Molecular Associations in Biology || Associations Moléculaires en Biologie: Théorie et Expérience. Propos d'Introduction

Associations Moléculaires en Biologie: Théorie et Expérience. Propos d'Introduction*

B E R N A R D P U L L M A N

Institut de Biologie Physico-Chimique

Laboratoire de Biochimie Théorique

Paris, France

E n cho i s i s san t c o m m e sujet de n o t r e c o l l o q u e les a s soc i a t i ons mo lécu la i r e s

en b io logie , n o u s a v o n s le s e n t i m e n t d ' a v o i r effect ivement p l acé ce t te r é u n i o n

a u cen t r e des p r é o c c u p a t i o n s d e la b io log ie m o l é c u l a i r e d ' a u j o u r d ' h u i . E n

effet, m a i n t e n a n t q u e la s t r u c t u r e d e la m a j o r i t é s i n o n d e la to ta l i t é des

b i o m o l é c u l e s s imples est en g r a n d e p a r t i e d é t e r m i n é e , q u e la s t r u c t u r e p r i m a i r e

des b i o p o l y m è r e s dev ien t é g a l e m e n t d e p l u s e n p l u s access ible , l ' in té rê t des

c h e r c h e u r s s ' o r i en te n e t t e m e n t vers la d é t e r m i n a t i o n d e la con f igu ra t i on

spa t i a le d e ces m a c r o m o l é c u l e s , avec n a t u r e l l e m e n t l ' a m b i t i o n d ' é luc ide r la

n a t u r e des forces r e s p o n s a b l e s d e leurs ca rac t é r i s t i ques e t en pa r t i cu l i e r d e

l 'exis tence e t d e la stabilité des s t r uc tu r e s o r d o n n é e s obse rvées . P a r a l l è l e m e n t

d e n o m b r e u s e s e t i m p o r t a n t e s r eche rches su r des p r o c e s s u s b io log iques

f o n d a m e n t a u x — p r o c e s s u s tels q u e t r a n s m i s s i o n d e l ' i n f o r m a t i o n géné t ique ,

c o d a g e , m u t a g é n è s e , c a r c i n o g é n è s e — m e t t e n t en év idence le rô le p r é p o n d é r a n t

d e s i n t e r a c t i o n s e n t r e différents t ypes d e ces b i o p o l y m è r e s , o u e n t r e ces

p o l y m è r e s e t des en t i t és p lu s pe t i tes .

O r il s ' avère q u e ces différents g r o u p e s d e p h é n o m è n e s , e t il y en a auss i

d ' a u t r e s n o n m o i n s i m p o r t a n t s q u i a p p a r a î t r o n t d a n s ce v o l u m e , q u e j e

n ' é n u m è r e p a s ici, m e t t e n t en j eu , s o u v e n t , le t y p e d ' i n t e r a c t i o n s q u e l ' o n

p e u t dés igner sous la d é n o m i n a t i o n géné ra l e d'associations moléculaires. L e u r

ca r ac t é r i s t i que p r inc ipa l e es t qu ' e l l e s n e c o m p o r t e n t p a s la f o r m a t i o n d e

vér i tab les l i a i sons c h i m i q u e s , fixes et for tes , m a i s i m p l i q u e n t c o m m e é l é m e n t

m o t e u r des forces n e t t e m e n t p lu s lâches et faibles d i tes forces intermoléculaires.

Il en résu l te u n aspec t b e a u c o u p p lus d y n a m i q u e , p lus fac i lement modi f i ab le

s o u s l'effet des a c t i o n s o u p e r t u r b a t i o n s ex té r ieures , d e telles s t r u c t u r e s o u

m é c a n i s m e s .

Si l ' é tude des a s soc i a t i ons mo lécu l a i r e s en b io log ie est p a r excel lence u n

p r o b l è m e d e b io log ie p h y s i c o - c h i m i q u e et , en t a n t q u e tel est l 'ob je t d e

r eche rches d a n s p lus ieu r s services d e n o t r e Ins t i t u t , c 'es t en p lus p o u r le

théor i c i en q u e j e suis u n sujet p a r t i c u l i è r e m e n t t e n t a n t e t cela p o u r p lus i eu r s

r a i s o n s :

* Ce travail a été exécuté dans le cadre de la Convention 67-00-532, de la Délégation

Générale à la Recherche Scientifique et Technique, Comité de Biologie Moléculaire.

1

2 B E R N A R D P U L L M A N

1. Les forces intermoléculaires sont moins bien connues, moins bien précisées

que ne le sont les forces chimiques associées avec les liaisons essentiellement

ou fortement covalentes. El les c o m p o r t e n t p lus ieu r s c o m p o s a n t e s p a r m i

lesquel les les p l u s s o u v e n t ci tées s o n t les l ia isons h y d r o g è n e s , les forces d e

V a n d e r W a a l s - L o n d o n (e l les -mêmes subdivisées en géné ra l en forces é l ec t ro -

s t a t iques , forces d ' i n d u c t i o n o u d e p o l a r i s a t i o n e t forces d e d i spe r s ion ) et

les forces d e t r ans fe r t d e c h a r g e s . Les r a p p o r t s e n t r e ces différentes c o m p o -

san tes , les va l eu r d e l eurs c o n t r i b u t i o n s re la t ives d a n s des c i r c o n s t a n c e s

d é t e r m i n é e s s o n t e n géné ra l difficiles à é tab l i r . E n fait t r ès s o u v e n t d e regre t -

t ab le s confus ions r é g n e n t m ê m e d a n s les espr i t s sur la s ignif icat ion d e ces

différentes f o r m e s d ' i n t e r a c t i o n . A ins i p a r e x e m p l e l o r s q u e fut é t ab l i e la

s t r u c t u r e en hél ice d o u b l e d e l ' ac ide d é s o x y r i b o n u c l é i q u e ( A D N ) la m a j o r i t é

des b io logis tes o n t c r u q u e la s tabi l i té d e cet édifice p r o v e n a i t essen t ie l l ement

des l ia isons h y d r o g è n e s e n t r e les p a i r e s d e bases c o m p l é m e n t a i r e s . L o r s q u e

p l u s t a r d d ivers a r g u m e n t s , s u r lesquels j e n ' ins i s te d ' a i l l eurs p a s ici, o n t

i n d i q u é q u ' u n e telle c o n c e p t i o n é ta i t dé fec tueuse o u p o u r le m o i n s insuffisante,

b e a u c o u p d ' a u t e u r s o n t a v a n c é q u e la s tabi l i té des ac ides nuc lé iques é ta i t d u e

s u r t o u t a u x i n t e r a c t i o n s V a n d e r W a a l s - L o n d o n en t r e les bases o u les pa i r e s

d e bases empi lées . E n c o r e a u j o u r d ' h u i o n vo i t s o u v e n t posée la q u e s t i o n de

savo i r si la s tab i l i té d e s ac ides nuc l é iques est d u e p r i n c i p a l e m e n t a u x l i a i sons

h y d r o g é n é e n t r e les bases h o r i z o n t a l e s o u a u x forces V a n de r W a a l s - L o n d o n

en t r e les ba se s s u p e r p o s é e s . O r p o s é e d e ce t te f açon la q u e s t i o n est s u r t o u t

m a l posée c a r elle laisse i m p l i c i t e m e n t s u p p o s e r qu ' i l existe u n e différence

f o n d a m e n t a l e e n t r e les forces o p é r a n t e n t r e les bases h o r i z o n t a l e s et celles

o p é r a n t en t r e les ba se s ve r t i ca l e s ; elle laisse s u p p o s e r en par t i cu l ie r q u e les

forces de V a n d e r W a a l s - L o n d o n n ' o p è r e n t p a s en t r e les bases h o r i z o n t a l e s

o u qu 'e l les y s o n t négl igeables . O r c 'es t là u n e c o n c e p t i o n e r r o n é e , c o m m e

cela a é té exp l i c i t emen t m o n t r é s u r l ' exemple m ê m e des i n t e r ac t i ons e n t r e les

bases p u r i q u e s e t p y r i m i d i q u e s p a r D e V o e et T i n o c o en 1962 et a m p l e m e n t

conf i rmé et préc isé d e p u i s p a r d ' a u t r e s . A n t i c i p a n t sur la d é m o n s t r a t i o n q u e

j ' e n d o n n e r a i p l u s lo in j e p e u x dé jà a n n o n c e r q u e les ca lculs d é m o n t r e n t q u e

ce s o n t les forces d e V a n d e r W a a l s - L o n d o n s ' exe rçan t à la fois en t r e les b a s e s

liées h o r i z o n t a l e m e n t e t les ba se s empi lées ve r t i ca l emen t et cela d a n s des

c o n t r i b u t i o n s s ens ib l emen t c o m p a r a b l e s q u i p e u v e n t ê t re cons idé rées c o m m e

é t a n t r e s p o n s a b l e s en g r a n d e p a r t i e d e la s tabi l i té d e la d o u b l e hél ice .

