Dynamical principles in biological processes: A model of charge migration in proteins and DNA

The generalized master equations (GMEs) that contain multiple time scales have been derived quantum mechanically. The GME method has then been applied to a model of charge migration in proteins that invokes the hole hopping between local amino acid sites driven by the torsional motions of the floppy backbones. This model is then applied to analyze the experimental results for sequence-dependent long-range hole transport in DNA reported by Meggers et al. [Meggers, E., Michel-Beyerle, M. E., & Giese, B. (1998) J. Am. Chem. Soc. 120, 12950–12955]. The model has also been applied to analyze the experimental results of femtosecond dynamics of DNA-mediated electron transfer reported by Zewail and co-workers [Wan, C., Fiebig, T., Kelley, S. O., Treadway, C. R., Barton, J. K. & Zewail, A. H. (1999) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 96, 6014–6019]. The initial events in the dynamics of protein folding have begun to attract attention. The GME obtained in this paper will be applicable to this problem.

Charge migration induced by attosecond pulses in bio-relevant molecules

After sudden ionization of a large molecule, the positive charge can migrate throughout the system on a sub-femtosecond time scale, purely guided by electronic coherences. The possibility to actively explore the role of the electron dynamics in the photo-chemistry of bio-relevant molecules is of fundamental interest for understanding, and perhaps ultimately controlling, the processes leading to damage, mutation and, more generally, to the alteration of the biological functions of the macromolecule. Attosecond laser sources can provide the extreme time resolution required to follow this ultrafast charge flow. In this review we will present recent advances in attosecond molecular science: after a brief description of the results obtained for small molecules, recent experimental and theoretical findings on charge migration in bio-relevant molecules will be discussed.

Charge transport in organic photovoltaic cells

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Ladungstransportes in organischen Solarzellen zu vertiefen. Mit Hilfe von Computersimulationen wird die Bewegung von Ladungsträgern in organischen Materialien rekonstruiert, und zwar ausgehend von den quantenmechanischen Prozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur makroskopischen Skala, wo Ladungsträgermobilitäten quantifizierbar werden. Auf Grundlage dieses skalenübergreifenden Ansatzes werden Beziehungen zwischen der chemischen Struktur organischer Moleküle und der makroskopischen Mobilität hergestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen), die zu der Optimierung photovoltaischer Wirkungsgrade beitragen. Das Simulationsmodell beinhaltet folgende drei Schlüsselkomponenten. Erstens eine Morphologie, d. h. ein atomistisch aufgelöstes Modell der molekularen Anordnung in dem untersuchten Material. Zweitens ein Hüpfmodell des Ladungstransportes, das Ladungswanderung als eine Abfolge von Ladungstransferreaktionen zwischen einzelnen Molekülen beschreibt. Drittens ein nichtadiabatisches Modell des Ladungstransfers, das Übergangsraten durch drei Parameter ausdrückt: Reorganisationsenergien, Lageenergien und Transferintegrale. Die Ladungstransport-Simulationen richten sich auf die Materialklasse der dicyanovinyl-substituierten Oligothiophene und umfassen Morphologien von Einkristallen, Dünnschichten sowie amorphen/smektischen Mesophasen. Ein allgemeiner Befund ist, dass die molekulare Architektur, bestehend aus einer Akzeptor-Donor-Akzeptor-Sequenz und einem flexiblen Oligomergerüst, eine erhebliche Variation molekularer Dipolmomente und damit der Lageenergien bewirkt. Diese energetische Unordnung ist ungewöhnlich hoch in den Kristallen und umso höher in den Mesophasen. Für die Einkristalle wird beobachtet, dass Kristallstrukturen mit ausgeprägter π-Stapelung und entsprechend großer Transferintegrale zu verhältnismäßig niedrigen Mobilitäten führen. Dieses Verhalten wird zurückgeführt auf die Ausbildung bevorzugter Transportrichtungen, die anfällig für energetische Störungen sind. Für die Dünnschichten bestätigt sich diese Argumentation und liefert ein mikroskopisches Verständnis für experimentelle Mobilitäten. In der Tat korrelieren die Simulationsergebnisse sowohl mit gemessenen Mobilitäten als auch mit photovoltaischen Wirkungsgraden. Für die amorphen/smektischen Systeme steigt die energetische Unordnung mit der Oligomerlänge, sie führt aber auch zu einer unerwarteten Mobilitätsabnahme in dem stärker geordneten smektischen Zustand. Als Ursache dafür erweist sich, dass die smektische Schichtung der räumlichen Korrelation der energetischen Unordnung entgegensteht.

