Neuere Erkenntnisse fiber Energiewechsel und Makromolekfi lsynthese der Zelle ~

V e r s u c h e i n e r e l e m e n t a r e n D a r s t e l l u n g

Von

Helmut Kinzel Pflanzenphysiologisches Institut der Universit/it Wien

Mit 9 Textabbildungen

(Eingegangen am 22. Februar 1960)

I. Einleitung und Fragestellung

Es ist den Physiologen schon seit langer Zeit klar, dal] mit den chemischen Reaktionen, die in jeder lebenden Zelle dauernd vor sich gehen, untrennbar auch energetische Umsetzungen verkniipft sin& Einerseits ist dies eine Eigenheit aller Reaktionen, wie die physikalische Chemie lehrt, an,derseits weifi man von den Organismen im besonderen, daft sie zu energetischen Leistungen mannigfacher Art f~ihig sind: Sie kSnnen Wiirme abgeben, Muskelarbeit Msten und sie kiinnen viele komplizierte chemische Verbin- dungen aufbauen, die einen hohen Gehalt an chemischer Energie besitzen, was sich in einer grol]en Verbrennungswiirme ausdriickt.

Da nach dem ersten Hauptsatz der Wiirmelehre keine Energie aus dem Ni&ts entstehen kann, so miissen die Organismen, ja muff jede lebende Zelle fiber eine Energiequelle verfiigen. Die Physiologie lehrt, dal~ diese Energiequelle die Atmung bzw. die Giirung ist. Welcher Art ist nun die Energie, die die Zelle aus diesen Vo.rgiingen bezieht? In den Lehrbiichern der Physiologie finder man Gleichungen fiir die Atmung und Giirung, in denen Wiirmemengen aufscheinen:

C~H120 ~ + 6 02 = 6 CO 2 + 6 H~O + 674 Keal

C6H120 ~ = 2 C~H~OH + 2 CO~ + IS Kcal

Es handelt sieh also um exotherme Abbauvorgiinge, bei denen Wiirme frei werden kann.

' Nach einem Vortrage, gehalten am 15. Dezember 1959 vor der botanischen Sektion und der Sektion zur Fi~rdeTung des biologis&en Unierrichtes der zoologisch- botanischen Gesellschaft Wien.

670 H. Kinzcl

Der biologisehe Sinn einer solehen Energieproduktion besteht natiirlich darin, dal~ in der Zelle ja stiindig aueh Aufbau-Reaktionen und andere Vor- giinge ablaufen miissen, die einer Energiezufuhr bedfirfen. Wir fragen nun: Ist die Energieform der Wiirme, die in den oben angesehriebenen Gleiehun- gen als Produkt der Atmung und Giirung aufseheint, hierfiir zweekmiiltig? Wohl lassen sieh endotherme Reaktionen in gewissen Ftillen dureh eine starke TemperaturerhiShung in Gang bringen, d(~eh kolnmt dieser Weg fiir Organ.ismen nicht in Frage, well ja, wie bekannt, die makromolekularen Sub stanzen (z. B. Proteine) bei den erforderlichen hohen Temperaturen nieht existenzfiihig sind. Man kiJnnte ferner aueh daran denken, daft die Organismen zu Energieumwandlungen befiihigt seien, wie solehe etwa in unseren Wiir'mekraftmasehinen stattfinden. Hier lehrt die physikalisdle Chemie, daf~ zwar die versehiedenen Energiearten (elektrisehe Energie, meehanisehe Energie und dgl.) beliebig ineinander umwandelbar sind, daft aber die Wiirme eine Sonderstellung einnimmt: Zwar ]assen sieh alle ande- ren Energiearten in beliebigem Ausmalt in Wiirme verwandeln, der um- gekehrte Weg (Umwandlung yon Wiirme in andere Energieformen) ist jedoch naeh dem zweiten Hauptsatz der Wiirme|ehre nut in besehriinktem Umfang mtiglieh und vor allem an die Bedingung gebun.den, dal~ ein Telnperaturgefiille verffigbar ist. Die Wiirmekraftinasehinen besitzen ein solehes Temperaturgefiille, das sie zu ihren Leistungen beftihigt. Die leben- den Organismen besitzen in sehr vielen Fiillen iiberhaupt kein Temperatur- gefiille, aber aueh in den Fiillen, da ein solches vorhanden ist (wie etwa bei den wannblfitigen Tieren), verfiigen die Organismen iiber keine gorriehtun- gem die sie dazu befiihigen, dieses GeKille in nennenswertem Umfang aus- zunfitzen. Wir kiJnnen so auf Grund der physikoehemischen Voraussetzun- gen nieht damit rechnen, dalt Wiirme eine wesentliehe Energiequelle ftir irgendwelehe Organismen ist. Im Gegenteil: Wit dfirfen annehmen, da[~ eine Energiemenge, die in einem Organismus in Form yon Whrme entsteht, fiir den Organismus verlorengeht, weil sie in kiirzerer oder liingerer Zeit an die U'mgebung abgegeben wird. Daraus ergibt sieh die Folgerung, dal~ die oben angegebenen Gleiehungen, in denen der Energiegewinn bei der At- mung und der Giirung in Form einer Wiirmemenge aufseheint, dem bio- |ogisehen Sinn dieser u nicht gereeht werden. Wir mfissen als~ naeh einem besseren Verst~indnis des Energieweehsels der Organismen suehen.

II. Einige Grundziige chemischer Reaktionen

Es ist an dieser Stelle n6tig, etwas weiter auszuholen und fiber einige grundsiitzliehe Eigentfimliehkeiten ehemischer Reaktionen zu sprechen. Befrachten wit eine gerbindung, die im Stoffweebsel vieler Organismen eine grol~e Rolle spielt: das Glueose-6-Phosphat, abgekfirzt G1-6-Ph (Abb. 1).

Diese Verbindung ktinnte sieh (theoretiseh) aus Glucose und Phosphor- siiure bilden: Glucose q-HaPO4-~G1-6-Ph d-H20. Freilieh, wenn man die beiden Komponenten in wiisseriger LiJsung zusammemniseht, entsteht kein Glueose-6-Phosphat. Es wiire nun sehr naheliegend, zu der Meinung zu kominen: wenn ein Organismus, wenn eine Zelle diesen Stoff braueht, dann werden sie eben ein Enzym besitzen, das die oben angesehriebene Reak- tion in Gang bringt! Hier mul] gleidl mit aller Deutlichkeit gesagt werden: Es gibt kein solehes Enzym, es kann keines geben, wie bald gezeigt werden

Neuere Erkenntnisse fiber Energieweehsel und Makromolekiilsynthese der Zelle 671

wird. Wchl gibt es ein Enzym, das die umgekehrte Reaktion veranlafit, also die Spaltung des G1-6-Ph zu Glucose und Phosphors~iure.

Wir m~issen uns, um diese Tatsache zu verstehen, mit dem Begriff der Freiwitligkeit eines Naturvorganges befassen, der uns nicht nur im chemi- schen, sondern auch im physikalischen Bereich entgegentritt: Vorghnge, die nach einer bestimmten Richtung freiwillig ablaufen, kiSnnen in der entgegen- gesetzten Richtung nut durch Zufuhr yon Energie erzwungen werden. Was- ser flieft freiwillig nur bergab. Soil es bergauf transportiert werden, dann ist es notwendig, eine Pumpe einzusetzen, also Arbeit (Energie) in den Vor- gang hineinzustecken. Die Arbeit, die man aus dem herabfliefienden Wasser gewinnen kann (Wasserkraftwerk!), isf, wenn man yon den Reibungsver- lusten absieht, genau so grofi wie die Arbeit, die man aufwenden miifite, um das Wasser nachher wieder zur gleichen H6he empor zu pumpen. Diese t-rberlegungen gelten auch fiir chemisehe Reaktionen. Auch diese gehen (unter gegebenen Konzentrationsverhiiltnissen) frei- willig nut nach einer Richtung. Nach der anderen / O H Richtung k6nnen sie nut durch Energiezufuhr er- zwungen werden. H - - ~ - - - I