C o m m e a u t r e e x e m p l e d e confus ion j ' a j o u t e r a i l ' impréc i s ion des idées

r é g n a n t su r le rô l e des c o m p l e x e s d e t r ans fe r t d e cha rges d a n s la d é t e r m i n a t i o n

d e s t ruc tu re s e t r é a c t i o n s b i o c h i m i q u e s ( P u l l m a n et P u l l m a n , 1966). D e p u i s

q u e M u l l i k e n a d é v e l o p p é la t h é o r i e q u a n t i q u e des c o m p l e x e s d e t r ans fe r t

d e cha rges et q u e S z e n t - G y o r g y i (1960) a envisagé leur rô l e poss ib le d a n s des

p h é n o m è n e s b i o c h i m i q u e s , b e a u c o u p d e m a l e n t e n d u s se s o n t p r o p a g é s à leur

sujet. Ains i , n o m b r e u x s o n t ceux p o u r q u i la man i f e s t a t i on d e l 'exis tence d ' u n

I N T R O D U C T I O N 3

c o m p l e x e d e t r ans fe r t d e c h a r g e s p a r l ' a p p a r i t i o n d ' u n e b a n d e d ' a b s o r p t i o n

nouve l l e i m p l i q u e n é c e s s a i r e m e n t u n e c o n t r i b u t i o n a p p r é c i a b l e des forces d e

t r ans fe r t d e c h a r g e s à la s t ab i l i sa t ion d e l ' é ta t f o n d a m e n t a l d u c o m p l e x e , et

ce r t a ins p o s t u l e n t m ê m e u n pa ra l l é l i sme e n t r e la p o s i t i o n d e ce t t e b a n d e e t la

s t ab i l i sa t ion d u c o m p l e x e , c o n c e p t i o n q u i d u p o i n t d e v u e t h é o r i q u e est

g r a t u i t e e t d e ce fait s ' avère s o u v e n t e r r o n é e . D r . To l l i n a é té l ' u n des p r e m i e r s ,

j e c ro i s , t o u t a u m o i n s en b ioch imie , à le d é m o n t r e r su r l ' exemple des assoc ia -

t i o n s mo lécu l a i r e s e n t r e les flavines e t les p h é n o l s ( F l e i s c h m a n et To l l in ,

1965 ; vo i r auss i D e w a r et T h o m p s o n , 1966). D ' a u t r e s e r r e u r s d a n s ce d o -

m a i n e c o n c e r n e n t la s u r e s t i m a t i o n géné ra le d e la v a l eu r des forces d e t r ans fe r t

d e c h a r g e s ; j ' e n t e n d s p a r là la s u r e s t i m a t i o n d e la s t ab i l i sa t ion d e l ' é ta t

f o n d a m e n t a l g r âce a u t r ans fe r t f r ac t i onna i r e d ' é l e c t r o n s e n t r e les c o n s t i t u a n t s

d u c o m p l e x e . Il n ' e s t p a s t r o p difficile d e m o n t r e r q u e d a n s d e tels c o m p l e x e s

d ' a u t r e s forces i n t e rmolécu la i r e s , en pa r t i cu l i e r e n c o r e les forces d e V a n d e r

W a a l s - L o n d o n , p e u v e n t j o u e r , en ce q u i c o n c e r n e leur s t ab i l i sa t ion , u n rô l e

n e t t e m e n t p l u s i m p o r t a n t q u e les forces d e t r ans fe r t d e c h a r g e s . M m e M a n t i o n e

d e n o t r e l a b o r a t o i r e i l lus t re ra p lu s lo in d a n s ce v o l u m e cet é t a t d e chose s p a r

des exemples p réc i s . Ces difficultés s o n t n a t u r e l l e m e n t c e n t u p l é e s l o r s q u e le

c o m p l e x e d e t r ans fe r t d e c h a r g e s est , c o m m e cela a r r ive s o u v e n t , s o u p ç o n n é

m a i s n o n d é m o n t r é .

2. L'évaluation des forces intermoléculaires suppose la connaissance de

certaines caractéristiques physico-chimiques des biomolécules. A i n s i les

c o m p o s a n t e s é l ec t ros t a t iques et d ' i n d u c t i o n des forces d e V a n d e r W a a l s -

L o n d o n son t , en généra l , éva luées d a n s l ' a p p r o x i m a t i o n d ipô l e -d ipô l e et

d ipô l e -d ipô l e indu i t . L e u r ca lcu l nécess i te d o n c la c o n n a i s s a n c e des m o m e n t s

d ipo la i r e s et de s po la r i sab i l i t é s des mo lécu l e s in t e r ag i s san tes . L ' é v a l u a t i o n d e

forces de d i spe r s ion nécess i te en p l u s la c o n n a i s s a n c e d e l eurs po t en t i e l s

d ' i o n i s a t i o n q u i j o u e n t auss i u n rô le i m p o r t a n t d a n s les t r ans fe r t s d e c h a r g e s .

Or , t rès s o u v e n t ces ca rac t é r i s t i ques p h y s i c o - c h i m i q u e s s o n t i n c o n n u e s à

l ' h eu re ac tue l le et , en o u t r e , t rès difficiles à m e s u r e r . A ins i p a r exemple , si

l ' on c o n n a î t e x p é r i m e n t a l e m e n t le m o m e n t d ipo l a i r e des dér ivés s imples d e

Γ a d e n i n e e t d e la t h y m i n e , o n i g n o r e ceux d e la g u a n i n e e t d e la cy tos ine s ans

p a r l e r d e ceux d ' a u t r e s bases p u r i q u e s e t p y r i m i d i q u e s . O n i g n o r e c o m p l è t e -

m e n t e x p é r i m e n t a l e m e n t la d i r ec t ion d e loca l i sa t ion d e ces m o m e n t s . D e

m ê m e o n m a n q u e p r e s q u e c o m p l è t e m e n t d e t o u t e d o n n é e e x p é r i m e n t a l e su r

les po t en t i e l s d ' i o n i s a t i o n d e b i o m o l é c u l e s . L a t h é o r i e p e u t pa l l ie r ces défi-

c iences , en é v a l u a n t , a u j o u r d ' h u i avec u n e g a r a n t i e d ' e x a c t i t u d e r a i s o n n a b l e ,

ces types de q u a n t i t é s . E n fait des ca lcu ls t r è s pe r f ec t ionnés e t difficiles o n t

é té effectués d a n s ce d o m a i n e d a n s n o t r e l a b o r a t o i r e d u r a n t ces de rn i è re s

a n n é e s , en pa r t i cu l i e r p a r B e r t h o d et al. (1966a , b , 1967 ; D e n i s et P u l l m a n ,

1967), q u i n o u s fou rn i s sen t d ' a b o n d a n t e s i n f o r m a t i o n s su r ces g r a n d e u r s

p h y s i c o - c h i m i q u e s i n c o n n u e s . Le T a b l e a u I m o n t r e à t i t re d ' e x e m p l e d e telles

é v a l u a t i o n s des m o m e n t s d ipo la i r e s des p u r i n e s e t de s p y r i m i d i n e s .

