Uber die Katalytischen Wirkungen der Lebendigen Substanz: Arbeiten aus dem Kaiser Wilhelm-Institut fur Biologie · Berlin-Dahlem

528 Pages·1928·37.122 MB·German

by  Otto Warburg (auth.), Otto Warburg (eds.)

UBER DIE
KATALYTISCHEN WIRKUNGEN
DER LEBENDIGEN SUBSTANZ
ARBEITEN AUS DEM KAISER WILHELM
INSTITUT FOR BIOLOGIE . BERLIN-DAHLEM
HERAUSGEGEBEN VON
OTTO WARBURG
MIT 83 ABBILDUNGEN
BERLIN
VERLAG VON JULIUS SPRINGER
1928
ALLE RECHTE, INSBESONDERE DAS DER tJBERSETZUNG
IN FREMDE SPRACHEN, VORBEHALTEN.
COPYRIGHT 1928 BY JULIUS SPRINGER IN BERLIN.
Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1928
ISBN-13: 978-3-642-47316-6 e-ISBN-13: 978-3-642-47774-4
001: 10.1007/978-3-642-47774-4
Vorwort.
Der erste Abschnitt dieses Buchs enthalt Versuche fiber Atmung und
Garung, der zweite Versuche fiber Kohlensaureassimilation und Nitrat
assimilation. Beide Abschnitte sind durch "Obersichten eingeleitet.
Der dritte Abschnitt solI zeigen, daB die katalytischen Wirkungen der
lebendigen Substanz auch fiir die Medizin wichtig sind. Versuche fiber
die katalytischen Wirkungen wachsender Zellen sind hier zusammen
gefaBt.
Der vierte Abschnitt ist eine Bibliographie. Man findet hier die
Titel der Arbeiten, die von mir und meinen Mitarbeitern fiber die kata
lytischen Wirkungen der lebendigen Substanz veroffentlicht worden
sind.
Das vorliegende Buch wird erganzt durch den "Stoffwechsel der
Tumoren"l, ein methodisches Buch, in dem beschrieben wird, wie man
die katalytischen Wirkungen der lebendigen Substanz untersuchen und
messen kann. -
Die Korrekturen hat Herr Dr. H. A. KREBS gelesen, wofiir ich ihm
auch hier vielen Dank sage.
Berlin-Dahlem, im November 1927.
OTTO W ARBlJRG.
1 WARBURG, 0.: "Ober den Stoffwechsel der Tumoren. Berlin: Julius Springer.
1926.
Inhaltsverzeichnis.
I. Atmung und Giirung.
Seite
W ARBURG, 0.: Uber die katalytischen Wirkungen der lebendigen Substanz 1
WARBURG, O. und RUDOLF WIESEL: Uber die Wirkung von Substanzen
homologer Reihen auf Lebensvorgange . . . . . . . . . . . . . . 14
WARBURG, 0.: Uber Verbrennung der Oxalsaure an Blutkohle und die Hem
mung dieser Reaktion durch indifferente Narkotica. Mit 2 Abbildungen 35
WARBURG, 0.: Uber die Rolle des Eisens in der Atmung des Seeigeleis nebst
Bemerkungen liber einige durch Eisen beschleunigte Oxydationen. Mit
7 Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
WARBURG, O. und ERWIN NEGELEIN: Uber die Oxydation des Cystins und
anderer Aminosauren an Blutkohle. Mit 4 Abbildungen . . . . 67
WARBURG, 0.: Physikalische Chemie der Zellatmung. Mit 1 Abbildung . . 91
WARBURG, 0.: Uber die antikatalytische Wirkung der Blausaure . . . . 120
NEGELEIN, E.: Uber die Reaktionsfahigkeit verschiedener Aminosauren an
Blutkohle sowie gegenliber Wasserstoffsuperoxyd. Mit 2 Abbildungen 132
WARBURG, O. und SEISHI SAKUMA: Uber die sogenannte Autoxydation des
Cysteins .................... . 145
SAKUMA, S.: Uber die sogenannte Autoxydation des Cysteins. Mit 4 Ab
bildungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
WARBURG, 0.: Uber die Grundlagen der WIELANDSchen Atmungstheorie . 160
WARBURG, O. und WALTER BREFELD: Uber die Aktivierung stickstoff
haltiger Kohlen durch Eisen. Mit 3 Abbildungen . . . . . . . . . . 166
WARBURG, O. und MUNEo YABUSOE: Uber die Oxydation von Fructose in
PhosphatlOsungen. Mit 3 Abbildungen .............. 186
W ARBURG, 0.: Uber die Wirkung der Blausaure auf die alkoholische Garung.
