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David Keilins Konzept der Atmungskette und dessen chemiosmotische Konsequenzen (Nobel-Vortrag).

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nisch moglich ist, ist unbestritten. In Hinblick auf die Herabsetzung der NO-Emission aus Kraftwerken sei auf die Wir~~]
die
belschicht- oder F l i e R b e t t - V e r b r e n n ~ n g ~verwiesen,
wegen der weitaus besseren Warmeiibertragung bei niedrigeren Temperaturen arbeiten kann und damit zu wesentlich
geringerer NO-Bildung fuhrt. Die Grundlagen dieses Verfahrens wurden vor mehr als 50 Jahren bei der BASF entwickelt; das Verfahren hat aber, abgesehen von seiner technischen Ausarbeitung in Pilotanlagen, noch keinen Eingang
in konventionelle Kraftwerke gefunden. Ein weiteres, erst
kurzlich von der EXXON patentiertes Verfahren zur Verringerung der NO-Emission in Verbrennungsanlagen ist der
Zusatz von lVH3/Oz-Gemischen~"1. Hierbei beruht die NOVerminderuing auf der schnellen homogenen Gasreaktion
NH, t N O
-. N?+ HLO
Eine Pilotanlage zur technischen Erprobung dieses Ve.rfahrens existierl. seit kurzer Zeit in Japan.
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David Keilins Konzept der Atmungskette und dessen chemiosmotische
Konsequenzen (Nobel-Vortrag)[**l
Von Peter Mitchell["]
0. Einleitung
daB das, was als chemiosmotische Hypothese begann, nun
als chemiosmotische Theorie anerkannt ist auf physiologischer, wenn nicht gar biochemischer Ebene - hat mich daher in gleichem MaBe mit Uberraschung und Freude erfiillt.
Diese Gefiihle sind um so tiefer, als die fahigsten meiner
ehemaligen Gegner noch in der Bliite ihres wissenschaftlichen Lebens stehen.
Ich werde sogleich auf den Unterschied zwischen physiologischer und biochemischer Ebene eingehen, auf denen die
chemiosmotische Theorie beim Entwurf sinnvoller Experimente eine groBe Hilfe war. Zunachst lassen Sie mich jedoch
die reiche Frucht der schopferischen Arbeit und des Wohlwollens von David Keiltn wiirdigen, der einer der groaten
Biochemiker und - wenigstens in meinen Augen - der giitigste aller Menschen war, und dessen bewundernswert einfache Untersuchungen des Cytochromsystems von Tieren,
Pflanzen und Mikroorganismen['] zur grundlegenden Idee
des aeroben Energiemetabolismus fuhrten: zum Konzept der
~
Es war seilbstverstandlich meine Hoffnung, daB die chemiosmotische Betrachtungsweise des vektoriellen Metabolismus und des biologischen Energietransfers eines Tages allgemein anerkannt wurde, und ich habe seit mehr als zwanzig
Jahren mein Moglichstes getan, in diesem Sinne zu argumentieren. Aber es ware vermessen gewesen zu erwarten,
daB es dazu kommt. Naturlich hatte ich auch unrecht haben
konnen. Doch wie auch immer, hat nicht der groBe Max
Planck''] gesagt, daB eine neue wissenschaftliche Idee sich
weniger durch Uberzeugung der Gegner durchsetzt, als vielmehr durch deren schliefiliches Aussterben? Die Tatsache.
['I
Dr. P. Mitchell
Glynn Research Institute
Bodmin, Cornwall (England)
[**I
Copyright 0 The Nobel Foundation 1979 Wir danken der Nobel-Stiftung. Stockholm fur die Genehmigung Lum Druck dieser Ubersetzung.
718
0 Verlog Chemie.
GmhH, D-6940 Weinherm. I979
0044-R249/79/0909-07lX
$ 02.50/0
Angew. Chem. 91, 718-733 (1979)
Atmung~kettel~l(siehe auch 14.'1). Die fruchtbarste (und
iiberraschendste) Folge der Entwicklung des Konzeptes der
chemiosmotischen Reaktionen ist vielleicht, daR es zu Experimenten angeregt hat, die die drei Grundfragen iiber Atmungsketten und analoge Photoredoxketten zu beantworten
suchten: Was sind sie? Was machen sie? Wie machen sie es?
Der Genius David Keilins erkannte die Bedeutung dieser
Fragen. Ich hoffe, in diesem Vortrag zu zeigen, daR wir nun
als Ergebnis der miihevollen Arbeit vieler Biochemiker die
ersten beiden Fragen im Prinzip beantworten konnen und
daR bei der Antwort auf die dritte Frage schon betrachtliche
Fortschritte zu verzeichnen sind.
Wegen der umfangreichen begrifflichen Grundlagen und
der groRen Vielfalt der praktischen Anwendungen der chemiosmotischen Theorie war ich gezwungen, die Auswahl der
zu besprechenden Aspekte sehr einzuschranken. Ich mochte
die Entwicklung der chemiosmotischen Theorie aus den alteren grundlegenden biochemischen und physikochemischen
Konzepten unter drei Blickwinkeln betrachten: 1. maRig detailliert aus physiologisch-plus-biochemischer Sicht; 2. in
groRen Ziigen aus physikalisch-chemischer Sicht; und 3. ins
einzelne gehend aus biochemischer Sicht. Die Diskussion
urnfafit allgemeine Betrachtungen biochemischer Theorien
und biochemischen Wissens, ohne daR ich dabei auf Experirnentelles eingehen kann.
duzierenden Substrate oder Coenzyme und den molekularen
Sauerstoff ~erbinden[~.'l.
Wie Abbildung 1 zeigt, waren in Keilins chemisch einfachem Konzept der Atmungskette die Redoxiibertrager (oder
ihre Komplexe in molekularen Dimensionen) chemisch gesehen nur an Redoxreaktionen beteiligt. Aber als dann Kalckarl'l, Belitser und Tsybakova['I, Ochoalxl, Liprnann['. '''I,
Friedkin und Lehningerl' 'I sowie Arnon, Whatley und AIl e d i 2 ]durch ihre Pionierarbeiten nach dem Mechanismus
fragten, durch den der RedoxprozeR mit der Phosphorylierung von ADP bei Atmung und Photosynthese gekoppelt ist,
'war es flur die an diesem Problem interessierten Stoffwechsel-Enzymologen naheliegend, eine Substratkettenphosphorylierung als biochemisches Modell zu benutzen und anzunehmen, daO der Mechanismus der Kopplung von Oxidation
und Phosphorylierung in Atmungs- und Photoredoxkette
mit den klassischen skalaren Begriffen der Stoffwechsel-Enzymologie erklart werden konne (siehe [I3]).