T A B L E A U I

MOMENTS DIPOLAIRES DE PURINES ET PYRIMIDINES

Moment Moment Direction théorique expérimental

de localisation (en D) (en D)

Η , Ν

H

Purine

W H

Adenine

H

Guanine

4.15

3.16

6.76

4.3 dans 9-méthyl -purine

3.0 dans 9-méthyl-adénine

Moment Direction théorique

de localisation (en D)

3.86

Thymine

H

Cytosine

3.58

7.10

Moment expérimental

(en D)

3.9 dans l,3-dimê*thyl-uraci le

r

I

4

INTRODUCTION 5

3. A ce t y p e d e c o n s i d é r a t i o n s o n p e u t a jou te r les t e n t a n t e s perspectives

de perfectionnement des approximations impliquées dans la représentation de

différentes forces intermoléculaires. A ins i , p a r exemple , j ' a i d i t t o u t à l ' h eu re

q u e les forces d e V a n d e r W a a l s - L o n d o n s o n t éva luées en général d a n s

l ' a p p r o x i m a t i o n d ipo l a i r e . Or , u n e telle a p p r o x i m a t i o n n ' e s t ni jus t i f iable n i

a p p r o p r i é e , en fait, q u e l o r s q u e les sys tèmes in t e rag i s san t s s o n t sépa rés p a r

des d i s t ances r e l a t i vemen t g r a n d e s , supé r i eu res n e t t e m e n t à leurs d i m e n s i o n s

p r o p r e s . C e n ' e s t é v i d e m m e n t p a s le cas p a r exemple p o u r les i n t e r a c t i o n s

e n t r e les p u r i n e s et p y r i m i d i n e s des ac ides nuc lé iques . D a n s d e tels cas il

conv i en t d ' a b a n d o n n e r ce t te a p p r o x i m a t i o n et d 'u t i l i se r à sa p lace , c o m m e l ' on t

i n d i q u é exp l i c i t ement p a r m i les p r e m i e r s , Brad ley et al. (1964) et Hi r schfe lde r

(1965), l ' a p p r o x i m a t i o n des m o n o p ô l e s d a n s laque l le les i n t e r a c t i o n s é lec t ro -

s t a t iques s ' exercent en t r e les cha rges ne t t e s a t o m i q u e s e l l e s -mêmes . O r ce t te

d i s t r i bu t i on d e c h a r g e s n e p e u t p o u r l ' i n s t an t ê t re a t t e in te p a r a u c u n e m é t h o d e

expé r imen ta l e . L e p o i d s d ' u n e telle d é t e r m i n a t i o n r e p o s e d o n c e n t i è r e m e n t

su r la t héo r i e . D e so r t e q u e m ê m e si de telles é v a l u a t i o n s s o n t néce s sa i r emen t

t o u j o u r s a p p r o x i m a t i v e s , elles s o n t n é a n m o i n s d ' u n e ut i l i té essent iel le .

A ins i ce p a s s a g e d e d ipô les a u x m o n o p ô l e s d a n s le ca lcul de s forces d e

V a n de r W a a l s - L o n d o n a des c o n s é q u e n c e s h a u t e m e n t significatives. L ' i l lus t -

r a t i o n la p l u s c la i re d e ce t te s i t ua t ion m e p a r a î t ê t re c o n t e n u e d a n s l ' exemple

su ivan t q u e j e t i re d ' u n t r ava i l d e N a s h e t Brad ley (1966) . Les a u t e u r s o n t

r e che rché les m i n i m a d ' éne rg ie po ten t i e l l e suscept ib les d ' a p p a r a î t r e l o r s q u ' o n

p r o m è n e u n u rac i l e a u t o u r d ' u n e a d e n i n e d a n s le p l a n d e celle-ci. O r , l o r s q u e

d e tels ca lculs s o n t effectués d a n s l ' a p p r o x i m a t i o n des m o n o p ô l e s , de s

m i n i m a b ien ca rac té r i sés a p p a r a i s s e n t q u i c o r r e s p o n d e n t à des a r r a n g e m e n t s

m u t u e l s tels qu ' i l s ex is ten t d a n s les l ia i sons h y d r o g è n e . C e r é su l t a t es t d û

à la g r a n d e c o n t r i b u t i o n à l ' énergie é l ec t ros t a t i que des a t o m e s r a p p r o c h é s

d a n s les con f igu ra t ions c o r r e s p o n d a n t e s a u x l ia i sons h y d r o g è n e e t p e u t ê t re

cons idé ré c o m m e c o n f i r m a n t exp l ic i t ement le c a r a c t è r e essen t ie l l ement

é l ec t ros t a t i que d e telles l ia isons . R i e n d e pa re i l n ' e s t visible d a n s l ' a p p r o x i -

m a t i o n d ipo l a i r e . E n réa l i té d u fait d e la faible distance des a s soc i a t i ons

molécu la i r e s i n t e r v e n a n t en b io log ie p a r r a p p o r t a u x d i m e n s i o n s des c o m -

posés i m p l i q u é s de n o m b r e u s e s a u t r e s a p p r o x i m a t i o n s c lass iques d e p r o c é d é s

d ' é v a l u a t i o n s des forces i n t e rmolécu la i r e s , a d a p t é e s en généra l a u x in te r -

a c t i o n s à t r ave r s des d i s t ances p lu s g r a n d e s , s o n t à reviser et à pe r fec t ionner .

N o u s t r ava i l l ons b e a u c o u p en ce m o m e n t , c o m m e le fon t d ' a i l l eu r s auss i

d ' a u t r e s l a b o r a t o i r e s , su r ces p e r f e c t i o n n e m e n t s et M . Claver ie i n d i q u e r a

d a n s sa c o n t r i b u t i o n q u e l q u e s u n s de tels p e r f e c t i o n n e m e n t s , a c t u e l l e m e n t

en c o u r s d ' é l a b o r a t i o n d a n s n o t r e l a b o r a t o i r e .

A ins i t o u t e s ces différentes c o n s i d é r a t i o n s m e fon t c ro i r e q u e le d o m a i n e

des a s soc i a t i ons molécu la i r e s est u n d o m a i n e d e cho ix p o u r u n e é t ro i t e

c o l l a b o r a t i o n en t r e le t héo r i e et l ' expér ience . Il ne res te q u ' a m o n t r e r p a r u n


exemple qu ' i l p e u t en ê t re effect ivement a ins i . O n n ' a p a s d e pe ine d ' a i l l eurs

p o u r t r o u v e r u n tel exemple . E n effet, il suffit d e cons idé re r à ce p o i n t d e

vue , le sujet généra l des i n t e r ac t i ons et des a s soc ia t ions en t r e les p u r i n e s et

py r imid ines qu i sera a m p l e m e n t décr i t d a n s ce v o l u m e . Ains i , b ien q u e ce

soi t n a t u r e l l e m e n t leur significat ion p o u r la s tabi l i té de la s t r uc tu r e o r d o n n é e

des ac ides nuc lé iques q u i est l 'obje t final des r eche rches d a n s ce d o m a i n e ,

celles-ci o n t mi s en év idence et p o s é t o u t e u n e série d e p r o b l è m e s c o n n e x e s .

P a r m i ceux-ci les p lus f r a p p a n t s m e pa r a i s s en t associés a u x o b s e r v a t i o n s

su ivan tes :

1. L a d é c o u v e r t e p a r H o o g s t e e n (1959) q u e la cocr i s ta l l i sa t ion d e l ' a d é n i n e

et d e la t h y m i n e , subs t i tuées t o u t e s d e u x sur leurs azo te s g lycos id iques ,

c o n d u i t à u n e a s soc ia t ion p a r l ia ison h y d r o g è n e , q u i n ' e s t p a s c o n f o r m e a u

m o d è l e de W a t s o n - C r i c k : la t h y m i n e est liée à N 7 d e l ' adén ine e t n o n p a s à

N j . C e type de c r i s taux mix tes s 'est m o n t r é assez généra l d a n s les a s soc ia t ions

en t r e les dér ivés de l ' adén ine et de l 'uraci le . E n r e v a n c h e c 'es t la conf igu ra t ion

W a t s o n - C r i c k qu i p a r a î t la seule obse rvée d a n s les cocrys ta l l i sa t ions des

dér ivés d e la g u a n i n e et d e la cy tos ine ( t o u j o u r s subs t i tués sur leurs azo tes

g lycos id iques) .

