ESSAY

Uschi Schling-Brodersen · Michael Bonk

Geschichte der Biochemie

Die Biochemie, auch physiologische Chemie oder biologische Chemie genannt, untersucht nach einer Definition E. Baldwins (1909–1969) in der Sprache der Chemie, d. h. gemäß deren Kenntnisstand und mit den jeweils zeitspezifischen chemischen oder chemisch-physikalischen Methoden, die Zusammensetzung und die Funktion von Lebewesen bzw. Teilen derselben (Leben, Biologie). Diese Definition der Biochemie ist außerordentlich umfassend; sie schließt die Untersuchung der chemischen Struktur von Pflanzen-, Tier- oder Körperbestandteilen, die sog. analytisch-statische Biochemie, ebenso ein wie die Erforschung komplexer physiologischer Prozesse und deren Kinetik, die dynamische Biochemie. Biochemische Erkenntnisse, Methoden und Ansätze bestimmen viele aktuelle Forschungen in den "Wissenschaften vom Leben". Sie erstrecken sich auf so heterogene Arbeitsbereiche wie die Medizin, die Pharmazie, die Landwirtschaft, die Nahrungsmitteltechnologie (Nahrungsmittel), den Umweltschutz sowie fast alle Teilbereiche der Biologie. Etliche Disziplinen, wie die Immunologie oder die Molekularbiologie, sind überhaupt erst durch die Anwendung biochemischer Kenntnisse und Methoden entstanden.

BIOCHEMIE IM 19. JAHRHUNDERT

Obwohl biochemische Techniken und Verfahren seit mehreren tausend Jahren, so z. B. bei der Herstellung von Brot, Wein und Bier, bekannt sind, kann man erst seit Anfang des 19. Jahrhunderts von einer systematischen biochemischen Forschung sprechen. Voraussetzung war die wissenschaftliche Fundierung der Chemie Ende des 18. Jahrhunderts durch A.L. Lavoisiers (1743–1794) Oxidationstheorie.
Das 19. Jahrhundert kennzeichnet den Übergang der Biochemie aus ihren ersten, sehr heterogenen Anfängen zu einer eigenständigen Disziplin mit selbständigen Institutionen und eigenem Forschungsprogramm. In ihrer Entstehungsphase zu Anfang des Jahrhunderts ist die frühe Biochemie aus dem komplexen Zusammenwirken verschiedener Fachgebiete untereinander hervorgegangen, wie der Medizin, der Landwirtschaft, der Chemie, der Physiologie usw. Biochemische Fragestellungen, Herangehensweisen, Methoden und Anwendungen waren so vielschichtig wie die Berufsgruppen, die biochemisch forschten, deren unterschiedliche Ausbildung und Intentionen. Zunächst war Biochemie weitgehend identisch mit Naturstoffchemie (Naturstoffe) und organischer Chemie, die als Chemie des Lebens galt. Im Laufe des 19. Jahrhunderts wurden biochemische Forschungen erheblich ausgeweitet und wandelten sich von der rein chemisch-analytischen Naturstoffchemie zu biochemischen Untersuchungen komplexer Stoffwechselvorgänge, z. B. zur Ernährung, Verdauung und Respiration (äußere Atmung). Sie wurden im Rahmen der Agrikulturchemie und der physiologischen Chemie durchgeführt, denn die organische Chemie hatte sich seit etwa 1840 – beschäftigt mit langwierigen prinzipiellen Debatten um den Aufbau der organischen Materie – ganz der Erforschung der Kohlenstoffverbindungen zugewandt. Zum zentralen Thema der Biochemie entwickelte sich schließlich während des 19. Jahrhunderts die Erforschung der Enzyme.
Alle biochemischen Arbeiten standen in enger Wechselwirkung mit den neuesten theoretischen und methodischen Erkenntnissen der angrenzenden Arbeitsgebiete, wie der Physiologie, der Biologie (Zelltheorie), der Medizin und der physikalischen Chemie (Thermodynamik, Spektralanalyse). Erhebliche methodische Fortschritte für die Untersuchungen zur Zusammensetzung der Naturstoffe brachte 1837 die Einführung der organischen Elementaranalyse als Routinemethode durch J. von Liebig (1803–1873), deren Anwendung zu einer immensen Steigerung der Kenntnisse über die elementare Zusammensetzung biologischer Substanzen führte.
Trotz aller Fortschritte aber blieb eine wichtige Frage während des 19. Jahrhunderts strittig. In ihrer chemischen Zusammensetzung unterschieden sich die "organischen", biologischen Substanzen nicht von anorganischen, mineralischen. Was war dann der Unterschied zwischen lebender und nichtlebender Materie? Es war die Lebenskraft oder "vis vitalis" (Vitalismus), die als zusätzliche besondere Eigenschaft aller lebender Materie galt und hartnäckig von Mechanisten bzw. Materialisten, die allein materielle Erklärungen zuließen, bekämpft wurde. Selbst die Überführung von Ammoniumcyanat in Harnstoff 1828 durch F. Wöhler (1800–1882), also die künstliche Synthese einer organischen Substanz, die normalerweise nur im lebenden Körper produziert wurde, konnte diese Auseinandersetzungen um die Vitalismus-Debatte nicht beenden.
Immerhin waren die inhaltlichen Fortschritte der Biochemie so groß, daß 1877 einer der führenden physiologischen Chemiker, F. Hoppe-Seyler (1825–1895), programmatisch deren Verselbständigung als Disziplin forderte. Um die Jahrhundertwende wurde mit der Einrichtung eigenständiger Fachzeitschriften (z. B. 1902 Biochemisches Centralblatt, 1906 Biochemische Zeitschrift) sowie von Lehrstühlen bzw. Instituten (z. B. 1905 in Liverpool, 1918 Kaiser-Wilhelm-Institut in Berlin) die Institutionalisierung der Biochemie realisiert. Erst 1962 jedoch wurde erstmals ein eigenständiger Diplom-Studiengang Biochemie in Deutschland an der Universität Tübingen eingerichtet.

Naturstoffe

Besonders umfassend und zudem schwierig hinsichtlich ihrer Funktion für lebende Organismen zu deuten war die Gruppe der Eiweißstoffe, da sie neben den entsprechenden pflanzlichen und tierischen Stoffen auch die Kondensationsprodukte der Aminosäuren umfaßte. 1776 hatte C.W. Scheele (1742–1786) die Harnsäure entdeckt, 1733 wurde der Harnstoff von G.F. Rouelle (1703–1770) isoliert. Seit etwa 1800 war bekannt, daß stickstoffhaltige Substanzen nicht nur in Tieren, sondern auch in Pflanzen vorliegen. 1817 wurde dann als erste Pflanzenbase das bereits 1806 entdeckte Morphin beschrieben, schon 1810 war die Aminosäure Cystin isoliert worden. Den Namen Protein führte 1838 der Holländer G.J. Mulder (1802–1880) zunächst für eiweißartige pflanzliche, dann auch für die entsprechenden tierischen Substanzen ein. Nach seiner Vorstellung waren alle Proteine aus Proteinradikalen, bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff, sowie wechselnden Mengen Schwefel und Phosphor zusammengesetzt. Mit dieser Hypothese erregte Mulder den heftigen Widerstand einiger Fachkollegen, vor allem aber stimulierte er weitere Arbeiten zu dieser Thematik.
In der Folgezeit wurden viele weitere Proteinsubstanzen entdeckt, aber ihre Bedeutung für den lebenden Organismus blieb lange Zeit unerkannt. Immerhin wurden die Methoden zur Hydrolyse der Proteine, zu ihrer Reinigung und Charakterisierung im Laufe des Jahrhunderts entscheidend verbessert. 1890 erhielt F. Hofmeister (1850–1922) als erstes kristallines Protein das Hühnerei-Albumin (Eieralbumin). Maßgeblichen Anteil an der weiteren Forschung über deren Aufbau und Struktur hatte der Chemiker Emil Hermann Fischer (1852–1919). Seit den 1880er Jahren beschäftigte er sich mit der Strukturaufklärung der Purine. Zusammen mit seinen Mitarbeitern klärte er die Struktur zahlreicher Vertreter dieser Verbindungsklasse auf; 1895 schließlich gelang ihnen die Synthese des Purinabkömmlings Harnsäure. Um 1900 wandte Fischer sich dem Studium der Aminosäuren zu. Er entwickelte neue Methoden zur Trennung, Isolierung und Charakterisierung einzelner Aminosäuren und ein Verfahren zur Synthese von Peptiden (Peptidsynthese). 1907 gelang die Synthese eines Polypeptids mit acht Aminosäuren. Erst 1953, 34 Jahre nach Fischers Tod, konnten zwei natürlich vorkommende, biologisch aktive Peptide vollständig synthetisiert werden, die HormoneVasopressin (Adiuretin) und Oxytocin, es folgte 1963 schließlich das Insulin.
Fischer lieferte seit Mitte der 1880er Jahre auch wichtige Arbeiten zur Chemie der Kohlenhydrate. Bereits 1811 hatte der Apotheker G.S. Kirchhoff (1764–1833) bei der hydrolytischen Spaltung der Stärke das Auftreten von Glucose beobachtet. Es folgten im Laufe des 19. Jahrhunderts zahlreiche analytische Untersuchungen über die Zucker, aber erst durch die Arbeiten Fischers konnte ihre chemische Struktur endgültig geklärt werden. Er erarbeitete eine Methode, mittels des von ihm 1875 entdeckten Phenylhydrazins verschiedene Zucker, die mit dem Phenylhydrazin Osazone bildeten, zu identifizieren und schließlich deren chemische Konstitution zu bestimmen. Darüber hinaus entwickelte er eine weitere Charakterisierung isomerer Zucker durch Einbeziehung ihrer Konfiguration. Er unterschied Ketosen und Aldosen und die unterschiedlichen optischen Eigenschaften der Zucker. Noch heute benutzen wir die von ihm 1891 propagierten Projektionsformeln (Fischer-Projektionsformel).
Auch die Struktur und Synthese der Fette konnte im wesentlichen im 19. Jahrhundert geklärt werden. Schon 1783 hatte Scheele das Ölsüß, später Glycerin genannt, entdeckt. Die ersten systematischen Untersuchungen über die Konstitution der Fettsäuren lieferte M.E. Chevreul (1786–1889) zwischen 1813 und 1818. Er erkannte die Zusammensetzung der Fette aus Glycerin und Fettsäuren. Bei der Verseifung, d. h. der Spaltung von Fetten durch Kochen mit Alkalien, konnte Chevreul insgesamt sieben verschiedene Fettsäuren erstmals isolieren. Später untersuchte M.P.E. Berthelot (1827–1907) die Reaktionen des Glycerins und synthetisierte Glyceride (Acylglycerine): Monoglyceride, Diglyceride (Diacylglycerine) und Triglyceride, von denen er die letzten als die am häufigsten in der Natur vorkommenden erkannte.