Charge transfer and transport in DNA

We explore charge migration in DNA, advancing two distinct mechanisms of charge separation in a donor (d)–bridge ({Bj})–acceptor (a) system, where {Bj} = B1,B2, … , BN are the N-specific adjacent bases of B-DNA: (i) two-center unistep superexchange induced charge transfer, d*{Bj}a → d∓{Bj}a±, and (ii) multistep charge transport involves charge injection from d* (or d+) to {Bj}, charge hopping within {Bj}, and charge trapping by a. For off-resonance coupling, mechanism i prevails with the charge separation rate and yield exhibiting an exponential dependence ∝ exp(−βR) on the d-a distance (R). Resonance coupling results in mechanism ii with the charge separation lifetime τ ∝ Nη and yield Y ≃ (1 + δ̄ Nη)−1 exhibiting a weak (algebraic) N and distance dependence. The power parameter η is determined by charge hopping random walk. Energetic control of the charge migration mechanism is exerted by the energetics of the ion pair state d∓B1±B2 … BNa relative to the electronically excited donor doorway state d*B1B2 … BNa. The realization of charge separation via superexchange or hopping is determined by the base sequence within the bridge. Our energetic–dynamic relations, in conjunction with the energetic data for d*/d− and for B/B+, determine the realization of the two distinct mechanisms in different hole donor systems, establishing the conditions for “chemistry at a distance” after charge transport in DNA. The energetic control of the charge migration mechanisms attained by the sequence specificity of the bridge is universal for large molecular-scale systems, for proteins, and for DNA.

Fractional order modeling of large three-dimensional RC networks

An incidence matrix analysis is used to model a three-dimensional network consisting of resistive and capacitive elements distributed across several interconnected layers. A systematic methodology for deriving a descriptor representation of the network with random allocation of the resistors and capacitors is proposed. Using a transformation of the descriptor representation into standard state-space form, amplitude and phase admittance responses of three-dimensional random RC networks are obtained. Such networks display an emergent behavior with a characteristic Jonscher-like response over a wide range of frequencies. A model approximation study of these networks is performed to infer the admittance response using integral and fractional order models. It was found that a fractional order model with only seven parameters can accurately describe the responses of networks composed of more than 70 nodes and 200 branches with 100 resistors and 100 capacitors. The proposed analysis can be used to model charge migration in amorphous materials, which may be associated to specific macroscopic or microscopic scale fractal geometrical structures in composites displaying a viscoelastic electromechanical response, as well as to model the collective responses of processes governed by random events described using statistical mechanics.

Intrachain Energy Migration to Weak Charge-Transfer State in Polyfluorene End-Capped with Naphthalimide Derivative