Mit 4 Abbildungen ........................ 193
NEGELEIN, E.: Uber die Wirkung des Schwefelwasserstoffs auf chemische
Vorgange in Zellen. Mit 1 Abbildung ............... 199
TODA, S.: Uber die Wirkung von Blausaureathylester (Athylcarbylamin)
auf Schwermetallkatalysen. Mit 6 Abbildungen ........... 210
TODA, S.: Uber "Wasserstoffaktivierung" durch Eisen . . . . . . . . . 223
WARBURG, 0.: Uber die Wirkung von Blausaureathylester (Athylcarbyl-
amin) auf die Pasteursche Reaktion ................ 225
W ARBURG, 0.: Uber die Oxydation der Oxalsaure durch Jodsaure . . . . 235
W ARBURG, 0.: Uber die Wirkung des Kohlenoxyds auf den Stoffwechsel
der Hefe. Mit 5 Abbildungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
WARBURG, 0.: Uber den Stoffwechsel der Hefe . . . . . . . . . . . . 252
WARBURG, 0.: Uber die Wirkung von Kohlenoxyd und Stickoxyd auf
Atmung und Garung. Mit 4 Abbildungen . . . . . 255
WARBURG, 0.: Uber Kupfer im Blutserum des Menschen . . . . . . . . 282
VI Inhaltsverzeichnis.
II. Kohlensaureassimilation und Nitratassimilation.
WARBURG, 0.: Versuche iiber die Assimilation der Kohlensaure. Mit 5 Ab
bildungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
W ARBURG, 0.: ttber die Geschwindigkeit der photochemischen Kohlensaure
zersetzung in lebenden Zellen. Mit 11 Abbildungen . . . . . . . . . 308
W ARBURG, 0.: Vber die Geschwindigkeit der photochemischen Kohlensaure
zersetzung in lebenden Zellen. II. Mit 3 Abbildungen . . . . . . . . 341
WARBURG, O. und ERWIN NEGELEIN: Vber die Reduktion der Salpetersaure
in griinen Zellen. Mit 1 Abbildung . . . . . . . . . . . . 367
WARBURG, O. und ERWIN NEGELEIN: Vber den Energieumsatz bei der
Kohlensaureassimilation. Mit 7 Abbildungen . . . . . . . . . . . . 413
WARBURG, O. und ERWIN NEGELEIN: ttber den EinfluB der Wellenlange auf
den Energieumsatz bei der Kohlensaureassimilation. Mit 4 Abbildungen 444
WARBURG, O. und TSUNAO UYESUGI: Vber die Blackmansche Reaktion . 470
YABUSOE, M.: Vber den Temperaturkoeffizienten der Kohlensaureassimi
lation (II. Mitteilung liber die Blackmansche Reaktion). Mit 3 Ab-
bildungen .............. , ............. 477
WARBURG, 0.: Bemerkung iiber die Anwendung der Quantentheorie auf
die Kohlensaureassimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
GAFFRON, H.: Sauerstoffiibertragung durch Chlorophyll und das photo-
chemische Aquivalentgesetz. Mit 2 Abbildungen .. ....... 485
III. Katalytische Wirkungen wachsender Zellen.
W ARBURG, 0.: ttber den heutigen Stand des Carcinomproblems .. .. 501
WARBURG, 0.: Vber die Klassifizierung tierischer Gewebe nach ~em
Stoffwechsel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510
WARBURG, O. und FRITZ KUBOWITZ: Stoffwechsel wachsender Zellen (Fibro-
blasten, Herz, Chorion). Mit 1 Abbildung ............. 515
IV. Bibliographie.
Bibliographie ..... . .......... 525
I. Atmnng nnd Giirnng.
Nicht an anderer Stelle erschienen.
