Molecular Associations in Biology. Proceedings of the International Symposium Held in Celebration of the 40th Anniversary of the institute de Biology physico-Chimique (Foundation Edmond de Rothschild)

564 Pages·1968·11.25 MB·English

by  Bernard Pullman (Eds.)

Contributors
S. Altman Ephraim Katchalski
Robert L. Baldwin H. Kersten
B. Beltchev W. Kersten
E. D. Bergmann L. S. Lerman
D. F. Bradley S. Lifson
Edward N. Brody Per-Olov Lowdin
A. S. V. Burgen Donald B. McCormick
Jacqueline Caillet Marie-José Mantione
G. Cilento J. C. Metcalfe
Pierre Claverie A. M. Michelson
M. Cohn H. A. Nash
A. Danchin Bernard Pullman
J. F. Danielli K. Rosenheck
Robert C. Davis Jean Salvinien
Michel Delmelle Sidney Shifrin
L. Dimitrijevic Meir Shinitzky
Paul Doty Oktay Sinanoglu
P. Douzou M. A. Slifkin
Jules Duchesne M. N. Thang
E. Peter Geiduschek Hugo Theorell
M. Gilbert Ignacio Tinoco, Jr.
M. Grunberg-Manago Gordon Tollin
Richard Harrison Paul O. P. Ts'o
J. G. Heathcote Olke Uhlenbeck
Karst Hoogsteen Gregorio Weber
O. Jardetzky David L. Wilson
S. Richard Jaskunas K. Zinner
D. O. Jordan
MOLECULAR ASSOCIATIONS
IN BIOLOGY
Proceedings of an International Symposium
Held in Celebration of the 40th Anniversary
of the Institut de Biologie Physico-chimique
(Fondation Edmond de Rothschild)
Paris, May 8-11, 1967
Edited by BERNARD PULLMAN
UNIVERSITÉ DE PARIS
INSTITUT DE BIOLOGIE PHYSICO-CHIMIQUE
PARIS, FRANCE
1968
ACADEMIC PRESS New York and London
COPYRIGHT © 1968, BY ACADEMIC PRESS INC.
ALL RIGHTS RESERVED.
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111 Fifth Avenue, New York, New York 10003
United Kingdom Edition published by
ACADEMIC PRESS INC. (LONDON) LTD.
Berkeley Square House, London W. 1
LIBRARY OF CONGRESS CATALOG CARD NUMBER: 68-18679
PRINTED IN THE UNITED STATES OF AMERICA
List of Contributors
Numbers in parentheses indicate the pages on which the authors' contributions begin.
S. Altman1 (271), Department of Biophysics, University of Colorado School
of Medicine, Denver, Colorado
Robert L. Baldwin (145), Department of Biochemistry, Stanford University
School of Medicine, Palo Alto, California
B. Beltchev2 (183), Service de Biochimie, Institut de Biologie Physico-
chimique, Paris, France
E. D. Bergmann (207), Department of Organic Chemistry, Hebrew University,
Jerusalem, Israel
D. F. Bradley (137, 261), Laboratory of Neurochemistry, National Institute
of Mental Health, Bethesda, Maryland
Edward N. Brody (163), Department of Biophysics, University of Chicago,
Chicago, Illinois
A. S. V. Burgen (487), Harvard Medical School, Boston, Massachusetts
Jacqueline Caillet (217), Service de Biochimie Théorique, Institut de Biologie
Physico-chimique, Paris, France
G. Cilento (309), Departamento de Quimica, Faculdade de Filosofia, Ciências
e Letras, Universidade de Sâo Paulo, Sâo Paulo, Brazil
Pierre Claverie (115, 245), Service de Biochimie Théorique, Institut de
Biologie Physico-chimique, Paris, France
M. Cohn 3 (183), Service de Biochimie, Institut de Biologie Physico-
chimique, Paris, France
A. Danchin (183), Service de Biochimie, Institut de Biologie Physico-
chimique, Paris, France
1 Present address: Biological Laboratories, Harvard University, Cambridge, Massa-
chusetts.
2 Present address : Institute of Biochemistry, Bulgarian Academy of Sciences, Sofia,
Bulgaria.