Ernährung und Verdauung

Unter den Eindrücken der Hungersnöte und der schlechten wirtschaftlichen Lage galt das Hauptinteresse der biochemischen Forschung ab etwa 1840 der Ernährung von Pflanzen, Mensch und Tieren, der chemischen Zusammensetzung und Verwertung ihrer Nahrungsmittel.
Im Bereich der Pflanzenernährung brachten die Forschungen des 19. Jahrhunderts entscheidende Fortschritte. Obwohl bereits seit Ende des 18. Jahrhunderts die Atmosphäre als Kohlenstoffquelle nachgewiesen war, konnte sich diese Theorie nicht gegen die z. B. von A.D. Thaer (1752–1828) vertretene Humustheorie durchsetzen, die den Humus als alleinige Quelle der Pflanzennahrung ansah. Erst J. von Liebig änderte diese Vorstellung durch seine Publikation zur Agrikulturchemie 1840 entscheidend. Er bestätigte die Ergebnisse der frühen Pflanzenphysiologen von der Atmosphäre als Kohlenstoffquelle und betonte die Wichtigkeit mineralischer Bestandteile für die Pflanzenernährung (Mineraltheorie). Darauf aber hatten schon vor ihm zahlreiche Forscher hingewiesen, deren Beiträge oft zugunsten der von Liebigschen Erkenntnisse unterbewertet werden. Ein Teil von von Liebigs Aussagen erwies sich auch als falsch. So unterschätzte er z. B. die Wichtigkeit der stickstoffhaltigen Substanzen für die pflanzliche Ernährung, was zu heftigen Auseinandersetzungen mit etlichen seiner Fachkollegen führte. Es dauerte allerdings bis in die 1880er Jahre, bevor mit Hilfe der neuesten Erkenntnisse aus der Mikrobiologie die Rolle der Bodenbakterien (Bodenorganismen; stickstoffixierende Bakterien) für den Stickstoff-Stoffwechsel erkannt wurde.
Auch zum Energiestoffwechsel der Pflanzen wurden wichtige Forschungen betrieben. Bereits zwischen 1770 und 1780 wurden von J. Priestley (1733–1804) Experimente durchgeführt, anhand derer er die Erzeugung von Sauerstoff durch Pflanzen erkannte. Weitere Untersuchungen, die Angaben über die Menge der absorbierten Sonnenenergie sowie das von der Pflanze genutzte Kohlendioxid und Wasser erlaubten, und seine eigene Feststellung im Jahre 1862, daß Stärke durch Chlorophyll unter Lichteinfluß gebildet wird, ermöglichten dem Pflanzenphysiologen J. Sachs (1832–1897) die Formulierung einer ersten Summengleichung der Photosynthese. Etwa um 1900 war die Rolle der Photosynthese im Gesamtkontext der energetischen Umwandlungen auf der Erde bekannt.
Die Klärung der tierischen und menschlichen Ernährung gestaltete sich komplizierter. 1816 konnte F. Magendie (1783–1855) anhand von Fütterungsversuchen mit Tieren nachweisen, daß der Stickstoff der Tiere zu großem Anteil der Nahrung entstammt und ein Fehlen desselben zu deren Tod führt. Er schloß daraus, Tiere seien nicht in der Lage, Stickstoff selbst zu synthetisieren. Der englische Arzt W. Prout (1785–1850) bestimmte 1827 Zucker, Fette und Proteine als wesentliche Nahrungsbestandteile. Nach 1840 untersuchte von Liebig die Rolle und Natur der Nahrungssubstanzen. Nach seiner 1842 erstmals publizierten Vorstellung gab es sog. "plastische Nahrungsbestandteile", Mulders Proteine, die Stickstoff enthielten und zum Aufbau der Körpersubstanzen dienten. Daneben enthielt die Nahrung sog. "respiratorische Substanzen", hauptsächlich Zucker und Fette, wichtig für den Wärme- und Energiestoffwechsel des Körpers. Von Liebig regte eine Großzahl von Untersuchungen über die Transformation von Nahrungssubstanzen im Körper an, die erste Hinweise auf Zwischenprodukte bei der stofflichen Umsetzung von Zuckern, Fetten und Proteinen lieferten. So wurde 1848 nachgewiesen, daß auch Proteine im respiratorischen Stoffwechsel verbraucht werden. Außerdem erhielt die Erforschung von Krankheiten, die offensichtlich mit Ernährung und Stoffwechsel zusammenhingen (Stoffwechselkrankheiten), neue Impulse. 1855 beobachtete C. Bernard (1813–1878) die Bildung von Glykogen in der Leber. Er wies die Fettspaltung durch Pankreassaft sowie Harnzucker bei Diabeteskranken (Diabetes mellitus) nach. 1883 wurde experimentell bestätigt, daß Fette aus Kohlenhydraten gebildet werden. Anfang des 20. Jahrhunderts gab es erste Hinweise, daß Kohlenhydrate zur Fettverbrennung erforderlich sind. Weitere Forschungen zum Intermediärstoffwechsel (Primärstoffwechsel; Stoffwechsel) wurden in den 1920er Jahren mit Hilfe neuer Techniken und Methoden, z. B. mit markierten Substanzen, durchgeführt.

Tierische Wärme und Respiration (Atmung)

Von Liebig hatte mit seinen Arbeiten auch das Interesse an der Entstehung der tierischen Wärme neu stimuliert. Er versuchte, die durch die Verbrennung der Nahrung entstandene Wärme zu messen, gezielte Aussagen über den "Energiewert" (Brennwert) der einzelnen Nahrungsbestandteile zu machen.
Ihren Ausgangspunkt hatte die systematische Erforschung der tierischen Wärme in den Arbeiten von Lavoisier und P.-S. Laplace (1749–1827) Ende des 18. Jahrhunderts. In ihrem Versuch mit einem lebenden Meerschweinchen im Eiskalorimeter (Kalorimetrie) beobachteten sie den Zusammenhang zwischen der "Verbrennung" von Nahrung und der Entwicklung tierischer Wärme. Sie glaubten, die Verbrennung finde in den Lungen statt. Diese Studien stimulierten im wesentlichen zwei wichtige Forschungsrichtungen: erstens zur näheren Klärung des genauen Ablaufs und Ortes der respiratorischen Verbrennung im Körper und zweitens nach dem Zusammenhang zwischen tierischer Wärme, Nahrung und Atmung.
Wichtige Arbeiten zur Lokalisation des Respirationsprozesses wurden von physiologisch ausgerichteten Ärzten durchgeführt. Hoppe-Seyler lieferte bedeutende spektralanalytische Arbeiten über die chemische Zusammensetzung des Blutes. 1875 erkannte der Physiologe E.F.W. Pflüger (1829–1910) als Ort der Oxidation die Zelle. 1885 konnte der Eisengehalt im Blutfarbstoff des Huhns bestimmt werden. 1886 entdeckte der Engländer C.A. McMunn (1852–1911) die Histohämatine (Myohämatin, Cytochrom) und beschrieb sie als respiratorische Farbstoffe – eine Feststellung, die jedoch erst bei ihrer Wiederentdeckung durch D. Keilin (1887–1963) im Jahr 1925 in ihren Konsequenzen erkannt wurde. Keilin beobachtete auch die Änderung des Oxidationsstatus dieser Substanzen während des Atmungsprozesses. 1924 gelang O.H. Warburg (1883–1970) die Charakterisierung des Atmungsferments (Cytochromoxidase) als Häminverbindung. In den 1930er Jahren wurde ihre Rolle als Elektronenüberträger bei der biologischen Oxidation erkannt und die Zellatmung als vielfache Eisenkatalyse durch Warburg und seine Mitarbeiter beschrieben.
Forschungen zum Zusammenhang zwischen Nahrung und Energiestoffwechsel wurden primär aus wirtschaftlichen Gründen, besonders in der Landwirtschaft, vorangetrieben. Ziel dieser Arbeiten war es, geeignete Fütterungssysteme zu entwickeln und Aussagen über den physiologischen Wert der Nahrungsbestandteile machen zu können. Die Experimente allerdings, die etliche Faktoren, wie die chemische Zusammensetzung des Futters und der Exkremente sowie die Messung der Sauerstoffaufnahme und Kohlendioxidabgabe erfassen mußten, gestalteten sich sehr schwierig. Als "black-box-Verfahren",die nur Anfangs- und Endprodukte erfaßten und keine Aussagen über den ablaufenden Prozeß machten, stießen sie zudem auf erhebliche Kritik etlicher Forscher. Erst in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurden zahlreiche methodische und apparative Verbesserungen eingeführt, z. B. von M.J. von Pettenkofer (1818–1901) und C. von Voit (1831–1908). Sie führten Versuche an Menschen und Tieren mit deutlich verringerter Nahrungszufuhr durch und bestimmten die respiratorischen Quotienten, das Verhältnis zwischen der Menge des ausgeatmeten Kohlendioxids mit der des verbrauchten Sauerstoffs, für Fette, Kohlenhydrate und Proteine. Schließlich wurden ihre Arbeiten von M. Rubner (1854–1932) fortgesetzt, der die physikalischen Gesetze zur Erhaltung der Energie auch auf belebte Systeme übertrug. Auf der Grundlage kalorimetrischer Versuche bestimmte er deren jeweiligen Nährwert in Kalorien/g Protein, Kohlenhydrat bzw. Fett (Rubnersche Standardzahlen).