Polyfluorene end-capped with N-(2-benzothiazole)-1 8-naphthalimide (PF-BNI) is a highly fluorescent material with fluorescence emission modulated by solvent polarity Its low energy excited state is assigned as a mixed configuration state between the singlet S(1) of the fluorene backbone (F) with the charge transfer (CI) of the end group BNI The triexponential fluorescence decays of PF-BNI were associated with fast energy migration to form an intrachain charge-transfer (ICCT) state polyfluorene backbone decay and ICCT deactivation Time-resolved fluorescence anisotropy exhibited biexponential relaxation with a fast component of 12-16 ps in addition to a slow one in the range 0 8-1 4 ns depending on the solvent showing that depolarization occurs from two different processes energy migration to form the ICCT state and slow rotational diffusion motion of end segments at a longer time Results from femtosecond transient absorption measurements agreed with anisotropy decay and showed a decay component of about 16 ps at 605 nm in PF BNI ascribed to the conversion of S(1) to the ICCT excited state From the ratio of asymptotic and initial amplitudes of the transient absorption measurement the efficiency of intrachain ICCT formation is estimated in 0 5 which means that on average, half of the excited state formed in a BNI-(F)(n)-BNI chain with n = 32 is converted to its low energy intrachain charge-transfer (ICCT) state

Classical approach to interpretation of the charge-dependence of peptide mobilities obtained by capillary zone electrophoresis

Published mobility measurements obtained by capillary zone electrophoresis of human growth hormone peptides are described reasonably well by the classical theoretical relationships for electrophoretic migration. This conformity between theory and experiment has rendered possible a more critical assessment of a commonly employed empirical relationship between mobility (u), net charge (z) and molecular mass (M) of peptides in capillary electrophoresis. The assumed linear dependence between u and z/M-2/3 is shown to be an approximate description of a shallow curvilinear dependence convex to the abscissa. An improved procedure for the calculation of peptide charge (valence) is also described. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Separation of bioactive peptides by electrodialysis with ultrafiltration membranes: membrane characteristics, ex-situ and in-situ digestion and their impact on peptide migration

Dissertation presented to Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa for obtaining the master degree in Membrane Engineering

Mondialisation et sociétés plurielles ou comment penser la relation entre santé et migration

Si la maladie relève de l'individuel, la santé, elle, participe du collectif et constitue aujourd'hui un enjeu de société et un analyseur du social qui s'inscrit au coeur du questionnement anthropologique. Devenue valeur de référence, elle se définit comme une construction socialement et politiquement élaborée dont les limites sont constamment rediscutées. Ce processus se déploie dans un contexte sans précédent dans l'histoire de l'humanité. En effet, nous sommes actuellement les témoins aussi bien que les acteurs de mutations Inédites et fondamentales: la mondialisation en cours, qui se caractérise par l'émergence simultanée de diverses innovations sociales et culturelles s'accompagne d'un changement de références considérable. Cette évolution transforme la logique de l'offre et de la demande, tout particulièrement en ce qui concerne la problématique santé et migration. Dans cette perspective, la prise en charge des requérants d'asile doit s'accompagner d'une analyse des fins politiques, éthiques et culturelles sous-jacentes à la crise et aux solutions recherchées dans les systèmes de santé.

Melt variability in percolated peridotite: an experimental study applied to reactive migration of tholeiitic basalt in the upper mantle

Melt-rock reaction in the upper mantle is recorded in a variety of ultramafic rocks and is an important process in modifying melt composition on its way from the source region towards the surface. This experimental study evaluates the compositional variability of tholeiitic basalts upon reaction with depleted peridotite at uppermost-mantle conditions. Infiltration-reaction processes are simulated by employing a three-layered set-up: primitive basaltic powder ('melt layer') is overlain by a 'peridotite layer' and a layer of vitreous carbon spheres ('melt trap'). Melt from the melt layer is forced to move through the peridotite layer into the melt trap. Experiments were conducted at 0.65 and 0.8 GPa in the temperature range 1,170-1,290 degrees C. In this P-T range, representing conditions encountered in the transition zone (thermal boundary layer) between the asthenosphere and the lithosphere underneath oceanic spreading centres, the melt is subjected to fractionation, and the peridotite is partially melting (T (s) similar to 1,260 degrees C). The effect of reaction between melt and peridotite on the melt composition was investigated across each experimental charge. Quenched melts in the peridotite layers display larger compositional variations than melt layer glasses. A difference between glasses in the melt and peridotite layer becomes more important at decreasing temperature through a combination of enrichment in incompatible elements in the melt layer and less efficient diffusive equilibration in the melt phase. At 1,290A degrees C, preferential dissolution of pyroxenes enriches the melt in silica and dilutes it in incompatible elements. Moreover, liquids become increasingly enriched in Cr(2)O(3) at higher temperatures due to the dissolution of spinel. Silica contents of liquids decrease at 1,260 degrees C, whereas incompatible elements start to concentrate in the melt due to increasing levels of crystallization. At the lowest temperatures investigated, increasing alkali contents cause silica to increase as a consequence of reactive fractionation. Pervasive percolation of tholeiitic basalt through an upper-mantle thermal boundary layer can thus impose a high-Si 'low-pressure' signature on MORB. This could explain opx + plag enrichment in shallow plagioclase peridotites and prolonged formation of olivine gabbros.