3 Permanent address : Department of Biophysics and Physical Biochemistry, School of
Medicine, University of Pennsylvania, Philadelphia, Pennsylvania.
ν
vi LIST OF CONTRIBUTORS
J. F. Danielli (529), Center for Theoretical Biology and Department of
Biophysics, State University of New York at Buffalo, Buffalo, New York
Robert C. Davis (77), Chemistry Department and Chemical Biodynamics
Laboratory, University of California, Berkeley, California
Michel Delmelle (299), Department of Atomic and Molecular Physics,
University of Liège, Cointe-Sclessin, Belgium
L. Dimitrijevic (183), Service de Biochimie, Institut de Biologie Physico-
chimique, Paris, France
Paul Doty (107), Department of Chemistry, Harvard University, Cambridge,
Massachusetts
P. Douzou (447), Service de Biospectroscopie, Institut de Biologie Physico-
chimique, Paris, France
Jules Duchesne (299), Department of Atomic and Molecular Physics,
University of Liège, Cointe-Sclessin, Belgium
E. Peter Geiduschek (163), Department of Biophysics, University of Chicago,
Chicago, Illinois
M. Gilbert (245), Service de Biochimie Théorique, Institut de Biologie
Physico-chimique, Paris, France
M. Grunberg-Manago (183), Service de Biochimie, Institut de Biologie
Physico-chimique, Paris, France
Richard Harrison (107), Department of Chemistry, Harvard University,
Cambridge, Massachusetts
J. G. Heathcote (343), Department of Pure and Applied Physics and Depart-
ment of Chemistry, The University of Salford, England
Karst Hoogsteen (21), Department of Biophysics and Pharmacology, Merck
Sharp and Dohme Research Laboratories, Division of Merck and
Company, Rah way, New Jersey
O. Jardetzky4 (487), Harvard Medical School, Boston, Massachusetts
S. Richard Jaskunas (77), Chemistry Department and Chemical Biodynamics
Laboratory, University of California, Berkeley, California
D. O. Jordan (221), Department of Physical and Inorganic Chemistry,
University of Adelaide, Adelaide, South Australia
4 Present address: Department of Biophysics and Pharmacology, Merck Sharp and
Dohme Research Laboratories, Division of Merck and Company, Rahway, New Jersey.
LIST OF CONTRIBUTORS vii
Ephraim Katchalski (361), Department of Biophysics, The Weizmann Institute
of Science, Rehovoth, Israel
H. Kersten (289), Physiologisch Chemisches Institut, Universitàt Munster,
Munster, Germany
W. Kersten (289), Physiologisch Chemisches Institut, Universitàt Munster,
Munster, Germany
L. S. Lerman (271), Department of Molecular Biology, Vanderbilt University,
Nashville, Tennessee
S. Lifson (261), The Weizmann Institute of Science, Rehovoth, Israel
Per-Olov Lôwdin (539), Department of Quantum Chemistry, Uppsala
University, Uppsala, Sweden, and Quantum Theory Project, University
of Florida, Gainesville, Florida
Donald B. McCormick (377), Section of Biochemistry and Molecular Biology
and Graduate School of Nutrition, Cornell University, Ithaca, New York
Marie-José Mantione (411), Service de Biochimie Théorique, Institut de
Biologie Physico-chimique, Paris, France
J. C. Metcalfe (487), Department of Pharmacology, University of Cambridge,
Cambridge, England
A. M. Michelson (93), Service de Biochimie, Institut de Biologie Physico-
chimique, Paris, France
H. A. Nash (137), Laboratory of Neurochemistry, National Institute of
Mental Health, Bethesda, Maryland
Bernard Pullman (1, 217), Service de Biochimie Théorique, Institut de Bio-
logie Physico-chimique et Université de Paris, Paris, France
K. Rosenheck (517), Polymer Department, The Weizmann Institute of
Science, Rehovoth, Israel
Jean Salvinien (461), Department of Chemistry, The Faculty of Sciences,
Université de Montpellier, Montpellier, France
Sidney Shifrin (323), National Cancer Institute, National Institutes of Health,
Bethesda, Maryland
Meir Shinitzky (361), Department of Biophysics, The Weizmann Institute of
Science, Rehovoth, Israel
Oktay Sinanoglu (427), Sterling Chemistry Laboratory and Department of
Molecular Biophysics, Yale University, New Haven, Connecticut
viii LIST OF CONTRIBUTORS
M. A. Slifkin (343), Department of Pure and Applied Physics, and Depart-
ment of Chemistry, The University of Salford, England
M. N. Thang (183), Service de Biochimie, Institut de Biologie Physico-