(Tber die katalytischen 'Virkungen tier lebendigell Substanz.
Von
Otto Warburg.
Da die Erfahrung lehrt, daB man die Katalysatoren der lebendigen
Substanz - die Fermente - von ihren inaktiven Begleitstoffen nicht
trennen kann, so liegt es nahe, auf die Methoden der praparativen
Chemie zu verzichten, und die Fermente unter ihren natiirlichsten
Wirkungsbedingungen, in der lebenden Zelle selbst, zu untersuchen.
Sie sind hier zwar im Sinn der praparativen Chemie so unrein wie
moglich. Findet man aber Reagenzien, die nur mit den Fermenten
und nicht mit den iibrigen Zellbestandteilen reagieren, so stort die il:
aktive Zellsubstanz ebensowenig, wie bei chemischen Reaktionen die
GefiiBe storen, in denen man die Reaktionen ausfiihrt. Dann kann man
die Fermente wie reine Stoffe untersuchen und aus ihren Reaktionen
auf ihre Zusammensetzung schlieBen.
Ich setze dabei voraus, daB Stoffe, die im Reagensglas reagieren,
unter sonst gleichen Bedingungen auch in der lebenden Zelle reagieren,
und daB Stoffe, die im Reagensglas nicht reagieren, auch in der lebenden
Zelle nicht reagieren. Die Voraussetzung ist also Einheitlichkeit der
unbelebten und belebten Natur in bezug auf die chemise hen Vorgange.
1. Narkose.
Bringt man chemisch indifferente Substanzen, wie Paraffine, Alko
hole, Ather, in atmende oder garende Zellen, so horen Atmung1 und
Garung2 auf, entfernt man sie wieder, so steigt der chemische Umsatz
wieder auf seinen Normalwert. Man nennt diese Erscheinung Narkose,
die hemmenden chemisch indifferenten Stoffe Narkotica. Atmungs
und Garungsferment werden also durch die Narkotica verhindert,
zu wirken, ohne daB sie dabei zerstort werden.
1 WARBURG, 0.: Hoppe-Seylers Zeitschr. f. physiol. Chem. 69, 452. 1910;
70, 413. 1911; Pfliigers Arch. f. d. ges. Physiol. (mit WIESEL) 144, 465. 1912,
(mit USUI) 147, 100. 1912; Ergebn. d. Physiol. 14, 253. 1914. - Ferner BATELLI
u. STERN: Biochem. Zeitschr. 52, 226. 1913. - VERNON: Journ. of physiol. 40,
197. 1912; Biochem. Zeitschr. 47, 374. 1913.
2 DORNER, A.: Hoppe-Seylers Zeitschr. f. physiol. Chern. 81, 99. 1912.
l Warburg. Substanz. 1
2 O. Warburg: Uber die katalytischen Wirkungen der lebendigen Substanz.
Vergleicht man die Wirkung homologer Narkotica, so erhalt man
Reihen wie die folgende:
Konzentration in Molen/Liter,
Narkoticum
die urn 50 % hemmt
¥ethyl.U rethan 1,3
Athyl- 0,33
Propyl- " 0,13
Butyl- 0,04
Amyl 0,02
"
Phenyl- 0,003
Die Wirkungsstarke der Narkotica steigt also in homologen Reihen
sehr stark mit dem Molekulargewicht an, An£angs- und Endglieder der
Reihen unterscheiden sich in ihren Wirkungsstarken um das mehr
hundertfache.
FARADAY! fand 1830, daB die Knallgaskatalyse durch kleine Men
gen chemisch indifferenter Gase gehemmt wird. Wasserstoff und Sauer
stoff vereinigen sich an festen Oberflachen zu Wasser. Setzt man Athylen
zu, so hort die Reaktion auf, entfernt man das Athylen wieder, so geht
die Reaktion weiter. FARADAY erklarte die Erscheinung durch die
Annahme, daB Athylen von den festen Oberflachen starker angezogen
wird, als Knallgas. Dann muB Athylen das Knallgas von den Ober
flachen verdrangen und damit die Knallgasreaktion zum Stillstand
bringen.