1953 faBte S l ~ t e r " ~
die
' allgemeine Hypothese der chemischen Kopplung in einer historisch wichtigen Arbeit zusammen, in der die Reaktionen der energiereichen Zwischenprodukte in der Atmungskette mehreren Kopplungszentren in
den Mitochondrien zugeordnet wurden (Abb. 2). Daraufhin
1. Physiologisch-plus-BiochemischePerspektive
/ A l + I F
k lI
A) Oxidative und photosynthetischePhosphorylierung
In den beiden Jahrzehnten zwischen 1940 und 1960 wurde
der Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung (die etwa
95% der Energie aerober Organismen liefert) und der im wesentlichen ahnlichen Photophosphorylierung (durch die ein
GroBteil der aus pflanzlichen Produkten verfiigbaren Energie letztlich aus dem Sonnenlicht eingefangen wird) als eines
der groRen ungelosten Probleme der Biochemie erkannt. Vor
dieser Periode hatten schon die Arbeiten von David Keilid2.'l
iiber das Cytochromsystem und von Warburg, Wieland und
anderen iiber die Wasserstoffubertrager zum Konzept der
Atmungskette gefiihrt: einem wasserunloslichen Komplex
aus Redoxubertragern, die hintereinandergeschaltet die re-
t
Cyt
b
J.
Keilins
Cytochrorne
Cyt c
I
Cyt a
Warburgs
Oxidase
Abb. 1. Duuid Keilins chemisch einfaches Konzept der Atmungskette. S =Substrat. Die Atmungskette katalysiert den Transport von Wasserstoff und Elektronen.
Angew. Chem. 91, 718-733 (1979)
i
3
3
3ADP
t
3AlP
+
I
H20
Abb. 2. Phosphorylierende Atmungskette: Hypothese der chemischen Kopplung.
A - I und X 1 sind hypothetische energiereiche chemische Zwischenprodukte:
das Symbol
bezeichnet die sogenannte energiereiche Bindung.
-
-
sahen es viele fachkundige Stoffwechsel-Enzymologen als
Hauptaufgabe an, die energiereichen Zwischenprodukte
oder andere in Redoxketten vermutete Kopplungsfaktoren
zu identifizieren, die den Redoxvorgang mit der Phosphorylierung verbinden ~ o l l t e n [331.
' ~ Diese Entwicklung fuhrte
dazu, daR Keilins chemisch einfaches Modell der Atmungskette fast allgemein zugunsten eines Doppelfunktionskonzeptes aufgegeben wurde, nach welchem Glieder der Atmungskette nicht nur an den bekannten Redoxreaktionen,
sondern auch an anderen chemischen Umsetzungen direkt
teilnahmen, die iiber energiereiche Zwischenprodukte abliefen - so, wie die phosphorylierende Glycerinaldehyd-3-phosphat-Dehydrogenase sowohl an Redox- als auch an Phosphorylierungsreaktionen beteiligt ist.
Am Ende der zweieinhalb Jahrzehnte von 1940 bis 1965
war das Feld der oxidativen Phosphorylierung iibersat mit
den schwelenden begrifflichen Uberresten zahlreicher ausgebrannter energiereicher Zwischenprodukte; die bemerkens-
719
werte Entkopplungswirkung von 2,4-Dinitrophenol und anderen chemisch nicht verwandten Verbindungen und von
physikalischen, membranauflosenden Behandlungen blieb
dunkel; und die Entwicklung von Hypothesen, die das Konzept der che.mischen Kopplung retten sollten, nahm solch
phantastischi: AusmaBe an, daR es fur AuRenstehende kaum
mehr verstandlich war (siehe [34 3h1). Nichtsdestoweniger
wurde wahrend der sechziger bis hinein in die siebziger Jahre weiter nach energiereichen Zwischenprodukten gesucht wobei das Konzept der Kopplung, dem viele StoffwechselEnzymologen den Vorzug gaben, nur geringfugig erweitert
Erweiterung, die Anfang der sechziger
~ u r d e 541.
[ ~ Diese
~
Jahre einsetzte, entsprang scharfsinnigen Vorschlagen von
Boyer, Chance, Ernster, Green, Slater, Williams und anderen
(siehe [30.40.4V.SSl). Sie nahmen an (Abb. 3), da8 die Kopplung
AOP
ATP
sprechen), wahrend ich hauptsachlich damit beschaftigt war,
mit den biochemischen Konzepten der chemiosmotischen
Gruppentranslokation und des vektoriellen Metabolismus
allgemeine Prinzipien der Kopplung zwischen Stoffwechsel
und Transport zu e n t w i ~ k e l n751.
[ ~ Ich
~ ~ werde
~ ~ diese Konzepte spater etwas ausfuhrlicher erlautern. Im Augenblick
mag die Bemerkung genugen, da8 es diese im wesentlichen
biochemischen Konzepte ~ a r e n [ ~"1 ' ,und
~ ~nicht
, ~ ~mein relativ untergeordnetes Interesse am Energiestoffwechsel, die
mich zur Formulierung der Kopplungshypothese fuhrten,
die als chemiosmotische Hypothese bekannt wurde (Abb. 4).
Es war ein Zufall, daR das Hauptprinzip der protomotorischen ATPase zuerst auf einer internationalen Tagung 1960
in Stockholm vorgestellt w ~ r d e [ ~Motiviert
~I.
war ich lediglich durch eine strategische MutmaBung. Es bot sich hier
eine Gelegenheit herauszufinden, ob die chemiosmotische
Betrachtungsweise sich nicht doch als allgemein akzeptabler
begrifflicher Rahmen fur die Bioenergetik der Membranen
und die oxidative Phosphorylierung eignet, und wenn es so
ware, ob sie nicht zu wagemutigerer und erfolgreicherer interdisziplinarer Forschung anregen konnte, indem sie die
Kommunikation verbessert und als eine Art Navigationshilfe
dient (siehe 134.77.X7.W 1.