2 . L 'exclus ivi té des a s soc ia t ions p a r l ia isons h y d r o g è n e ( q u e ce soi t d a n s

des cocrys ta l l i sa t ions o u en so lu t ion d a n s des so lvan t s n o n a q u e u x ) en t r e les

bases c o m p l é m e n t a i r e s d a n s le sens de W a t s o n - C r i c k ( A — Τ o u A — U et

G — C ) , a u c u n e a s soc ia t ion ne p a r a i s s a n t s ' é tabl i r en t r e les bases n o n c o m -

p l é m e n t a i r e s en ce sens ( A — G , C — T , A — C o u G — T ) . C 'es t u n p h é n o m è n e

qu i , à p r e m i è r e vue , a u n e a l lu re u n p e u m a g i q u e , c a r chimiquement r i en ne

p a r a î t s ' o p p o s e r à ce q u e d e telles a s soc ia t ions n o n c o m p l é m e n t a i r e s se

f o r m e n t en d e h o r s des ac ides nuc lé iques . J e préc ise q u e ce t te exclusivi té

c o n c e r n e les bases p résen tes d a n s les ac ides nuc lé iques et p o r t a n t d a n s ces

expér iences u n s u b s t i t u a n t s imple su r leur a z o t e g lycos id ique .

Ce t t e exclusivité d a n s les cocrys ta l l i sa t ions o u les a s soc ia t ions en so lu t i on

ne pré juge p a s n a t u r e l l e m e n t d e la poss ibi l i té d ' é t ab l i s s emen t de tels c o u p l a g e s

n o n c o m p l é m e n t a i r e s d a n s d ' a u t r e s c i r cons t ances p l u s par t i cu l iè res , o ù ils

p o u r r a i e n t ê t re i m p o s é s p a r des fac teurs ex té r ieurs . E n fait la poss ib i l i té d e

c o u p l a g e s n o n c o m p l é m e n t a i r e s a é té envisagée p a r exemple d a n s la " w o b b l e "

h y p o t h è s e de Cr ick (1966) à p r o p o s des i n t e r ac t i ons c o d o n - a n t i c o d o n , o u

c o m m e p o u v a n t in te rven i r d a n s la s t ruc tu re de ce r t a ins ac ides r i bonuc l é iques

( A R N ) ( W a r s h a w et T i n o c o , 1966; T r a u b et E l son , 1966).

3 . L o r s q u e a u lieu d 'u t i l i ser les bases subs t i tuées sur leur a z o t e g lycos id ique

o n fait a p p e l à des bases e n t i è r e m e n t l ibres , aucune a s soc ia t ion ne p a r a î t p lus

s 'é tabl i r en t r e elles.

4 . D e s p h é n o m è n e s a n a l o g u e s des a s soc ia t ions préférent ie l les , à géomé t r i e

p r o b a b l e m e n t chois ie , se p r o d u i s e n t auss i p o u r des i n t e r ac t i ons ver t icales

(en s andwich ) en t r e les p u r i n e s et py r imid ines , telles qu 'e l les se man i fe s t en t

INTRODUCTION 7

d a n s les a s soc i a t i ons e n t r e ces bases en s o l u t i o n d a n s l ' eau , si a b o n d a m m e n t

et m a g i s t r a l e m e n t é tud iées p a r T s ' o et ses c o l l a b o r a t e u r s et p a r J a r d e t z k y et

d a n s les i n t e r a c t i o n s e n t r e les bases d a n s les d inuc l éo t ide s , o l igonuc leo t ides , et

po lynuc l eo t ides , é tud iées p a r t o u t e u n e p h a l a n g e d e c h e r c h e u r s r ep ré sen t ée

d i g n e m e n t d a n s ce v o l u m e p a r M M . T i n o c o , D o t y , M i c h e l s o n e t B r a h m s ,

et q u i p e u v e n t se r é s u m e r d a n s ce t te q u e s t i o n essentiel le q u e d o i v e n t se p o s e r

les nuc l eo t ides : To stack or not to stack ?

C e vas te e n s e m b l e d ' o b s e r v a t i o n s est-il suscept ib le d ' u n e i n t e r p r é t a t i o n

h o m o g è n e ? Les ca lculs q u a n t i q u e s p a r a i s s e n t fou rn i r u n e r é p o n s e pos i t ive à

ce t te q u e s t i o n . Ains i , le T a b l e a u I I r é s u m e t o u t u n e n s e m b l e des r é su l t a t s d e

T A B L E A U I I

ENERGIE D'INTERACTION (KCAL/MOLE) D A N S LES PAIRES DE BASES LIÉES

PAR LIAISONS H Y D R O G È N E

A — A

T — T

- 5 . 8

- 5 . 2 A — T - 7 0

G — G

C — C

- 1 4 . 5

- 1 3 G — C — 1 9 - 2

A — A

C — C

- 5 . 8

- 1 3 A — C - 7 - 8

G — G

T — T

- 1 4 . 5

- 5 . 2 G — T - 7 - 4

C — C

T — T

- 1 3

- 5 . 2 C — T - 6 - 5

A — A

G — G

- 5 . 8

- 1 4 . 5

A T > A ~ A A 1 > γ — γ

G - C > C - C

A — G

A — C < C — C

G — T < G — G

C — T < C — C

A — G < G — G

- 7 - 5

calculs effectués d a n s n o t r e l a b o r a t o i r e ( P u l l m a n et al. 1966a, b , c) su r les

i n t e r ac t i ons h o r i z o n t a l e s en t r e les p u r i n e s et p y r i m i d i n e s nuc lé iques co r r e s -

p o n d a n t à la f o r m a t i o n des a s soc ia t ions p a r l ia isons h y d r o g è n e s . L e s r é su l t a t s

figurant sur le T a b l e a u II c o r r e s p o n d e n t a u x ca lculs effectués d a n s l ' a p p r o x i -

m a t i o n des m o n o p ô l e s , le n o m b r e figurant sur le t a b l e a u r e p r é s e n t a n t l ' énergie

t o t a l e d e l ' i n t e rac t ion , s o m m e des énergies é l ec t ros ta t iques , d ' i n d u c t i o n et

de d i spe r s ion . Ces n o m b r e s c o r r e s p o n d e n t d a n s c h a q u e cas à l ' a s soc ia t ion la

p lus for te o b t e n u e d a n s l ' h y p o t h è s e o ù les azo t e s g lycos id iques ne s o n t p a s

d i spon ib l e s p o u r l ' a s soc ia t ion . C o m m e n o u s le v e r r o n s d a n s le cl iché su ivan t


T A B L E A U III

ENERGIE D'INTERACTION^KCAL/MOLE) D A N S LES DIFFÉRENTES CONFIGURATIONS

A D E N I N E - T H Y M I N E ET G U A N I N E - C Y T O S I N E

C o n f i g u r a t i o n Ε PP Ε Ρ 0Ί EL £ t o t a l e

- 4 . 6 1 - 0 . 2 7 - 0 . 7 7 - 5 . 6 5

- 5 . 8 5 - 0 . 2 2 - 0 . 9 8 - 7 . 0 5

- 5 . 6 4 - 0 . 1 8 - 1 . 0 3 - 6 . 8 5

I N T R O D U C T I O N

T A B L E A U III ( s u i t e )

C o n f i g u r a t i o n EL E t o t a l e

NH

H O

H N

-3.98 1.33 - 0 . 4 4

iL^N Ν N H

-5.75

Epp = é n e r g i e m o n o p o l e - m o n o p o l e ; E pa = é n e r g i e m o n o p o l e - d i p o l e i n d u i t ;

EL - é n e r g i e d e d i s p e r s i o n .

ce sera , p a r exemple , la conf igu ra t ion d e H o o g s t e e n p o u r la pa i r A — T et

celle de W a t s o n - C r i c k p o u r la pa i r e G — C . C o m m e v o u s p o u v e z le r e m a r q u e r ,

n o s calculs c o u v r e n t à la fois les a s soc ia t ions ex is tan tes et celles q u i n ' ex i s t en t

p a s . C ' es t é v i d e m m e n t u n a v a n t a g e d e théor i c i en sur l ' e x p é r i m e n t a t e u r q u e

d e p o u v o i r é tud ie r ce q u i n 'ex is te p a s .