Enzymchemie

Ausgangspunkt für die Entwicklung der Enzymchemie waren die Arbeiten zur Verdauung. Bereits im 17. Jahrhundert hatte J.B. van Helmont (1577–1644) die Magenverdauung als Gärung durch die Magensäure unter Wirkung eines "Fermentum" beschrieben. F. Tiedemann (1781–1861) und L. Gmelin (1788–1853) konnten durch Verdauungsversuche 1826 Salzsäure im Magensaft nachweisen und erkannten deren zersetzende Wirkung. Sie glaubten, der Magen könne den Verdauungssaft nur aufgrund der Lebenskraft bereitstellen. Diese Interpretation wurde 1834 durch Versuche von J.N. Eberle (1798–1834) in Frage gestellt, der zeigte, daß auch isolierter Magensaft Verdauung von tierischem Eiweiß bewirkte. Dieser Magensaft wurde als "Kontaktferment", eine Art organischer Katalysator, gedeutet. 1836 entdeckte T. Schwann (1810–1882) neben der Salzsäure eine zweite katalytische Substanz im Magensaft, das Pepsin. Allerdings war es nicht möglich, die chemische Zusammensetzung des Pepsins zu klären, und es kam die Frage auf, ob es Ähnlichkeiten hatte mit anderen katalytischen Agenzien, wie z. B. der 1811 von dem Apotheker Kirchhoff gefundenen Diastase. Diese Erkenntnisse bildeten die Anfänge zu einer systematischen Erforschung der Enzyme mit dem Ziel, die Ursache der Fermentation zu klären.
Bereits 1818 hatte C.P.F. Erxleben (1765–1831) anhand der Bierherstellung darauf hingewiesen, daß Gärung durch Pflanzenhefen verursacht werde. Unabhängig von anderen Forschern beschrieb Schwann 1839, daß die Hefe während der alkoholischen Gärung wächst. Als Ursache der Gärung deutete er deren Wachstum, insbesondere die metabolische Aktivität des Protoplasmas. Die Verknüpfung von Zelltheorie und Enzymchemie aber fand zunächst kaum Anerkennung, weil die Mehrheit der Forscher Gärung als rein chemischen, nicht an das Leben gekoppelten Prozeß ansah. Von Liebig z. B. glaubte, Gärung werde durch molekulare Vibrationen und Oxidation eiweißartiger Substanzen übertragen. Zwischen 1857 und 1860 wurde diese chemische Erklärung jedoch durch Entdeckungen L. Pasteurs (1822–1895) zunächst bei der Milchsäuregärung, dann bei der alkoholischen Gärung, widerlegt, der eindeutig den Gärungsprozeß mit Mikroorganismen in Verbindung brachte und einige als hefeartige Pilze identifizieren konnte. Mit seinen Arbeiten wurde Pasteur nicht nur zu einem der Mitbegründer der wissenschaftlichen Mikrobiologie, sondern er lieferte auch wichtige Ergebnisse für die Agrikulturchemie (Stickstoffkreislauf der Natur) sowie für die medizinische Bakteriologie. Hier wurden vor allem die chemischen Aktivitäten der Mikroorganismen bei Krankheitsprozessen untersucht. E. Buchner (1860–1917) fand 1897 bei medizinisch-bakteriologischen Arbeiten mehr zufällig, daß auch ein zellfreier Hefepreßsaft Alkoholgärung verursachen kann. Verantwortlich für den Prozeß allein sei ein Protein, die Zymase. Er betonte, die Gärung sei nicht an Leben gebunden. Die langwierigen Debatten um den vitalistischen versus rein chemischen Charakter der Gärung hatte fast ein ganzes Jahrhundert gedauert. Buchners Entdeckung machte auch die 1876 von W.F. Kühne (1837–1900) geprägte und eingeführte Unterscheidung zwischen Enzymen (= biologische Fermente, an die lebende Zelle gebunden) und Fermenten (= chemische Katalysatoren, wirken auch außerhalb der Zelle) hinfällig. Die chemische Natur der Enzyme aber blieb weiterhin ungeklärt, und die neue Enzymtheorie des Lebens wurde nur sehr vorsichtig von den führenden Biochemikern aufgenommen. Enzyme wurden von vielen Forschern für Abbauprodukte protoplasmatischer Proteine gehalten. Die Diskussionen und Auseinandersetzungen um diese Frage reichten weit ins 20. Jahrhundert. Erst 30 Jahre nach ihrer Entdeckung wurde die chemische Struktur der Zymase als Mischung von zwölf katalytischen Enzymen geklärt, und erst nach 1930 konnten die chemische Struktur und die Wirkungsweise der Enzyme endgültig aufgeklärt werden.
In der Geschichtsschreibung der Biochemie gelten jedoch heute die Erkenntnisse der Enzymforschungen, wie sie in den 1890er Jahren von verschiedenen Forschern vorgelegt wurden, als wichtiger Einschnitt für die Etablierung als eigenständige Disziplin: die Enzymtheorie als Vereinheitlichung des Forschungsgegenstands und richtungsweisendes Forschungskonzept der selbständig werdenden, dynamisch ausgerichteten Biochemie.

BIOCHEMIE IM 20. JAHRHUNDERT

Diente das 19. Jahrhundert der Biochemie zur Verselbständigung als eigenständige Disziplin, so brachte das 20. Jahrhundert eine völlig neue Herangehensweise, die über die Entdeckung und Postulierung der verschiedenen Kreislaufprozesse des Stoffwechsels zur Vereinheitlichung der Untersuchungsebene auf den molekularen Bereich und schließlich zur Etablierung der Molekularbiologie führte.
Anfangs wurden die bereits im 19. Jahrhundert begonnenen Untersuchungen mit traditionellen Methoden fortgesetzt. Neue Theorien und Methoden lieferten dann die Voraussetzungen für die Fortschritte der Biochemie im Bereich der Ernährung, Vitamine, Hormone, Enzyme und des Primärstoffwechsels sowie für die "revolutionären" Entdeckungen in der Molekulargenetik (molekulare Genetik) seit Mitte des 20. Jahrhunderts. Ein wichtiges technisches Hilfsmittel lieferte F. Pregl (1869–1930) mit der Entwicklung der Mikroanalyse (1916 publiziert), die eine Elementaranalyse organischer Substanzen auch bei kleinsten Mengen Ausgangsmaterial (Milligrammbereich) ermöglichte. Methodisch wichtig für die Erforschung und Analyse der Proteine war 1924 die Einführung der Ultrazentrifuge durch T. Svedberg (1884–1971), die Entwicklung der Elektrophorese seit 1937 und – auch für die Erforschung der Aminosäuren – die Wiederentdeckung und Weiterentwicklung der schon seit Anfang des Jahrhunderts beschriebenen chromatographischen Methoden (Chromatographie) seit den 1940er Jahren. Für die Aufklärung des Intermediärstoffwechsels war die Markierung mit radioaktiven Isotopen seit etwa den 1920er Jahren bzw. mit künstlich hergestellten radioaktiv markierten Substanzen nach 1934 von Bedeutung. Untersuchungen auf molekularer Ebene sowie die Aufklärung dreidimensionaler Strukturen wurden durch die 1912/13 von W.H. Bragg (1862–1942) und M.F.T. von Laue (1879–1960) entwickelte Röntgenkristallographie ermöglicht (Röntgenstrukturanalyse, Proteinkristallisation); die Anwendung der Kernresonanzspektroskopie seit dem Ende der 1940er Jahre erlaubte zudem die Analyse dynamischer Vorgänge. Die Entwicklung des Elektronenmikroskops seit 1931 durch E.A.F. Ruska (1906–1988) und des Rasterelektronenmikroskops (Rastermikroskop) seit 1937 durch M. von Ardenne (1907–1997) sowie deren Weiterentwicklungen (z. B. Raster-Tunnelelektronenmikroskop, Raster-Kraftmikroskop) durch G. Binnig und H. Rohrer brachten weitere Einsichten in strukturelle Belange biochemischer Vorgänge. Erst zur Mitte dieses Jahrhunderts erfolgte die Einführung des Photometers und der sog. Eppendorf-Pipetten in die biochemische Arbeit. Weitreichende theoretische Neuerungen ermöglichte die Übertragung der Erkenntnisse aus der Quantenmechanik auf die Biochemie. Die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts brachte eine Fülle neuer Methoden in die biochemische Forschung. Die Eigenschaften von Antikörpern wurden in Immunassays zum gezielten Nachweis, zur Darstellung und Analyse von Biomolekülen genutzt. Ausgefeilte blotting-Techniken und Hybridisierungstechniken (Hybridisierung) mit radioaktiven und nichtradioaktiven Nachweissystemen wurden entwickelt. Viele Techniken bzw. deren Kombination ermöglichten eingehendere Analysen von Protein-Nucleinsäure- sowie Protein-Protein-Wechselwirkungen (s. u.). Die immer effektiver werdenden Verfahren, die zur Sequenzierung von Nucleinsäuren und Proteinen herangezogen werden, liefern eine zunehmend größer werdende Fülle von Daten. Mit Hilfe computergestützter Datenbanken (Bioinformatik), die über das Internet weltweit für jeden erreichbar sind, werden heute solche Sequenzdaten erfaßt und analysiert, was Rückschlüsse auf Verwandtschaftsbeziehungen, evolutionäre Entwicklungsvorgänge sowie räumliche Strukturen ermöglicht (s. u.).
Die Ergebnisse biochemischer Forschungsarbeit im 20. Jahrhundert eröffneten auch völlig neue Einsichten über die Ursprünge des Lebens und boten erstmalig Möglichkeiten, die Grundlagen des Lebens durch künstliche Eingriffe im Rahmen des genetic engineering (Gentechnologie) gezielt zu erforschen und zu verändern.