AOP
ATP
AOP
ATP
(-H+/PIH'
-
J
AOP + POH
ATP + HUH
ATPase
I,
AH2
Abb. 3. Phosphorylierende Atmungskette: Hypothese der lokalen Wechselwirkung. Das Symbol
hezeichnet einen lokalisierten .,energiereichen" chemischen oder physikalischen Zwischenzustand.
-
durch eine direkte Konformationsanderung oder eine aridere
nicht-osmotische physikalische oder chemische Wechselwirkung - z. B. iiber Protonen als lokalisierte wasserfreie chemische Z w i s ~ h c n s t u f e n "1[ ~ oder
~ ~ ~ ~uber elektrische Wechselwirkungen["' zwischen den Redoxproteinen und bestimmten, mit der ATP-Synthese verkniipften Komponenten in der
vermeintlich mit einer Doppelfunktion ausgestatteten Atmungskette zustande kommt, die oftmals als ,,phosphorylierende Atmungskette" bezeichnet wurde.
Bald nach 1950 erkannte man, daB die Wasserunloslichkeit von Praparaten der Atmungsketten- und Photoredoxkettenkomplexe damit zusammenhangt, da8 diese Komplexe im
nativen Zustand Teile der Lipidmembranen von Bakterien,
Mitochondrien und Chloroplasten sind. Aber der Kontakt
zwischen den Erforschern des Transports und des Stoffwechsels war so mangelhaft, da8 die Bedeutung dieses Befundes
fur das Gebiet der oxidativen und photosynthetischen
Phosphorylierung nicht erkannt wurde, obwohl z. B. von
Lundegardh["I, Robertson und Wilkins[6vl,Ussing["', Davies
und Ogston["'I, Conway[631und
Anregungen in dieser
Richtung kamen. Diese Anregungen legten nahe, da8 auf irgendeine osmotische Weise eine Kopplung iiber Protonen
moglich sein konnteIh5 671. In diesem Zusammenhang begann
ich in den fiinfziger Jahren, mich diesem grundlegenden
Problem des Energiestoffwechsels als AuBenseiter aktiv zuzuwenden (und gelegentlich mit David Keilin dariiber zu
hohes Protonenootential
+
B
niedriges Protonenpotential
~
720
Abb. 4. Chemiosmotische Hypothese: Physiologische Ebene.
Es sind zwei Begriffsebenen, auf denen die chemiosmotische Betrachtungsweise geholfen hat, sinnvolle experimentelle Arbeit zu fordern.
Die in Abbildung 4 veranschaulichte Ebene ist im wesentlichen physiologischer Natur. Hier sol1 die folgende Frage
iiber Atmungs- und Photoredoxkette beantwortet werden:
Was machen sie? Auf dieser Begriffsebene benutzt man das
allgemeine Prinzip der Kopplung durch Protizitat, dem protonischen Analogon der Elektrizitat. Man stellt sich vor, daR
getrennte protomotorische Redox- (oder Photoredox-) und
reversible protomotorische ATPase-Komplexe durch eine topologisch geschlossene, isolierende Membran reichen, die
zwei protonenleitende waRrige Phasen mit unterschiedlichem Protonenpotential trennt. Eine Kopplung kann also
nicht iiber direkten chemischen oder physikalischen Kontakt
zwischen Redoxsystem und reversibler ATPase erfolgen,
sondern erfordert den FluR von Protizitat in einem geschlossenen waRrigen System, das beide verbindet. Ich benutze das
Angew. Chem. 91, 718-733 (1979)
halt. Das ist die innere Membran der Mitochondrien, die
Thylakoidmembran der Chloroplasten und die Plasmamembran der Bakterien.
Diese Postulate waren fast ausschliefilich hypothetischer Natur und experimentell unerforscht, als sie 1961 als Grundlage
der chemiosmotischen Hypothese aufgestellt wurden. Meine
urspriinglichen MutmaBungen uber die t H ' /P- und
t H /0-Stochiometrien und die protomotorische Polaritat
quer zur M e m b r a ~ ~erwiesen
l ~ ~ ] sich schon im Licht friiher
in der Z der iibliche Faktor 2,303 RT/Fist; Z betragt etwa 60
Experimente als revision~bediirftig'~~."'
')31. Abbildung
5
bei 25"C, wenn die Potentiale in mV angegeben werzeigt die korrekten Polaritaten und die meiner Meinung
den[34.35.901
nach wahrscheinlich richtigen protomotorischen StochioUm experimentelle Untersuchungsprogramme zu fordern,
metrien: A) fur das oxidative Phosphorylierungssystem der
die das Konzept der chemiosmotischen Kopplung auf phyMitochondrien (Transportsysteme nicht eingeschlossen) und
siologischer Ebene testen und wenn moglich widerlegen sollB) fur das nicht-cyclische System der Photophosphorylieten, wurde das Konzept explizit und unzweideutig in Form
rung der Chloroplasten. Das grundlegende Prinzip wurde jeder vier folgenden grundlegenden Postulate ~ o r g e l e g t [ ~ ~ . ~ ~doch
] , nicht geandert: Die in Abbildung 4 und 5 wiedergegedie den Struktur- und Funktionssystemen in Abbildung 4
benen Postulate haben jetzt siebzehn Jahre intensiver Priientsprechen:
fung durch zahllose Wissenschaftler in vielen Laboratorien,
1 . Die ATP-Synthase ist eine chemiosmotische, membrangedarunter in meinem, unter Anwendung einer groBen Anzahl
bundene reversible ATPase mit charakteristischer t H + /
experimenteller Methoden iiberlebt[4x.5"x'.y4""I. Der FortP-Stochiometrie.
schritt auf den Gebieten der oxidativen und photosyntheti-
Wort Protizitat fur Kraft und Flu6 des Protonenstroms in
Analogie zum Wort Elektrizitat, das Kraft und FluB des
elektrischen Stroms beschreibt~*'.''1. Indes hat aber die Protonenpotentialdifferenz Ap sowohl eine elektrische Komponente (A+) als auch eine Komponente der chemischen Aktivitat (ApH), gema6 der Gleichung
+
aukn
Wasser
LIpId-
phase
Llpld-
innen
Wasser
A
a u k n phase
Wasser
innen
Wasser
B
SH2
-s
ADP + PDH
\
2Ht
f
[
ATPase
I
-
2H'
Abb. 5. Kopplung A) der oxidariven Phosphorylierung und B ) der Yhotophosphorylierung durch Protizitat
(nach [361).
