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. NO PART OF THIS BOOK MAY BE REPRODUCED IN ANY FORM, BY PHOTOSTAT, MICROFILM, OR ANY OTHER MEANS, WITHOUT WRITTEN PERMISSION FROM THE PUBLISHERS. ACADEMIC PRESS INC. 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