R e m a r q u o n s t o u t d ' a b o r d , et cela se ra le p o i n t de d é p a r t d e la r é p o n s e à

ce r t a ins p r o b l è m e s q u i n o u s in té ressent , q u ' e n ce qu i c o n c e r n e les a u t o a s s o c i a -

t i ons de bases o n p e u t diviser celles-ci en d e u x g r o u p e s : d ' u n e p a r t les

a u t o a s s o c i a t i o n s G — G et C — C c o r r e s p o n d a n t a u x énergies d ' i n t e r a c t i o n s

élevées et d ' a u t r e p a r t A — A et T — T auxque l l e s c o r r e s p o n d e n t des énergies

d ' i n t e r a c t i o n n e t t e m e n t p lu s faibles.

Si n o u s r e g a r d o n s m a i n t e n a n t les différentes a s soc ia t ions mix tes q u e l ' on

p e u t c o n s t r u i r e à p a r t i r de ces m ê m e s bases , o n c o n s t a t e q u e celles-ci auss i

se d iv isent en d e u x g r o u p e s : d ' u n e p a r t les pa i re s c o m p l é m e n t a i r e s A — T

et G — C d o n t les énergies d ' i n t e r a c t i o n s o n t supér ieures a u x énerg ies d ' a u t o -

as soc ia t ion d e leur d e u x c o n s t i t u a n t s ( o u a la m o y e n n e de ces énergies) et ,

d ' a u t r e p a r t , t o u t e s les pa i res n o n c o m p l é m e n t a i r e s p o u r lesquel les les

énergies d ' i n t e r a c t i o n sera ien t en e l les -mêmes app réc i ab l e s m a i s t o u j o u r s

infér ieures à l ' une des énergies d ' a u t o a s s o c i a t i o n de l ' un de leur c o n s t i t u a n t

( G o u C) . C e t t e s i t ua t i on suggère p a r e l l e -même l ' expl ica t ion de l 'exclusivi té

" m a g i q u e " des a s soc i a t i ons c o m p l é m e n t a i r e s A — T et G — C , seules suffisa-

m m e n t s tab les p a r r a p p o r t a u x a u t o a s s o c i a t i o n s p o u r p o u v o i r se f o r m e r

à leur d é p e n s .

Le T a b l e a u I I I i n d i q u e avec u n peu p lus de dé ta i l s les r ésu l t a t s d e ca lculs

p o u r les différents m o d e s de c o u p l a g e poss ib les d a n s les a s soc ia t ions A — Τ

et G — C . S o u l i g n o n s la p r é p o n d é r a n c e d u c o u p l a g e H o o g s t e e n p o u r la pa i r e

A — Τ et d u c o u p l a g e W a t s o n - C r i c k p o u r la pa i re G — C . R e m a r q u o n s

é g a l e m e n t q u e la p a r t i e essentiel le de l ' énergie d ' i n t e r a c t i o n p r o v i e n t d a n s ces


T A B L E A U I V

RÉSULTATS EXPÉRIMENTAUX SUR LES INTERACTIONS PAR LIAISONS H Y D R O G È N E

ENTRE LES BASES DES A C I D E S NUCLÉIQUES

Résultat Solvent Méthode Références

A — U > A — A ou U — U C D C U CDCI3 CDCI3

IR IR IR

Hamlin et al. (1965) Kyogoku et al. (1967) Miller et Sobell (1967)

G — C > G — G ou C—C CDCI3 IR K a t z e t Penman (1966); K y o g o k u et al (1966)

G — C > A — T ou A — U D M S O 4 - CHCI3 CHCI3 D M S O

N M R IR N M R .

Katz et Penman (1966); Bitha et al. (1966) Shoup et al. (1966).

G — G > C—C C H C 1 3 IR Kyogoku et al. (1966)

U — U > A — A CHCI3 IR Kyogoku et al. (1967)

Aucune interaction entre les bases non complé-mentaires

Pas de cocrystal-lisation

Haschemeyer et Sobell (1964); Shoup et al. (1966); Kyogoku et al. (1966);

Aucune interaction entre les bases non substituées sur l'azote glycosidique

Miller et Sobell (1966); Sobell (communications privée)

c o u p l a g e s d e la c o m p o s a n t e é l ec t ros t a t ique . S igna lons auss i q u e , c o m m e

l ' i nd ique le T a b l e a u IV, p r e s q u e t o u t e s les p r é d i c t i o n s de dé ta i l s c o n t e n u e s

d a n s les ca lcu ls se t r o u v e n t vérifiées ac tue l l emen t p a r l ' expér ience . Le seul

d é s a c c o r d avec celle-ci c o n c e r n e la s tabi l i té re la t ive des a u t o a s s o c i a t i o n s

U — U et A — A . S igna lons auss i q u e ces calculs o n t p e r m i s de r e n d r e c o m p t e

de la s t r uc tu r e cr is ta l l ine de différentes p u r i n e s et py r imid ines ( P u l l m a n

et al., 1966a).

J u s q u ' i c i n o u s a v o n s cons idé ré , en a c c o r d avec la réal i té e x p é r i m e n t a l e

la p lus c o u r a n t e , des i n t e r ac t i ons en t r e les bases subs t i tuées sur les azo t e s

g lycos id iques . L a q u e s t i o n p e u t ê t re posée d e savoi r ce qu i se pas se ra i t si

l ' on m e t t a i t en p résence des bases e n t i è r e m e n t l ibres . D a n s ces cas il c o n v i e n t

d ' env i sage r u n type c o m p l é m e n t a i r e d ' a u t o a s s o c i a t i o n et d ' a s s o c i a t i o n mix te

de bases m e t t a n t en j e u le p r o t o n a t t a c h é à l ' azo te g lycos id ique . Les résu l t a t s

de ca lculs o b t e n u s d a n s ce t te nouve l le h y p o t h è s e o u p l u t ô t les modi f i ca t ions

q u e ce t te nouve l le h y p o t h è s e e n t r a î n e p o u r les r é su l t a t s an t é r i eu r s s o n t i l lustrés

su r le T a b l e a u V. L a modi f i ca t ion essentiel le c o n c e r n e l ' énergie ( m a x i m u m )

d ' a u t o a s s o c i a t i o n de l ' adén ine q u i d a n s ce n o u v e a u m o d e d ' i n t e r a c t i o n est

supé r i eu re à t o u t e s celles p r évues p o u r les a s soc ia t ions mix tes poss ib les en t r e

INTRODUCTION 11

T A B L E A U V

ENERGIES D'INTERACTIONS (KCAL/MOLE) E N T R E LES BASES N O N SUBSTITUÉES

A — A

T — T

- > # 8 . 1 3

- 5 . 2 A — T - 7 0

G — G

C—C

- 1 4 . 5

- 1 3 G — C - 1 9 - 2

A — A

C—C

- * β Γ 8 . 1 3

- 1 3 A — C - 7 - 8

G — G

T — T

- 1 4 . 5

- 5 . 2 G — T - 7 - 4

C—C

T — T

- 1 3

- 5 . 2 C — T - 6 - 5

A — A

G — G

- > t f 8 . 1 3

- 1 4 . 5

A - T ^ < A- A R > T — T

A — G

A — C < C—C

G — T < G — G

- 7 - 5

G - c > c - c

C — T < C—C G - c > c - c A — G < G — G

l ' adén ine et la t h y m i n e . P a r c o n s é q u e n t , en a c c o r d avec la règle p r é c é d e n t e e t

à la différence de ce q u i se p r o d u i t p o u r les dér ivés subs t i tués , l ' a d é n i n e e t

la t h y m i n e l ibres n e dev ra i en t p a s s 'associer . E n r e v a n c h e , le n o u v e a u m o d e

d ' a u t o a s s o c i a t i o n d e la g u a n i n e et de la cy tos ine c o r r e s p o n d t o u j o u r s à u n e

énergie d ' i n t e r a c t i o n infér ieure à celle des a s soc ia t ions mix tes G — C et ces

d e u x bases l ibres dev ra i en t p o u v o i r s 'associer . L ' expé r i ence i n d i q u e q u e

ju squ ' i c i a u c u n e a s soc ia t ion en t r e les bases nuc lé iques l ibres n ' a p u ê t re mise

en évidence . Tou te fo i s , l ' e x p é r i m e n t a t i o n avec la g u a n i n e et la cy tos ine n e

saura i t ê t re cons idé rée c o m m e décisive d u fait d e l ' insolubi l i té p r e s q u e t o t a l e

de la g u a n i n e d a n s les so lvan t s ut i l isés .