Die oben genannte Reaktion verl~iuft nun in der H--C--OH I Richtung der Spaltung von Glucose-6-Phosphat frei- [ I H0--C--H 0 willig ( , , b e r g a b " ) , in der Richtung der Synthese hin- I gegen ,,bergauf", sie miiflte hier dutch Energiezufuhr H--C--0H

erzwungen werden. Nun verstehen wir, warum es kein I H - - C - - - Enzym geben kann, das den Aufbau yon G1-6-Ph vet- l

anlal~t: Ein Enzym kann nicht Energie aus dem Nichts I-I~C_O_POaH 2 erzeugen. Das wfirde dem ersten Hauptsatz der Whrme- ]ehre widersprechen. Die Funktion der Enzyme liegt Abb. 1. Glucose-6- viehnehr - - wie bekannt - - auf dem Gebiet der Katalyse. Phosphaf. Sie haben also die Aufgabe, Reaktionen, die zwar grund- satzlich freiwillig ablaufen, aber durch irgendwelche Umst~inde (Molekiil- bau oder dgl.) gehemmt sind, in Gang zu bringen. Mit einem Vergleich liift sich dies etwa so ausdriicken: wenn ein Wagen auf einer geneigten Strafe steht, dann so.llte man erwarten, daft er bergab zu rollen beginnt. Es kann aber sein, daft er trotzdem stehenbleibt, n~imlich dann, wenn seine Achsen so verschmutzt und verrostet sind, daft eine Drehung der Rhder zu sehr erschwert ist. Jedermann weir, was in einem so lchen Falle zu fun ist: man mul~ die Achsen mit einem Schmiermittel behandeln, dann wird sieh der Wagen in der erwarteten Richtung in Gang sefzen. Kein verniinftiger Mensch abet wird erwarten, daft man einen Wagen mif Hilfe eines Schmier- mittels dazu veranlassen kann, bergauf zu fahren. Dazu ist ein Treibstoff, also Energiezufuhr, niStig. Nun diirfen wir den Satz aussprechen, daft die E n z y m e d i e , , S c h m i e r m i f t e l " d e s S t o f f w e c h s e l s s i n d . Seine Treibstoffe geh6ren einer anderen Klasse yon Verbindungen an. Hiervon soil welter unten die Rede sein.

Man hat zur Kennzeichnung einer freiwillig (,bergab") verlaufenden Reaktion das Wo.rt , ,ex e r g o n " gepr~igt. Im Gegensatz dazu ist eine , ,e n d e r g o n e " Reaktion eine solche, die freiwillig nicht stattfindet, son- dern erst dutch Energiezufuhr erzwungen werden kiSnnfe. Diese Begriffe sind wohl zu unterscheiden yon der W~irmet6nung einer chemischen Reak- tion. Bekanntlich nennt man e x o. t h e r m alle Reaktionen, bei denen W~irme frei wird, e n d o t h e r m diejenigen, bei denen W~irme aufgenom-

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men wird. In der Friihzeit der physikalischen Chemie war man der Mei- hung, daft alle exothermen Reakt ionen auch freiwillig ablaufen. Obwohl dies die Regel ist, hat man do ch seither genug Beispiele fiir freiwillig ver- laufende Reaktionen, die unter W~irmeaufnah~le vor sich gehen, kennen gelernt. Man hat daher den Begriff der Freiwil l igkeit yon dem der W/irme- tSnung getrennt ulrd kann nun sagen, daft zwar die meisten Reaktionen, die exergon sind, auch exotherm verlaufen, daft es abet sehr wohl audl exergone und endotherme Reakfionen gibt. Die wichtigste Folgerung dieses Kapitels sei nochmals wiederhelt : E i n E n z y in k a n n n u r e i n e e x e r- g o n e R e a k t i on , die aus i rgendeinem Grund gehemmt ist, i n G a n g b r i n g e n, nicht aber eine endergone Reaktio.n erzwingen, weil dazu Ener- g,_'ezufuhr niJtig ware.

III. Die ,,Treibstoffe" des Stof fweehse ls

Im Jahre 1941 machfe F. L i p m a n n da ranf aufmerksam, daft bei eini- gen organischen Phosphors~iureverbindungen, z. B. solchen, die den Charak- ter yon S~iureanhydriden haben, die Bereitschaft zum Verlusf eines Mole- kiils Phosphors~iure bedeufen,d grtifie=r isf als bei Phosphors~iure-Esfern. Es handelt es sich um Verbindungen vom T y p des Acefylphosphafes

O H~C--C,~o P/OH

-H \OH o

oder, um gleich auf den wichfigsten Vertreter dieser G r u p p e zu kommen, um Verbindungen, in denen sich mehrere Molekiile Phosphorsiiure aneinan- der hiingen, w i e d i e s z. B. beim A d e n o s i n t r i p h o s p h a t der FaI l i s t . Dieses besteht, wie die Formel (Abb. 2) zeigt, aus einem Molekiil der Purin- base Adenin, einem Molekiil Ribose und drei Molekiilen Phosphors~iure. Die Verbindung wird meist in der abgekiirzten Form ATP gesehrieben. Dutch hydrolytische Abspal tung eines Molekiiles Phosphors~iure unter dem Ein- flufi des Enzymes Adenosintriph.osphatase entsteht daraus das Adenosin- diphosphat (ADP): ATP + H oO -~ ADP + H~PO,.

Die Reaktion verl~iuft freiwillig (,,bergab") in der angegebenen Richtung. L i p m a n n stellte nun lest, daft die Bereitschaft zu dieser Reakt ion (und iibrigens auch zur Abspal tung des zweiten Phosphatrestes) bedeutend gr~i- fler ist als die Berei/schaft zur Spalfung eines Phospho.rs~iure-Esters, wie z.B. des Glucose-6-Phosphates (vgl. S. 671). Es gibt also im Grade der Frei- willigkeit verschiedener Reaktionen Unterschiede, so wie etwa Wasser mit griJfierem o.der geringerem Gef~ille bergab fliel]en kann. Analoge Feststel- lungen haben sehon vor langer Zeit zur Aufsiel lung eines Mafies fiJr die Tr iebkraf t einer chemischen Reaktion gefiihrt. Man nennt dieses Marl die , f r e i e E n e r g i e " (oder, genauer, die , , f r e i e E n t h a l p i e ''z) einer chemischen Reakt ion und bezeichnet sie mit dem Symbol A G. (Wie das

2 Enthalpie nennt man in der physikalisdlen Chemie eine Energiemenge, die gemessen wird, w/ihrend der energieliefernde Vorgang unter konstantem Druck abl/iuft, und in der also die Ausdehnungs- bzw. Kontraktionsarbeit bei der mit vielen Reaktionen verbundenen Volumenanderung beriicksidltigt ist.

Neuere Erkenntnisse tiber Energiewechsel und Makronmlekiilsynthese der Zelle 673

Symbol A andeute t , handel t es sich eigentlich um die Differenz zwischen der freien En tha lp ie des Anfangszus tandes und der des Endzustandes.)

AG wird in Kalorien/Mol genmssen, da r t jedoch wiederum nicht e twa mit der WiirmetSnung einer Reaki ion verwechsett werden, die man mit dem Symbol AH bezeichnet. Der Zahlenwer t yon AG gibt v iehnehr an, wie grofi unter bes t immten Umsthnden die Tendenz ist, daf~ eine Reakt ion in ciner bes t immten Richtung abl~iuft ~. Man ist dabei zu der t2bere inkunf t gekolnmen, die AG-Wer te fiir alle exergonen (also freiwilligen) Reakt ionen mit negativen Vorzeichen, fiir alle endergo.nen Reakt ionen mit posit iven Vorzeichen anzuschreiben.

N : C - N H ,

c C--N\ !I cH

N_~_N /

h e = A# = -- 3000 -- 8000

"\ / \ \ / \

OH OH H O H OH O H ! I I i I I I I

C--C -- C-- C - - C - - 0 - - P - - 0 ~ P - - 0 ~ P - - OH I I I I l / [I

H H H H H j O

Adenosin

A d e n o s i n m o n o p h o s p h a t

I ~ ,I

! §

Adenos ind iphospha t (ADP)

O

Adenos in t r i phospha t (ATP)

Abb. 2. Das Adeno,sintriphosphat und seine Abbauprodukte. Die sogenannten ,,energiereichen Bindungen", deren hydrolytis&e Spaltung mit stark negativen

AG-Werten ~.erl~iuft, pflegt man mit dem Zeichen ~ darzustellen.

Da die AG-W er t e s tark von den Konzent ra t ionen der Reakt ionstei l - nehmer abhiingen (was bet der W a r m e t 6 n u n g AH nicht der Fal l ist), so muff man, um vergleichbare Werte zu erhalten, die Bedingungen angeben, fiir welche ein bes t immter AG-Wer t bes t immf eder errechnet wurde. [m al lgemeinen pflegt man AG fiir den Fal l zu berechnen, daft die Konzen- t ra t ionen der Anfangs- und En.dprodukte gleich grofl sind, d. h. fiir den Fall einer zur H~ilfte abgelaufenen Reakt ion. (Die im folgenden angefi ihr- ten Zahlenwerte yon AG beziehen sich alle auf diesen Fall, und zwar in ~ler Regel fiir C = I Mol/1.)