Atmungs- und Photoredoxkette sind chemiosmotische,
membrangebundene Systeme, die eine charakteristische
t H + /2 e --Stochiometrie haben und die gleiche Polaritat
der Protonentranslokation durch die Membran fur die
normale Redoxaktivitat zeigen wie die ATPase fur die
ATP-Hydrolyse.
Es existieren protonenabhangige (oder hydroxidionenabhangige) Transportsysteme zur osmotischen Stabilisierung und zum Metabolitentransport.
Die Systeme 1 bis 3 reichen durch eine raumlich geschlossene, isolierende Membran - die Kopplungsmembran hindurch, die eine nichtwakige osmotische Barriere mit
geringer Durchlassigkeit fur geloste Stoffe im allgemeinen
und fur Protonen und Hydroxidionen im besonderen entAngew. Chem. 91, 718-733 (1979)
schen Phosphorylierung wurde vie1 schneller, sobald die
durch die vier Postulate reprasentierten molekularen Komplexe als biochemisch separate Systeme (Abb. 4) behandelt
wurden, die man - wie in den Laboratorien von Jagendoif['''], Racker["'], Witt['"l,Chappelll' "I und Skulachev1"3'
- am besten einzeln untersuchte, anstatt sie in dem Durcheinander der sogenannten ,.phosphorylierenden Atmungskette" oder deren photosynthetischem Analogon zu belassen.
Das Konzept der chemiosmotischen Kopplung umfaBt auf
physiologischer Ebene nicht nur das allgemeine Prinzip der
Umwandlung von Redoxenergie in Phosphorylierungsenergie, sondern auch das Prinzip der Energieubertragung von
den durch die Membran reichenden Redoxkomplexen auf
72 1
die riumlich getrennt eingebettete reversible ATPase oder
andere protizitatsverbrauchende Komplexe[x6,X71.Ilieser
Umstand hat es erleichtert, den Mechanismus der oxidativen
und photosynthetischen Phosphorylierung in das weitere
Feld der Bioenergetik der Membranen und der allgemeinen
Physiologie einzuordnen - rnit erstaunlichem Erfolg fiir das
Verstandnis des Transports durch mikrobielle Membranen
und verwandter Prozesse (siehe [ y x . 1 1 4 ' I 6 ] 1.
Die vier Postulate, die die vier Systeme rnit ihren charakteristischen Eigenschaften reprasentieren, werden heute
weitgehend als experimentell gesichert angesehen. Daher
kiinnen wir offenbar die Frage ,,Was machen sie?" als beantwortet betrachten: Die eingebetteten Komplexe der Atmungs- und Photoredoxkette erzeugen Protizitat senkrecht
zur Kopplungsmembran und energetisieren die leitfahigen
waBrigen Phasen zu beiden Seiten, so daB Energie von anderen durch die Membran reichenden Komplexen entnommen
werden kann, z. B. von der reversiblen protomotorischen
ATPase. Aber die Akzeptierung des Konzepts der chemiosmotischen Kopplung auf physiologischer Ebene sagt nichts
aus iiber die moglichen biochemischen Mechanismen der
protomotorischen ATPase und der Redoxkomplexe und fixiert nur ihre relativen, nicht aber ihre absoluten protomotorischen S t o c h i ~ m e t r i e n ~ ~ ~ ~ ~ ~ ~ .
Die andere Begriffsebene, auf der die chemiosmotische
Betrachtungsweise die Planung sinnvoller Experimente gefordert hat, ist hauptsachlich biochemischer Natur. Auf dieser Ebene interessieren die funktionellen Stochiometrien, die
molekularen Topologien und die molekularen Mechanismen
der protomotorischen ATPase, der Redox- oder Photoredoxkomplexe sowie der Transportsysteme in den Postulaten 1
bis 3.
Meiner Mieinung nach waren biochemischer Gehalt und
Wert der chemiosmotischen Betrachtungsweise von Anfang
an von der IMoglichkeit protomotorischer chemiosmotischer
Reaktionsmechanismen von der Art der direkten Gruppentranslokatioii abhangig, wie sie etwa in der Redoxschleife
und
der
Hydrodehydratationsschleife
zu
finden
sind(35,36.78.7'2]., sie sind biochemisch relativ orthodox und erfordern wenig mehr als die Erweiterung von Lipmans Konzept des chemischen Gruppeniibertragungspotentialsl'. '('.I ' I
um eine raumliche Dimension. Ware das nicht der Fall gewesen, so hiitte ich es nicht fur wert gehalten, die chemiosmotische Hypothese zu fordern, wie ich jetzt weiter erklaren
werde.
B) Die Kopplung von Stoffwechsel und Transport: Vektorieller Metabolismus
Abbildung 6 wurde in einem winzigen Laboratorium im
Keller des Department of Biochemistry in Cambridge, England, etwa 1042 oder 1943 photographiert, als ich rnit biochemischen und biophysikalischen Untersuchungen begann. Zu
sehen sind Jim Danielli, Joan Keilin (David Keilins Tochter),
Frau Danielli (die als Jim Daniellis technische Assistentin
fungierte) uiid ich. Jim Danielli, der dort an einer Oberflachenfilmwaage auf einem Langmuir-Trog arbeitet, fiihrte
mich in die Forschung ein. Er brachte mir die Techniken
und Betrachtungsweisen der Membran- und Transportforscher nahe, wahrend die allgemeine Orientierung am Department of Biochemistry in Cambridge die der klassischen
Enzymologie in homogener Phase war. Dazwischen stand
122
David Keilin vom Molteno-Institut rnit seinen Untersuchungen an den wasserunloslichen Cytochromsystemen und assoziierten Komponenten, aus denen die Atmungskette besteht.
Abb. 6. Forschung im Labor (1942 oder 1943) im Department of Biochemistry.
Cambridge, England. Von links nach rechtr: .loun Keilin. J i m DunieUi, Peter Mifchetl. M u r r Danielli.