A v a n t d e qu i t t e r ce d o m a i n e d ' a s s o c i a t i o n s p a r l ia i sons h y d r o g è n e ,

s igna lons q u e ce t ype d e ca lculs a été é t e n d u r é c e m m e n t à l ' é tude des trimères

de bases , c o m m e il en a p p a r a î t p a r l ' exemple d a n s po ly I o u po ly ( A + 2 U )

( P u l l m a n et al, 1967), a u x as soc i a t i ons e r r o n n é e s (miscouplings) i m p l i q u a n t

les bases d a n s les fo rmes t a u t o m è r e s r a r e s ( P u l l m a n et Cai l le t , 1967a),

et a u x as soc i a t i ons e n t r e les a n a l o g u e s de bases nuc lé iques ( P u l l m a n e t

Cai l le t , 1967b). E n r e l a t i on avec la d i scuss ion p r é c é d e n t e il p e u t ê t re u t i le

de d i re q u e l q u e s m o t s à p r o p o s des ré su l t a t s c o n c e r n a n t la con f igu ra t ion d u

t r i m è r e A + 2 U . D e u x conf igura t ions , I et I I d u T a b l e a u VI , différentes e n t r e

elles p a r l ' o r i e n t a t i o n d u n o y a u d 'u rac i l e lié à N 7 de l ' adén ine o n t é té en -

visagées . U n e é t u d e m i n u t i e u s e d u d é p l a c e m e n t des f réquences de v i b r a t i o n

12 BERNARD PULLMAN

T A B L E A U V I

ENERGIE D'INTERACTION (KCAL/MOLE) D A N S D E U X MODÈLES D U TRIPLET A + 2 U

Modèle

I. Poly (A + 2U)

H

A

Interaction E P P E P A E L EM

A—U x - 4 . 6 4 - 0 . 2 5 - 0 . 6 9 - 5 . 5 8

A—U 2 - 5 . 6 3 - 0 . 1 7 - 0 . 9 4 - 6 . 7 4

υ— u 2 0.57 - 0 . 0 1 - 0 . 0 3 0.53

Totale - 9 . 7 0 - 0 . 4 3 - 1 . 6 6 - 1 1 . 7 9

A—Ux - 4 . 6 4 - 0 . 2 5 - 0 . 6 9 - 5 . 5 8

A—U 2 - 5 . 8 6 - 0 . 2 2 - 0 . 8 8 - 6 . 9 6

U — U2 0.96 - 0 . 0 2 - 0 . 0 3 0.91

Totale - 9 . 5 4 - 0 . 4 9 - 1 . 6 0 - 1 1 . 6 3

i n f r a rouges lors d e l ' é t ab l i s sement d e la t r ip le hélice o n t p e r m i s d e d é m o n t r e r

( M i l e s , 1964) q u e la conf igu ra t ion d u t r i m è r e d a n s po ly ( A + 2 U ) est celle

r ep résen tée p a r I . L a l ia ison en t r e l ' adén ine e t l 'uraci le lié à son N 7 n'y est

donc pas celle obse rvée d a n s le cr is ta l m ix t e a d é n i n e - t h y m i n e , m a i s r e p r é s e n t e

e n c o r e u n e a u t r e poss ibi l i té de j o n c t i o n (p résen te p a r a i l leurs d a n s le cr is ta l

m ix t e a d é n i n e - 6 - b r o m o u r a c i l ) . Les calculs fourn i s sen t u n e i n t e r p r é t a t i o n

poss ib le d e ce p h é n o m è n e . Ains i , la d é c o m p o s i t i o n d e l ' i n t e r ac t ion t o t a l e en

c o m p o s a n t e s c o r r e s p o n d a n t e s a u x i n t e r ac t i ons par t ie l les en t r e les différentes

bases d u t r i m è r e ( T a b l e a u V I ) m o n t r e q u e l ' i n t e rac t ion en t r e les d e u x uraci les

n o n liés i n t r o d u i t u n e r épu l s ion . O r c 'es t cet é l émen t d e r épu l s ion , b ien q u e

n u m é r i q u e m e n t r e l a t i vemen t faible, q u i p a r a î t en fait r e s p o n s a b l e d e l ' o r i en ta -

t i o n de l 'u rac i le lié à N 7 de l ' adén ine . E n effet o n c o n s t a t e q u ' en l ' ab sence d e

ce t te r é p u l s i o n la conf igu ra t ion I I sera i t p l u s s tab le q u e la con f igu ra t i on I.

INTRODUCTION 13

F I G . 1. Interaction adénine-uracile en stacking (sans retournement).

Toute fo i s la va l eu r d e la r épu l s ion e n t r e les d e u x urac i les est p lus for te d a n s

I I q u e d a n s I et p r o d u i t le r e n v e r s e m e n t des s tabi l i tés to t a l e s en faveur de I.

Bien sû r le fait q u e n o u s a y o n s affaire en réal i té à u n t r i m è r e d a n s u n p o l y n u -

c leo t ide en so lu t i on n e n o u s p e r m e t p a s d 'aff i rmer q u e n o u s t e n o n s l 'expl ica-

t i on c o m p l è t e d u p h é n o m è n e . M a i s il p a r a î t p r o b a b l e q u e le f ac teu r cons idé ré

ici j o u e u n rô le significatif.

D e s calculs a n a l o g u e s p e u v e n t é g a l e m e n t ê t re effectués et l ' on été (Claver ie

et al, 1966; N a s h et Brad ley , 1965) p o u r les e m p i l e m e n t s de bases et cela,

n a t u r e l l e m e n t , q u e ce soi t en t r e les bases l ibres en so lu t i on o u des bases liées

c o m m e c 'est le cas p o u r les di- , o l igo- o u p o l y n u c l e o t i d e s . Les forces pr ises

en c o n s i d é r a t i o n s o n t les m ê m e s q u e p r é c é d e m m e n t , les ca lculs i n d i q u a n t

tou te fo is q u e d a n s ce type d ' i n t e r a c t i o n ce n ' e s t p lu s la c o m p o s a n t e é lec t ro -

s t a t i que m a i s p l u t ô t la c o m p o s a n t e de d i spe r s ion q u i r i sque de p r é d o m i n e r ,

14 BERNARD PULLMAN

-4.81 -4.89

- 5 --524 -5.26

-5.6*

- 6

Energie d'interaction (kcal/mole )

i f III • ι if

If

\ \ «Λ\\

- 1 , 0

0.1

M M.

0,-1

V . / - 1 · 0

\ Τ ι

I I ι I

7 1 1 / 1 1 / ! V

ι ι

- 0 , - 1

" • 0 . 1

.0,0 1.0

ι ι

! !

cr go0 135° 180° 225° 270° 315° Angle mutuel

des dipôles

F I G . 2. Interaction adénine-uracile en stacking (avec retournement).

bien q u e d a n s l ' ensemble la c o n t r i b u t i o n des t ro i s c o m p o s a n t e s soi t p lus

équi l ib rée . D ' u n e façon généra le , ces ca lculs des énergies d ' e m p i l e m e n t s o n t

p lus difficiles à m e n e r à b ien q u e les ca lculs des a s soc ia t ions p a r l ia isons

h y d r o g è n e ca r ne c o r r e s p o n d a n t p a s a u x geome t r i e s c o n n u e s d ' a v a n c e , ils i m -

p l i q u e n t la r eche rche des pos i t i ons d u m a x i m u m ou des m a x i m a d ' i n t e r a c t i o n .