Vitamine und Hormone

Die Hormonforschung hatte ihren Ursprung in den neurophysiologischen Untersuchungen der Wirbeltiere. Etwa seit 1900 kann man von einer systematischen biochemischen Hormonforschung sprechen. Als erstes Hormon wurde 1901/2 das Adrenalin gleichzeitig von J. Takamine (1854–1922) und T.B. Aldrich (1861–1938) isoliert. 1904 wurde das von W.M. Bayliss (1860–1924) und E.H. Starling (1866–1927) im Darm entdeckte Sekretin als Hormon, als chemischer Botenstoff im Wirbeltierorganismus, beschrieben. In den 1920er Jahren präzisierten sich die Vorstellungen über Hormone entscheidend, als 1922 das Insulin entdeckt wurde und A.F.J. Butenandt (1903–1995) und E.A. Doisy (1893–1986) zwischen 1929 und 1934 die Sexualhormone aus Ovarien (Ovar) und Hoden (Steroidhormone) isolierten. Es wurde deutlich, daß sowohl die Bildung von Hormonen als auch ihre Wirkung an spezifische Orte im Organismus gekoppelt ist und daß Hormone nicht artspezifisch wirken. Die Chemie der Nebennierenrindenhormone (Corticosteroide) wurde dann zwischen den 1930er und 50er Jahren mit der Entdeckung von Cortison und Aldosteron durch E.C. Kendall (1886–1972) und T. Reichstein (1897–1996) aufgeklärt, 1949 wurde die therapeutische Wirkung des Cortisons erkannt. Seit Mitte der 1950er Jahre wurden die Grundlagen für die Anwendung hormonaler Kontrazeptiva (Ovulationshemmer) gelegt. Schließlich wurden die Ergebnisse der Hormonforschung an Wirbeltieren auf die der Wirbellosen übertragen. Bereits um 1920 stellte man eine hormonelle Regulation der Metamorphose sowie der Fortpflanzung bei Insekten fest, 1936 wurde der Begriff Juvenilhormon geprägt. 1954 gelang Butenandt und P. Karlson die Reindarstellung des ersten Insektenhormons, Ecdyson (Ecdysteroide), eines Häutungshormons. Mit den Sexuallockstoffen der Insekten wurden darüber hinaus Hormone bekannt, die zwischen den Individuen einer Art wirken. Sie wurden 1932 von A. Bethe (1872–1955) "Ectohormone", später von Karlson Pheromone genannt. Die ersten Arbeiten zu dieser Stoffklasse lieferte Butenandt mit seinen Mitarbeitern, unter anderem 1961 zum Sexuallockstoff Bombykol des Seidenspinners.
Auch bei den Pflanzen wurden schnell entsprechende Wirkstoffe, die Phytohormone, gefunden, die jedoch im Gegensatz zu tierischen Hormonen nur eine geringe Organ- und Wirkungsspezifität haben. 1926 wurden erstmals die das Längenwachstum fördernden Gibberelline nachgewiesen, 1931 gelang dem Chemiker F. Kögl (1897–1959) die Reindarstellung des WuchsstoffsAuxin, 1934 wurden Hemmstoffe und 1956 die Cytokinine entdeckt, die die Zellteilung bewirken. Weitere schon lange bekannte Verbindungen folgten, deren Phytohormonwirkung erst spät erkannt wurde, z. B. Ethylen oder Salicylsäure. 1979 wurde das Brassinolid isoliert, ein Steroid, dessen Hormonwirkung lange umstritten war. Inzwischen ist eine Vielzahl ähnlicher Verbindungen beschrieben, die zur Gruppe der Brassinosteroide zusammengefaßt werden.
Nach der Isolierung der Hormone folgte meist auch schnell deren Synthese. Schwierig war die Erforschung der molekularen Grundlagen ihrer Wirkungsweise und Regulation. Um 1960 gelang E.W. Sutherland (1915–1974) der Nachweis, daß Adrenalin an Rezeptoren auf der Oberfläche von Zellen bindet und damit die Bildung von cyclischem Adenosinmonophosphat(cAMP) als "second messenger" auslöst. Damit war gleichfalls – unabhängig von der Hormonforschung – das erste Glied des in den nächsten Jahrzehnten explosionsartig wachsenden Forschungsbereichs der Signaltransduktion gefunden. Bald wurden auch andere Mechanismen der Hormonwirkung festgestellt. Es wurde z. B. beobachtet, daß Steroidhormone außerhalb der Zelle an spezifische Transportproteine gebunden werden und selbst durch die Membran ins Zellinnere gelangen, wo sie ihre Wirkung entfalten. Andere Hormone, z. B. Schilddrüsenhormone, erreichen durch Pinocytose ebenfalls das Zellinnere. Alle drei Mechanismen führen entweder zu einer geänderten Aktivität von Enzymen oder zu einer geänderten Transkriptionsaktivität von Genen (Gen). Heute ist bekannt, daß die Regulation des tierischen Hormonstoffwechsels äußerst komplex, hierarchisch strukturiert und mit neuronalen, enzymatischen und genetischen Steuerungsprozessen verknüpft ist. Jede Störung im Hormonhaushalt führt zu meist charakteristischen Krankheitsbildern.
Die Vitaminforschung hatte ihre Wurzeln zu Anfang des 20. Jahrhunderts in den früheren Arbeiten zur Ernährung. Es war zwar seit dem 19. Jahrhundert bekannt, daß Nahrung aus Kohlenhydraten, Fetten und Proteinen besteht, aber selbst eine in diesen Bestandteilen ausgewogene, künstlich zusammengestellte Nahrung erwies sich in Experimenten als nicht ausreichend für Tiere und Menschen. Die Suche nach den sog. Ergänzungsstoffen begann und wurde schließlich durch das Studium von Krankheiten geklärt. Schon in den 1890er Jahren hatte C. Eijkman (1858–1930) als Ursache für Beriberi einen Ernährungsmangel vermutet (Mangelkrankheiten). Er wies nach, daß sie durch eine wasserlösliche Komponente im Reis geheilt werden konnte. 1911 prägte C. Funk (1884–1967) den Begriff Vitamin für die von ihm aus Reiskleie isolierte kristalline Substanz. 1926 konnte Vitamin B₁ ("Antiberiberifaktor"; Thiamin) durch B. Jansen (1884–1962) und W.F. Donath (1889–1957) aus unpoliertem Reis gewonnen werden; 1928 isolierte A. Szent-Györgyi (1893–1986) das Vitamin C (Ascorbinsäure). Nach und nach wurde die Reindarstellung und Isolierung der Vitamine – etwa zwischen 1920 und 1950 – vorgenommen, ihre chemischen Synthesen sind heute bekannt. Die wachstums- und entwicklungsfördernde Wirkung dieser Stoffe wurde nachgewiesen, etliche Krankheiten konnten auf Mangel an unterschiedlichen Vitaminen zurückgeführt werden, Skorbut z. B. auf Vitamin-C-Mangel, Rachitis auf Mangel an Vitamin D (Calciferol). Noch größere Bedeutung erlangten die Vitamine nach der Entdeckung ihrer katalytischen Wirkung. 1933 wurde aus Molke das Vitamin B₂ (Riboflavin) isoliert. Etwa gleichzeitig beobachteten Warburg und W. Christian (1907–1955) ein gelbes Ferment (Flavinenzym) bei der biologischen Oxidation. H. Theorell (1903–1982) stellte dann 1934 in Warburgs Labor fest, daß sich das gelbe Ferment aus einem spezifischen Protein und einem phosphorylierten Riboflavin, wie es aus der Molke isoliert worden war, zusammensetzte. Das Riboflavinderivat erwies sich als katalytisch wirksame prosthetische Gruppe; es stand fest: Vitamine können als Coenzyme funktionieren. Inzwischen weiß man, daß dies für die meisten wasserlöslichen Vitamine gilt, wobei sie meist für ihre Funktion als Coenzyme noch modifiziert werden müssen. Auch die sehr unterschiedlichen Funktionen fettlöslicher Vitamine sind heute weitgehend bekannt.

Enzyme: physikalische versus chemische Wirkung

Nachhaltig wurde nach Buchners Enzymtheorie von 1897 die Frage diskutiert, ob Enzyme tatsächlich Proteine seien und wie sie wirkten. Wegen der fehlenden chemischen Nachweise und unter dem Einfluß der aufsteigenden physikalischen Chemie setzte sich die sog. kolloidchemische Betrachtungsweise mehr und mehr durch.
1861 hatte T. Graham (1805–1869) den Begriff Kolloide (kolloid) für nichtkristalline Substanzen hoher Molekülmasse eingeführt, die Wasser aufnehmen und Substanzen an ihrer Oberfläche adsorbieren können. Sie galten als dynamische Komponenten lebender Zellen, zu ihnen zählte man auch die Fermente. Trotz der Beiträge Fischers in den 1890er Jahren über die Stereospezifität der Enzyme, die eine chemische Erklärung der Enzym-Substrat-Wirkung propagierten, galten Enzyme in der Kolloidchemie weiterhin als bioaktive Moleküle, die an nichtspezifische kolloidale Träger adsorbiert seien. Erst als J.B. Sumner (1887–1955) in den 1920er Jahren die Urease als kristallines Protein isolieren konnte, und dann endgültig, als es J.H. Northrop (1891–1987) nach 1930 gelang, kristallines Pepsin als Protein zu identifizieren, war die Proteinnatur der Enzyme endgültig bestätigt. Die Vorstellungen H. Staudingers (1881–1965) aus den 1920er Jahren, Proteine und Fermente als Makromoleküle (Biopolymere, makromolekulare chemische Verbindungen) anzusehen, fand immer größere Beachtung. Schließlich konnte diese Hypothese Ende der 1930er Jahre durch die Bestimmung der relativen Molekülmassen von Proteinen mittels Ultrazentrifuge endgültig bestätigt werden.
Wichtige Hinweise zur Wirkungsweise lieferte 1909 S.P.L. Sørensen (1868–1939) mit dem Nachweis der pH-Abhängigkeit der Enzymaktivität. 1913 postulierten L. Michaelis (1875–1949) und M.L. Menten (1879–1960) ein stöchiometrisches Modell für den Ablauf der Enzymreaktion (Michaelis-Menten-Gleichung), das eine Bestimmung der einzelnen Reaktionsvariablen ermöglichte. Details zum chemischen Mechanismus der Enzymwirkung entdeckten A. Harden (1865–1940) und W.J. Young (1878–1942), als sie 1906 als sog. Coferment (später NAD;Nicotinamidadenindinucleotid) den dialysablen Teil der Buchnerschen Zymase beschrieben. O.F. Meyerhof (1884–1951) fand kurze Zeit später, daß derartige Substanzen sich auch in anderen enzymatischen Reaktionen nachweisen ließen. Systematische Untersuchungen über das Gärungscoenzym der Hefe legten außerdem H. von Euler-Chelpin (1873–1964) und C. Myrbäck seit etwa 1920 vor. Es gelang ihnen, ein rein kristallines Präparat zu isolieren, das bei der Strukturaufklärung eine nahe Verwandtschaft zu dem von Warburg und Mitarbeitern 1935/36 entdeckten "wasserstoff-übertragenden Coferment" (heute NADP/NAD) zeigte. In weiteren Arbeiten klärten von Euler-Chelpin und Mitarbeiter das Prinzip der Mitwirkung von Cozymase bei Redoxreaktionen.
Die Theorie über die Wirkung der Enzyme hatte sich nachhaltig zugunsten chemischer Erklärungsmuster geändert. Deren detailliertere Aufklärung allerdings war wesentlich abhängig von den Erkenntnissen der Proteinforschung und den Fortschritten der Molekularbiologie. 1957 wurde erstmals die genetische Repression einer Enzymsynthese beschrieben. 1963 erkannten F. Jacob und J.L. Monod (1910–1976) die allosterische Hemmung von Enzymen (negatives Feedback; Allosterie). Weitere Regulationsmechanismen wurden in den Jahren bis heute beschrieben, so z. B. der Einfluß von Regulatorproteinen wie Calmodulin, kompetitive Hemmung, kovalente Modifikation wie Phosphorylierung, Glykosylieruns oder Adenylierung, die proteolytische Aktivierung inaktiver Vorstufen (Zymogene) sowie der streng regulierte proteolytische Abbau (s. u.). Nachdem 1960 anhand der Röntgenstrukturanalyse von Myoglobin und Hämoglobin durch M.F. Perutz und J.C Kendrew (1917–1997) die dreidimensionale Struktur der Proteine (Tertiärstruktur bzw. Quartärstruktur) erkannt war, konnte 1965 erstmals ein Raummodell für das Enzym Lysozym dargestellt werden. 1969 gelang die erste Synthese eines Enzyms, der Ribonuclease A. Mit dem gleichen Enzym gelang 1973 der Nachweis, daß die Aminosäuresequenz letztendlich die räumliche Struktur von Proteinen bestimmt. C.B. Anfinsen (1916–1995) konnte zeigen, daß mit Hilfe denaturierender Reagenzien (Denaturierung) entfaltete Ribonuclease A nach Entfernung dieser Reagenzien spontan ihre dreidimensionale Struktur wiedererlangte. Dies gilt prinzipiell für alle Proteine; allerdings wurde schon bald klar, daß zum Erreichen der korrekten Struktur unter physiologischen Bedingungen die Mithilfe weiterer Faktoren, der molekularen Chaperone, notwendig ist (assisted self-assembly, Polypeptidketten bindende Proteine). 1977 wurde von S. Altman anhand der Ribonuclease P gezeigt, daß es Enzyme gibt, die neben dem Proteinanteil auch RNA (Ribonucleinsäuren) enthalten. Zwischen 1981 und 1983 belegten er und T.R. Cech die Fähigkeit verschiedener RNAs zur katalytischen Aktivität und prägten den Ausdruck Ribozyme. Röntgenstrukturanalyse, Kernresonanzspektroskopie und andere Techniken erbrachten Daten für eine Flut räumlicher Strukturen, die zusammen mit experimentellen Befunden ein detailliertes Bild katalytischer Strategien für einzelne Enzyme offenbarten. Die Bedeutung des aktiven Zentrums für die Katalyse sowie die selektive Bindung des Übergangszustands wurde erkannt. Letzteres führte zur Entwicklung von Analoga des Übergangszustands, die als effektive Enzymhemmstoffe fungieren und erstmals 1986 von R. Lerner und P. Schultz als Immunogene zur Herstellung katalytischer Antikörper (Abzyme) eingesetzt wurden. 1988 erkannte man die besondere Bedeutung der Proteasomen für den regulierten Abbau von Proteinen in Cytoplasma und Zellkern. Sie waren bereits 1968 elektronenmikroskopisch dargestellt und im Verlauf der 80er Jahre in mehreren eukaryotischen Zelltypen charakterisiert worden. Weitere Proteinasen mit ähnlicher Funktion wurden daraufhin für andere Zellkompartimente beschrieben.
Heute werden die Enzyme nach der Gesellschaft zur Klassifizierung von Enzymen (enzyme commission; EC) in 6 Hauptgruppen unterteilt und mit einer vierstelligen Nummer versehen, die deren Charakterisierung ermöglicht.

