amplia gama de procesos. Los isótopos utilizados son típicamente naturales con fuentes bien establecidas y las tasas de formación y decaimiento. Sin embargo, isótopos antropogénicos también pueden utilizarse con gran éxito. Los investigadores medir los cocientes isotópicos en diferentes lugares y tiempos para inferir información acerca de los procesos físicos del océano.

Transporte de partículas

El océano es una extensa red de transporte de partículas. Isótopos del torio pueden ayudar a los investigadores a descifrar el movimiento vertical y horizontal de la materia. 234TH tiene una tasa de producción constante y bien definida en el océano y una vida media de 24 días. Este isótopo natural se ha demostrado que varía linealmente con la profundidad. Por lo tanto, cualquier cambio en este patrón lineal puede ser atribuido al transporte de 234TH en partículas. Por ejemplo, bajos relaciones isotópicas en aguas superficiales con valores muy altos a pocos metros hacia abajo indica un flujo vertical en dirección descendente. Además, el isótopo de torio puede rastrearse en una profundidad específica para descifrar el transporte lateral de las partículas.[17]

Circulación de

Circulación dentro de los sistemas locales, tales como bahías, estuarios y aguas subterráneas, puede ser examinada con isótopos de radio. 223RA tiene una vida media de 11 días y puede ocurrir naturalmente en lugares específicos en los ríos y fuentes de agua subterránea. La relación de isótopo del radio entonces disminuirá el agua desde el río de la fuente entra en una bahía o estuario. Midiendo la cantidad de 223RA en un número de diversas localizaciones, un patrón de circulación puede ser descifrado.[18] Este mismo proceso exacto puede utilizarse también para estudiar el movimiento y descarga de las aguas subterráneas.[19]

Varios isótopos de plomo pueden utilizarse para el estudio de la circulación a escala mundial. Diferentes océanos (el Atlántico, Pacífico, Índico, etc.) tienen diferentes firmas isotópicas. Esto resulta de las diferencias en las relaciones isotópicas de los sedimentos y rocas dentro de los diferentes océanos.[20] Dado que los diferentes isótopos de plomo tienen vidas medias de 50-200 años, no hay tiempo suficiente para que las relaciones isotópicas que se homogeneizó en todo el océano entero. Por lo tanto, precisa análisis de relaciones isotópicas de Pb pueden utilizarse para estudiar la circulación de los océanos diferentes.[21]

Procesos tectónicos y el cambio climático

Isótopos con vidas medias muy largas se pueden utilizar para estudiar procesos de varios millones de años, como la tectónica y el cambio climático extremo. La relación isotópica de estroncio (Half-Life ~ 2 Ma) puede ser analizada dentro de núcleos de hielo para examinar cambios durante vida de la tierra. Las diferencias en esta relación dentro del núcleo de hielo indicaría alteraciones significativas en la geoquímica de la tierra.[21]

Relacionadas con las armas nucleares de isótopos

Dichos procesos se pueden medir utilizando isótopos que ocurren naturalmente. Sin embargo, isótopos antropogénicos también son extremadamente útiles para mediciones oceanográficas. Ensayos con armas nucleares liberan una plétora de isótopos poco comunes en los océanos del mundo. 3H, 129I, y 137CS puede encontrarse disuelto en agua de mar, mientras que 241AM y 238PU se unen a las partículas. Los isótopos disueltos en el agua son particularmente útiles en el estudio de circulación mundial. Por ejemplo, pueden indicar diferencias en cocientes isotópicos laterales dentro de un océano frentes de agua fuerte o giros.[22] Por el contrario, los isótopos Unidos a partículas pueden utilizarse para el estudio de transporte de masa en columnas de agua. Por ejemplo, altos niveles de Am o Pu puede indicar peculariedad cuando observó a grandes profundidades, o surgencia cuando observa en la superficie.[23]

Métodos de etiquetado isotópico

  • Síntesis química
  • Intercambio mediada por la enzima
  • Recombinante expresión de la proteína en medios etiquetados isotópicos.

Véase también

  • Usos de los radionucleidos
  • Radiactividad en biología
  • Trazador radioactivo
  • Isotopomer
  • Isotopologue
  • Etiquetado isobárico
  • Dilución de isótopos
  • Espectroscopia infrarroja de carbonilos de metal

Referencias

  1. ^ Dickin, A. P., 2005. Geología de isótopos radiogénicos, Cambridge University Press.
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Enlaces externos

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  • Síntesis de compuestos radiactivos
  • https://www.NIST.gov/MML/Analytical/Organic/isotopicallylabeledproteins.cfm
  • IsoSciences Síntesis de isótopos estables marcado compuestos

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