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
6 B E R N A R D P U L L M A 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
8 B E R N A R D P U L L M A N
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
10 B E R N A R D P U L L M A N
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 . ~ *
18 B E R N A R D P U L L M A N
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
Berthod, H. , Giessner-Prettre, C , et Pullman, A . 1966a. Theoret. Chim. Acta 5 , 53.
Berthod, H . , Giessner-Prettre, C , et Pullman, A . 1966b. Compt. Rend. 262 , 2657.
Berthod, H . , Giessner-Prettre, C , et Pullman, A . 1967. Intern. J. Quantum Chem. 1 ,123 .
Bradley, D . F . , Lifson, S., et Honig , B. 1964. D a n s "Electronic Aspects of Biochemistry"
(B. Pullman, éd.) , p . 77. Academic Press, N e w York.
Claverie, P. , Pullman, B . , et Caillet, J. 1966. J. Theoret. Biol. 12, 419.
Crick, F. H. C. 1966. / . Mol. Biol. 19, 548.
Denis , Α . , et Pullman, A . 1967. Theoret. Chim. Acta 7, 110.
D e V o e , H. , et Tinoco , I. , Jr. 1962. / . Mol. Biol. 4 , 500.
Dewar, M. J. S., et Thompson , C. C , Jr. 1966. Tetrahedron Suppl. 7, 97.
Fleischman, D . E. , et Toll in, G. 1965. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 5 3 , 38.
Hamlin, R. M. , Lord, R. C , et Rich, A . 1965. Science 148, 1734.
Haschemeyer, Α. Ε. V., et Sobell, H. M. 1964. Nature 202 , 969.
Hirschfelder, J. O. , 1965. D a n s "Molecular Biophys ics" (B. Pullman et M. Weissbluth,
eds.), p. 325. Academic Press, N e w York.
Hoogsteen, K. 1959. Acta Cry st. 12, 822.
Katz, Z. , et Penman, S., 1966. / . Mol. Biol. 15, 220.
Kyogoku , Y . , Lord, R. C , et Rich, A . 1966. Science 154, 518.
Kyogoku , Y . , Lord, R. C , et Rich, A . 1967. J. Am. Chem. Soc. 89 , 497.
Marmur, J., et Doty , P. 1959. Nature 183, 1427.
Michelson, A . M. , et Monny, C. 1966. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 5 6 , 1 5 2 8 .
Miles, H. T. 1964. Proc. Natl. Acad. Sci. 51 . 1105.
Miller, J. H. , et Sobell , H. M. 1966. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 55 , 1201 ; Sobell , H. M. ,
communication privée.
Miller, J. H. , et Sobell, H. M. 1967. J. Mol. Biol. 24 , 345.
Nash , H. Α . , et Bradley, D . F. 1965. Biopolymers 3 , 261.
Nash , H. Α . , et Bradley, D . F. 1966. / . Chem. Phys. 45 , 1380.
Pitha, J., N o r m a n Jones, R. , et Pithova, P. 1966. Canad. J. Chem. 44 , 1045.
Pullman, Α . , et Pullman, B. 1966. D a n s "Quantum Theory of A t o m s , Molecules and the
Solid S ta te" (P.O. Lôwdin, ed.) , p. 345. Academic Press, N e w York.
Pullman, B. , et Caillet, J. 1967a. Compt. Rend. 264, 1900.
Pullman, B. , et Caillet, J. 1967b. Theoret Chim. Acta 8, 223.
Pullman, B. , Claverie, P. , et Caillet, J. 1965. Science 147, 1305.
Pullman, B. , Claverie, P., et Caillet, J. 1966a. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 55 , 905.
Pullman, B. , Claverie, P. , et Caillet, J. 1966b. J. Mol Biol 22 , 373.
Pullman, B. , Claverie, P., et Caillet, J. 1966c. Compt. Rend. 263 , 2006.
Pullman, B. , Claverie, P. , et Caillet, J. 1967. Proc. Natl Acad. Sci. U.S.A. 57 1663.
Shoup, R. R., Miles, H. T., et Becker, E. D . 1966. Biochem. Biophys. Res. Communs. 2 3 , 1 9 4 .
Szent-Gyorgyi, A . 1960. "Introduction to a Submolecular Biology." Academic Press,
N e w York.
Traub, W. , et Elson, D . 1966. Science 153, 3732.
Warshaw, M. M. , et Tinoco , I., Jr. 1966. J. Mol Biol 20 , 29.
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