Der Primärstoffwechsel

Die Forschungen zum Primärstoffwechsel waren eng verknüpft mit denen zur Enzymchemie, so bei den Untersuchungen von G. Embden (1874–1933) und Meyerhof zur Aufklärung der Glykolyse. Bereits seit Mitte des 19. Jahrhunderts war bekannt, daß die chemischen Veränderungen bei der Muskelarbeit (Muskelkontraktion) vergleichbar seien mit mikrobieller Fermentation, bei denen Glucose zu Milchsäure verarbeitet wird. Anfang des 20. Jahrhunderts war als gleiches Zwischenprodukt bei der Alkoholgärung und der Glykolyse ein Hexosediphosphat beobachtet worden, und Meyerhof wies auf die nahe Verwandtschaft beider Prozesse anhand der auftretenden Coenzyme hin. 1907 gelang der quantitative Nachweis der Milchsäurebildung aus Glucose unter Sauerstoffmangel, 1918 wurde der Sauerstoffverbrauch bei der Anreicherung von Milchsäure während der Muskelarbeit bestimmt. Wichtig für die weitere detaillierte Aufklärung des Gärungsprozesses waren auch die Entdeckung der Dehydrogenasen 1912 und der Nachweis der Aktivierung von Wasserstoff. Um 1930 war ATP (Adenosintriphosphat) als Coenzym analysiert, und es war bekannt, daß anorganisches Phosphat zur Alkoholgärung nötig ist. 1933 schließlich wurden die Intermediärprodukte der Glykolyse von Embden und Meyerhof beschrieben. Sie erkannten den unter Gewinn von energiereichem ATP ablaufenden Abbau von Kohlenhydraten zu Pyruvat (Brenztraubensäure), dessen Umsetzung im Muskel zu Milchsäure und bei der Alkoholgärung zu Ethanol. In den folgenden Jahren gelang Warburg die Reinkristallisation etlicher bei der Glykolyse beteiligter Enzyme und die Klärung der Vorgänge beim Phosphattransfer. Weitere bedeutende Stationen in der Erforschung des Kohlenhydratstoffwechsels waren die Aufklärung des Auf- und Abbaus von Glykogen in den 1920er Jahren durch C.F. Cori (1896–1984) und seine Frau G.T. Cori (1896–1957) sowie der Gluconeogenese und des Pentosephosphatzyklus.
Die Aufklärung eines weiteren zentralen Stoffwechselprozesses gelang mit der Entdeckung des Citratzyklus, auch Krebs-Zyklus oder Tricarbonsäurezyklus genannt. Bereits seit etwa 1910 war bekannt, daß eine Reihe organischer Säuren enzymatisch dehydriert wird. 1935 entdeckte Szent-Györgyi die enzymatische Oxidation von Succinat (Bernsteinsäure) zu Oxalacetat, 1937 wurde die enzymatische Oxidation von Citrat (Citronensäure) zu Succinat formuliert. H.A. Krebs (1900–1981) beschrieb im gleichen Jahr den kompletten oxidativen Endabbau von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten zu Kohlendioxid und Wasser und die Synthese von energiereichem ATP mittels der anfallenden reduzierten Coenzyme in der sog. Atmungskette. 1941 stellte F.A. Lipmann (1899–1986) eine allgemeine Hypothese zum Energietransfer in lebenden Systemen durch ATP auf. 1948 konnte der Krebs-Zyklus in den Mitochondrien lokalisiert werden. Um 1961 entwickelte P.D. Mitchell (1929–1992) die heute akzeptierte chemiosmotische Hypothese zur ATP-Bildung an der inneren Mitochondrienmembran. Zum Mechanismus der ATP-Bildung durch die ATP-Synthase (mitochondrialer Kopplungsfaktor) schlug 1989 P.D. Boyer anhand von kinetischen Bindungsstudien das Modell eines Bindungswechsels zwischen 3 katalytischen Zentren der F₁-Untereinheit vor, das 1993 von J.E. Walker durch Röntgenstrukturanalyse der F₁-Untereinheit aus Rinderherz-Mitochondrien im wesentlichen bestätigt werden konnte. Die F₁-Untereinheit war bis dahin die größte asymmetrische Proteinstruktur, die aufgeklärt werden konnte. Weitere Komponenten der Atmungskette wurden inzwischen mittels Röntgenstrukturanalyse untersucht; z. B. gelang 1995 H. Michel die Strukturaufklärung der Cytochrom-c-Oxidase (Cytochromoxidase) von Paracoccus denitrificans, dessen Atmungskette mit der der Mitochondrien fast identisch ist.
Im Bereich des Fettstoffwechsels wurde zunächst der Abbau der Fette geklärt. 1905 entdeckte F. Knoop (1875–1946) erstmals die β-Oxidation derFettsäuren. Anhand der Fütterung von Phenylfettsäuren an Versuchstiere und Analyse von deren Harnsubstanz konnte er auf den Abbau durch sukzessive β-Oxidation jeweils durch Abbau von C₂-Bausteinen schließen. Diese Ergebnisse wurden später durch Versuche mit radioaktiv markierten Fettsäuren bestätigt. Auch für die Synthese der Fettsäuren wurde ein C₂-Baustein-Rhythmus angenommen. Es gab etliche Hypothesen über Startprodukte und weiteren Verlauf der Synthese. Erleichtert wurden die Arbeiten durch die Einführung der Isotopenmethode (Markierung mit Deuterium; Isotope) bei der Erforschung der Fette durch R. Schoenheimer (1898–1941) ab 1935. Nach der Aufklärung des Coenzyms A durch F.F.K. Lynen (1911–1979) und Lipmann 1951 konnte das Acetyl-Coenzym A als Träger der aktiven C₂-Gruppe beim Auf- und Abbau der Fette im Organismus beschrieben werden.
Seit den Untersuchungen Fischers war bekannt, daß Proteine und Polypeptide aus Aminosäuren aufgebaut sind. Systematische Untersuchungen über den Stoffwechsel der Aminosäuren hat zuerst Knoop 1910 durchgeführt, wobei er mit der "Markierung durch Phenylreste" die schon beim Fettsäureabbau erprobte Methode wiederverwendete. Aufgrund von Harnanalysen konnte er nachweisen, daß die Aminosäure die gleichen Oxidationsprodukte liefert wie ihr Abbauprodukt, die nächstniedere stickstofffreie Säure. Knoop deutete bereits die Umwandlung einer α-Ketosäure (Ketocarbonsäuren) in die entsprechende Aminosäure an, die dann 1937 endgültig von A.E. Braunstein (1902–1986) und M.G. Kritzmann (1904–1971) als Transaminierung bestätigt wurde. Seit 1904 war auch durch Beobachtungen von A. Kossel (1853–1927) und H.D. Dakin (1880–1952) bekannt, daß das Enzym Arginase die Hydrolyse von Arginin in Harnstoff und Ornithin bewirkt. Außerdem war die Bildung von Harnstoff in der Leber nachgewiesen worden. 1932 beschrieben Krebs und K. Henseleit (1907–1973) mit dem Harnstoffzyklus bzw. Ornithinzyklus den Abbau von Ammoniak über das Zwischenprodukt Arginin zu Harnstoff in der Leber.
Die Bedeutung der Photosynthese war um die Jahrhundertwende schon erkannt. Die detaillierte Untersuchung der einzelnen Reaktionen und Reaktionskomponenten begann, als 1913 R. Willstätter (1872–1942) und A. Stoll (1887–1971) die Isolierung und Analyse des Chlorophylls gelang – erst 1960 erfolgte dessen Synthese. 1922 bestimmte O. Warburg die Wirkquanten der Photosynthese. R. Hill entdeckte 1939, daß isolierte Chloroplasten Sauerstoff entwickeln, wenn sie in Gegenwart eines Elektronenakzeptors (hier Ferricyanid; Hill-Reaktion) bestrahlt werden. Die Sauerstoffentwicklung kann also ohne die Reduktion von Kohlendioxid erfolgen. Zudem war damit klar, daß der entwickelte Sauerstoff nicht aus dem Kohlendioxid stammt, sondern aus dem Wasser. Dies wurde 1941 von M.D. Kamen mit Hilfe des schweren Sauerstoffisotops ¹⁸O bestätigt. M. Calvin (1911–1997) klärte an der Grünalge Chlorella Anfang der 1950er Jahre den nach ihm benannten Calvin-Zyklus auf und erkannte Ribulose-1,5-diphosphat als Primärprodukt der Photosynthese. A. Jagendorf konnte 1966 zeigen, daß Chloroplasten im Dunkeln ATP bilden, wenn man über die Thylakoidmembran einen pH-Gradienten und damit eine protonenmotorische Kraft erzeugt. Dies war der erste Beleg dafür, daß die ATP-Bildung in Chloroplasten ähnlich der oxidativen Phosphorylierung (Atmungskettenphosphorylierung) in Mitochondrien nach den Prinzipien der chemiosmotischen Hypothese von Mitchell erfolgt. Anfang der 1980er Jahre entschlüsselten M.D. Hatch und C.R. Slack den Mechanismus der Photosynthese von C₄-Pflanzen(Hatch-Slack-Zyklus). Eine neue Dimension der Photosyntheseforschung wurde zwischen 1982 und 1985 von J. Deisenhofer, R. Huber und H. Michel mit der Aufklärung der dreidimensionalen Struktur des Reaktionszentrums von Rhodopseudomonas viridis eingeläutet, das dem Photosystem II der grünen Pflanzen homolog ist. Inzwischen ist es auch gelungen, die beiden pflanzlichen Photosysteme experimentell zu trennen und so deren unterschiedliche Pigmentzusammensetzung zu untersuchen.