FREuNDLlcn2 hat die Verdrangung von Oberflachen bei der Ad
sorption aus Losungen zuerst gemessen. 1st Kohle mit einem Stoff A
im Adsorptionsgleichgewicht und fiigt man einen Stoff B, der von Kohle
adsorbiert wird, hinzu, so erscheint A in der Losung. Je starker B
adsorbiert wird, um so mehr verdrangt es A.
J. TRAUBE3 fand, daB die Oberflachenspannung waBriger Losungen
durch homologe organische Stoffe um so mehr erniedrigt wird, je hoher
das Molekulargewicht ist. Beim Aufstieg in einer homologen Reihe
nimmt die "Oberflachenaktivitat" zu, und zwar nimmt sie ungefahr
in demselben MaB zu, wie die Wirkungsstarken der Narkotica nach
Tabelle 1.
Dies sind die physikalisch-chemischen Grundlagen der Theorie der
Narkose4• Nimmt man an, daB Atmung und Garung Reaktionen an
1 FARADAY': Experimental Researches VI. Reihe (Ostwalds Klassiker Nr.87).
2 FREUNDLICH, H.: Adsorption in LOsungen. Zeitschr. f. physikal. Chern. 57,
385. 1906. - FREUNDLICH u. MASIUS: Festschrift fiir van Bemmelen 1910, S. 88.
3 TRAUBE, J.: Pfliigers Arch. f. d. ges. Physiol. 153, 276. 1913.
4 WARBURG, O. u. WIESEL: Pfliigers Arch. f. d. ges. Physiol. 144, 465. 1912;
155, 547. 1914; Biochem. Zeitschr. 119, 134. 1921.
O. Warburg: Uber die katalytischen Wirkungen der lebendigen Substanz. 3
Oberflachen sind, so versteht man, daB sie durch chemisch indifferente
Stoffe gehemmt werden und daB ein Narkoticum um so starker ist,
je starker es von den festen Oberflachen der lebendigen Substanz an
gezogen wird.
Zur weiteren Begriindung dieser Theorie fiihre ich die beiden fol
genden Versuche an:
Bringt man 1 rote Vogelblutzellen in eine Kaitemischung, so zer
reiBen beim Gefrieren die feinen die Strukturteile umhiillenden Mem
branen und man erhalt beim Auftauen eine Fliissigkeit, in der die festen
Zellbestandteile frei schweben. Zentrifugiert man, so erhalt man zwei
Schichten: eine klare, die frei ist v<?n den festen Zellbestandteilen, und
eine triibe, die die festen Zellbestandteile enthalt. MiBt man in beiden
Schichten die Atmung, so findet sich, daB nur die triibe Schicht atmet.
Die gesamte Atmung ist also an die festen Zellbestandteile gebunden.
In dem zweiten Versuch 2 sind die natiirlichen Oberflachen durch
eine kiinstliche Oberflache ersetzt. Lost man Aminosauren in Wasser
und fiigt Blutkohle hinzu, so beladt sich die Oberflache der Kohle mit
Aminosauren. Leitet man bei Korpertemperatur Sauerstoff ein, so
verbrennen die Aminosauren an der Oberflache, wobei wie bei der Ver
brennung in der lebendigen Substanz Ammoniak, Kohlensaure und
Schwefelsaure als Endprodukte auftreten. Setzt man Narkotica hinzu,
so hort die Verbrennung auf. Vergleicht man hierbei die Wirkungen
homologer Narkotica, so erhalt man dieselben Reihen, die fiir die Nar
kose der lebendigen Substanz gefunden worden sind. Hier ist also die
Erscheinung der Narkose kiinstlich erzeugt. Hier kann man durch
direkte Messungen zeigen, daB die Verdrangung von Oberflachen die
Ursache der Narkose ist. MiBt man namlich neben der Hemmung der
Oxydation die Verdrangung, so findet man eine genaue "Obereinstim
mung. Wird der Bruchteil ex einer Aminosaure von der Kohlenober
flache verdrangt, so sinkt auch die Geschwindigkeit der Oxydation
um den Bruchteil ex.