Quelle prise en charge pour une suspicion de thrombose veineuse profonde des membres inférieurs [Suspicion of lower limb deep vein thrombosis: update on diagnosis and treatment].

Si l'examen clinique revêt une importance essentielle en lymphologie et exige des praticiens expérimentés, la lymphoscintigraphie et plus récemment la lympho-fluoroscopie au vert d'indocyanine constituent des moyens d'investigation précieux dans la prévention, le diagnostic et le traitement des pathologies vasculaires lymphatiques. L'intérêt de la lymphoscintigraphie réside dans l'analyse qualitative et quantitative de la migration des macromolécules par les vaisseaux lymphatiques et l'évaluation du secteur lymphatique profond. La lympho-fluoroscopie se distingue de la lymphoscintigraphie par l'obtention d'une cartographie détaillée des vaisseaux lymphatiques superficiels et d'images dynamiques en temps réel. Elle apporte à l'angiologue et au physiothérapeute des informations irremplaçables sur leur contractilité et la présence de dérivations compensatoires à privilégier lors du drainage lymphatique manuel. Venous thromboembolism is a frequent disease with an annual incidence of 0.75-2.69/1000 reaching 2-7/1000 > 70 years. Deep vein thrombosis (DVT) and pulmonary embolism are two manifestations of the same underlying disease. Most frequent localization of DVT is at lower limbs. The diagnostic workup begins with an estimation of DVT risk, a judicious use of D-Dimers, and compression venous ultrasound depending on DVT probability. The development of direct oral anticoagulants and recent data on interventional DVT treatment, in selected cases, have widened the therapeutic spectrum of DVT. The present article aims at informing the primary care physician of the optimized workup of patients with lower limb suspicion of DVT.

Migration et compétence sanitaire : constats et exemple de l'Hôpital de l'enfance à Lausanne