O r cela p e u t ê t re u n p roces sus long et fas t id ieux. Les F igs . 1 et 2 i n d i q u e n t

à t i t re d ' e x e m p l e , les r é su l t a t s d ' u n e pa r t i e des ca lculs qu ' i l est nécessai re

d 'effectuer en vue d ' é t ab l i r les énergies d ' i n t e r a c t i o n ver t icale en t r e une a d e n i n e

et un urac i le et la F ig . 3 m o n t r e la conf igura t ion a p p a r e m m e n t la p lus s table .

D 'ac t i f s t r a v a u x s o n t pou r su iv i s d a n s n o t r e l a b o r a t o i r e d a n s ce d o m a i n e ,

en pa r t i cu l i e r p a r M m e Cai l le t , à qu i n o u s d e v o n s d ' a i l l eurs les c o u r b e s

INTRODUCTION 15

r e p r o d u i t e s ici e t j e s ignale q u e ce t ype d e r ech e rch es v ien t d e p rog re s se r

s ens ib l emen t t o u t r é c e m m e n t p a r l ' i n t r o d u c t i o n d a n s le ca lcul de s forces d e

répulsion à c o u r t e d i s t a n c e ce q u i r e n d poss ib le la détermination de la distance

d'équilibre e n t r e les ba se s empi lées .

Les F igs . 1-3 nécess i ten t q u e l q u e s m o t s d ' exp l i ca t i on . P o u r la c o m m o d i t é

des ca lculs su r ces i n t e r a c t i o n s « e n s t ack ing » les axes des mo lécu l e s s o n t fixés

p a r r a p p o r t à leur m o m e n t d ipo la i r e . L ' o r i g ine d e ces axes se t r o u v e a u c e n t r e

d u m o m e n t . L ' a x e Oy est o r i en té d u pô le néga t i f vers le pô l e pos i t i f d e ce

m o m e n t , l ' axe Ox lui est p e r p e n d i c u l a i r e . Les axes Ox e t Oy n e s o n t r ep ré sen t é s

su r n o s figures q u e p o u r l ' a d é n i n e , p a r r a p p o r t à l aque l le o n env i sage les

d é p l a c e m e n t s d e l 'u rac i le .

F I G . 3. Position du maximum d'interaction dans le stacking entre l'adénine et l'uracile.

Les différentes p o s i t i o n s re la t ives des mo lécu le s s o n t o b t e n u e s p a r d e u x

m o u v e m e n t s successifs :

1. E n p a r t a n t d ' u n e p o s i t i o n ini t ia le c o r r e s p o n d a n t a u pa ra l l é l i sme des

m o m e n t s , n o t é e (0, 0) , o n effectue des t r a n s l a t i o n s de l ' u rac i le d e 1 Â su ivan t

les axes d e l ' a d é n i n e , t r a n s l a t i o n s n o t é e s (voi r F ig . 4 ) : ( 1 , 0) , (0, — 1), ( — 1 , 0)

et (0, — 1). O n n o t e r a i t d e m ê m e (2, 0) e tc . de s t r a n s l a t i o n s d e 2 Â e tc . O n p e u t

cons idé re r auss i des t r a n s l a t i o n s d e 1 Â su ivan t d e u x axes s i m u l t a n é m e n t ,

c 'es t -à-d i re d e 1.414 Â su ivan t les b issect r ices q u e l ' on n o t e ( + 1, —1) e tc . ,

le d é p l a c e m e n t se lon l ' axe Ox é t a n t t o u j o u r s i n d i q u é le p r e m i e r . T o u t e s ces

t r a n s l a t i o n s s o n t suivies d ' u n e t r a n s l a t i o n ver t ica le d e l 'u rac i le , p r i se d a n s

n o t r e cacu l égale à 4 Â .

2. O n effectue ensu i t e des r o t a t i o n s de 45 degrés en 45 degrés a u t o u r d ' u n

axe ver t ica l p a s s a n t p a r le mi l ieu d u m o m e n t d ipo l a i r e d e l 'u rac i le .

D e p lu s o n env isage les m ê m e t r a n s l a t i o n s et r o t a t i o n s d a n s la conf igura -

t i o n d i te «avec r e t o u r n e m e n t » ( F i g . 2) o u l ' on p r e n d c o m m e p o s i t i o n in i t ia le

l ' an t ipa ra l l é l i sme des m o m e n t s d ipo la i r e s o b t e n u p a r u n e r o t a t i o n d e l 'u rac i le

d e 180 degrés a u t o u r d e l ' axe des Ox.

16 BERNARD PULLMAN

y

+ 1

/ 1.414 Â

- ι /ο + 1 χ

- I

F I G . 4. Les axes pour l'étude des translations dans le stacking.

Les c o u r b e s d ' éne rg i e d ' i n t e r a c t i o n des F igs . 1 et 2 s o n t t r acées p a r c h a q u e

t r a n s l a t i o n h o r i z o n t a l e fonc t ion des ang les relat ifs des m o m e n t s d ipo l a i r e s .

Elles le s o n t p o u r les d e u x a r r a n g e m e n t s , s ans ( F i g . 1) e t avec ( F i g . 2)

r e t o u r n e m e n t , p o u r le cas s ans t r a n s l a t i o n et les cas avec u n e t r a n s l a t i o n d e

1 Â su ivan t les axes . Les énergies c o r r e s p o n d a n t a u x t r a n s l a t i o n s su ivan t les

bissectr ices , n o n r ep ré sen tées ici, s o n t infér ieures a u x p r écéden t e s .

L a pos i t i on de m a x i m u m d ' i n t e r a c t i o n r ep résen tée d a n s la F ig . 3 co r r e s -

p o n d a u m i n i m u m d e la c o u r b e (0, 0) d e la F ig . 1. Elle est t rès p r o c h e d ' u n e

conf igura t ion c o r r e s p o n d a n t à l ' an t ipa ra l l é l i sme des m o m e n t s ( r o t a t i o n d e

207 degrés a u lieu d e 180 degrés) d a n s l ' a r r a n g e m e n t sans r e t o u r n e m e n t .

J e n ' a i m a l h e u r e u s e m e n t p a s le t e m p s de m ' a t t a r d e r ici sur les r é su l t a t s

o b t e n u s d a n s différents cas pa r t i cu l i e r s d ' a u t a n t p lus qu ' i l s nécess i ten t pa r fo i s

u n e d i scuss ion p lus poussée , m a i s j e p e u x s ignaler q u e ces r é su l t a t s p e r m e t t e n t

de r e n d r e c o m p t e de ce r ta ines o b s e r v a t i o n s i m p o r t a n t e s d a n s ce d o m a i n e

c o m m e p a r exemple de la t e n d a n c e p lus g r a n d e à l ' e m p i l e m e n t d a n s les d i n u -

c léo t ides e t p o l y n u c l e o t i d e s d e la g u a n i n e , d e l ' a d é n i n e e t d e la cy tos ine p a r

r a p p o r t à l 'u rac i le , t o u t en i n d i q u a n t , en a c c o r d en pa r t i cu l i e r avec les

t r a v a u x d e M i c h e l s o n ( M i c h e l s o n et M o n n y , 1966) u n ga in d ' éne rg ie n o n

négl igeable associé avec le s t a ck ing m ê m e d a n s ce de rn i e r cas .

E n r e v a n c h e , j e v o u d r a i s i n d i q u e r e n c o r e les r é su l t a t s a u x q u e l s ce gen re d e

ca lcul c o n d u i t d a n s le cas d e c o u p l e s de pa i r e s de bases telles qu 'e l les s o n t

p résen tes d a n s l ' A D N lu i -même , d a n s lequel s ' a jou ten t les d e u x types

d ' i n t e r a c t i o n , p a r l ia ison h y d r o g è n e et p a r e m p i l e m e n t . Ces r é su l t a t s s o n t

INTRODUCTION 17

visibles sur le T a b l e a u V I I q u i ne fait d ' a i l l eurs q u e t r a d u i r e , d a n s l ' a p p r o x i -

m a t i o n m o n o p o l a i r e , les r é su l t a t s o b t e n u s a n t é r i e u r e m e n t p a r D e V o e et

T i n o c o d a n s l ' a p p r o x i m a t i o n d ipo la i r e . Les c o n c l u s i o n s auxque l l e s l ' e x a m e n

d e ce t a b l e a u c o n d u i t s o n t év iden tes .

