Medizinnobelpreis 1931: Otto Heinrich Warburg

Medizinnobelpreis 1931: Otto Heinrich Warburg

 

Der deutsche Biochemiker erhielt den Nobelpreis für »seine Entdeckung von Natur und Wirkungsweise des Atmungsferments«.

 

 Biografie

 

Otto Heinrich Warburg, * Freiburg im Breisgau 8. 10. 1883, ✝ Berlin 1. 8. 1970; Biochemiker und Zellphysiologe, 1909Assistent an der Medizinischen Klinik und 1912 Privatdozentder Physiologie in Heidelberg, 1914 Leiter der physiologischen Abteilung des Kaiser-Wilhelm-Instituts für Biologie,1930 Direktor des Kaiser-Wilhelm-Insituts (ab 1953 des Max-Planck-Instituts für Zellphysiologie) in Berlin-Dahlem.

 

 Würdigung der preisgekrönten Leistung

 

Otto Warburg war einer der bedeutendsten Experimentalbiologen des 20. Jahrhunderts. Er beschäftigte sich mit grundlegenden Fragen des Zellstoffwechsels, insbesondere mit den energieliefernden Mechanismen tierischer wie pflanzlicher Zellen und ihren Biokatalysatoren. Mit bahnbrechenden methodischen Neuerungen öffnete er den Weg zum molekularen Verständnis der Atmungs-, Gärungs- und Photosyntheseprozesse. Besonderes Aufsehen erregten seine Folgerungen für eine Krebstherapie. Von 1926 bis 1944 wurde er dreimal für den Nobelpreis nominiert.

 

 Pionier der Versuchsmethodik

 

Bis Ende des 19. Jahrhunderts waren die meisten Physiologen der Ansicht, dass der Stoff- und Energiewechsel der Zellen an protoplasmatischen Biokolloiden, an zelleigenen, imaginären Riesenmolekülen, abläuft, die sich den klassischen Analysemethoden der Chemie entzögen. Die aufsehenerregende Entdeckung einer zellfreien Alkoholgärung in Hefepresssaft (1897) durch den Tübinger Chemiker Eduard Buchner (Nobelpreis 1907) legte nahe, dass auch die komplexen innerzellulären Vorgänge auf einfachen, von Biokatalysatoren (Enzymen) gesteuerten Reaktionsfolgen beruhen, wie sie bei der außerzellulären Zersetzung von Nährstoffen bekannt waren. Die Aufklärung der einzelnen Stoffwechselschritte, die Isolierung der Enzyme und das Studium ihrer physikochemischen Eigenschaften und biologischen Funktionen eröffneten vollkommen neue Perspektiven chemischer Analysen in der Biologie und wurden zum Gegenstand einer neuen Biodisziplin, der Biochemie.

 

Mit einer ausgezeichneten physikalischen Vorbildung und einem Doppelstudium von Chemie und Medizin war Warburg für biochemische Arbeiten bestens gerüstet. Er führte bewährte Methoden der Strahlenphysik mit klassischen Präparations- und Analyseverfahren der organischen Chemie in geistreichen, effektiven Versuchstechniken zusammen und wählte neue, zweckmäßige Versuchsobjekte, die quantitative Messungen ermöglichten. Dabei ging er konsequent von Organen und Gewebeschnitten zu Einzelzellen über, um die physiologischen Prozesse wie chemische Reaktionen im Reagenzglas handhaben zu können. Interdisziplinarität und technische Innovationen waren seine Markenzeichen.

 

 Die Fermente der Atmung

 

Warburg begann 1908 an der Zoologischen Station in Neapel mit Seeigeleiern zu experimentieren, deren Entwicklung mit einer starken Atmungssteigerung einhergeht. Ihr Sauerstoffverbrauch war ein Maß für die Zellatmung. Versuche, die Atmungsreaktionen analog zur Hefegärung »in Lösung zu bringen«, scheiterten. Wie sich zeigte, war die Atmung strukturgebunden, was auch die atmungshemmende Wirkung bekannter, oberflächenaktiver Betäubungsmittel und Zellgifte erklärte. Da aber auch das oberflächeninaktive Cyanid, das leicht mit Schwermetallen reagiert, die Atmung hemmte, schloss Warburg, dass neben Anlagerungskräften auch Schwermetallkatalysatoren an der Zellatmung beteiligt sind. Mit dem Nachweis von Eisen lag auf der Hand, dass die Sauerstoffatmung eine Eisenkatalyse ist und der Sauerstoff dabei gebundenes, zweiwertiges Ferro-Eisen zu dreiwertigem Ferri-Eisen oxidiert und selbst »aktiviert« wird. Mit der Sauerstoffaktivierung gab Warburg eine schlüssige Antwort darauf, wie es denn kommt, dass die Nahrungsstoffe sich in den Zellen, jedoch nicht im Reagenzglas, mit Sauerstoff verbinden.