AG ist ill gewisser Hinsicht nut eine ver~inderte Ausdrucksfonn des Massen- wirkungsgesetzes. Dieses besagt ja bekanntlich, daft eine chemische Reaktion so lange in ether bcstimraten Ri&tung weiterliiuft, bis ein Glei&gewichtszustand

3 Exakter ausgedrtickt, bedeutet AG die maximale Arbeit, die eine Reaktion zu leisten imstande ist, wenn unter gegebenen Konzentrationsverh~iltnissen 1 Mol um- gesetzt wird. Es set noch erw~ihat, daft AG mit AH verkntipft ist dutch die Bezie- hung AG = AH--T.3S, wobei Seine GrSre bedeutet, die man Entropie nennt und die ein Marl fiir die Wahrs&einli&keit eines Zustandes darstellt. Beziiglich weiterer Einzelheiten ~'ergleiche man die Lehrbiicher der physikalis&en Chemie.

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zwischen der mit der Zeit imnler langsamer verlaufenden Hinreakt ion und der immer rascher verlaufenden Riiekreaktion erreicht ist. Dieser Gleidlgewichtszu- s tand kann, je nach der Art der Reaktion, dann erreicht seth, wenn Ausgangs- und Endprodukt in gleidlen Konzentrationen vorliegen, er kann abet auch mehr oder weniger stark nach der Richtung der Endprodukte oder auch nach der Richtung der Ausgangsprodukte verschoben sein. Die Bezeietmungen Ausgangs- oder Endprodukt sind natiirlich relat iv: es kommt darauf an, nach welcher Richtung man die Reak- tionsgleichung anschreibt. Der Zusammenhang mit AG ist leicht herzustellen: es wurde oben gesagt, daft man AG meist fiir den Fal l angibt, daft in der L6sung gleich viel Ausgangs- und Endprodukt vorhanden ist. Ist das System in diesem Zustand im Gleichgewi&t, dann ist AG = 0, d. h. das System zeigt keine Ten'denz, nach irgendeiner Sei~e wetter zu reagieren. Liegt das nadl dem Massenwirkungs- gesetz zu erwartende Gleichgewicht aber auf der Seite der Endprodukie , wie z. B. bet der Reakfion ATP + H20 ~ ADP + H3PO4, dann hat A G im oben angegebenen Zustand (gleich viel Anfangs- und Endprodukt) einen Zahlenwert mit negativem Vorzeichen (und zwar etwa --8000cal /Mol) , d. h. die Reaktion hat die Tendenz, in der dutch die Reaktionsgleichung angegebenen Richtung weiterzulaufen. Je mehr sich dadureh die Konzentrationsverh~iltnisse dem Gleichgewichtszustand n~ihern, desto geringer wird die Tendenz zu noch weiterer Reaktion, um schliefl- licit im Zustand des Gleichgewichtes ganz zu verschwinden. Dementspredaend miissen wir fiir A G, das zuerst einen hohen negativen Zahlenwert hatte, inamer niedrigere negative Zahlenwerte ans&reiben, bis AG im Gleichgewicht natiir- l i& = 0 wird.

Sehreiben wit die Gleichung verkehrt an, also in der Form: ADP + H3PO~ -~ ATP + H20, so /indern wir dadurch an der Natur der Dinge nichts. Das System hat weiterhin die Neigung, sich dem Zustand zu n~ihern, in dem viel ADP + H3PO4 und wenig ATP + H~O vorliegt. Da wir abe t nun ADP und H.~PO4 formal zu den Ausgangsprodukten der Reaktion ernannt haben, so miissen wit sagen, dal] das Gleichgewicht nun auf der Seite der Ausgangsprodukte liegt. Zu ihrer Bildung hin ginge also die Reaktion ,,bergab", nada der anderen Seite, die wir in urtserer neuen Gleichung dutch den Pfeil arrgegeben haben, geht sie ,,bergauf". Sie kiJnnte so nur durch Energiezufuhr erzwungen werden. AG hat daher einen positiven Zahlenwert, und zwar fiir den Fall , dai3 gleich viel Ausgangs- und Endprodukt vorhanden ist, den Weft yon + 8000 cal/Mol. Wenn wir einen solchen Weft yon AG sehen, dann wissen wir nun, daft die Reaktion nicht freiwil l ig nach der angegebenen Richtung verlaufen kann, wohl aber mit tier Tr iebkraf t - -8000 eal/Mot nach der entgegen- gesetzten Richtung.

Es wird im folgenden deut]ich werden, dal~ dieses ganze Begriffssystem, das zun~ichst wie eine soplfistische Spielerei anmutet, eine grol~e praktische Bedeutung fiir das Verst~indnis des Energiewechsels der Zelle hat. Wir miissen uns abet bet seiner Beniitzung stets vor Augen halten, daft vieles davon auf l~bereinkunft be- ruht und daft wir hier nicht die Ursachen fiir die beschriebenen Geschehnisse vor uns haben, sondern Maflzahlen fiir Begriffe, die wit aus der Natur abstrahier t haben. Wer sich iiber dieses Gebiet n/iher zu informieren wiinscht, findet recht brauchbare knappe Darstel lungen bet H a u r o w i t z (1959) und K 1 o t z (1957), eine ausfiihrliche Behandlung bet N e t t e r (1959) und in den Lehrbi idlern der phy- sikalischen Chemie.

W i r kiJnnen n u n versuchen , e t w a s t i e f e r e i n z u d r i n g e n in das V e r s t a n d n i s de r V e r b i n d u n g e n , d ie w i r v o r h i n , ,Tre ibs tof fe des Stoffwechsels" g e n a n n t haben . W i r sd~re iben nochmals d ie Reak~ion an :

Neuere Erkenntnisse fiber Energiewe&sel und Makromolekiilsynthese der Zelle 675

ATP q-H.,O ~ A D P + H~PO+ AG = etwa - - 8000 cal/Mol 4)

Die Reakfion ist also stark exergon (und exotherm, AH = - -4800 cal/Mol). Die Tendenz zu einem Ablaut in der angegebenen Riehtung ist also sehr groin, die Gleiehgewidlfskonzentrat ion an unzersetzieln ATP ist naeh Be- cndigung der Reakt ion unmel~bar klein. Die eingangs erwiihnte Reaktion Glucose-6-Phosphat q- H~O+ Glucose q- H.,PO4 geht nieht so stark ,bergab". A G betriigt (fiir 1-molare LiJsung) - -3000 eal/Mol. Da bet vielen Stoffweeh- selvorgiingen, z. B. bet der alkoholisehen Giirung, das Glueose-6-Phosphat eine bedeutsame Rolle spielt, so mul~ es in den betreffenden Zellen eine M5gliehkeit zu seiner Synttlese geben. Nun sind wi t aber sehon wetter oben auf die Tatsaehe gestol]en, dal] kein Enzym die ziemlieh s tark endergone Reaktion Glucose + Phosphat-+ Gluco.se-6-Phosphat + H=O (AG = + 3000 eal/Mol) zu erzwingen vermag, weil ein Kata lysator nieht Energie produ- zieren kann. Der Sehliissel zur LiJsung dieses Problems liegt bet der MSg- liehkeit einer sogenannten ,,e n e r g e t i s e h e n K o p p e 1 u ng" . Das heil]t, formal gesproehen: die Zelle kann eine endergone Reaktion dadureh in Gang bringen, dal~ sic sic mit einer gleiehzeitig ab laufenden exergonen Reaktion koppelt . ]n bildlieher Form ausgedriiekt, entspriiehe dieser g o rgang etwa dem Betrieb der sogenannten Standseilbahnen, bet deneu ein Wagen miftels eines Seiles, das in der Bergstation fiber eine Rolle liiuft, dureh das Gewieht eines talwiirts fahrenden Wagens hoehgezogen wird. In ehemisehen Glei- chungen ausgedriiekt, wfirde die Synthese von Glucose-6-Phosphat so aus- sehen:

A T P q- H~O -- --. ADP + Phosphat AG = --8000 Glucose q- Phospha t - - - - * Glue.-6-Ph. q- HeO AG = q-3000

Summe: Glucose q- ATP ----+ Gluc.-6-Ph. + ADP AG = - -5000

Die Gesamtreakt ion ist also exergon, sic fiihrt ,,bergab . Diese Reaktion kann also von einem Enzym katalysier t werden und tatsiiehlieh finder so die Biosynthese yon Glueose-6-Phosphat start. Das Enzym, alas auf diese Reaktion spezialisiert ist, heil~t Hexokinase. Es spielt bet der alkoholisehen G~irung eine grol]e Rolle und wurde aueh sehon kristall isiert dargestellt. (Vgl. H a e h n 1952, B a l d w i n 1957, L e h n a r f z 1959.)