Il a p p a r a î t a ins i n e t t e m e n t q u e les i n t e r a c t i o n s h o r i z o n t a l e s e t les i n t e r ac -

t i ons ver t ica les c o n t r i b u e n t t o u t e s d e u x et cela d ' u n e façon assez c o m p a r a b l e

à la s tabi l i té d e la s t r u c t u r e à d o u b l e hél ice . O n c o n s t a t e q u e les différentes

c o m b i n a i s o n s de pa i r e s de base se d iv isent , a u p o i n t d e vue d e l ' énerg ie

t o t a l e d ' i n t e r a c t i o n , en t ro i s g r o u p e s : les c o m b i n a i s o n s les p l u s s tab les

T A B L E A U V I I

ENERGIE D'INTERACTION (KCAL/MOLE) E N T R E PAIRES DE BASES VOISINES

D A N S D N A D A N S LE V I D E

Interactions verticales Energie Contribution Energie

Paires totale moyenne des totale

adjacentes" Ερρ EpX EL d'empile- interactions d'inter-

ment horizontales action

+ 0 . 9 - 2 . 0 - 1 0 . 2 - 1 1 . 3 - 1 9 . 2 - 3 0 . 5

- 1 . 6 - 2 . 5 - 4 . 0 - 8 . 5 - 1 9 . 2 - 2 7 . 7

+ 2.6 - 2 . 0 - 8 . 3 - 7 . 7 - 1 9 . 2 - 2 6 . 9

+ 1.2 - 0 . 8 - 1 0 . 3 - 9 . 9 - 1 2 . 2 - 2 2 . 1

- 0 . 6 - 1 . 7 - 4 . 9 - 7 . 2 - 1 2 . 2 - 1 9 . 4

- 0 . 1 - 1 . 7 - 5 . 2 - 7 . 0 - 1 2 . 2 - 1 9 . 2

+ 1.8 - 1 . 0 - 7 . 8 - 7 . 0 - 1 2 . 2 - 1 9 . 2

+ 0.5 - 0 . 5 - 7 . 4 - 7 . 4 - 5 . 5 - 1 2 . 9

+ 0.4 - 0 . 3 - 6 . 2 - 6 . 1 - 5 . 5 - 1 1 . 6

+ 1.5 - 0 . 7 - 5 . 8 - 5 . 0 - 5 . 5 - 1 0 . 5

a Les flèches qui désignent la direction de la chaîne sont dirigées du carbone 3' sur un

sucre vers le carbone 5' sur le sucre adjacent. Exemple: T A représente: T—sucre-3' -phos-

p h a t e s - s u c r e — A . ~ *


s 'é tabl issent en t r e d e u x pa i res G — C , les m o i n s efficaces o n t l ieu en t r e d e u x

s tabi l i té i n t e rméd ia i r e . O n p e u t r e m a r q u e r q u e si ces résu l t a t s , q u i d e t o u t e

év idence p e u v e n t ê t re r a p p r o c h é s de l ' a cc ro i s semen t d e la s tabi l i té t h e r m i q u e

des ac ides nuc lé iques en fonc t ion de leur c o n t e n u en G — C , mise en év idence

p a r M a r m u r et D o t y (1959), c o r r e s p o n d e n t é g a l e m e n t à l ' o r d r e d ' i n t e r a c t i o n s

h o r i z o n t a l e s , ils ne c o r r e s p o n d e n t p a s a u seul o r d r e des i n t e r a c t i o n s ver t ica les .

C e t e n s e m b l e d e r é su l t a t s m e p a r a î t d é m o n t r e r c l a i r e m e n t le rô le p r é -

p o n d é r a n t des forces de V a n de r W a a l s - L o n d o n d a n s la d é t e r m i n a t i o n d e la

s tabi l i té des ac ides nuc lé iques et d e leurs a n a l o g u e s . Ils i n d i q u e n t q u e ces

mêmes forces s ' exercent d'une façon comparable en t r e les bases associées

h o r i z o n t a l e m e n t et celles associées ve r t i ca l emen t . Ils d é m o n t r e n t d o n c le

c a r ac t è r e i r r a t ione l des quere l les sur la p r é p o n d é r a n c e des l ia isons h y d r o g è n e

o u des forces de s t ack ing . C e s o n t les m ê m e s forces m a i s qu i , n ' a y a n t p a s le

c a r ac t è r e d i rec t ione l exclusif des l ia isons c h i m i q u e s , s ' exercent p lus l i b r e m e n t

d a n s des d i r ec t ions mul t ip l e s . C o m p t e t e n u de la r e m a r q u e q u e j ' a i faite

p r é c é d e m m e n t sur la c o n t r i b u t i o n i m p o r t a n t e des forces de V a n de r W a a l s -

L o n d o n auss i à la s tabi l i té des c o m p l e x e s d i ts d e « t r ans fe r t de cha rges , » d e

leur rô le essent iel (qu i sera préc isé d a n s ce v o l u m e p a r M . G i l b e r t d e n o t r e

l a b o r a t o i r e ) d a n s l ' i n t e r ca l emen t éventue l des hé té rocyc les tels q u e les a m i n o -

ac r id ines d a n s l ' A D N , de leur rô le essent iel q u e n o u s a v o n s , i n d i q u é a i l leurs

( P u l l m a n et ai, 1965 ; vo i r auss i Cai l le t et P u l l m a n , ce v o l u m e ) d a n s les

i n t e r ac t i ons physiques en t r e les bases p u r i q u e s et les h y d r o c a r b u r e s a r o m a t i q u e s

telles qu 'e l les se man i f e s t en t d a n s la so lub i l i sa t ion de ceux-ci p a r celles-ci, il

a p p a r a î t q u e c 'est d o n c ce t ype de forces qu i do i t j o u e r u n rô le p r é d o m i n a n t

d a n s l ' é t ab l i s sement des a s soc ia t ions mo lécu la i r e s en b io log ie .

A v e c u n e res t r i c t ion i m p o r t a n t e tou te fo i s . J ' a i p a r l é s o u v e n t des r é su l t a t s

des expér iences en so lu t i on ; t o u s les ca lculs q u e j e v o u s ai p ré sen té s c o r r e s p o n -

d e n t tou te fo i s en p r inc ipe a u x p h é n o m è n e s é tud iés d a n s le v ide . Il se fait q u e

p o u r les p h é n o m è n e s q u e j ' a i s ignalés ici, des r é p o n s e s t o u t a u m o i n s q u a l i t a -

t i vemen t sa t i s fa isantes s o n t o b t e n u e s m ê m e d a n s ce t te a p p r o x i m a t i o n . Il

n ' e s t é v i d e m m e n t p a s d u t o u t ce r t a in qu ' i l en se ra t o u j o u r s a ins i et d e t o u t e

façon le rô le des solvants et en pa r t i cu l i e r de Veau sur les p h é n o m è n e s é v o q u é s

est a p p r é c i a b l e et son i n t r o d u c t i o n d a n s le calcul r i sque de modif ier sensible-

m e n t les va leu r s n u m é r i q u e s des énergies d ' i n t e r a c t i o n s p r é c é d e m m e n t ci tées .

Si j e n ' a i p a s pa r l é d e cet i m p o r t a n t effet, c 'est p a r c e q u e son rô le préc is est

j u s q u ' i c i m a l défini, et auss i p a r c e q u e ce p r o b l è m e sera é v o q u é avec p lus de

déta i l s p a r le P rofesseur S i n a n o g l u qu i est l ' un de ceux qu i o n t le p lus c o n -

t r i b u é a u d é v e l o p p e m e n t de cet a spec t d u p r o b l è m e et qu i a u r a c e r t a i n e m e n t

b e a u c o u p p lus à en d i re à ce sujet q u e j e ne sau ra i s le faire.

pa i r e s A — T , et les différentes c o m b i n a i s o n s

INTRODUCTION 19

B I B L I O G R A P H I E

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Molecular Associations in Biology || Associations Moléculaires en Biologie: Théorie et Expérience. Propos d'Introduction