chimique, Paris, France
Hugo Theorell (471), Department of Biochemistry, Nobel Medical Institute,
Stockholm, Sweden
Ignacio Tinoco, Jr. (77), Chemistry Department and Chemical Biodynamics
Laboratory, University of California, Berkeley, California
Gordon Tollin (393), Department of Chemistry, The University of Arizona,
Tucson, Arizona
Paul O. P. Ts'o (39), Department of Radiological Sciences, The Johns
Hopkins University, Baltimore, Maryland
Olke Uhlenbeck (107), Department of Chemistry, Harvard University,
Cambridge, Massachusetts
Gregorio Weber (499), Department of Chemistry and Chemical Engineering,
University of Illinois, Urbana, Illinois
David L. Wilson (163), Department of Biophysics, University of Chicago,
Chicago, Illinois
K. Zinner (309), Departamento de Quimica, Faculdade de Filosofia, Ciências
e Letras, Universidade de Sâo Paulo, Sâo Paulo, Brazil
Preface
This volume contains the proceedings of an International Symposium
held at the Institut de Biologie Physico-chimique, Fondation Edmond de
Rothschild, in Paris in May 1967, to celebrate the fortieth anniversary
of its foundation.
Forty years have indeed elapsed since Baron Edmond de Rothschild, the
celebrated philanthropist and Maecenas, inspired by the daring thinking of
Jean Perrin, decided to found a research institute devoted to the study and
elucidation of the physicochemical aspects of life. By doing so he established
what probably was one of the first institutes of molecular biology in the
world. It seemed particularly appropriate to commemorate this anniversary
with a symposium on one of the major themes of molecular biology, which, at
the same time, is a subject essentially related to physical chemistry.
It is my pleasant duty to thank all those whose efforts made this memorable
meeting possible. Our deepest thanks are due to the present Baron Edmond
de Rothschild, the grandson of the founder, not only for his generosity, which
made this meeting possible—generosity is a continuous tradition in his
family—but still more for his complete understanding of our goals and for the
sharing of our preoccupation. Our thanks are also due to the Administrative
Councils of our institute for their enthusiastic support of the idea of the sym-
posium and, in particular, to Professors Francis Perrin and René Wurmser
for their invaluable help in planning the details of the meeting. I would like to
acknowledge the efficient handling of secretarial and other problems by Mrs.
de Hauss and Mrs. Landez.
Finally, I would like to express our gratitude to all our distinguished guests,
speakers, and discussants, especially those who came from distant places in
order to share their knowledge with us. Their contributions made this meeting
successful. We look forward to seeing them all again at the fiftieth annivers-
ary of our Institute.
December, 1967 BERNARD PULLMAN
ix
Associations Moléculaires en Biologie: Théorie
et Expérience. Propos d'Introduction*
BERNARD PULLMAN
Institut de Biologie Physico-Chimique
Laboratoire de Biochimie Théorique
Paris, France
En choisissant comme sujet de notre colloque les associations moléculaires
en biologie, nous avons le sentiment d'avoir effectivement placé cette réunion
au centre des préoccupations de la biologie moléculaire d'aujourd'hui. En
effet, maintenant que la structure de la majorité sinon de la totalité des
biomolécules simples est en grande partie déterminée, que la structure primaire
des biopolymères devient également de plus en plus accessible, l'intérêt des
chercheurs s'oriente nettement vers la détermination de la configuration
spatiale de ces macromolécules, avec naturellement l'ambition d'élucider la
nature des forces responsables de leurs caractéristiques et en particulier de
l'existence et de la stabilité des structures ordonnées observées. Parallèlement
de nombreuses et importantes recherches sur des processus biologiques
fondamentaux—processus tels que transmission de l'information génétique,
codage, mutagénèse, carcinogénèse—mettent en évidence le rôle prépondérant
des interactions entre différents types de ces biopolymères, ou entre ces
polymères et des entités plus petites.