Die oben in ehemisehen Gleiehungen dargestellte ,,energetisehe Koppe- lung" ist allerdings nur ein formales Schema. Tatsiiehlieh laufen nieht der Zerfall yon ATP und die Synthese yon G1.-6-Ph. nebeneinander her, son- dern die Reakt ion vollzieht sieh naeh der Summengleiehung, d. h. der Phos- phatrest geht vom ATP direkt auf die Glucose fiber. Wenn niimlieh ein Phosphatmolekii l , da,s bet der Spal tung yon ATP entsteht, sieh fret in der L5sung befindet, dann unterseheidet es st& in niehts yon jedem beliebigen anderen Phosphatmoleki i l und ist also aueh zu keiner Reakt ion mit Glucose befiihigt. Die bet der ATP-Spal tung auf t re tende Energie wird in diesem Falle in Form yon W~irme fret und geht verloren. Fiir den direkten l~ber- gang des Phosphatres tes yon ATP auf Glucose ist die Anwesenhei t eines Molekfils des Enzyms Hexokinase notwendig. Die kaialytische Wirkung

4 Die angefiihrten fllermodynamischen Daten sin& wenn nicht anders vermerkt, aus den zusamlnenfassenden Darstellungen yon H a u r o w i t z (1959) und H o 1 z e r !1956) entnommen oder naeh dort angegebenen Daten ulngerechnet worden.

676 H. Kinzel

der verschiedenen Enzyme beruht darauf, daft die Enzymmolekiile jeweils bef~ihigf sind, die bet der betreffenden Reaktion beteiligten Molekiile kurz- fristig an sich zu binden. Dabei werden die Reaktionspartner infoige der spezifischen Eigenschaften des Enzymmolekiils in eine besonders giinsfige r~iumliehe Lage zueinander gebracht, die die Verlagerung yon Bindungen oder den Obergang yon Atomgruppen yon einem Reaktionspartner auf den anderen erleichtert. Abb. 3 so]l grob schematiseh andeuten, wie der [3ber- gang des Phosphates yon ATP auf Glucose wiihrend der Bindung der Reak- tionspartner an das Enzymmolekiil staftfinden kSnnte, ohne daft alas Phos- phat dabei fret wird.

Der Zellsto.ffwechsel umgeht also eine endergone Reaktion dadurch, daft er einen Reakiionspartner (in diesem Falle das Phosphat) vorher auf ein hSheres Niveau hebt und als sogenanntes , , e n e r g i e r e i c h e s P h o s - p h a t" in Form yon ATP in die Reaktion einfiihrt. Dadurch wird die ur-

ADP ~Ph "~ Cluc+

ADP~'Iuc-6-Pb~

1

Abb. 3. MSgli&er Reaktionslne&anismus fiir die Phosphorylierung der Glucose. Ph = Phosphat, ADP ~ Ph = Adenosintriphosphat. Der Buchstabe E mit den dachfSrmigen Linien soll das Enzyln-Molekiil symbolisieren.

spezifisehe Funktionen im Stoffwechsel, wichtigste dieser Verbindungen.

spriinglieh en.dergone Reak- tion in eine exergone ver- wandelt, die von einem Enzym in Gang gebracht werden kann. Die Enzyme und die energie- reichen Verbindungen sind die wichtigsten Hilfsmittel des Stoffwechsels. Als energierei- che Phosphatverbindung stehf das ATP nicht allein da. Es hat eine ganze Reihe yon Ver- wandten, die auf Abb. 4 dar- gestellt sind und sich nur durch die Purin- bzw. Pyri- midinbasen voneinander un- terscheiden. Sie haben alle

abet das ATP ist die weitaus

IV. Die Produktion von energiereichen Verbindungen

Dem Leser wird nicht verborgen geblieben sein, daft die Frage nach der Art des Zustandekommens endergoner Reaktionen in tier Zelle mit den bis- herigen Ausfiihrungen nut um einen Schritt hinausgeschoben, aber nicht endgiiltig beantwortet ist. Die ,,Phosphorylierung" tier Glucose und viele andere ~ihnliche Reaktionen werden dadureh in Gang gebraeht, daft energie- retches Phosphat eingesetzt wird. Wie entsteht aber dieses energiereiche Phosphat in der Zelle? Wir kSnnen heute darauf eine eindeutige Antwort geben: D i e P r o d u k t i o n y o n e n e r g i e r e i c h e n V e r b i n d u n - g e n i s t d i e e i g e n t l i c h e F u n k t i o n d e r A t m u n g u n d d e r G h r u n g .

Es gibt innerhalb der langen Reaktionskette dieser Abbauvorg~inge eine Reihe yon Einzelschritten, die so stark exergon sind, daft sie mit der Syn- these yon ATP aus ADP und Phosphat ,,gekoppelt" werden kSnnen. Eine dieser Reaktionen z. B. ist die Dehydrogenierung vo.n Glycerinaldehyd zu Glycerins~iure, ein wichtiger Sehritt beim Abbau der Kohlehydrate. Will man die beiden ,,gekoppelten" Reaktionen formal voneinander getrennt

Neuere Erkenntnisse fiber Energiewedlsel und Makromolekiilsynthese der Zelle

NH2

I OH OH - - fc\ H n I [

N C N__ I J ~CH2--O_P_O_P_O_ R I H )o~/c---~\ / I, u

HC C N \ / I i \ / 0 0 / \C/ OH OH \C /

N H / ~ \ / / ~ H Adenosindi(tri)phosphat

"\o / OH

1 OH OH ~ C ~ H H j J

N C--- N ~ J i _ C H , - - 0 - - P - - 0 - - P - - 0 - - R I II ~ c ~ / c - - - c \ / / !1 II

HC C - - N ( / I I \ ~ ~ / O O \\ / \C / OH OH \C / ~N~ H/ \ / / \ H ~o~i.di(trilphosph~t

0I t

1 0 n OH

N C N~ I i ~CH2-- 0--P-- 0--P-- O--R I II ~ c i ~ / 9 - - 0 \ / / il i[

H2N--C C N ( / I I\\ . 0 O % / \ C / OH 0 H \ C ( ~ N / H / ~ \ / / \-H Guanosindi(tri)phosphat

\ \ \ 0 / NH2 I

/ c \ N CH

I II OH OH 0 = C CH H H I I

\ \N / I I __CH 2 -- O-- P- -O--P--O-- R C C /

\. / , I \ , , / ~ \C / OH OH \C /

H / ~ / / ~-I-I Cytidindi(tri)phosphat

\o / OH

/ c \ N CH i ]~

0 C CH H H \ \ N / I i

/~ ?\ / / \ H \ /

\off

OH OH I I

/CH~--0--P--0--P--0--R

O O

Uridindi(tri)phosphat

Abb. ~. Die

677

energiereichen Phosphatverbindungen. R = H : Diphosphate, R = PO3H~ : Triphosphate.

678 H. KinzeI

aufschreiben, so miissen die Gleichungen so aussehen (die genannlen Ver- bindungen reagieren bekanntlidl in phosphorylierter Form):

CHO COOH I I

CHOH + H20 -~ CHOH ~- H 2 (an Coenzym I gebunden) I I

CH20 - - POzH 2 CH20 - - POzH z

ADP + HaPOa - - - ~ ATP § HzO

Suinme: 3-Phospho-Glycerinaldehyd + ADP +HaPO~ - - - ~ 3-Phospho-Glycerins~iure + ATP + H~.

In WirklichkeiI sind die beiden Reaktionen innig miteinander verwoben und fin,den w~ihrend der Bindung an Enzymmolekiile statt, analog dem in Abb. 3 dargestellten Vorgang. Die gesamte Reaktion benStigt 2 verschiedene Enzyme und ein Coenzym (zur Aufnah'me des Wasserstoffes). Zunachst wird, gleichzeitig mit dem Entzug des Wasserstoffes, das Phosphat an die dabei neu entstehende COOH-Gruppe gebunden und dann dutch das zweite Enzynl yon dort auf dos ADP iibertragen. (Beziiglich der Einzelheiten des Reaktionsmeehanismus vgl. z.B. D i x o n und W e b b 1958, S. 586.) Ohne die ,,Koppelung" mit der ATP-Synthese ware die Dehydrogenierung -con Glycerinaldehyd stark exergon (AG etwa --ll.000eal/Mo.1). Bet gleich- zeitig ablaufender ATP-Synthese (AG etwa + 8000) verl~iuft sie immer noch exergon (AG = --3000), so daft ihr fliissiger Ablaut gesichert ist.