[...] L'objectif de ce travail est d'exposer les notions de "compétence sanitaire" (Health Literacy) et d' "autonomisation" (Empowerment) dans un contexte de prise en charge pédiatrique des enfants de migrants. Nous sommes convaincus que ces deux concepts émergeants dans le domaine de la santé et appliqués au contexte migratoire constituent, sur les plans économiques et de management, des éléments qui peuvent mener à terme à : i) une réduction mesurable des coûts de la santé et ii) une porte d'entrée efficace dans un processus d'intégration - dont l'importance est reconnue sur le plan économique - des migrants dans leur pays d'accueil. Tout au long de ce travail, il apparaîtra comme évident que des données propres à la prise en charge sanitaire pédiatrique des enfants de migrants font actuellement souvent défaut, a fortiori l'application des concepts de compétence sanitaire et d'autonomisation pour cette part de la société. Nous le percevons comme une opportunité de mettre en place les conditions cadres pour combler ce vide. Nous poserons tout d'abord le cadre de ce mémoire au travers de la présentation des concepts de compétence sanitaire et d'autonomisation, en mettant en avant leurs aspects économiques dans les systèmes de santé actuels, en particulier en Suisse. Nous présenterons dans les chapitres 2 et 3 d'une part des données concernant l'état de santé de la population migrante en Suisse et d'autre part la stratégie mise en place au niveau fédéral dans le domaine " migration et santé 2008-2013 ". Le chapitre 4 nous permettra de présenter un "case study" que nous avons intégré à notre travail afin d'apporter des éléments plus concrets aux notions théoriques abordées dans ce mémoire. Nous avons choisi de nous concentrer sur l'Hôpital de l'Enfance de Lausanne (HEL) parce que l'HEL nous semble présenter un cas de structure hospitalière qui fait un effort remarquable de prise en charge médico-psycho-sociale des enfants de migrants. Le chapitre 5, en conclusion, aura pour objectif principal de soutenir que l'inclusion d'une dimension de management/gestion de la santé (représenté ici par l'autonomisation et la compétence sanitaire) introduirait une valeur ajoutée remarquable à l'effort constructif consenti sur le plan médico-social décrit au chapitre précédent. [Auteure, p. 4-5]

D’un système à l’autre : facteurs de risque d’incidence LSJPA chez les jeunes pris en charge en protection de la jeunesse en raison de troubles de comportement

Le but premier des services de protection de la jeunesse est de mettre fin à une situation de compromission et d’éviter que celle-ci ne se reproduise. Cependant, une meilleure connaissance des facteurs de risque d’incidence LSJPA chez les jeunes pris en charge en raison de leurs comportements problématiques permettrait de mieux identifier et ainsi, d’adapter les interventions chez ceux se révélant être les plus à risque de délinquance juvénile. La présente étude propose donc de décrire l’ampleur et le risque d’incidence c’est-à-dire, l’application d’une sanction ou d’une mesure en vertu de la LSJPA chez ces jeunes et de déterminer, parmi les facteurs associés au jeune et ceux inhérents à l’intervention, quels en sont les meilleurs prédicteurs. Pour ce faire, des données clinico-administratives des 16 centres jeunesse du Québec ont été utilisées. Ainsi, tous les enfants et adolescents dont le dossier a été fermé à la suite d’une première intervention en protection de la jeunesse en raison de troubles de comportement entre le 1er janvier 2005 et le 31 décembre 2009 ont été observés (N = 6 630). Des analyses de survie (modèle Kaplan-Meier) ainsi que des régressions de Cox ont été effectuées. Les résultats indiquent qu’un jeune pris en charge en raison de troubles de comportement a 39,7% de risque de migrer vers les services judiciaires pour adolescents dans les cinq années qui suivent la fermeture de son dossier. Sans grande surprise, les garçons présentent un plus grand risque que leurs homologues féminins. Il appert également que le risque d’incidence varie en fonction du sexe et de la présence de maltraitance lors de la prise en charge initiale. De plus, les facteurs associés à l’usager lui-même semblent avoir un impact plus important sur l’incidence que ceux associés à la prise en charge. Aussi, la récurrence dans les services de protection en raison de troubles de comportement mais également en raison de nouveaux éléments liés à la maltraitance sont au nombre des éléments à surveiller avec beaucoup d’attention puisqu’ils sont fortement liés à une migration vers la LSJPA. Les implications cliniques sont discutées et une ouverture sur de futurs travaux est faite.

Transnational Migration and Cross-border Mobility in the Serbian-Hungarian Border Region

The study is aiming to present migrant groups in the Serbian-Hungarian border region which are playing a role in forming transnational migration, ransnational networks and transnational spaces. Transnational migrants are using material, cultural, social and symbolical capital in various forms. The everyday activities of the people as well as their mobility, emotional attachments, and economic relationships have contributed to a transnational region the cross-border contacts in the last century were always present, even in spite of political and historical changes, only their intensity, political charge and tension has been changing. The asymmetries defining the border region has been reflected in different directions, places, time and in different volume. In this specially built and constantly reorganising scope, people who were living their everyday life have tried to use the differences for their benefit, and to improve their possibilities. With their transnational lifestyles and cross-border networks, they substantially contribute to the stability and prosperity of the cross-border region.

