Frontpage von Welt der Biologie

GESCHICHTE DER BIOLOGIE

Enzyme (21)

Gottlieb Sigismund Kirchhoff, Humphry Davy, Eduard Buchner

Bereits im achtzehnten Jahrhundert hatten Chemiker beobachtet, dass eine Reaktion manchmal durch Einführung eines Stoffes beschleunigt werden konnte, der allem Anschein nach an der Reaktion nicht beteiligt war. Beobachtungen dieser Art häuften sich und zogen zu Beginn des neunzehnten Jahrhunderts die Aufmerksamkeit der Chemiker auf sich.

Ein russischer Chemiker, Gottlieb Sigismund Kirchhoff (1764 bis 1833) zeigte im Jahre 1812, dass Stärke durch Kochen mit verdünnter Säure zu einem einfachen Zucker, nämlich Traubenzucker, abgebaut wurde. Ohne Säure geschah dies nicht, und doch schien sie an der Reaktion nicht beteiligt zu sein, da nichts von ihr beim Abbauprozess verbraucht wurde.

Vier Jahre später entdeckte der englische Chemiker Humphry Davy (1778-1829), dass Platindrähte die Umsetzung verschiedener organischer Dämpfe, z. B. Alkoholdampf mit Sauerstoff, bei gewöhnlichen Temperaturen begünstigten. Das Platin schien an der Reaktion jedoch nicht beteiligt zu sein.

Berzelius lernte diese und andere Beispiele kennen. Er schrieb im Jahre 1836 hierüber eine Abhandlung und schlug den Namen "Katalyse" für die Erscheinung vor. Dieser ist aus dem Griechischen abgeleitet, bedeutet soviel wie "Abbau" und bezieht sich möglicherweise auf den durch Säure bewirkten Abbau der Stärke.

Gewöhnlich brennt Alkohol in Sauerstoff nur, wenn er auf die hohe Temperatur gebracht wird, bei der sich seine entwickelnden Dämpfe entzünden. In Gegenwart eines Platinkatalysators findet aber dieselbe Reaktion ohne vorherige Erwärmung statt. Man konnte daher argumentieren, dass chemische Prozesse in lebendem Gewebe deshalb unter sehr milden Bedingungen ablaufen, weil dort gewisse Katalysatoren vorhanden sind, die in der unbelebten Natur fehlen. Tatsächlich konnte 1833 der französische Chemiker Anselme Payen (1795-1871), kurz bevor sich Berzelius dieser Sache annahm, aus keimender Gerste einen Stoff extrahieren, der noch schneller als Säure den Abbau der Stärke zu Zucker bewirkte. Er nannte ihn "Diastase". Diastase und andere ähnliche Stoffe wurden "Fermente" genannt, weil die Verwandlung von Stärke in Zucker eine Voraussetzung der Gärung von Getreide ist.

Fermente wurden bald auch aus tierischen Organismen gewonnen. Die ersten erhielt man aus Magensäften. Reaumur hatte gezeigt, dass die Verdauung ein chemischer Vorgang war, und im Jahre 1824 gelang es dem englischen Arzt William Prout (1785-1850) Salzsäure aus Magensäften zu isolieren. Salzsäure war eine streng anorganische Substanz, und das überraschte die Chemiker. Im Jahre 1835 gelang es jedoch Schwann, einem der Begründer der Zelltheorie, einen Extrakt aus Magensäften zu gewinnen, der keine Salzsäure war, aber Fleisch noch wirkungsvoller als die Säure abbaute. Es handelte sich dabei um das eigentliche Ferment. Schwann nannte es "Pepsin", nach einem griechischen Wort, welches soviel wie "verdauen" bedeutet.)

Immer weitere Fermente wurden entdeckt, und in der zweiten Hälfte des neunzehnten Jahrhunderts wurde klar, dass diese die besonderen Katalysatoren der lebenden Gewebe waren, jene Katalysatoren, die dem Organismus erlaubten, was die Chemiker nicht zuwege brachten.

Die aus Magensäften gewonnenen Fermente führten ihre Verdauungsarbeit sehr gut im Reagenzglas aus. Man konnte daher vermuten, dass sich nach Sammlung aller verschiedenen Fermente jede innerhalb eines lebenden Organismus ablaufende Reaktion auch im Reagenzglas ohne das Eingreifen von Lebenskräften wiederholen lassen würde, da den Fermenten selbst (wenigstens den bekannten) zweifellos kein Leben innewohnte. Noch mehr: die Fermente gehorchten sogar denselben Regeln, die auch von anorganischen Katalysatoren, z. B. Säuren oder Platin, befolgt wurden.