Auf ~ihnliche Weise wird auch bei anderen Teilsehritten tier Atmung energiereiches Phosphat gewonnen, so vor allem bet der Oxydati~n des Wasserstoffes, der bet den verschiedenen Dehydrogenierungsreaktionen den Substraten enfzogen und iiber eine Reihe yon Coenzymen und Enzymen dem Sauerstoff der Luft entgegengefiihrt wird. Der Mechanisinus dieser ATP-Synthese ist allerdings noch nicht ganz geklart. Man kann abet nach den experimeniellen Ergebnissen schliel~en, daft bet der vollsfiindigen Oxy- dation eines Molekiils Glucose etwa 38 Molekiile ATP aus ADP und Phos- phat produziert werden. Der eigentliche Energiegewinn bet der Aimung ist also dieses ATP, das der Zelle dann fiir ihre Aufbaureaktionen zur Ver- fiigung steht. Das ATP und seine Verwandten treten an zahlreichen Stellen des Stoffwechsels in Aktion. Besonders wiehtig ist ihre Beteiligung bet der Synthese der Makromolekiile, die im naehsten Absehnitt besprochen werden soll.

Die Gleiehung fiir die Atmung kann nun in riehtiger Form angesehrie- ben werden:

C6H1~O6,+ 6 02 + 38 ADP + 58 H~PO4 ~6 CO2 + 6 H~O + 38 ATP

Die analoge Gleiehung fiir die alkoholisehe Giirung lautet:

C~H~206 + 2 ADP + 2 H~PO4 -,2 CO2 + 2 C2H~OH + 2 ATP

Aus diesen Gleiehungen liiflt sieh ablesen, welehen Gewinn die Zelle yon den genannten Vorgiingen hat. Es wird also ein gewisser Anteil der beim Kohlehydrat-Abbau umgesetzten Energie in Form energiereieher u gen abgefangen. Der Rest wird in Form yon Wiirme fret und geht durch Ableitung an die Umwelt verloren.

Neuere Erkenntnisse fiber Energiewechsel und Makromolekfilsynthese der Zelle 679

V. Die Bedeutung der energiereiehen Phosphatverbindungen tfir die Synthese der Makromoleki i le

Ein charakteristisches Merkmal aller Lebewesen ist die Beteiligung yon Makromolekiilen am Aufbau ihrer Zellen. Nucleins~iuren und Proteine fehlen keiner Zelle, Polysaccharide sind weitverbreitet, t3ber die chemische Konstitution dieser Verbindungen wissen wit bereits manches, die Wege ihres Aufbaues waren lange Zeit hindurch in Dunkel gehiillt. Wohl schien es schon vor Jahrzehnten klar, daft sie durch Zusammenfiigung ihrer Bau- steine, der Nucleotide, der Aminos~iuren, der Monosaccharide, entstehen mii~ten, aber es war nicht miSglich, aus der Zelle Enzyme zu isolieren, die einen solchen Aufbau auch in vitro durdffiihren. Wohl kannte man schon seit de'm vorigen ]ahrhundert Enzyme, die Makromo.lekiile abzubauen ver- miSgen: die eiweil3spaltenden Verdauungsfermente wie Pepsin und Trypsin oder die st~irkespaltende Amylase (,,Diastase") des Malzes. Trotz eifrigen Suchens gelang es aber nicht, Enzyme zu linden, die in einigerma~en be- friedigender Ausbeute die umgekehrten Reaktionen katalysieren. Erst die physikochemische Betrachtungsweise brachte eine Klarung des Sachverhal- tes: Die hydrolytische Spaltung der Makromolekiile ist (in w~isseriger Lti- sung) stets exergon, die direkte Synthese aus den Bausteinen daher end- ergon. Es kann daher kein Enzym geben, das die direkte Aufbaureaktion katalysiert. Der Syntheseweg in der Zelle verl~iuft tiber einen Umweg. Die folgenden Beispiele sollen einige dieser Wege sichtbar machen.

1. D i e S y n ~ h c s e d e r D i - u n d P o l y s a c c h a r i d e

Der erste Schriit zur Synthese der Sfiirke ist, wenigstens formal, der Zu- samlnentritt yon 2 Molekiilen Glucose zu einem Molekiil Maltose.

Glucose + Glucose ~ Maltose + H~O

A G = + 4000cal/Mol (wenn alte Konzentrationen = 1 Mol in w~isseriger Ltisung, pH ~ 7). Die Reaktion ist also endergon (die umgekehrte Reaktion daher exergon und enzymafisch durctlfiihrbar). Wer mit dem Massenwir- kungsgesefz vertraut ist, wird leicht einen Weg angeben ktinnen, auf dem es (theoretisch) 'mtiglich sein mill]re, die Reakti0n trotzdem yon links nach rechts ablaufen zu lassen: es w~ire nur no twendig, das Wasser als Ltisungs- mitfel auszuschalten bzw. das bet der Reaktion entstehende Wasser zu ent- fernen. Tats~ichlich werden ja in der chemischen Indusfrie viele hochpoly- mere Verbindungen, die unter Wasseraustritt entstehen (wie etwa die Bake- life), durch Erhitzen ihrer Bausteine fiber den Siedepunkt des Wassers her- gestellt. Andere iihnliche Reaktionen werden durch Zusatz wassereniziehen- der Mittel in Gang gebrachf. Alle diese Wege sind der lebenden Zelle ver- wehrt.

Es wurde schon friiher gesagt, dal] im biochemischen Geschehen eine endergone Reakfion dadurch umgangen wird, daft einer der beiden Reak- tionspartner vorher auf ein htiheres energefisches Niveau gebracht wird. Im Falle der Synthese von Maltose und St~irke geschieht dies in der Weise, dal~ ein Glucose'molekiil mit einem Phosphatrest beladen wird. Eine snlche ,,Beladungsreakfion" wurde bereits beschrieben: Glucose + ATP-~Glucose- 6-Phosphat + ADP. Nun geht die St~irkesynthese nicht voln Glucose&- Phosphat aus, sondern vom Glucose-l-Phosphat, das den Phosphatrest ar~

680 H. Kinzel

einer anderen Stelle seines Molekiiles tr~igt (Abb. 5). Die beiden Verbin- dungen kSnnen aber durch ein Enzym ineinander umgewandel t werden:

GI-6-Ph ~- GI-t -Ph.

Geht nun die Synthese der Maltose yon Glucose- l -Phosphat aus, so daft beim Zusammenschlufi nicht ein Molekiil Wasser, sondern ein Molekiil Phos- pha t fret wird, dann ist die Reakt ion exergon:

Gl - l -Ph + Glucose -, Maltose + H~PO,

A G = - - 800 cal/Mol (unter den obengenannten Bedingungen). Ahnlich liegen die energetischen Verhaltnisse fiir die weitere Anfiigung yon GI-I-Ph-

Molek~ilen zu St~irke bzw. Glykogen 5. Die Reakt ionen /O-PO~H~ ver laufen , nicht sehr stark, aber doch, , ,bergab", so

H--C - - - - d a f sie bet e inigermal]en giinstiger Nachl ieferung yon I I Glucose- l -Phospha t fliissig ablaufen ktinnen. Dadurch,

H-C--OH [ dait diese Reakt ionen n u t ,,ganz flaeh be rgab" laufen, t , kiSnnen sic, bet e ther Verschiebung de r Konzent ra- HO--C--H 0 I I tionsverh~iltnisse, auch leieht umgekeh r t we rden (A(;

H - - C - - O H ~indert sich ja mit der Konzentra t ion, vgl. S. 674). So z. B. gesdfieht die Mobil is ierung des Glykogens bet H - - C - - -

I der tierischen Muskela rbe i t nicht dutch Hydro lyse , H~C--OH sondern dureh , ,Phosphorolyse" :

Abb. 5. Glucose-I- (C~H~00~)n + H~PO,- . (C~Hx00~)._~ + GI-I -Ph Phosphat.

Die Enzyme, die diese Spal tung ka ta lys ie ren , heil{en Phosphorylasen. Die gleiehen Enzyme ktinnen (bet anderen Konzenlrat ions- verhiiltnissen) die Synthese in Gang bringen.

Stellen wir nun noeh die Reaktionen, die zur Synthese eines Molekiiis Maltose aus 2 Mo.lekiMen Glucose no{wendig sind, iibersiehtlidt zusammen:

Glucose q- ATP G1-6-Ph GI- t -Ph -4- Glucose

. . . . ~- G1-6-Ph q- ADP - - - + Gl - l -Ph

-* Maltose -4- HzPO4

Summe: 2 Glucose + ATP - - - ~ Maltose + ADP + HzPO 4

Man ktinnte also bet formaler Betrachtung der Summengle idmng sagen: die endergone Synthese yon Mattose aus Glucose wird dadurch erzwungen, daft sie mit dem (exergonen) Zerfall yon einem Molekiil ATP in ADP und H3PO~ , ,gekoppelt" wird. Eine analoge Rolle spielen das A TP und seine Verwandten bet fast allen Synthesevorgangen in der lebenden Zelle.