Characterization of osteopontin charge forms produced by osteoblasts

Osteopontin (OPN) is a highly-phosphorylated extracellular matrix protein localized in bone, kidney, placenta, T-lymphocytes, macrophages, smooth muscle of the vascular system, milk, urine, and plasma. In ROS 17/2.8 osteoblast-like osteosarcoma cells, 1,25-dihydroxyvitamin D3 [1,25(OH)2D 3] regulates OPN at the transcriptional level resulting in increased steady state mRNA levels and increased production of OPN protein, maximal at 48 hours. Using ROS 17/2.8 cells as an osteoblast model, OPN was purified from culture medium after three hour treatments of either vehicle (ethanol) or 1,25(OH)2D3 via barium citrate precipitation followed by immunoaffinity chromatography. ^ Here, further evidence of regulation of OPN by 1,25(OH)2D 3 at the posttranslational level is presented. Prior to the up-regulation of OPN at the transcriptional level, 1,25(OH)2D3 induces a shift in OPN isoelectric point (pI) detected on two-dimensional gels from pI 4.6 to pI 5.1. Loading equal amounts of [32P]-labeled OPN recovered from ROS 17/2.8 cells exposed to 1,25(OH)2D3 or vehicle alone for three hours reveals that the shift from pI 4.6 to 5.1 is the result of reduced phosphorylation. Using structural analogs to 1,25(OH) 2D3, analog AT [25-(OH)-16-ene-23-yne-D3], which triggers Ca2+ influx through voltage sensitive Ca2+ channels but does not bind to the vitamin D receptor, mimicked the OPN pI shift while analog BT [1,25(OH)2-22-ene-24-cyclopropyl-D 3], which binds to the vitamin D receptor but does not allow Ca 2+ influx, did not. Inclusion of the Ca2+ channel blocker nifedipine also blocks the charge shift conversion of OPN. Further analysis of the signaling pathway initiated by 1,25(OH)2D3 reveals that inhibition of the cyclic 3′,5′ -adenosine monophosphate-dependent kinase, protein kinase A, or inhibition of the cyclic 3′,5′-guanine monophosphate-dependent kinase, protein kinase G, also prevents the charge shift conversion. ^ Isolation of OPN from rat femurs and tibiae provides evidence for the existence of these two OPN charge forms in vivo, evidenced by differential migration on isoelectric focusing gels and sodium dodecyl sulfate-polyacrylamide gels. Peptide sequencing of rat long bone fractions revealed the presence of a presumed dentin specific protein, dentin matrix protein-1 (DMP-1). Western blot analysis confirmed the existence of DMP-1 in these fractions. ^ Using the OPN charge forms in functional assays, it was determined that the charge forms have differential roles in both cell surface and mineralization functions. In cell attachment assays and Ca2+ influx assays using PC-3 prostate cancer cells, the pI 5.1 charge form of OPN was found to permit binding and increase intracellular Ca2+ concentrations of PC-3 cells. The increase in intracellular Ca2+ concentration was found to be integrin αvβ3-dependent. In mineralization assays, the pI 4.6 charge form of OPN promoted hydroxyapatite formation, while the pI 5.1 charge form had improved Ca2+ binding ability. ^ In conclusion, these findings suggest that 1,25(OH) 2D3 regulates OPN not only at the transcriptional level, but also plays a role in determination of the OPN phosphorylation state. The latter involves a short term (less than three hours) treatment and is associated with membrane-initiated Ca2+ influx. Functional assays utilizing the two OPN charge forms reveal the dependence of OPN post-translational state on its function. ^