Molekulargenetik, Proteinbiochemie und genetic engineering

Ein wesentliches Gebiet der Biochemie des 20. Jahrhunderts ist die Entdeckung der molekularen Vorgänge bei der Vererbung und die Klärung der Proteinbiosynthese (Translation). Allerdings hat die Aufklärung dieser elementaren Lebensvorgänge sehr lange gedauert. Bereits 1869 analysierte J.F. Miescher (1844–1895) im Labor von Hoppe-Seyler das Nuclein und entdeckte die später sog. DNA (Desoxyribonucleinsäuren). Kossel beschrieb 1893 die Pentose-Nucleinsäure. Zwischen 1893 und 1903 konnte er die PurinbasenAdenin und Guanin sowie die PyrimidinbasenThymin, Cytosin und Uracil nachweisen. Schließlich gelang Emil Hermann Fischer die Herstellung von Nucleosiden (Desoxyribonucleoside, Ribonucleoside) zahlreicher Purine, darunter des Guanins und des Adenins, später auch die Synthese eines Nucleotids (Nucleotide). Allerdings war ihm die biologische Funktion dieser Substanzen in ihrem vollen Ausmaß nicht bewußt. Fischer vermutete 1916, daß Polypeptidketten aus nur etwa maximal 30 Aminosäuren bestehen. Das Kolloidstadium der Eiweißverbindungen galt nach wie vor als Spezifikum der lebenden Zellen, die Proteine wurden als wichtigste Substanzen bei der Vererbung angesehen. Chemische Erklärungen für die stoffliche Zusammensetzung der Zellen bzw. die in ihnen ablaufenden Prozesse rückten erst nach Einführung von Staudingers Makromolekülhypothese und der Übertragung der Erkenntnisse in der Quantenmechanik auf die Biochemie ab den 1920er Jahren in den Vordergrund.
Aber nicht nur in der Biochemie, auch in der Genetik gab es viele konkurrierende Hypothesen, obwohl schon seit Ende des 19. Jahrhunderts biochemische Erklärungen für die Vererbung von Merkmalen herangezogen wurden. So vermutete 1904 C.E. Correns (1864–1933) als Ursache bei der Vererbung von Blütenfarben chemische Prozesse. Der englische Arzt A.E. Garrod (1857–1936), der über die Ursachen von Krankheiten wie z. B. der Alkaptonurie und des Albinismus forschte, leitete aus dem Verhalten rezessiver und dominanter Gene um 1900 ab, daß Gene entweder Enzyme produzieren oder selbst Enzyme sind. Aber die frühen biochemischen Ansätze in der Genetik wurden nach 1912 mit der Begründung der Chromosomentheorie der Vererbung durch die Schule um T.H. Morgan (1866–1945) zunächst für etwa zwei Jahrzehnte in den Hintergrund gerückt.
Die erneute Verknüpfung zwischen Biochemie und Genetik in den 1930er Jahren wurde mitgetragen durch neue Erkenntnisse aus der Mikrobiologie. Bereits 1911 hatte A.L. Hagedoorn (1900–1953) Viren als chemische Substanzen mit autokatalytischen Fähigkeiten beschrieben und sie mit Genen verglichen. Auch Bakteriophagen wurden zunächst als Enzyme von Bakterien angesehen; 1942 wurde mit Hilfe der ersten Elektronenmikroskope ihre Organisationsstruktur aufgezeigt. Schließlich gelang W.M. Stanley (1904–1971) bei der Untersuchung von Viren 1935 die Isolierung eines Proteins mit den Eigenschaften des Tabakmosaikvirus. Dieses war aus Nucleoprotein und Nucleinsäuren zusammengesetzt. Etwa zur gleichen Zeit vermutete der Chemiker W.T. Astbury (1898–1961) eine Wechselwirkung von Protein und Nucleinsäure als Ursache der Selbstverdopplung der Chromosomen. Aber es dauerte bis 1944, bis die DNA als die für die Erbübertragung verantwortliche Substanz identifiziert werden konnte. Der Nachweis erfolgte über das Studium von biochemischen Eigenschaften, die als phänotypische Merkmale nachweisbar sind – eine Technik, die 1941 von den US-Amerikanern G.W. Beadle (1903–1989) und E.L. Tatum (1909–1975) an Pilzstudien (Neurospora crassa) eingeführt und von S.E. Luria (1912–1991) und M.L.H. Delbrück (1906–1981) übernommen wurde, um das Auftreten spontaner Mutationen in Bakterienkulturen zu untersuchen. 1940 hatten Beadle und Tatum die Ein-Gen-ein-Enzym-Hypothese propagiert. 1943 stellte Butenandt die Wirkungsweise der Erbfaktoren über Enzyme am Beispiel der genabhängigen Pigmentbildung fest. 1944 dann analysierten O.T. Avery (1877–1955) und Mitarbeiter endgültig anhand von Transformationsversuchen die DNA als Erbsubstanz. Damit war die Grundlage für die weitere molekulare Erforschung der Vererbung gegeben, die aus zwei verschiedenen Richtungen, der Strukturchemie und der Genetik, parallel erfolgte und zusammen ein Gesamtbild ermöglichte. Ende der 1940er Jahre erkannte der Biochemiker E. Chargaff, daß die Anzahl der Adenine der DNA gleich ist der Anzahl der Thymine, die der Cytosine gleich der Guanine (Chargaff-Regeln). 1950 postulierten L.C. Pauling (1901–1994) und R.B. Corey (1897–1971) die α-Helix-Struktur (Alpha-Helix) der Proteine. Die Genetiker Delbrück, Luria und A.D. Hershey (1908–1997) führten etwa um die gleiche Zeit Bakteriophagen in die Forschung ein. Mit Hilfe markierter Substanzen wiesen 1952 Hershey und M. Chase an diesen Untersuchungsobjekten die zentrale Rolle der DNA bei der Vererbung endgültig nach. R. Franklin (1920–1958) und M.H.F. Wilkins schließlich lieferten mit ihren röntgenkristallographischen Untersuchungen die unmittelbaren Voraussetzungen für die Entdeckung der Doppelhelixstruktur ( ä Desoxyribonucleinsäuren III ) 1953 durch J.D. Watson und F.H.C. Crick(Watson-Crick-Modell), mit der zahlreiche Ideen und Hypothesen über den Vererbungsvorgang verknüpft wurden. Diese gelten noch heute als das zentrale Dogma der Molekularbiologie.
Watson und Crick vermuteten, daß die genetische Information in der DNA als Sequenz der Basen enthalten sei, deren Paarung bei der Replikation komplementär erfolge. Nach ihren Vorstellungen wird durch die genetische Information die Aminosäuresequenz der Proteine bestimmt, und zwar durch jeweils eine Folge von drei Basen pro Aminosäure (Triplett-Code;Colinearität, Dreiercode). Crick hatte auch ein Modell für die Proteinbiosynthese entworfen: es enthielt einen "Adaptor" zwischen DNA und Aminosäuren (Adaptorhypothese). Weiterhin formulierte er die Richtung des Informationsflusses von der DNA zum Protein. Nach und nach konnten Watsons und Cricks Hypothesen durch eine Vielzahl von Forschungsarbeiten, die weltweit in etlichen Laboratorien durchgeführt wurden, bestätigt werden. 1955 bzw. 1956 wiesen S. Ochoa (1905–1993) und A. Kornberg die Enzyme Polynucleotid-Phosphorylase bzw. DNA-Polymerase I nach (erst Anfang der 1970er Jahre wurden die Polymerase II und III entdeckt) und bestätigten damit den von Watson und Crick beschriebenen Mechanismus bei der DNA-Duplikation. 1957 wurde von M.B. Hoagland und P.C. Zamecnik die erste tRNA (transfer-RNA) isoliert und ihre Funktion als Intermediat der Proteinsynthese erkannt. Schließlich schlugen A.B. Pardee, Jacob und Monod eine kurzlebige RNA als Bote zwischen der DNA und den Ribosomen, die seit 1952/54 als Orte der Proteinbiosynthese bekannt waren, vor. Die Hypothese über die Boten-RNA oder messenger-RNA(mRNA) konnte von Crick und S. Brenner an Phagenexperimenten verfolgt werden. Mit Hilfe synthetisch hergestellter markierter Polyribonucleotide gelang M.W. Nirenberg, H. Matthaei und H.G. Khorana seit 1960/61 mit der Zuordnung von Aminosäuren zu bestimmten Basensequenzen die Entschlüsselung des genetischen Codes. 1967 bestätigte C. Yanofsky experimentell die Vermutung, daß die Sequenz der Codonen der DNA die Sequenz der Aminosäuren im Protein determiniert. Ab ca. 1970 wurde nachgewiesen, daß identische Formen mRNA gleiche Aminosäuren in unterschiedlichen Organismen produzieren. Die Gültigkeit des molekularbiologischen Zentraldogmas (Sequenzhypothese, Triplettcode, unidirektionale Ablesung: DNA–RNA–Protein) war somit gezeigt. Allerdings gibt es Ausnahmen: Retroviren besitzen die reverse Transkriptase, eine 1970 von H.M. Temin (1934–1994) und D. Baltimore unabhängig voneinander entdeckte RNA-abhängige DNA-Polymerase, mit der viruseigene RNA zunächst in DNA übersetzt wird, bevor diese in das Genom der Wirtszelle integriert. Eine weitere Ausnahme des Zentraldogmas sind Prion-Proteine, die einzigen bislang bekannten infektiösen Pathogene, deren Verbreitung und Vermehrung nicht über Nucleinsäuren verläuft.
Die genauen Vorgänge bei der Umsetzung von genetischer Information in Proteine, deren chemische Struktur und Steuerung sind nach wie vor Gegenstand intensiver Forschungsarbeiten und umfassen Nucleinsäure- sowie Proteinanalytik. Bereits 1961 legten Jacob und Monod das Operon-Modell (Jacob-Monod-Modell) zur Regulation der Genaktivität (Genregulation) vor. 1965 erfolgte die erste Sequenzanalyse einer tRNA durch R.W. Holley, 1966 die in-vitro-Synthese von infektiöse r Phagen-DNA. 1967 gelang die in-vitro-Totalsynthese der DNA eines einzelsträngigen Phagen, 1970 erfolgte die erste Synthese eines Gens durch H.G. Khorana. Die Entwicklung von Methoden zur Sequenzanalyse der DNA begann 1975 mit der Didesoxymethode (Sanger-Verfahren) nach F. Sanger, mit deren Hilfe 1975 das erste komplette Genom, das des BakteriophagenΦX174, sequenziert wurde; 4 Jahre später präsentierten A. Maxam und W. Gilbert eine Sequenzierungsmethode durch chemische Spaltung (Maxam-Gilbert-Methode). Das Jahr 1977 brachte die Entdeckung des Introns in der DNA eukaryotischer Zellen. 1981 gelang die vollständige Sequenzierung der menschlichen mitochondrialen DNA, im gleichen Jahr wies T.R. Cech beim Ciliaten Tetrahymena pyriformis sich selbst spleißende RNA (autosplicing, spleißen) nach. Ebenfalls 1981 wurde mit dem helix-turn-helix-Motiv (Bindemotiv, Protein-DNA-Interaktion) beim Cro-Protein und dem Repressor des Lambda-Phagen sowie beim cAMP bindenden Protein von Escherichia coli die erste DNA-Erkennungsstruktur beschrieben und damit die Erforschung von Transkriptionsfaktoren eingeleitet. Schließlich wurde 1983 von K.B. Mullis die in-vitro-Vervielfältigung von DNA durch die Polymerase-Kettenreaktion eingeführt und zu einer Routinemethode entwickelt, durch die beliebiges Erbmaterial schnell und einfach vermehrt werden kann. Vielerlei Variationen dieser Technik erschließen inzwischen eine enorme Bandbreite an Anwendungen. 1986 fand man erste Hinweise auf das RNA-Editing bei Kinetoplasten von Trypanosomen.