Als Spezialfal l set noeh der Aufhau Yon Sac&arose (Rohr- oder Rtiben-

Es set erw~ihnt, daft nach den experimentellen Befunden (vgl. B a 1 d w i n 1957, S. 88) die St~irkesynthese in der lebenden Zelle sowie auch im enzymatischen Mo- dellversuch nut dann in Gang kommt, wenn zumindest kleine Bruchstticke ~-oa St~irkemolekiilen bereits vorher vorhanden stud. An diese werden dann weitere Glucose-Einheiten angefiigt. In der vorliegenden Darstellung wurde jedoch die Synthese yon Maltose aus Glucose der [3bersichtlichkeit wegen in den Vorder- grund gestellt.

Neuere Erkenntnisse fiber Energiewechsel und Makromolektilsynthese der Zelle 681

zucker) aus Glucose und Fructose erwiihnt. Hier liegen die energetisdlen u bei der direkten Reaktion besonders ungiinstig:

Glucose + Fructose~ Saccharose -4- H~O AG = etwa + 6500 cal/Mol (wenn alle Konzentrationen-- 1 Mol und pH = 7)

Diese sellr ungiinstige energetische Situation hat die Folge, daft dic Reaktion auch dann, wenn man yore Glucose-l-Phosphat ausgeht, noch im~ner ,,bergauf" geht, wenn audl nicht so steil wie beim direktem Ver- lauf:

Glucose-l-Phosphat + Fructose-~ Saccharose + H3PO 4 A G = + 1770 cal/Mol (unter den obigen Bedingungen).

Auch auf diese Weise kSnnen sich also noch keine nenncnswerten Mengcn yon Saccharose bilden. In der Zelle muff fiir die Bildung dieses Zuckers da- her ein noch grSflerer Umweg eingeschlagen werden: die Glucose wird nicht mit einem Phosphatrest, sondern mit einer viel grSl~eren Gruppe ,beladen", n~imlich mit dem Rest des Uridin-Diphosphates (vgl. Abb. &). Die entste- hende Verbindung heiflt Uridin-Diphosphat-Glucose (UDPG) und hat die auf Abb. 6 wiedergegebene Konstitution.

O H L

/ c \ N CH

O - - C C H K

/C--C.

/ \

N o /

O H O H

H H~ I I I / c - o - t , - o - P - o - -

ii I~ I O O H C . . . .

t t C O H

I H O C I - I O

I H C O H

I H C . . . .

I C H 2 O H

Abb. 6. Uridindiphosphat-Glucose (UDPG).

Von dieser UDPG aus geht nun die Saccharose-Synthese ,,bergab":

UDPG + Fructose ~ Saccharose + UDP AG = etwa --1000cal/Mol (Bedingungen wie oben).

So wird, nach neueren Versuchsergebnissen, die Saccharose in der Pflanze tats~ichlich hergestellt (C a r d i n i, L e 1 o i r und C h i r i b o g a 1955). Dabei ist zu bedenken, daft der Aufbau yon UDPG eine ganze Reihe yon Einzel- reaktionen erfordert, die (je Mol. Glucose) insgesamt 2 Mol ATP verbrau- chen (vgl. B a 1 d w i n 1957, S. 86). Wir sehen also, daft die Kniipfung einer energetisch besonders ungiinstigen Bindung, wie etwa die Vereinigung von Glucose uud Fructose, 2 Molekiite ATP erfordern kann.

P r o t o p l a s m a , Bd . L I I /4 4 5

682 H. Kinzel

2. D i e S y n t h e s e d e r P r o t e i n e

Hier steht die Sache no ch schlimmer als bei den Ko.hlehydraten. Die Grundreaktion die (rein formal) zum Protein fiLhrt, ist die Yereinigung yon Aminos~iuren zu Peptiden. Wir besitzen therm~dynamische Daten z. B. fiir die folgende Reaktion:

Leucin + Glycin ~Leucyl-Glycin + H20

AG = +7520 cal/Mol, AH = + 5400 cal/Mol ( B o r so ok und H u f f m a n n 1938). Die Werte fiir a~dere Aminosguren diirften in der gleichen GrBfen- ordnung liegen. Diese Reaktionen sind also so stark endergon, dal~ wir mit

? HC-NH~

-O--C &

Ad I O- O- 0

I I I HO--P--O-- P-- O--P\

II il O O O O-

i l 3k//~/Ln'~,.,' Zw/scke,7,orod~,k/ .

0 HC--NH~- AZ'P I ~,#~o-

pIO&C

O- O O O

Bausce/~ 0 0

Abb. 7. Abb. S.

Sicherheit sagen k6nnen: auf diese Weise kann kein Eiwei[~, gebildet werden.

Es ist zu erwarten, daft im Zell- stoffwechsel auch hier ein Umweg tiber ein aktiviertes Zwisdlenpro- dukt eingeschlagen wird.

Abb. 7. Die Aktivlerung der Aminos~iuren bei der Proteinsynthese. (Nach H o a g- l a n d 1959.)

Abb. S. Sd, ema zur Makromolekiilsynthese.

Neue amerikanische Untersudmngen (H e a g 1 a n d 1960) zeigten, daft auch hier die energiereichen Phosphatverbindungen eine Rolle spielen. Es wurde schon oben bei der Synthese der Saccharose darauf aufmerksam gemacht, da~ zur Kniipfung yon energetisch besonders ungiinstigen Bindun- gen 2 Molektile energiereiches Phosphat pro. Bindung ntitig sein kSnnen. Ahnlich liegen die Dinge auch hier. Wir kSnnen auf Grund der genannten Arbeiten heute mit einiger Wahrscheinlichkeit sagen, da f zur Kniipfung einer Peptidbin, dung 1 Mo.lekiil Adenosintriphosphat (ATP) und I Mo]ekiil Guanosintriphosphat (GTP) n~itig sind. Die erste Reaktien ist, wie zu er- warten war, auch hier eine Beladungsreaktion, bei der ein Aminosaure- molekiil mit dem Rest des Adenosinmonophosphates verbunden wird (Abb. 7). Der weitere Verlauf ist noch nicht geklart. Er ist aber jedenfalls dadurch kompliziert, daft es hier nicht wie bej den einfacheren Polysaccha- riden geniigt, die Bausteine einfach aneinanderzureihen. u h~ingt die Eigenart und die bio]ogische Wirksamke~t der einzelnen Pro~teine ja wesentlich so,wohl yon der Reihenfolge der verschiedenen Aminos~iuren in der Polypeptidkette ab als auch yon der endgiiltigen Gestalt des Protein-

Neuere Erkenntnisse fiber Energiewechsel und Makromolekiilsynthese der Zelle 683

molekiils, die sich dutch Faltung oder Schraubung dieser Polypeptidkette ergibt. Bekannt ist, daft man den Nucleinshuren eine entseheidende Rolle bei dieser Phase der Proteinsynthese zusch,reibt. Das ganze Gebiet wird gegenw~irfig intensiv bearbeitet. Wir wissen bis jetzt gerade genug davon, um zu begreifen, daft die Sache bei weitem komplizierter ist als arian sie sich noch vor kurzer Zeit vorstellte. (Beziiglich neuester Ergebnisse auf diesem Gebiet vgl. H o a g l a n d 1960 sowie S t e p h e n s o n , H e c h t , L i t t l e - f i e l d , L o f t f i e l d und Z a m e e n i k 1959.)

Wir sehen also, wenn wir diesen ganzen AbschnKt noch einmal riick- schauend iiberblicken, dal~ die Wege zur Biosynthese der verschiedenen Makromolekiile prinzipiell iihnlich sind. Stets ist diejenige Synthesereak- tion, die yon den direkten Spaltprgdukten der betreffenden Makromolekiile ausgehf, endergon. Die Synthese in der Zelle muff daher tiber einen Umweg geftihrt werden: die Bausteine werden durch ,,Beladung" mit einer yon Fall zu Fall wechselnden Gruppe aktiviert. Von diesen aktivie:rten Zwischen- pro,dukten aus verliiuft dann die Synthesereaktion exergon, wobei die ,,Beladungsgruppe" wieder abgespalten wird (Abb. 8).

S o i s t a l s o d i e S y n t h e s e d e r f i i r d i e Z e l l e l e b e n s w i c h - t i g e n M a k r o m o l e k t i l e u n f r e n n b a r v e r k n i i p f t m i t d e n e n e r g i e r e i c h e n V e r b i n d u n g e n , d i e b e t d e r A t m u n g er- z e u g t w e r d e n. Nun ist auch verstiindlich, warum Makromolektilsynthe- sen so schwer in vitro zu erhalten sin.d: es handelt sich ja um endergone, energieverbrauchende Vorg~inge, die nur dann in befrie,digendel" Weise ab- tauten, wenn sie mit den energieliefernden Vorg~ingen der Atmung (o,der G~irung) gekcrppelt werden. Man kann allerdings die energiereichen Ver- bindungen (z. B. ATP) bzw. die aktivierten Zwischenprodukte auch aus Zell-Ho,mo.genaten extrahieren und ist dann in gewissen Fiillen, wenn man tiber die entsprechenden Enzympriiparate verfii,gt, imstande, einzelne Teil- schritte der Biosynthese auch in vi tro zu beobachten.

