The change of cellular membranes on apoptosis: fluorescence detection

The strong plasma membrane asymmetry existing in living cells is lost on apoptosis, and it is commonly detected with the probes interacting strongly and specifically with phosphatidylserine (PS). This phospholipid becomes exposed to the cell surface, and the labeled annexin V is used for its detection. The requirement for early and Ca2+-independent detection of apoptosis in the formats of spectroscopy of cell suspensions, flow cytometry, microarray technology and confocal or two-photon microscopy stimulated efforts for the development of new methods. Since the PS exposure must produce integrated changes of electrostatic potential and hydration in the outer leaflet of cell membrane, its detection can be provided by direct response of smart fluorescence probes. This review is focused on basic mechanisms underlying the loss of membrane asymmetry during apoptosis and the principles lying in the background of new methods that demonstrate essential advantages over the annexin V-binding assay. The convenient wavelength-ratiometric technique based on fluorescent probe F2N12S is described in detail. It incorporates spontaneously into outer leaflet of cell membrane and the color change of its fluorescent emission associated with apoptosis can be easily detected. This article is part of a Special Issue entitled “Apoptosis: Four Decades Later”

Modern views on the structure and dynamics of biological membranes

Essential changes have been recently observed in views on the functioning, structural and dynamic properties of biological membranes. The previous results on hierarchical cluster-type structure of membranes and role of protein and lipid components are reconsidered. An established fact of dramatic difference in lipid composition between external and internal monolayers of plasma membranes is important for understanding membrane phenomena. In particular, there exist the differences between monolayers in surface charge and potential, ion binding, interaction with protein molecules, etc. A glycolipid component of outer monolayer and interaction of inner monolayer with cytoskeleton allow the membrane by expanding the asymmetry to attain its important functional properties. All that requires more critical approach to numerous data obtained with simplified biomembrane analogs – lipid and protein-lipid bilayer structures. In the attempts to describe and model the properties of cellular membranes there is a timely necessity to shift from two-dimensionality (which reduces the analysis to membrane plane only) to more realistic three-dimensional models.Останнім часом відбулися істотні зміни у поглядах на функціонування і структурно-динамічні властивості біологічних мембран. Переглянуто дані щодо ієрархічної кластерної будови мембран і ролі білкових і ліпідних компонентів. Встановлено факт драматичної різниці ліпідного складу між зовнішнім і внутрішнім моношарами плазматичних мембран, який має важливе значення для розуміння мембранних процесів. Зокрема, існують відмінності між моношарами у поверхневому заряді і потенціалі, зв’язуванні іонів, взаємодії з молекулами білків тощо. Гліколіпідний компонент зовнішнього моношару і взаємодія з цитоскелетом внутрішнього моношару дозволяють мембрані через поглиблення асиметрії набути важливих функціональних властивостей. Необхідний більш критичний підхід до результатів, одержаних зі спрощеними аналогами біомембран – ліпідними і білково-ліпідними бішаровими структурами. У спробах описання і моделювання властивостей клітинних мембран існує потреба відходу від двовимірності (що зводить аналіз лише в площину мембрани) і переходу до більш реалістичних тривимірних моделей.В последнее время произошли существенные изменения во взглядах на функционирование и структурно-динамические свойства биологических мембран. Пересмотрены данные о иерархичном кластерном строении мембран и роли белковых и липидных компонентов. Установлен факт драматических различий липидного состава между наружным и внутренним монослоями плазматических мембран, имеющий большое значение для понимания мембранных процессов. В частности, существуют различия между монослоями в поверхностном заряде и потенциале, связывании ионов, взаимодействии с белковыми молекулами и т. д. Гликолипидный компонент внешнего монослоя и взаимодействие с цитоскелетом во внутреннем монослое позволяют мембране за счет углубления асимметрии приобрести важные функциональные свойства. Необходим более критичный подход к многочисленным результатам, полученным с упрощенными аналогами биомембран – липидными и белково-липидными бислойными структурами. В попытках описания и моделирования свойств клеточных мембран существует актуальная потребность отхода от двухмерности (что сводит анализ лишь в плоскость мембраны) и перехода к более реалистичным трехмерным моделям

Spectroscopic Studies of New Fluorescent Nanomaterial Composed of Silver Atoms and Organic Dye

The novel fluorescent nanostructures are synthesized in a simple one-step process by UV light illumination of silver salt in a mixture with organic dye Thioflavin T. The latter serves both as a sensitizer in photoreaction and as molecular support. The most stable composite structures are obtained in 2-propanol. They are characterized by absorption spectra that are quite different from that of the dye and by strong excitation and emission bands with the maxima at 340 nm and 450 nm correspondingly. We suggest that this photoreaction product consists of two silver atoms and two dye molecules. We believe that this new fluorescent nanoscale material will find many applications in biosensing and bioimaging technologies. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3526