Die Ansicht der Vitalisten war es daher, dass die Fermente aus Verdauungssäften ihre Arbeit sowieso außerhalb der Zelle verrichteten. Ein Verdauungssaft, der in die Därme abgegeben würde, könnte ebenso gut in ein Reagenzglas geschüttet werden. Aber die Fermente, die innerhalb der Zelle blieben und ihre Arbeit nur innerhalb der Zelle verrichteten, waren von anderer Art. Die Vitalisten behaupteten damals, dass diese jenseits des Zugriffs der Chemiker lägen.

Danach wurden die Fermente in zwei Klassen eingeteilt: "Unorganisierte Fermente", die außerhalb der Zelle arbeiteten wie z. B, Pepsin, und "organisierte Fermente", die nur innerhalb der Zelle arbeiteten, wie diejenigen, welche es der Hefe ermöglichten, Zucker in Alkohol zu verwandeln.

Im Jahre 1876 regte der deutsche Physiologe Wilhelm Kühne (1837-1900) an, nur für jene Prozesse das Wort Ferment zu benutzen, die einen Lebensvorgang erforderten. Dagegen sollten die außerhalb der Zelle arbeitenden Fermente mit "Enzyme" (aus griechischen Wörtern mit der Bedeutung "in der Hefe") bezeichnet werden, da sie in ihrer Wirkung den Fermenten der Hefe ähnlich waren.

Im Jahre 1897 wurden die Vitalisten in dieser Hinsicht ganz unerwartet von dem deutschen Chemiker Eduard Buchner (1860 bis 1917) auf das äußerste bedrängt. Er zermahlte Hefezellen solange mit Hilfe von Sand, bis keine einzige mehr unversehrt war und filterte dann die zermahlene Substanz. Er erhielt dadurch zellfreien Hefesaft. Er erwartete, dass dieser Saft keine der Gärungseigenschaften der lebenden Hefezellen haben würde. Es war für den Versuch natürlich wichtig, den Saft von einer Verschmutzung durch Mikroorganismen abzuschirmen, denn sonst würde er dennoch lebende Zellen enthalten und das Resultat möglicherweise verfälschen.

Eine vielfach erprobte Methode, Materialien gegen Verschmutzung durch Mikroorganismen zu schützen, ist die Zugabe einer konzentrierten Zuckerlösung. Buchner tat dies und fand zu seinem Erstaunen, dass der Zucker langsam zu gären begann, obgleich die Mischung mit Sicherheit kein Leben enthielt. Er experimentierte weiter, indem er die Hefezellen durch Alkohol abtötete, und fand, dass die toten Zellen den Zucker ebenso gut wie die lebenden zur Gärung brachten.

Gegen Ende des neunzehnten Jahrhunderts erkannte man, dass alle Fermente, die organisierten wie auch die unorganisierten, tote Substanzen waren, die man aus Zellen gewinnen konnte und die ihre Arbeit auch im Reagenzglas verrichteten. Der Name "Enzyme" wurde nun in gleicher Weise auf alle Fermente angewandt, und man erkannte an, dass die Zelle keine Chemikalien enthielt, die nur in Gegenwart irgendwelcher Lebenskräfte reagieren konnten.

Der Ausspruch Pasteurs, dass es ohne Leben keine Gärung gäbe, konnte daher nur auf Situationen angewandt werden, wie sie in der Natur vorkamen. Die einwirkende Hand des Menschen konnte die Hefezellen so behandeln, dass auch nach ihrer Zerstörung und Abtötung die darin befindlichen Fermente unversehrt blieben, und dann konnte die Gärung ohne das Vorhandensein von Leben erfolgen.

Es wurde nun allgemein anerkannt, dass das Leben denselben Gesetzen gehorcht, die auch die unbelebte Natur beherrschen. Es gibt kein biologisches Problem, welches nicht grundsätzlich im Laboratorium gelöst werden und keinen Lebensprozess, der nicht in Abwesenheit des Lebens selbst dort nachvollzogen werden könnte.

Vorarlberger Bildungsserver