In der Proteinanalytik war es 1953 die Entschlüsselung der Aminosäuresequenz von Insulin, an der F. Sanger seit 1945 gearbeitet hatte, die einen enormen Anschub bedeutete. Schon vor Abschluß dieser Arbeit (1950) wurde von P. Edman eine effektivere Proteinsequenzierungsmethode entwickelt (Edmanscher Abbau), die die Methode von Sanger vollständig verdrängte und – automatisiert – noch heute Standard ist (Gasphasen-Sequenator). Von R.B. Merrifield wurde 1962 ein Verfahren zur chemischen Synthese von Peptiden und Proteinen vorgestellt (Festphasensynthese), mit dem 1969 erstmals die Totalsynthese eines Proteins, der Ribonuclease, gelang. 1975 erweiterten P.H. O'Farrel und J. Klose das Spektrum der etablierten Elektrophoresetechniken, indem sie unabhängig voneinander die zweidimensionale Gelelektrophorese entwickelten, mit der erstmals komplexe Proteingemische auftrennbar wurden und damit das Proteinexpressionsmuster von Zellen erforscht werden konnte. Die Entwicklung des Two-Hybrid-Systems durch S. Fields und O. Song 1989 ermöglichte erstmals die Untersuchung von Protein-Protein-Wechselwirkungen (Protein-Protein-Interaktionen) in intakten Zellen (in der Regel Hefezellen). Modifikationen erlauben auch die in-vivo-Untersuchung von Protein-DNA- und Protein-RNA-Wechselwirkungen. Von D.C. Prasher und Mitarbeitern wurde 1992 das grünfluoreszierende Protein(GFP) aus der Leuchtqualle Aequorea forskalea (Aequorin) kloniert und sequenziert und seither zu einem Biolumineszenzmarker (Biolumineszenz) für die Genexpression, die Proteindetektion und Proteinlokalisierung in lebenden oder fixierten Geweben, ja sogar in ganzen Organismen, entwickelt, der aus der modernen Proteinbiochemie nicht mehr wegzudenken ist. 1995 wurde von M. Wilkins – in Anlehnung an die Bezeichnung Genom – der Ausdruck Proteom geprägt, der die Gesamtheit der von einer Zelle oder einem Organismus exprimierten Proteine beinhaltet.
Eine neue Ära in der Biochemie und Molekularbiologie begann, als S.E. Luria und Mitarbeiter 1952 die Inhibition (Restriktion) des Phagenwachstums von E.coli-Stämmen beobachteten. Zehn Jahre später wurde erkannt, daß nach der Infektion von Bakterien durch Phagen bakterienspezifische Veränderungen an der Phagen-DNA auftreten und daß diese enzymatisch inaktiviert werden. 1965 wurde das Vorhandensein von spezifischen Restriktionsenzymen von W. Arber postuliert, 1969 gelangen die Isolierung eines Restriktionsenzyms (Restriktionsendonuclease) sowie die Analyse von deren Erkennungssequenz auf der DNA. Die große Tragweite dieser Entdeckungen war bald bekannt. Mit Hilfe dieser Enzyme kann DNA in vitro fragmentiert und sequenziert werden, eine Anlagerung von komplementärer DNA ist möglich. Als Mittel zur Aufnahme und Vermehrung von in vitro rekombinierter DNA in Bakterien- oder Eukaryotenzellen wurden in den 1970er Jahren aus Plasmiden und der DNA von Bakteriophagen Vektorenentwickelt. Diese Erkenntnisse bilden die Grundlage für die Technologie der DNA-Rekombination, die Fortschritte bei der Isolierung und Sequenzanalyse von genetischem Material und der Kenntnis molekularbiologischer Vorgänge (s. o.) mit sich brachte. Dies waren wiederum Voraussetzungen für die stürmische Entwicklung der Gentechnologie (und mit ihr auch der Biotechnologie): 1978 wurde erstmals ein Fremdprotein, das Peptidhormon Somatostatin, in Bakterien exprimiert; 1980 wurde Insulin als erstes rekombinantes Genprodukt in industriellem Maßstab erzeugt; 1987 gab es erste gentechnische Freilandexperimente in den USA. Darüber hinaus können diese Techniken aber auch zur gezielten Veränderung von genetischem Material, zum genetic engineering, im kranken und gesunden Lebewesen eingesetzt werden und bieten damit die Voraussetzungen für die Gentherapie. Das Klonen von Bakterien, unter anderem zur Expression und Gewinnung rekombinanter Proteine, ist seit den Anfängen des genetic engineering Standard. Heute ist es auch möglich, Klone von Pflanzen und – unter Verwendung undifferenzierter, embryonaler Zellen – von Tieren herzustellen. 1997 gelang I. Wilmut mit dem Schaf "Dolly" erstmals die Klonierung eines Säugetieres aus einer bereits ausdifferenzierten Zelle, 1998 folgte nach ähnlichem Vorgehen das Klonen von Kälbern durch mehrere japanische Gruppen (u. a. durch Y. Tsunoda und Mitarbeiter) und von Mäusen durch R. Yanagimachi. Ziel solcher Forschungen ist die Schaffung genetisch einheitlicher, transgener Tiere, die z. B. therapeutisch nutzbare Substanzen produzieren (gene-farming, Gen-Medikament).
Neben der Gentechnologie zählen zu den großen aktuellen biochemischen Forschungsprogrammen unter anderem die komplette Sequenzierung ("Entschlüsselung") des menschlichen Genoms und des Genoms verschiedener Modellorganismen sowie die weitere Erforschung der Regulation und Steuerung der Gene mit Hilfe der neuesten Erkenntnisse der Molekularchemie und Molekulargenetik. 1989 wurde das Human Genome Project (HGP, Genomprojekt) ins Leben gerufen und eigens dafür die Human Genome Mapping Organization (HUGO) gegründet. Das ursprüngliche Ziel, die Sequenzierung der ca. 3 Milliarden Basenpaare des etwa 100 000 Gene umfassenden menschlichen Genoms bis zum Jahre 2005, dürfte aufgrund der unübersehbaren wirtschaftlichen Interessenlage und der Entwicklung effizienterer Methoden früher (vermutlich 2003) erreicht werden. 1995 wurde das erste Genom eines Lebewesens, des Bakteriums Haemophilus influenzae, komplett sequenziert (Bakterienchromosom, Tab.). Bereits zwei Jahre später waren die kompletten Genome von 10 weiteren Organismen sequenziert. Ende 1998 lag mit dem Genom von Caenorhabditis elegans das erste komplett sequenzierte Erbgut eines vielzelligen Organismus vor. Die Vielzahl der zur Verfügung stehenden Sequenzen, die verfeinerten Methoden des Sequenz-alignments und der Sequenzanalyse erfordern heute die Hilfe von Computern und computergestützten Datenbanken. Entsprechend hat sich in den 1990er Jahren die Bioinformatik explosionsartig entfaltet und zu einem wichtigen Bestandteil biochemischer Forschung entwickelt. Die aufgrund von Sequenzvergleichen erarbeiteten Stammbäume (Sequenzstammbaum) von Organismen haben dazu geführt, daß verwandtschaftliche Zusammenhänge teilweise überarbeitet oder gar revidiert werden müssen, und zeigen damit Einfluß auf die Gebiete der klassischen Taxonomie und Systematik. Das vertiefte Verständnis der Zusammenhänge von Aminosäuresequenz, Proteinstruktur und Proteinfunktion sowie die Möglichkeiten zur Verarbeitung von immer mehr Daten erlauben heute die Vorhersage spezifischer Strukturen mit entsprechender Funktion (Strukturvorhersage) sowie die Entwicklung neuartiger Strukturen z. B. für therapeutische oder industrielle Zwecke (molecular modeling, protein engineering, Protein-Werkstoffe).
Zweifellos sind die Entwicklung der Biochemie seit Anfang des 19. Jahrhunderts und besonders die Erkenntnisse der letzten 50 Jahre in wissenschaftlicher Hinsicht beeindruckend gewesen. Ein Großteil der Nobelpreise für Physiologie oder Medizin wurde seit der Entdeckung der Struktur der DNA durch Watson und Crick für Arbeiten zur näheren Erforschung molekulargenetischer Vorgänge vergeben. Ob sich aber mit den Mitteln der Biochemie allein, d. h. mit einer rein reduktionistischen Verfahrensweise (Reduktionismus), die Fragen nach dem Ursprung des Lebens und dessen Funktionieren letztlich beantworten lassen (Biologie), bleibt offen und wird auch von den Befürwortern neuester biochemischer und genetischer Techniken durchaus angezweifelt.
Für die anwendungsorientierte biochemische Forschung ist notwendiger als je zuvor und von wesentlicher Bedeutung für deren Zukunft die kritische und verantwortungsbewußte Auseinandersetzung mit den heute zur Verfügung stehenden Möglichkeiten, der sich jeder Wissenschaftler stellen muß. Insbesondere die spektakulären Ergebnisse bei der Klonierung Höherer Lebewesen verschärfen die schon seit längerem bestehende Diskussion, in der die Befürworter der Gentechnologie die damit eröffneten, vorher nicht vorstellbaren Möglichkeiten betonen, während ihre Gegner Gefahren in unübersehbarem Ausmaß erkennen, die sich nicht mit verantwortungsvollem naturwissenschaftlichem Handeln in Einklang bringen lassen. Es erscheint dringend notwendig, einen breiten Konsens in der Frage zu finden, was machbar und auch vertretbar ist. Erstmals ist es auch dringend geboten, ein breiteres gesellschaftliches Umfeld in dieser Problematik zu sensibilisieren, denn Forschung und Entwicklung im Bereich gentechnischer Methoden und Anwendungen beeinflussen immer mehr das Leben aller (Asilomar-Konferenz, Bioethik, Speziesismus).