Ich konnte nicht umhin, von dem groBen Unterschied bis
hin zum Antagonismus beeindruckt zu sein, der zwischen
den Standpunkten der Erforscher von Membranen und
Transport auf der einen und der Stoffwechsel-Enzymologen
auf der anderen Seite herrschte, und ich beschloB bald, beide
Standpunkte verstehen zu lernen, in der Hoffnung, sie zu
vereinen.
Es verflossen etwa sieben Jahre, bis ich - mehr zufallig Mikrobiologe geworden war. Ich untersuchte zunachst einen
funktionellen Aspekt der bakteriellen Plasmamembran, die
ich osmotische Barriere nannte" ''I, und bald darauf die spezifische Aufnahme und den spezifischen Austausch von anorganischem Phosphat und Arsenal durch ein Katalysatorsystem in der osmotischen Barriere von Staphyl~kokkenl'~~
(siehe auch [731). Das setzte mich in die Lage, meine volle
Aufmerksamkeit auf die funktionellen und begrifflichen
Verbindungen zwischen chemischen und osmotischen Reaktionen zu richten. Die bemerkenswert hohe Spezifitat der
Phosphat-Translokation in Staphylokokken, ihre Anfalligkeit gegen spezifische Inhibitoren wie SH-Reagentien, die
hohe Aktivierungsentropie, die auf eine starke Konformationsanderung im Translokationssystem hinwies und die
enge Kopplung von Phosphat- und Arsenat-Translokation,
die ich beobachtete - wie sie auch beim Phanomen der Austauschdiffusion auftritt, das Ussing" "1 beschrieben hatte all dies lien erkennen, wie Bhnlich (oder wie funktionell verwandt) osmotische Translokationen und enzymkatalysierte
Gruppeniibertragungen sein konntenlhx 701. Ferner legte meine Beobachtung mit Jennifer Moyle, da8 die aus Staphylokokken isolierte Plasmamembran das Cytochromsystem und
assoziierte enzymatische Aktivitaten enthalt[hx.73',eine Verallgemeinerung von Lundegavdhs Ideel'"' der vektoriellen
Angew. Chem. 91. 718- 733 (1979)
Elektronentranslokation durch das Cytochromsystem nahe.
Daher vermutete ich - ausgehend von diesen Arbeiten und
von verwandten Beobachtungen und Ideen, vor allem von
Lipman['], Robertson und Wilkins["O1,Rosenberg['2u1, Pauling['*'I,Davies und Ogston["l sowie Conway["I - daB einige
von Enzymen und katalytischen Transportsystemen in der
bakteriellen Plasmamembran katalysierte Gruppenubertragungsreaktionen in Wirklichkeit vektorielle Gruppentranslokationen sein konnen, und zwar aufgrund der anisotropen
topologischen Anordnung und der - durch Konformationsanderungen ermoglichten spezifischen Beweglichkeit der
katalytischen Systeme. Das waren die Umstande, die mich
1953 auf einem Symposium zur Bemerkung veranlaBten, daR
in komplexen biochemischen Systemen wie denen, die die
oxidative Phosphorylierung durchfuhren (z. B.
osmotische und enzymatische Spezifitaten gleich wichtig erscheinen und praktisch gleichbedeutend sein konntenlh41.
w ~ r d e [ ~ ~ . "Abbildung
I.
8, die aus einer dieser Arbeiten
~ t a m m t [ ~zeigt
~ I , ein hypothetisches Beispiel, in dem ein
Phosphatrest vom ATP auf der Iinken auf ein Substrat S auf
der rechten Seite ubertragen wird.
~
Abb. 8. Enzymkatalysierte Clruppentranslokation. dargestellt am Beispiel einer
hypothetischen Phosphoryltranslokation yon AI'P auf ein Substrat S (aus 1751).
R-@+ZEHL
@-OH
41+ i R i
durch Stoffwechsel
angetrieben
Abb. 7. Hypothetisches Enzymsystem fur eine Phosphoryltranslokation (aus
1691).
Mitte der fiinfziger Jahre verfolgte ich eine allgemeine
Idee, die durch das hypothetische Phosphoryltranslokationssystem in Abbildung 7 illustriert ist. Die Idee besagt, daB
substratspezifische Enzyme mit beweglicher Konformation
und katalytische Ubertragersysteme nicht nur den Transport
geloster Substanzen, sondern auch chemischer Gruppen katalysieren. Auf diese Weise konnen - durch raumliche Erweiterung von Lipmans Konzept des Gruppeniibertragungspotentials['' - die realen vektoriellen Krafte von Gradienten
der Gruppeniibertragungspotentiale als biochemischer Antrieb fur den Transport angesehen werden. Dies ist der Ursprung der Konzepte der von mir so genannten chemiosmotischen Reaktionen und des vektoriellen Metabolismus, in
denen Transport und Stoffwechsel auf die gleiche molekulare Ebene der biochemischen Prozesse gebracht wurden, die
durch gruppenweiterleitende Enzymsysteme oder gruppenubertragende (translozierende) Enzymsysteme mit beweglicher Konformation katalysiert ~erden["~~('1.
Das fiihrte direkt zum expliziten Model1 der energetischen Kopplung
durch enzymkatalysierte Gruppentranslokation, wie sie von
Jennifer Moyle und mir 1958 in zwei Arbeiten beschrieben
Angew. Chem. 91, 718-733 (1979)
Mechanistisch gesehen war das Konzept der Gruppeniibertragung oder -weiterleitung eine Fortentwicklung von
Paulings Idee['2'1,daB die katalytische Wirkung der Enzyme
mehr von der festen Bindung des Ubergangszustandes als
der der Reaktanden oder Produkte abhangt. Wie wir gezeigt
habe111~~1,
bedurfte Paulings Idee nur einer kleinen Abanderung, um sie der Auffassung anzupassen, daB die aktiven
Zentren bestimmter Enzyme (und bestimmter katalytisch
wirkender Ubertrager wie der Cytochrome) nicht einfach als
spezifische, gruppenbindende Zentren angesehen werden
sollten - die zur Blockierung im Ubergangszustand neigen
wiirden - sondern vielmehr als spezifische, gruppenweiterleitende Einheiten, die den Durchgang chemischer Gruppen
durch eine Region des katalytischen Komplexes zwischen separaten Domanen erleichtern, welche spezifisch mit dem
Gruppendonor oder mit dem Gruppenacceptor in Wechselwirkung treten.