VI. Der Kreislauf der makromolekularen Verbindungen

Mit der Synthese der Makromolekiile ktinnte der Aufbau des Zellenleibes fiir abgeschlossen gelten. Dem widerspricht die Erfahrung, daf~ einc Zelle nichf nur w~hrend des Wachstums, sondern auch in ausgewachsenem Zu- stand einen Sfoffwechsel unterh~ilt, Stoffe aufnimmt und abgibt. Die Zelle ist nicht wie ein Haus, das, einmal aufgebaut, in diesem Zustand l~ingere Zeit stehenbleibt. Das Charakteristische am Leben digen liegt ja nicht in dem kunstvollen Bau der Zellen und Organismen, der freilich auch bewun- dernswert und unnachahmlich ist, sondern vielmehr in der Dynamik, die ihnen innewo.hnt.

Dies hat alte iirztliche Weisheit offenbar schon seit langem gefiihlsmiifiig erfafit und fiir den menschlichen Organismus den Satz gepr@t, daft der Ktirper nicht der gleiche bleibe, sondern durch dauernden Abbau und Wie- deraufbau in einem 7jiihrigen Zyklus erneuert werde. Wissenschaftlich untersuchbar wurde diese Eigenart des Lebens erst, als Isotope der natiir- lichen Elemente in ausreichenden Mengen zur Verfiigung standen. Als erstes solches Element wurde etwa um die Mitre der Dreil~igerjahre das Deuterium (der ,,schwere Wasserstoff") fiir die Wissenschaft verfiigbar. Nicht lange dana& (1941) erschien dann audl das Budl yon S c h t i n h e i m e r : The dynamic state of bo,dy constituents. Durch diese und zahlreiche weitere Un-

45*

684 H. Kinzel

tersuehungen (vgl. H a u r o w i t z 1959, S. 233 ft.) wurde der oben erwiihnte gefiihlsm~iriig ausgesprochene Satz auf breiter experimenteller Grundlage besfiitigt.

Die meisten dieser Untersuchungen wurden an Tieren und am Menschen durchgefiihrt: Proteine, die nait radioaktiven Isotopen markiert sind, werden in die Blutbahn gespritzt. Man verfolgt dann die Konzentrafions- ver~inderungen dieser Proteine im Blutplasma und in den Geweben. •hn- liche Untersuchungen wurden auch mit anderen Stoffen gemacht. Die Er- gebnisse weisen alle in die gleiehe Riehtung und sagen uns Folgendes: ob- wohl der KiJrper eines ausgewachsenen Organismus oder eine ebensolche Zelle ihre durchsehnittliche Zusammensetzung, also ihren Gehalt an Pro- teinen, Lipoiden, Kohlehydraten usw., im Laufe der Zeit nicht wesentlich ~ndern, gehen do.eh fortw~thrend tiefgreifende Umsetzungen vor sich. Es sind zwar yon diesen Substanzen nach Ablaut einer gewissen Zeit etwa gleich viele Molekiile vorhanden wie vorher, aber nieht die gleichen Molekiile. Dauernd fin,den Abbau-, Umbau- und Aufbauvorg~inge nebeneinander start. Wir haben Grund zu der Vermutung, daft diese Vorg~inge in jeder einzel- nen Zelle vor sieh gehen. Es wird da natiirlich Abstufungen in der Intensi- tat geben: in physiologiseh besonders aktiven Zellen wird sieh dieser Umbau raseher vollziehen als in den ruhenden. Auch werden nicht alle Teile einer Zelle in gleiehem Marie yon so leben Vorg~ingen erfaflt sein. Bei der Pflanzenzelle z. B. wird die Zellwand wohl am wenigsten an ihnen teilneh- men, die in der Vakuole enthaltenen Stoffe schon in htiherem Marie, am meisten natiirlich die Bestandteile des Proto.plasmas.

Versuchen wit nun an Hand eines Beispieles uns iiber das Wesentliche an diesen Vorg~ingen klar zu werden. Von besonderer Bedeutung scheinen die beschriebenen Umbauvo.rg~inge (ira Englisehen ,,turnover" genannt) i'm Stoff- weehsel der Proteine zu sein. Damit sie ablaufen k~nnen, muff eine Zelle einerseits proteinspaltende Enzyme (Proteinasen) enthalten, anderseits das System des Proteinaufbaues. Abbau und Aufbau gehen dann (in der aus- gewaehsenen Zelle) mit etwa gleicher Geschwindigkeit nebeneinander vor sich. Dies hat zur Fo|ge, daft einerseits eine bestimmte, gleiehbleibende Kon- zentration an Protein (vor allem wohl Enzym-Protein) vorhanden ist, ander- seits eine gewisse station~ire Konzentratioia, ein Reservoir (engl. ,,pool") an Aminos~iuren, aus dem einerseits die Proteinsynthese schiSpfen kann und das anderseits mit den Vorghngen der Amino s~iuresynthese in Verbin- dung steht. Es handelt sieh also.urn einen Gleichgewich~szustand. Nun gibt es verschiedene Arten yon Gleichgewichten: wit ktinnen einen Zustand, der demjenigen in der Zelle in einer Hinsicht ~ihnelt, dadureh erreichen, dari wir in einer Eprouvette eine Ltisung yon Protein mit einer Ltisung yon Aminosiiuren anisehen. In diesem Falle haben w i r e s auch nfit gleiclrbled- benden Konzelatrationen an diesen beiden Typen yon Verbindungen zu tun. Der Untersehied gegeniiber der lebenden Zelle ist klar: es laufen hier keine Reakfionen ab. Es handelt sieh um ein s t a t i s c h e s G 1 ei e h g e - w i e h t. In der Zelle jedoeh wird die gleichbleibende Konzentration dadureh erreicht, daft die Aufbau- und Abbauvorg~inge gleieh schnell ablaufen. Wiirde nichts welter als dies geschehen, so h~itten wir den vorliegenden Zustand ein d y n a m i s e h e s G l e i e h g e w i c h t zu nennen und das System, in demerzus t andekommt , e i n g e s c h l o s s e n e s S y s t e m . Eswiirde ja keine Zufuhr oder Abgabe yon Substanz stattfinden, sondern die beim Ab- bau entstehenden Bausteine wiirden wieder beim Aufbau eingesetzt werden.

Neuere Erkenntnisse fiber Energiewedlsel und Makromolekiilsynthese der Zelle 685

W,ir wissen, dal~ dies in der lebenden Zelle nicht der Fal l ist, einerseits in substantieller Hinsicht: der Aminoshure-,,Pool" steht ja nicht nur mit dem Prote inabbau und -aufbau in Verbindung, sondern einerseifs mit den Reak- tionsketten der Aminosiiuresynthese, anderseits mit zahlreichen anderen chemischen Vorg~ingen, die Yon den Aminoshuren ausgehen. Es wird also vor- kom'men, dal~ Aminos~iuremolekiile aus dem Synfhesestoffwechsel neu an den Pro te inaufbau abgegeben werden, anderseits werden Aminos~iuremole- kiiie, die durch Pro~einabbau entstehen, auch anderen Reakt ionen (etwa dem Aufbau ven Alkaloiden oder dgl.) zugefiihrt werden. Wir haben es also nicht mit einem geschlossenen, so.ndern mit einem o f f e n e n S y s t e m zu tun. Besonders deutlich wird dies aber, wenn man die energetische Seite der Sache betrachtet. Die Spal tung der Proteine zu Amino s~iuren ist ein Hydrolyseprozel~, der nach S. 6S2 exergon (,,bergab") und exo,therm, d. h.