 

Warburg konnte sich auf verschiedene Vorkenntnisse stützen, die er in seiner Atmungstheorie zusammenführte. Bereits 1820 hatte Edmund Davy beobachtet, dass Alkohol unter Zusatz von Platin durch Luftsauerstoff oxidiert wird. Von dem Schwermetall ging offenbar eine katalytische Wirkung aus, wie sie Gärungen zeigten. Warburg begann nach seiner Rückkehr aus dem Ersten Weltkrieg nach einem eisenhaltigen Atmungsferment zu suchen. Die geläufigste biologische Eisenverbindung ist der Blutfarbstoff des Hämoglobins. Da Hämoglobin leicht mit Kohlenmonoxid (CO) reagiert, untersuchte Warburg den Einfluss des Gases auf atmende Hefezellen und fand eine hemmende Wirkung. Es war bekannt, dass die Bindung des CO an Hämoglobin lichtempfindlich war. Auch die Atmungshemmung durch CO erwies sich als lichtabhängig. Warburg wurde es dadurch möglich, das Absorptionsspektrum der CO-Verbindung des Atmungsferments zu ermitteln, das dem der Hämgruppe im Hämoglobin oder Cytochrom ähnelte. Für diese Leistung wurde er 1931 mit dem Nobelpreis geehrt.

 

1934 entdeckte Warburg auch wasserstoffübertragende Coenzyme, die Pyridinnucleotide, deren Wasserstoffaufnahme mit einer charakteristischen Absorptionsänderung einhergeht. Mit den darauf aufbauenden optischen Tests der Enzymaktivität gelang es in seinem Labor zwischen 1937 und 1944, allein acht der 16 Enzyme der Alkoholgärung der Hefezellen und der »Milchsäuregärung« (Glykolyse) der Muskelzellen zu isolieren und zu kristallisieren.

 

Warburgs Arbeiten über die Atmungsfermente haben das Verständnis der Wirkung von Enzymen und Vitaminen im Stoffwechsel erheblich vertieft. Sie waren die ersten Enzyme, deren Wirkgruppen identifiziert und deren katalytische Wirkungsweise beschrieben werden konnten. Als klar wurde, dass Vitamine als Bestandteil von Coenzymen fungieren können, eröffneten sich neue Behandlungswege für Vitaminmangelerkrankungen.

 

 Tumorstoffwechsel

 

Warburg versuchte, über die energieliefernden Reaktionen, die das ungehemmte Tumorwachstum versorgen, auch einen neuen Zugang zum Krebsproblem zu bekommen. 1923 erkannte er, dass Krebszellen große Mengen Glucose in Milchsäure umwandeln und offenbar die Fähigkeit gesunder Zellen verloren hatten, in Gegenwart von Sauerstoff die Glykolyse zu unterdrücken. Warburg sah mithin die Ursache des Krebses in einer irreversiblen Störung der Kontrolle der Atmung über die Gärung und machte in den 1950er-Jahren die aerobe Glykolyse der Krebszellen zur Grundlage einer Chemo- und Strahlentherapie gegen den Krebs, die die Öffentlichkeit erregte. Zudem warnte er vor atmungsschädigenden Stoffen, die auch Krebs hervorriefen.

 

Die »kauzigen« Eigenheiten des älteren Otto Warburg, der den Einsatz von Kunstdüngern, Insekten- und Unkrautgiften auf Feldern und in Gärten, Konservierungsstoffen in Nahrungsmitteln, ja selbst von Geschirrspülmitteln verurteilte und Zigarettenrauch und Autoabgase mied, haben hier ihren rationalen Kern. Er könnte heute deshalb als ein Vorreiter »grüner« Lebensführung gelten.

 

E. Höxtermann