Lit.: Baldwin, E.: Das Wesen der Biochemie. Stuttgart ⁴1977. Coley, N.G.: From Animal Chemistry to Biochemistry. Amersham 1973. Florkin, M.: A History of Biochemistry (= Comprehensive Biochemistry, ed. by M. Florkin & E.H. Stotz, ab Bd. 34 ed. by A. Neuberger & L.L.M. van Deenen). Vols. 30 (1972), 31 (1975), 32 (1977), 33 (1979), 34 (1986) by P. Laszlo, 35 (1983), 36 (1986) by G. Semenza. Amsterdam. Fruton, J.S.: Molecules and Life. Historical Essays on the Interplay of Chemistry and Biology. New York 1972. Hickel, E. (Hrsg.): Biochemische Forschung im 19. Jahrhundert. Mit einer Bibliographie der Quellen. Braunschweiger Veröff. z. Gesch. d. Pharmazie u. d. Naturwiss. Bd. 32. Stuttgart 1989. Kohler, R.E.: From Medical Chemistry to Biochemistry. The Making of a Biomedical Discipline. Cambridge 1982. Leicester, H.M.: Development of Biochemical Concepts from Ancient to Modern Times. Cambridge/Mass. 1974.

MEILENSTEINE DER BIOCHEMIEGESCHICHTE


1733: Isolierung von Harnstoff (G.F. Rouelle)
1774: Entdeckung des Sauerstoffs und Nachweis, daß er von Tieren verbraucht und von Pflanzen ausgeschieden wird (J. Priestley)
1779: Entdeckung der Photosynthese (J. Ingenhousz)
1786: Isolierung von Glycerin, Citronensäure, Apfelsäure, Milchsäure und Harnsäure aus natürlichen Quellen (C.W. Scheele)
1804: Entdeckung des pflanzlichen Gaswechsels (N.T. de Saussure)
1815: Bruttoreaktion der alkoholischen Gärung (J.L. Gay-Lussac)
1828: Synthese des Harnstoffs (F. Wöhler)
1833: Isolierung von Diastase (Amylase), Hitzelabilität von Enzymen (A. Payen)
1837: enzymatische Spaltung von Amygdalin (J. von Liebig und F. Wöhler): der Gärungsprozeß wird als katalytischer Prozeß postuliert (J.J. von Berzelius)
1862: Stärke als Produkt der Photosynthese (J. Sachs); Kristallisation von Hämoglobin (E.F.I. Hoppe-Seyler)
1869: Entdeckung der Nucleinsäuren (J.F. Miescher)
1877: Plasmolyse (W.F.P. Pfeffer, H.M. de Vries)
1884: Entdeckung der Histone (A. Kossel)
1886: Entdeckung der Cytochrome (Histohämatine) durch C.A. McMunn
1888: Funktion der Leguminosen-Wurzelknöllchen (H. Hellriegel, H. Wilfarth, M.W. Beijerinck, A. Prazmowski)
1890: erstes kristallisiertes Protein: Eieralbumin (F. Hofmeister)
1893: Klassifizierung von Fermenten als Katalysatoren (W. Ostwald)
1895: Lipidtheorie der Permeation (E. Overton)
1897: zellfreie Gärung (E. Buchner)
1901: Isolierung des ersten Hormons: Adrenalin (J. Takamine, T.B. Aldrich, J.J. Abel)
1902: Charakterisierung der Proteine als Polypeptide (F. Hofmeister, E.H. Fischer)
1903: Prägung des Begriffs Biochemie (C. Neuberg)
1905: Entdeckung der β-Oxidation der Fettsäuren (F. Knoop)
1911: Prägung des Begriffs Vitamin (C. Funk)
1912: erstes Gärungsschema (C. Neuberg); Dehydrierungstheorie der biologischen Oxidation (H.O. Wieland)
1913: Isolierung von Chlorophyll (R. Willstätter,
A. Stoll)
ab 1920: makromolekulare Chemie (H. Staudinger)
1922: Isoprenregel als Bauprinzip von Naturstoffen (L. Ružička)
1924: Cytochemie der DNA (R.J.W. Feulgen, H. Rossenbeck); analytische Ultrazentrifuge (T. Svedberg)
1925: Bilayer-Modell der Biomembran (E. Gorter, F. Grendel)
1926: Urease als erstes kristallisiertes Enzym (J.B. Sumner); Isolierung des ersten Vitamins: Thiamin (B. Jansen, W.F. Donath); Strahlen-Mutagenese (H.J. Muller)
1928: Euchromatin und Heterochromatin (E. Heitz)
1929: Entdeckung von ATP und Kreatinphosphat (Fiske, Subbarow, Lohmann)
1931: Reindarstellung des ersten Pflanzenhormons: Auxin (F. Kögl)
1933: Entdeckung des Harnstoffzyklus (H.A. Krebs, Henseleit); Intermediärprodukte der Glykolyse (G. Embden, O.F. Meyerhof)
1934: Isolierung von Steroidhormonen (A.F.J. Butenandt, E.A. Doisy,
T. Reichstein)
1935: Tabakmosaikvirus als erstes kristallisiertes Virus (W.M. Stanley); Modell der Biomembran (J.F. Danielli, H. Davson); Verwendung von Isotopen für Stoffwechseluntersuchungen (R. Schoenheimer, D. Rittenberg)
1936: Entdeckung des Zusammenhangs zwischen Vitaminen und Coenzymen (H. von Euler-Chelpin, H.A.T. Theorell, O.H. Warburg)
1937: Formulierung des Citratzyklus (H.A. Krebs, F. Knoop, G. Martius)
1939: Entdeckung der Sauerstoffentwicklung von in Anwesenheit eines Elektronenakzeptors bestrahlten Chloroplasten (R. Hill); Actin und Myosin (A. Szent-Györgyi)
1940: ATP als Energieüberträger der Zelle (F.A. Lipmann); Ein-Gen-Ein-Enzym-Hypothese (G.W. Beadle, E.L. Tatum); chemische Mutagenese (F. Oehlkers)
ab 1941: Einführung der Immunfluoreszenz (A. Coons)
1944: DNA als Träger der genetischen Information, nachgewiesen durch Transformationsversuche (O.T. Avery, McLeod, McCarty)
1948: Isolierung von Coenzym A (F.A. Lipmann, Kaplan)
1950: Mitochondrien als Kompartiment, in dem Citratzyklus, oxidativer Fettsäureabbau und oxidative Phosphorylierung ablaufen (Kennedy, Lehninger); Edmanscher Abbau als Proteinsequenzierungsmethode entwickelt (P. Edman)
1951: Bedeutung von Coenzym A für den Fettsäure-Stoffwechsel (F. Lynen); α-Helix der Proteine (L.C. Pauling, R.B. Corey)
1952: Ribosomen als Ort der Proteinsynthese (P.C. Zamecnik); 9+2-Muster von Flagellen (I. Manton)
1953: Ermittlung der Aminosäuresequenz des Insulins (F. Sanger); Doppelhelix-Struktur von DNA (J.D. Watson, F.H.C. Crick); Miller-Experiment zur chemischen und präbiologischen Evolution (S.L. Miller)
1954: Formulierung der photosynthetischen Reaktionen: Calvin-Zyklus und photosynthetische Phosphorylierung (M. Calvin, Arnon); Reindarstellung des ersten Insektenhormons: Ecdyson (A.F.J. Butenandt, P. Karlson); sliding-filament-Mechanismus der Muskelkontraktion (H.E. Huxley)
1956: Nachweis der DNA-Polymerase I (A. Kornberg)
1958: Infektiosität von Virus-Nucleinsäure (Gierer, G.F. Schramm); "zentrales Dogma", DNA

RNA

Protein (F.H.C. Crick); Meselson-Stahl-Experiment zur semikonservativen DNA-Replikation (M. Meselson, F.W. Stahl)
1960: dreidimensionale Proteinstrukturen von Myoglobin und Hämoglobin (J.C. Kendrew, M.F. Perutz)
1961: Operon-Modell zur Regulation von Genaktivitäten (F. Jacob, J.L. Monod); chemiosmotische Hypothese der Atmungskettenphosphorylierung (P.D. Mitchell); DNA/RNA-Hybridisierungstechnik (S. Spiegelman, B.B. Hall); ab 1961 Entschlüsselung des genetischen Codes (M.W. Nirenberg, H. Matthaei, H.G. Khorana, S. Ochoa)
1962: Chemotaxonomie der Pflanzen (R. Hegnauer); Photorespiration (N.E. Tolbert)
1963: Allosterie-Prinzip
(F. Jacob, J.L. Monod,
P. Changeux)
1965: erste Sequenzermittlung einer tRNA (R.W. Holley, Zachau); erste in-vitro-Synthese von infektiöser Phagen-RNA (S. Spiegelman, S. Weissman)
1968: Entdeckung repetitiver DNA-Sequenzen (R.J. Britten, D.E. Kohne); ab 1968 Sequenzstammbäume (M.O. Dayhoff)
1969: erste Synthese eines Enzyms: Ribonuclease (R.B. Merrifield); Entdeckung und Isolierung der ersten Restriktionsenzyme (W. Arber, D. Nathans, H.O. Smith)
1970: erste Synthese eines Gens (Khorana); Entdeckung der reversen Transkriptase (D. Baltimore, H.M. Temin)
1971: Theorie des Hyperzyklus (M. Eigen)
1972: Entwicklung von Methoden zur in-vitro-Rekombination von DNA (P. Berg); Fluid-Mosaic-Modell der Biomembran (S.J. Singer, G.L. Nicolson)
1973: Sequenzierung der RNA des Phagen M S2 (W. Fiers); Nachweis, daß die Aminosäuresequenz die räumliche Struktur von Proteinen bestimmt (C.B. Anfinsen)
1974: dreidimensionale Struktur einer tRNA (Rich, A. Klug)
1975: Entwicklung von Methoden zur DNA-Sequenzierung (Maxam und Gilbert, F. Sanger); vollständige Sequenzierung von DNA des Phagen Φ X174
1977: Entdeckung von Mosaikgenen (Chambon, Leder, Sharp, Tonegawa); seit 1977 rasche Entwicklung der biochemischen Genetik und modernen Gentechnologie; Klonierung von Insulin- und Interferon-Genen
1981: vollständige Sequenzierung der menschlichen mitochondrialen DNA (F. Sanger); Entdeckung der katalytischen Aktivität reiner RNA und Prägung des Begriffs Ribozym (S. Altman, T.R. Cech)
1983: Einführung automatisierter in-vitro-Synthesen von oligo-DNA; Entwicklung der Polymerase-Kettenreaktion (K.B. Mullis)
1985: Röntgenstrukturanalyse des Reaktionszentrums von Rhodopseudomonas viridis (J. Deisenhofer, R. Huber, H. Michel)
1986: Herstellung katalytischer Antikörper (Lerner, Schultz)
1988: in-vitro-Vervielfältigung von DNA durch Polymerase-Kettenreaktion (PCR) mit Hilfe thermostabiler Enzyme (Saiki)
1989: Binding-change-Mechanismus als Modell zur ATP-Bildung an der ATP-Synthase vorgeschlagen (P.D. Boyer); Entwicklung des Two-Hybrid-Systems, das die Analyse von Protein-Protein-Wechselwirkungen in intakten Zellen erlaubt (Fields, Song); Start des Human Genome Project
1992: Klonierung und Sequenzierung des grünfluoreszierenden Proteins, seitdem der am vielseitigsten verwendbare Biolumineszenzmarker (Prasher)
1993: Röntgenstrukturanalyse der F₁-Untereinheit der ATP-Synthase (J.E. Walker)
1995: Röntgenstrukturanalyse der Cytochrom-c-Oxidase (H. Michel); erstes Genom eines Lebewesens (Haemophilus influenzae) komplett sequenziert
1997: erste erfolgreiche Klonierung eines Säugetieres (Schaf "Dolly") unter Verwendung ausdifferenzierter somatischer Zellen
1998: Sequenzierung des ersten Genoms eines Tieres (Caenorhabditis elegans)