Or il s'avère que ces différents groupes de phénomènes, et il y en a aussi
d'autres non moins importants qui apparaîtront dans ce volume, que je
n'énumère pas ici, mettent en jeu, souvent, le type d'interactions que l'on
peut désigner sous la dénomination générale d'associations moléculaires. Leur
caractéristique principale est qu'elles ne comportent pas la formation de
véritables liaisons chimiques, fixes et fortes, mais impliquent comme élément
moteur des forces nettement plus lâches et faibles dites forces intermoléculaires.
Il en résulte un aspect beaucoup plus dynamique, plus facilement modifiable
sous l'effet des actions ou perturbations extérieures, de telles structures ou
mécanismes.
Si l'étude des associations moléculaires en biologie est par excellence un
problème de biologie physico-chimique et, en tant que tel est l'objet de
recherches dans plusieurs services de notre Institut, c'est en plus pour le
théoricien que je suis un sujet particulièrement tentant et cela pour plusieurs
raisons :
* 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 BERNARD PULLMAN
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. Elles comportent plusieurs composantes parmi
lesquelles les plus souvent citées sont les liaisons hydrogènes, les forces de
Van der Waals-London (elles-mêmes subdivisées en général en forces électro-
statiques, forces d'induction ou de polarisation et forces de dispersion) et
les forces de transfert de charges. Les rapports entre ces différentes compo-
santes, les valeur de leurs contributions relatives dans des circonstances
déterminées sont en général difficiles à établir. En fait très souvent de regret-
tables confusions régnent même dans les esprits sur la signification de ces
différentes formes d'interaction. Ainsi par exemple lorsque fut établie la
structure en hélice double de l'acide désoxyribonucléique (ADN) la majorité
des biologistes ont cru que la stabilité de cet édifice provenait essentiellement
des liaisons hydrogènes entre les paires de bases complémentaires. Lorsque
plus tard divers arguments, sur lesquels je n'insiste d'ailleurs pas ici, ont
indiqué qu'une telle conception était défectueuse ou pour le moins insuffisante,
beaucoup d'auteurs ont avancé que la stabilité des acides nucléiques était due
surtout aux interactions Van der Waals-London entre les bases ou les paires
de bases empilées. Encore aujourd'hui on voit souvent posée la question de
savoir si la stabilité des acides nucléiques est due principalement aux liaisons
hydrogéné entre les bases horizontales ou aux forces Van der Waals-London
entre les bases superposées. Or posée de cette façon la question est surtout
mal posée car elle laisse implicitement supposer qu'il existe une différence
fondamentale entre les forces opérant entre les bases horizontales et celles
opérant entre les bases verticales; elle laisse supposer en particulier que les
forces de Van der Waals-London n'opèrent pas entre les bases horizontales
ou qu'elles y sont négligeables. Or c'est là une conception erronée, comme
cela a été explicitement montré sur l'exemple même des interactions entre les
bases puriques et pyrimidiques par DeVoe et Tinoco en 1962 et amplement
confirmé et précisé depuis par d'autres. Anticipant sur la démonstration que
j'en donnerai plus loin je peux déjà annoncer que les calculs démontrent que
ce sont les forces de Van der Waals-London s'exerçant à la fois entre les bases
liées horizontalement et les bases empilées verticalement et cela dans des
contributions sensiblement comparables qui peuvent être considérées comme
étant responsables en grande partie de la stabilité de la double hélice.
Comme autre exemple de confusion j'ajouterai l'imprécision des idées
régnant sur le rôle des complexes de transfert de charges dans la détermination
de structures et réactions biochimiques (Pullman et Pullman, 1966). Depuis
que Mulliken a développé la théorie quantique des complexes de transfert
de charges et que Szent-Gyorgyi (1960) a envisagé leur rôle possible dans des
phénomènes biochimiques, beaucoup de malentendus se sont propagés à leur
sujet. Ainsi, nombreux sont ceux pour qui la manifestation de l'existence d'un