A'ohlehgdral, Fe# , i /

EnerATi~ - ~ ~ . ADP

ATP

akti'vi'erres Z~v/scher opodukr

M3/r~'o- i mo/e,r

Energie ~3uste/n (COl~me)

Abb. 9. Schematische Darsfellung des Zusammenhanges zwischen den energieliefern- den Stoffwed~selvorg~ingen und der Makromolekiilsynthese.

unter Whrmeabgabe, verl~iuff. Zum Aufbau der Profeine ist hingegen eine Zufuhr yon Energie in Form yon energiereichen Verbindungen (ATP) n~fig. Wenn nun diese beiden Vorg~inge dauernd nebene~nander ablaufen, dann ist auch eine dauernde Energ~ezufuhr yon tier Atmung her ntifig und es fin,det eine dauernde Abgabe Yon Energie in der entwerteten, fiir das Leben nicht mehr brauctlbaren Form der W~irnle staff. Das nadls tehende Schema (Abb. 9), eine Erwei terung der Abb. 8, soll dies deutlich machen. Das System des Profeinsfoffwechsels ist also. e~in Gleichgewictlt, das sich nicht selbst geniigt, sondern sich gegen einen dauernden Durchilul~ Yon Materie und Energie aufrecht erh~ilf bzw. diesen Durchflul~ braucht, um bestehen zu ktinnen. Ein solches System hat B e r t a 1 a n f f y (1942) ein F 1 i e l~- g 1 e i c h g e w i c h t genannt. Solchen Fliel~gleichgewichten begegnet man nun im b~ologischen Geschehen sehr h~iufig, ja eine ganze Zelle, ein ganzer Organismus ist eigentlich ein groftes und sehr komplexes Fliel3gleichge- wicht. Abb. 9 zeigt z. B., wie die Energie dutch eine Zelle einer autofrophen Pflanze hin.durchfliel~t: die einstrahlende Lichtenergie wird zuniichst in endergonen Reakt ionen in die chemische Energie der Assimilate verwandel t , d,ann im Laufe der Atmung zu energiereichen Verbindungen umgesetzt 6, welche zur Synthese der Makromo.lekiile verbraucht werden. Schliel~lich

e Energiereiche Phosphatverbindungen, besonders ATP, kt~nnen iibrigens auch direkt bei der Photosynthese gebildet werden.

686 H. Kinzel

wird die EnergJe bei der Hydrolyse der Makromolekiile in der ,,entwerte- ten" Form der Wiirme wieder frei.

Wenn auch ein so lcher Aufbau des Makromolekiilstoffwechsels aus Kreis- prozessen (,,Elementarzyklen" nach S c h u 1 z 1950) noch nicht in allen Einzelheiten streng bewiesen ist, so gibt es doch sehr viele experimentelle Ergebnisse, die fiir das vorgetragene Konzept sprechen. Die besondere St:,irke dieser Theorie besteht aber darin, daft sie mit einer ganzen Reihe yon allgemeinen Eigentiimlichkeiten des Lebens in befriedigender Weise ~ibere~nstimmt: so wird z. B. auf einmal vers~indlich, warum auch ein Or- ganismus, der keine sichtbare Arbeit leistet, dauernd atmen muff. Die Auf- rechterhaltung des lebenden Zustandes ist ja nach der dargestellten Theorie an den danernden Ablaut yon Kreisprozessen gebunden, die in ihrem syn- thetisdlen Tell fortw:dhrend ATP verbrauchen, das be,i der Atmung gebildet werden muf.

Ferner kSnnen wir nun viel besser bestimmte Eigenschaften des Zell- stoffwechsels verstehen, vor allem seine grorie Elastizitht und Regulierbar- keit. Hierfiir haben offenbar wieder die Proteine eine besondere Bedeutung. Es sei an die bekannte Tatsache erinnert, daft alle Enzyme Proteine sind, bzw. daf ein wesentlicher Tell des im Protoplasma enthaltenen Proteins in Gestalt yon Enzymmolekiilen vorliegt. Diese Eiweifmolekiile waren nun, wie viele Proteine in w~isseriger LSsung, einer allm~ihlichen Alterung und Denaturierung unterworfen, wenn sie nicht immer wieder erneuert wiirden. Wichtig ist dabei, daft die Erneuerung wahrscheinlich rascher abl:duft als die Denaturierung, so daft es wohl gar nicht zu letzterer kommt. So werden also die Katalysatoren, deren Art un.d Menge fiir das Gesamtgefiige des Stoff- wechsels mafgebend ist, immer wieder ,,eingeschmolzen" und neu herge- stellt, gegebenenfalls wohl auch in verhnderten Mengenv.erhaltnissen. Es ist klar, dal~ der Stoffwechsel dadurch sehr elastisch w~ird und auf aufere EinfliJsse in zwecknfiil~iger Weise reagieren kann. Von hier aus ist z. B. audl die Erscheinung der ,,enzymatischen Adaptation" zu verstehen: be- stinrmte Zellen, vor allem yon Mikroorganismen, ki~nnen bei Anderung der Umweltverhiiltnisse Enzyme pro,duzieren, die vo,rher nicht in merklicher Menge, gleichsam nut keimhaft, vorhanden waren. So entwickeln z. B. Hefe-Arten, die zun,ichst nur auf die Verg~irung yon Glucose eingestellt waren, die F~ihigkeit zur Verg~irung yon Galactose, wenn man ihnen l~in- gere Zeit hindurch diesen Zucker anbietet. Es wird also ein Enzym, das die Galactose anzugreifen vermag, in verst,irktem Marie produziert. Eine m6gliche Erklarung dafiir gibt S c h u l z (1950, S. 226): ,,Das wiirde auto- matisch dann erreicht werden, wenn ein ,arbeitendes' Protein langsamer als ein ruhendes abgebaut wiirde, etwa dadurch, daft das Substrat eines Fermentes das Hinzutreten des Ab,baufermentes erschwerte, indem es des- sen Oberfl~iche blockiert. Dadurch wiirde eine Anreicherung des betreffen- den Proteins eintreten, da der synthetische Te:il des Elementarzyklus mit unver~inderter Geschwindigkeit weiterl~iuft." Auf den zitierten Aufsatz yon G. V. S c h u l z, der offensichtlich zu wenig beachtet worden ist, sei hier nochmals naclrdriicklich hingewiesen. Vgl. dazu auch H a a s 1955, S. 436 ft.

Auch fiir das Virusproblem ergeben sich neue Aspekte. Wit ktinnen nun klar formulieren, in welcher Hinsicht sich die Viren physiologisch yon einer lebenden Zelle grunds~itzlich unterscheiden: ein isoliertes Virusteil- chen besitzt keinen Stoffwechsel, keine Dynamik. Es ist als statisches

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System von kristall~ihnlich geo.rdneten St i f fen aufzufassen. Entsprechende Versuche (vgl. B r o d a 1959, S. 224) haben gezeigf, dal~ isolierte Viren keine Atmung besitzen. Daraus miissen wir schliel~en, daft d i e V i r e n bei ihrer , ,Vermehrung" in der lebenden Zelle, bei der sie also den Anstol~ zur Synfhese der ihnen eigenen Pro teine und Nucleins~iuren geben, e i n e n w e s e n t l i c h e n S c h r i t t n i c h t s e l b s t v o l l z i e h e n k t l n n e n , n ~ i m l i c h d i e A k t i v i e r u n g d e r B a u s t e i n e , z u d e r j a d a s A t m u n g s p r o d u k t A T P n 5 t i g i s t. Das Virus ist v ie lmehr auf die akf ivier ten Zwischenprodukte angewiesen, die die Zelle fiir den Bedar f ihrer eigenen Makromoleki i l synthese herstellt . Wir diirfen also. annehmen, daft wenigstens die einfachen (phytopathogenen) Viren nur fiber eine ein- zige dlemische Potenz verfiigen: sie vermSgen die in der Zelle verf i igbaren, akf ivier ten Zwischenprodukte in der fiir ihre eigenen Makromoleki i le typischen Ar t zusammenzufi igen. Dies ist also ein einziger Reaktionsschri t t aus dem in Abb. 9 wiedergegebenen Stoffwectlselgefiige.

Es da r t a l lerdings nicht verschwiegen werden, dal] es auch zahlreiche sehr kompl iz ie r t gebaute Viren gibt, deren chemische Potenzen wi r noch keineswegs durchschauen. Aber auch fiir diese erscheint die Annahme be- rechtigt, dal~ sie aui~erhalb der lebenden Zelle in einem statiscben Zustand vorliegen.

So hat uns die biochemis&e Forschung der letzfen beiden Jahrzehnte auch in allgemein-biolcrgiseher Hinsicht um zwei wesentliche Sctlritte welter gefiihrt: Wir kSnnen nun verstehen, in welcher Form die bei der Atmung produzier te Energie dem Aufbaustoffwechsel zugefi ihr t wird, und wir haben eine (wenn auch zun~ichst noch s&wache) Vorstel lung davon bekom- men, wie der dynamische Zustand des lebenden P ro top la smas durch dauernde Energ iezufuhr yon der A t m ung her aufrechterhal ten wird.

Diesen Fortschri t ten unserer Erkenntn i s liegen bewundernswer t e exper i - mentelle Leis tungen sehr zahlreicher Forscher zugrunde. Nur ganz wenige von ihnen konnten mit ihren Or ig ina la rbe i ten zifiert werden. I m allge- meinen wurden die Sammelwerke angegeben, die wei tere In formaf ionen zu bieten vermSgen.

Die Arbei t au f dem besproehenen Gebie t ist wei terhin in vollem Flu~. Wi t wollen ihren neuen Ergebnissen erwar tungsvol l enfgegensehen.

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