Es war natiirlich erkannt worden, daR die chemikomotorische Wirkung der Gruppentranslokation oder Gruppenweiterleitung, wie ich sie nun lieber bezeichne - nicht in Erscheinung treten wurde, wenn die Enzym- oder Ubertragermolekiile nicht inhomogen im Raum angeordnet waren, und
zwar nach einem der beiden topologischen Hauptprinzipien.
Nach dem ersten topologischen Prinzip konnten sie makroskopisch in einer Membran organisiert sein und damit makroskopisch chemiosmotische Prozesse bewirken, fur die als
Beispiel in Tabelle 1 einige Permutationen und Kombinationen eines Phosphokinasesystems angegeben sind. Die Mittelh i e symbolisiert die Membran, die die anisotrope Phosphokinase enthalt und die waRrigen Phasen zur linken und rechten Seite trennt. Die chemische (Gruppentransfer-)Reaktion
ist nach unten laufend dargestellt, wahrend die osmotische
(Gruppentranslokations-)Reaktion als iiber die Phosphokinase durch die Membran fiihrend eingezeichnet ist. Tabelle
1 zeigt, daR der chemiosmotische GesamtprozeB genau so von
den osmotischen Translokations- (oder Konformations-)
Eigenschaften abhangt wie von den chemischen Spezifitaten
des katalytischen Systems. Diese Beziehung ist es, die das
~
723
Tabelle I . Meh rere Moglichkeiten eines chemiosmotischen Translokationsvorgangs. der durch eine memhrangebundene. hypothetische Phosphokinase katalysiert wird 1751).
Beiapiel
linke
Phase
Phu\phukinase
in drr Memhran
rechte
Phase
ATP
S
AOP
SP
ATP
S
AOP
+
ATP
tranaporlierle
Gruppen
P-
c
S-
-L
SP
+
S
OH-
P-
SP
AOP
ADP
~~
Abb. 10. OH -Translokation durch eine protomotorische ATPase (aus (341).
1 : 1 +$ iri
SP
ATP
f
ADP
S
ADP+ SP
vektorielle chemiosmotische System grundlegend vom iiblichen skalaren chemischen System unterscheidet.
Protomotorische ATPasen
E
m
Phosphotranslnkase
fiH
-\/J.
GemaR dem zweiten topologischen Prinzip, durch das der
chemikomotorische Effekt der Gruppentranslokation in Erscheinung treten konnte, schlugen wir eine Organisation auf
@
RP
" ' RH
'HZO
2Ht
mikroskopischer Ebene vor, in der ein chemischer Kopplungseffekt durch Paarung benachbarter katalytischer Einheiten und deren EinschluR in eine ,,mikroskopische innere
Phase" zustande kommt. Als mogliche Beispiele fiihrten wir,
wie Abbildung 11A zeigt, die NADP-abhangige IsocitratDehydrogenase und die decarboxylierende Malat-Dehydrogenase an, die nacheinander Oxidation und Decarboxylierung katalysieren (mit Oxalsuccinat bzw. Oxalacetat als Zwischenprodukten, die in der mikroskopischen inneren Phase
eingeschlossen sind). Wir wiesen darauf hin, daR fur verzweigte oder cyclische Reaktionsfolgen in Enzymkomplexen
eine solche Paarung katalytischer Einheiten in drei Dimensionen entwickelt werden kann[74.7'1.Die Abbildungen 11 B
und 1 1 C zeigen als hypothetische Beispiele die Anwendung
dieses mikroskopischen Kopplungsprinzips auf Redox (o/r)bzw. Hydrodehydratationskomplexe (h/d). Abbildung 11 B
reprasentiert aufeinanderfolgende Wasserstoff- und Elektro-
AeH
ATP
ADPO
+
A
PO-
\lQ,
Ahb. 9. Topologisch makroskoplsche Ciruppenweilerleitung A) der Gruppe G
energetisch ermdglicht durch Phosphattransfer; B ) und C) der Gruppen OH
bzw. 0' energetisch ermdglicht durch ATP-Hydroly\e.
2Ht
.
Der zweite Fall aus Tabelle 1 ist in Abbildung 9 A gesondert dargesttellt. Sie zeigt die Anwendung des makroskopischen cheiniosmotischen Prinzips der Gruppenweiterleitung auf die unter Phosphorylierung verlaufende Translokation des Substrats GH, das ein Zucker sein konnte, wie etwa
im 1964 von Kundig, Ghosh und Roseman entdeckten Phosphoenolpyruvat-Ph~sphotransferase-System~'~~~.
Von den Reaktionen in Tabelle 1 aus war es nur ein kleiner, aber derinoch wichtiger Schritt zur Aufstellung vori Reaktionen der heterolytischen protomotorischen ATPase wie
in den Abbildungen 9 B und 9C. Mein urspriinglicher Vor~ c h l a g [ ~fur
~ . die
' ~ ~protomotorische ATPase, den Abbildung
10 wiedergibt, entspricht dem Gruppentranslokationssystem
in Abbildung 9 B.
724
c-
2H'
-
AH2
+
2H+
2e-
4
A
C
Abb. 1 1 . Topologisch mikroskopische Kopplungssysteme: A ) fiir oxidative Decarboxylierung (NADP-abhlngige Isocitrat-Dehydrogenase oder Malat-Dehydrogenase); B) fur aufeinanderfolgenden H- und e -Transfer (iiber einen o/rKomplex verbunden); C ) fiir aufeinanderfolgenden H20- und 0' -Transfer
(uber einen ATPase-(h/d-)Komplex verbunden) (nach j74, 751).
Angew. Chem. 91. 718-733 (1979)
C) Die protomotorische Atmungskette und Photoredoxkette: Was sind sie? Wie machen sie es?
neniibertragung in einem Komplex aus einem Flavoprotein
(Fp) oder Ubichinon (Q) und einem Eisen-Schwefel-Protein,
wie er vielleicht in der NADH-Dehydrogenase vorkommt;
Abbildung 11C illustriert aufeinanderfolgende Ubertragung
von H 2 0 und 0' , letzteres uber einen (ADPO- + P O )/
ADPOP-Gegentransport in einem ATPase-Komplex.