Fluorescent Few-Atom Clusters of Silver Formed in Organic Solvents on Polymeric Supports

Few-atom silver clusters are fluorophores with a set of attractive properties including sub-nanometer size, high quantum yield and large Stokes shift. Sharing high photostability with semiconductor quantum dots but being of much smaller size, lacking blinking and with expected lack of toxicity, they are especially attractive for biological imaging, down to single molecules. No less promising are their applications in chemical sensing and biosensing as well as for molecular optic and electronic devices on a single molecular level. We demonstrate that it is not a unique property of water that can provide the formation and stability of silver clusters. They can be produced on photoreduction in different organic solvents using the same polymeric template. Unique photophysical properties of these clusters share both similarities and differences to that of organic dyes. When you are citing the document, use the following link http://essuir.sumdu.edu.ua/handle/123456789/3512

Clustering Monte Carlo simulations of the hierarchical protein folding on a simple lattice model

A role of specific collective motions and clustering behavior in protein folding was investigated using simple 2D lattice models. Two model peptides, which have the sequences of hierarchical and non-hierarchical design, were studied comparatively. Simulations were performed using three methods: Metropolis Monte Carlo with the local move set, Metropolis Monte Carlo with unspecific rigid rotations, and the Clustering Monte Carlo (CMC) algorithm that has been recently described by the authors. The latter was developed with particular aim to provide a realistic description of cluster dynamics. We present convincing evidence that the folding pathways and kinetics of hierarchically folding sequence are not adequately described in conventional MC simulations. In this case the account for cluster dynamics provided by CMC algorithm reveals important features of folding of hierarchically organized sequences. Our data suggest that the methods, which enable specific cluster motions, should be used for realistic description of hierarchical folding.Досліджено роль специфічних колективних рухів та кластерної поведінки у фолдингу білків з використанням простих дво­вимірних граткових моделей. Проведено порівняльний аналіз пептидів з ієрархічною та неісрархічною будовою. Моделюван­ня здійснювали за допомогою трьох методів: стандартного методу Монте-Карло з локальним набором рухів, стандарт­ного методу з неспецифічними колективними обертаннями та кластерного методу Монте-Карло (CMC) запропонованого авторами для реалістичного моделювання динаміки класте­рів. Показано, що шляхи та кінетика ієрархічного фолдингу не можуть бути адекватно описані звичайними методами. У цьому випадку врахування кластерної динаміки у методі CMC виявляє важливі риси ієрархічного фолдингу. Визначено, up для реалістичного моделювання ієрархічного фолдингу потрібно використовувати розрахункові методи, які враховують спе­цифічні колективні рухи.Исследована роль специфических коллективных движений и динамики кластеров в фолдинге белков с использованием про­стых двухмерных решеточных моделей. Проведен сравнитель­ ный анализ фолдинга пептидов с иерархической и неиерархиче­ской структурой. Моделирование осуществляли с помощью трех методов: стандартного метода Монте-Карло с локаль­ним набором движений, стандартного метода с неспецифиче­скими коллективными вращениями и кластерного метода Монте-Карло (CMC), предложенного авторами для реали­стичного описания динамики кластеров. Показано, что пути и кинетика иерархического фолдинга не могут быть адекват­но описаны стандартными методами. В этом случае учет кластерной динамики в методе CMC выявляет важные осо­бенности иерархического фолдинга. Обнаружено, что для реалистичного моделирования иерархического фолдинга должны использоваться методы, учитывающие специфические коллек­тивные движения

Clustering Monte Carlo simulations of the hierarchical protein folding on a simple lattice model