Nicht nur die Narkose, sondern auch viele andere Reaktionshem
mungen sind nach dem gleichen Prinzip zu erkl~ren, so die von MOUREU
beobachteten Oxydationshemmungen, die lange Zeit unverstandlich
waren. MOUREU 3 fand, daB die Autoxydation des Benzaldehyds und
des Acroleins durch Spuren der verschiedenartigsten Stoffe gehemmt
wird. ORLAND M. REIFF4 zeigte, daB diese Oxydationen Oberflachen
reaktionen sind, die an einer den VersuchsgefaBen adharierenden Wasser-
1 WARBURG, 0.: Hoppe-Seylers Zeitschr. f. physiol. Chern. 70, 413. 1911.
2 WARBURG, 0.: Biochern. Zeitschr. 119, 134. 1921.
3 MOUREU u. DUFRAISSE: Cpt. rend. 174, 258; 175, 127. 1922.
4 REIFF, ORLAND M.: Journ. of the arner. chern. soc. 48, 2893. 1926.
1*
4: O. Warburg: Uber die katalytischen Wirkungen der lebendigen Substanz.
schicht vor sich gehen. lndem die "Antioxygene" MOUREUS sich an
dieser Schicht ausbreiten, hemmen sie die Oxydation.
2. Spezifiscbe Wirkungen.
Wahrend es fast beliebig viele Stoffe gibt, die durch Adsorptions
verdrangung Lebensvorgange narkotisch hemmen, kennen wir nur ganz
wenige Stoffe, die spezifisch-chemisch wirken: Blausaure, Schwefel
wasserstoff, Kohlenoxyd und Stickoxyd. Diese Stoffe sind dadurch
charakterisiert, daB sie, obwohl sie nur schwach adsorbiert werden,
stark wirken. Beispielsweise wird Blausaure 1 wie die schwachsten
Narkotica adsorbiert, und wiirde sie durch Adsorptionsverdrangung
wirken, so ware eine etwa normale Ltisung zur Atmungshemmung
ntitig. Dagegenfindet man, daB eine l/loooo-normal-Blausaure die Atmung
hemmt. Blausaure wirkt also rund lOOOOmal starker, als ihrer Ad
sorptionskonstanten entspricht.
Wie die lebendige Substanz, so wird auch Blutkohle, an der Amino
sauren verbrennen, spezifisch durch Blausaure inaktiviert, ein merk
wiirdiges und fiir die Aufklarung der Blausaurewirkung giinstiges Re
sultat.
Gibt man zu Blutkohle, an der Aminosauren verbrennen, Blausaure,
bis die Verbrennung gehemmt ist, und miBt die Adsorption, so zeigt
sich, daB anders als beim Zusatz der Narkotica keine Aminosaure in
der Ltisung erscheint. 1m Zustand der Blausaurehemmung ist die Koh
lenoberflache mit Aminosauren bedeckt, Spuren von Blausaure, die an
der Oberflache zu den Aminosauren hinzukommen, hemmen die Ver
brennung. Es folgt daraus, daB der Hauptteil der Kohlenoberflache
katalytisch unwirksam ist. Nur an lnseln, die ihrer Ausdehnung nach
gegen die Gesamtoberflache verschwinden, geht die Verbrennung der
Aminosauren vor sich.
Urn die chemische Zusammensetzung dieser lnseln zu ermitteln,
habe ich mir die Aufgabe gestellt, Kohlen von den Eigenschaften der
Blutkohle in iibersichtlichen Schritten aufzubauen2• Es war also eine
adsorbierende, aber katalytisch unwirksame Kohle herzustellen und
in ihre Oberflache ein· Stoff von den vorgeschriebenen katalytischen
Eigenschaften einzulagern.
Gliiht man Zucker unter Zusatz von Kieselsaure, so erhalt man
Kohle, die gut adsorbiert, aber katalytisch unwirksam ist. Bei den Ver
suchen, diese Kohle katalytisch zu aktivieren, wurde von vornherein
an Eisen als Aktivator gedacht, da Blutkohle das Eisen des Blutfarb
stoffs enthalt. Gliiht man die Zuckerkohlen mit Eisen, so werden sie
1 W ARBURG, 0.: Biochem. Zeitschr. 119, 161. 1921; 165, 196. 1925.
2 WARBURG, O. u. W. BREFELD: Biochem. Zeitschr. 145, 461. 1924.