Die topologische Organisation nach dem Prinzip der mikroskopischen Paarung und dem makroskopischen chemiosmotischen Prinzip sind gerneinsam auf chemiosmotische Reaktionssysteme angewendet worden. Dies ist in Abbildung
12 dargestellt, in der die Komplexe aus den Beispielen 11 B
Kehren wir zu David Keilins Atrnungskette zuriick und sehen wir sie im Licht des hauptsachlich biochemischen Konzeptes direkter, chemiosrnotischer Gruppentranslokation
oder Gruppenweiterleitung!
Wie Abbildung 14 zeigt, lieR die chemiosmotische Hypothese auf biochemischer Ebene eine Riickkehr zu David Keilins Vorstellung einer chemisch einfachen Atmungskette zu;
die protomotorische Eigenschaft miiBte dann jedoch die Fol-
Abb. 12. Gemeinsame Anwendung topologisch makroskopischer und rnikroskopischer Prinsipien; A) protomotorische Redoxschleife; B) protornotorische
ATPdse ( H ydrodehydratationsschleife).
dungen 13A und 13B zeigen die protomotorische Redoxschleife in konventionellerer Art; X und Y sind Wasserstoffbzw. Elektroneniibertrager. Aus dieser Darstellung unter
Verwendung zirkulierender Ubertrager geht vielleicht deutlicher hervor, daR die Konformationsanderungen oder Wei-
2H'
2Ht
H20
COO
B
2H'
V
Schleife 1
2Hf
4
M
Schleife 2
2H'
'
"
I
Schleife 3
Abb. 14. Vorschlag fur eine abwechselnde Anordnung von H- und e -Leitern in
Atmungskettensystemen: A) fur FAD-abhangige Oxidationen: B) fur NAD-abhangige Oxidationen (nach [35]).
Abb. 13. Redoxschleifenmechanisrnen unter Verwendung zirkulierender Ubertrlger dargestellt; A) die Komplexe reichen durch die Memhrdn: B) eine protonenleitende Komponente durchdringt die Membran (nach [35,901).
mit dem chemischen ProzeB der Gruppeniibertragung uberlappen, und daR die chemikomotorische Stochiometrie von
den chemischen Eigenschaften, den moglichen Konformationen und/oder den weiterleitenden Eigenschaften der katalytischen Ubertrager nach relativ konventionellen chemischen Prinzipien abhangt.
Angew. Chem. 91, 718-733 (1979)
ge einer raumlichen statt einer chernischen Komplexizitat
sein, die von den Anhangern der Hypothese von der chemischen Kopplung befiirwortet worden war. Diese Vorstellung
erschien mir reizvoll, weil sie mit dem Befund iibereinstimmte, daR die Bestandteile der Atmungskette raumlich geordnet
sein miissen, wie schon Keilins friihe Arbeiten iiber die reversible Dissoziierbarkeit von Cytochrom c und die Pionierarbeiten von Keilin und King (siehe 151) iiber die reversible Dissoziation der Succinat-Dehydrogenase aus dem Succinatoxidase-Komplex in den Mitochondrien zeigten - die, wie wir
heute wissen, den Grundstein fur spatere Studien der raumlichen Trennung und Rekonstitution legten.
725
auOere
Membran
innere
Phase
Phase
< iHz
INAO-abhangigl
2H'
2Ht
2H'
+
-
-
-+ 2Ht
+ 2H'
-
H
SHz
c-
2Ht
(FAD-abhangigl
zeigt, daB diese Entwiirfe in Einzelheiten noch zu andern
sind; das Prinzip der direkten, gruppenweiterleitenden Redoxschleife wurde jedoch in hohem MaBe bestatigt. Dies
geht aus den Diagrammen in Abbildung 17 hervor, die das
heutige Wissen iiber die Atmungskette der Mitochondrien
(A), die acyclische Photoredoxkette der Chloroplasten (B)
und die von diesen Systemen angetriebenen reversiblen
ATPasen (FoFI und CFoCFl) zusammenfassen und die ich
nachher etwas ausfuhrlicher besprechen werde. Diese Schemata weisen bemerkenswerte Ahnlichkeiten auf. Die in den
Abbildungen 17B (und 5B) gezeigte Photoredoxkette hat offenbar wirklich einen Z-ahnlichen Bau, der dem 1960 von
Hill und Bendall"2'1 eingefiihrten abstrakten Z-Schema entspricht.
a u k r e Phase
Wasser
s+
Abb. 15. Vorschlag fur die Anordnung von Atmungskettensystemen in Schleifen
(nach [ 3 5 ] ) .
x
Kopplungsmernbran
NAOPH
NADP++H'
-
2H'
Abbildung 15 zeigt, wie der Wechsel von Wasserstoff- und
Elektronenubertragern in der Atmungskette zu Protonentranslokationen fiihren konnte. Dabei ist die Kette so in der
osmotischen Barriere angeordnet, daB sie die von mir mit 1
bis 3 numerxerten protomotorischen Redoxschleifen bildet,
die den drei energieiibertragenden Regionen der klassischen
Atmungskette zwischen NADH und Sauerstoff entsprehen[^'^. Auf diese Weise wiirde jede Schleife pro weitergeleitetem zweiiwertigem Reduktionsaquivalent zwei Protonen
translozieren - insgesamt also sechs fur die NADH-Oxidation, was experimentell auch gefunden wurde (siehe [x7
2H' c-
).
+
126
2H'
A
XY. I O X . 124 1261
Im Gleichgewicht sollte das gesamte protomotorische Potential iiber die Membran dem gesamten Redoxpotential
zwischen beiden Enden jeder Schleife - also etwa 250 mV entsprechen'"''. Damit konnen wir die Unterschiede im skalaren Gruppeniibertragungspotential chemischer Reaktionen (d. h. von Wasserstoff- und Elektronentransferreaktionen) in eine quantitative Beziehung zu den realen vektoriellen Kraften des Transports setzen (d. h. gegenlaufiger Protonen- und Elektronentransportreaktionen, die sich zur NettoH -Translokation addieren).