A role of specific collective motions and clustering behavior in protein folding was investigated using simple 2D lattice models. Two model peptides, which have the sequences of hierarchical and non-hierarchical design, were studied comparatively. Simulations were performed using three methods: Metropolis Monte Carlo with the local move set, Metropolis Monte Carlo with unspecific rigid rotations, and the Clustering Monte Carlo (CMC) algorithm that has been recently described by the authors. The latter was developed with particular aim to provide a realistic description of cluster dynamics. We present convincing evidence that the folding pathways and kinetics of hierarchically folding sequence are not adequately described in conventional MC simulations. In this case the account for cluster dynamics provided by CMC algorithm reveals important features of folding of hierarchically organized sequences. Our data suggest that the methods, which enable specific cluster motions, should be used for realistic description of hierarchical folding.Досліджено роль специфічних колективних рухів та кластерної поведінки у фолдингу білків з використанням простих дво­вимірних граткових моделей. Проведено порівняльний аналіз пептидів з ієрархічною та неісрархічною будовою. Моделюван­ня здійснювали за допомогою трьох методів: стандартного методу Монте-Карло з локальним набором рухів, стандарт­ного методу з неспецифічними колективними обертаннями та кластерного методу Монте-Карло (CMC) запропонованого авторами для реалістичного моделювання динаміки класте­рів. Показано, що шляхи та кінетика ієрархічного фолдингу не можуть бути адекватно описані звичайними методами. У цьому випадку врахування кластерної динаміки у методі CMC виявляє важливі риси ієрархічного фолдингу. Визначено, up для реалістичного моделювання ієрархічного фолдингу потрібно використовувати розрахункові методи, які враховують спе­цифічні колективні рухи.Исследована роль специфических коллективных движений и динамики кластеров в фолдинге белков с использованием про­стых двухмерных решеточных моделей. Проведен сравнитель­ ный анализ фолдинга пептидов с иерархической и неиерархиче­ской структурой. Моделирование осуществляли с помощью трех методов: стандартного метода Монте-Карло с локаль­ним набором движений, стандартного метода с неспецифиче­скими коллективными вращениями и кластерного метода Монте-Карло (CMC), предложенного авторами для реали­стичного описания динамики кластеров. Показано, что пути и кинетика иерархического фолдинга не могут быть адекват­но описаны стандартными методами. В этом случае учет кластерной динамики в методе CMC выявляет важные осо­бенности иерархического фолдинга. Обнаружено, что для реалистичного моделирования иерархического фолдинга должны использоваться методы, учитывающие специфические коллек­тивные движения

Fluorescence spectroscopy in polymer science

Polymer science is an interdisciplinary field, combining chemistry, physics, and in some cases biology. Structure, morphology, and dynamical phenomena in natural and synthetic polymers can be addressed using fluorescence spectroscopy. The most attractive aspect of fluorescent reporters is that their fluorescence parameters can give information on the nanometer length scale with an exceptional sensitivity, which allows data acquisition with submicrometer spatial resolution and millisecond time resolution. The use of fluorescent reporter molecules is, in principle, an invasive technique. Because of the large size of polymer molecules, however, small fluorescent reporter molecules of a length scale of < 2 nm can be considered a small perturbation. Because of the enormous importance of synthetic polymers in our technology-based societies, almost every conceivable experimental technique has been applied in this field, but most of these tend to address the sample on a macroscopic scale. This chapter gives illustrative examples of the power of molecular fluorescence for investigating several microscopic aspects of polymer science

Excited state and ground state proton transfer rates of 3-hydroxyflavone and its derivatives studied by shpol'skii spectroscopy: The influence of redistribution of electron density

We studied the mechanisms of excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT) and ground-state back proton transfer (BPT) in 3-hydroxyflavone (3HF) at cryogenic temperatures. The focus was on substituents that change the distribution of electronic density on the chromophore and their influence on these reaction rates. Shpol'skii spectroscopy was applied for comparative studies of three compounds: 3HF, 3-hydroxy-4′-methoxyflavone (3HF-4′OMe), and 2-furyl-3-hydroxychromone (3HC-F). By comparing the spectral bandwidths with those of deuterated analogues, we could distinguish the lifetime broadening components in the high-resolution excitation and emission spectra, from which the time constants of the ESIPT and BPT reactions were calculated. The time constants for the ESIPT reaction were 0.093 ps for 3HF, 0.21 ps for 3HF-4′OMe, and slower than 0.6 ps for 3HC-F. For the same compounds, the BPT rates were 0.21, 0.47, and >2 ps, respectively. No change in bandwidth was observed over the temperature range 4-20 K, in agreement with a tunneling mechanism. Estimates for the barrier heights and proton-transfer distances are given. In addition, a systematic change in O-H bond strengths between ground and excited states was calculated from the isotope effect, observed as the shifts of the 0-0 bands in the excitation and emission spectra upon deuteration, The substantial effect of electron donating substituents on the rates of ESIPT and BPT reactions is in agreement with these changes

Solvent influence on excited-state intramolecular proton transfer in 3-hydroxychromone derivatives studied by cryogenic high-resolution fluorescence spectroscopy

High-resolution Shpol'skii spectra (recorded at 10 K in n-octane) of 3-hydroxychromone (3HC) substituted at the 2-position with a furan (3HC-F), a benzofuran (3HC-BF) or a naphthofuran group (3HC-NF) are presented. Being close analogues of 3-hydroxyflavone (3HF), these compounds can undergo excited-state intramolecular proton transfer (ESIPT). Luminescence can occur from the normal N* state (blue) or from the tautomeric T* state (green). Whether blue or green emission is observed is strongly dependent on hydrogen-bonding interactions with the environment. For all three chromones studied, high-resolution emission spectra in the green region (T*→T) were obtained in pure n-octane, showing four sites with distinct emission bands and detailed vibrational structures, whereas no blue emission was detected. Contrary to the spectra published for 3HF, the emission lines were very narrow (line-broadening effects beyond detection) which implies that the ESIPT rate constants are >1