Abbildung 16 erlautert meine ursprunglichen Vermutungen fur den Aufbau (A) der acyclischen Photoredoxkette der
Chloroplasten und (B) der cyclischen Photoredoxkette gewisser photot,ropher Bakterien, die auf dem gleichen Prinzip
der direkten, gruppenweiterleitenden Redoxschleife wie in
der Atmungskette b e r ~ h e n [ ~Ein
~ l . kleiner Unterschied im
Verhalten war aber zu erwarten, weil die hier gezeichnete
Orientierung des photosynthetischen Pigmentsystems einen
nicht-thermodynamischen photoelektrischen Effekt iiber die
Membran mit sehr kurzer Anlaufzeit verursachen sollte wie er auch von Wittl"" in eleganten Experimenten an
Chloroplastenthylakoiden gefunden und von Crofts11271
und
anderen an Chloroplasten und phototrophen Bakterien bestatigt wurde (siehe [102. 12*] ).
Eine groBt: Anzahl sinnreicher experimenteller Untersuchungen in vielen Laboratorien hat im letzten Jahrzehnt ge-
innere PI
Wasser
B
2H'
F
-+
f-
-
2H'
2H'
Abb. 16. Vorschlag fur protomotorische Photoredoxsysteme: A) fur die acyclischen Photoredoxaktivititen in Chloroplasten: B) fur die cyclische Photoredoxaktivitit in Bakterien. System I, System 11 und PPS bezeichnen photosynthetische Pigmentsysteme (nach [35,36)).
Es sollte wohl gesagt werden, daB die protomotorischen
Stochiometrien in diesen Darstellungen, die einem Proton
Wr jedes einwertige, durch eine Redoxschleife transportierte
Redoxaquivalent entsprechen, von entscheidender Wichtigkeit sind. In meinem und in den meisten anderen Laboratorien, in denen solche stochiometrischen Messungen vorgenommen wurden (siehe ll"xl), fand man ein t H + / e - - V e r haltnis von etwa eins fur jede Redoxschleife. Aus Griinden,
die an anderer Stelle diskutiert werdenIx7 ". 'Ox.
IZh. 13",
halte ich neuere abweichende Beobachtungen in den Laboratorien von A z z ~ n e ~Lehninger['33'
'~~~,
und W i k ~ t r B r n " ~ ~ ~
nicht fur eine ernste Bedrohung dieser experimentell erharteten Tatsache.
Angew. Chem. 91, 718- 733 (1979)
lpq
INA,O-a:hangige
OH1
A
Abb. 17. Direkte chemiosmotische Mecbanismen fur: A) mitochondriale oxidative Phosphorylierung; B ) acyclische Photophosphorylierung in Chloroplasten; chemiosmotisches Konzept auf biochemischer Ebene. Verwendet wurden Untersuchungsergebnisse B U S vielen Quellen (siehe [ 5 8 , 103. 104. 108, 1301). Symbole wie in den angegebenen Literatur7itaten: siehe auch Text.
Wir scheinen daher zum Teil die Antwort auf die Fragen
gefunden zu haben: Was sind sie? Wie machen sie es? Atmungskette und Photoredoxkette sind ein System spezifischer Wasserstoff- und Elektroneniibertrager, das dadurch
Protizitat erzeugt, da8 es die Kopplungsmembran in Schleifen durchzieht und die spontane Diffusion von Wasserstoffatomen und Elektronen in entgegengesetzte Richtungen katalysiert. Daraus ergibt sich netto eine Protonentranslokation
durch die Kopplungsmembran.
2. Eine allgemeine physikochemische Sicht chemikomotorischer Systeme
Das erste protomotorische Gerat von Menschenhand war
die elektromotorische, Wasserstoff verbrennende Brennstoffzelle, die 1839 von dem bemerkenswerten William
erfunden wurde. Es ist vielleicht nicht sofort zu erkennen,
dalj solch eine Brennstoffzelle zur Elektrizitatserzeugung
auch ein potentieller Protizitatsgenerator ist. Das wird in Abbildung 18 erlautert. Es hangt nur davon ab. an welcher Stelle man den Kreislauf offnet, um Energie abzuleiten. In Abbildung 18 A ist der Kreislauf im Elektronenleiter unterbrochen, und es kann Elektrizitat entnommen werden. In Abbildung 18 B ist der Kreislauf im Protonenleiter unterbrochen,
und es kann Protizitat entnommen werdenl3"I.
Die Brennstoff7,elle ist ein ausgezeichnetes Beispiel fur die
Richtigkeit des von Pierre Curie'""I Ende des vorigen Jahrhunderts aufgestellten Prinzips, daL3 Wirkungen nicht weniger symrnetrisch als deren Ursachen sein konnen. Das Phanomen des Transports in der Brennstoffzelle beruht auf der
vorgegebenen vektoriellen Anordnung der chemischen Reaktionen an den anisotropen, katalytisch wirkenden Metall/
Wasser-Gren~flachen~'"~.
So werden die skalaren Gruppenpotentialdifferenzen der chemischen Reaktionen in den
Raum als vektorielle chemische Kraftfelder projiziert, die
den Cradienten der uber die Elektrodengrenzflachen geleiteAngew. Chem. 91, 718-733 (1979)
ten chemischen GruppenubertragungspoteIitiale entsprechen. Diese einfachen Uberlegungen zeigen sehr schon, wie
sinnlos die Frage nach der Kopplung von Stoffwechsel und
Transport in der Form war, in der sie von einigen Theoreti-
Protonenieiter
-
2Ht
Wasser
A
-
H20
1
702
leiter
belle fur Elektrizitat
Protonen-
B
Abb. 18. Wasserscol~~erbrauchendeBrennstolt'zelle: A ) als Elektrintat\generator: B) al, ProtiiitQlsgenerator(nach [ 3 6 ] ) .
121
kern urn 1960 gestellt wurde und heute noch gestellt wird:
Wie konnen skalare chemische Reaktionen vektorielle
Transportprozesse antreiben? Die Antwort ist einfach: sie
kiinnen es n i ~ h t [ ’ ~ ’ . ’ ~ ~ .
Das Konzept der elektrochemischen Zellen und Kreislaufe wurdc 1933 von Guggenheim1’381
verallgemeinert, so dal.3es
auf den chemisch angetriebenen Transport beliebiger Paare
chemischer Spezies in einem geeigneten Kreislauf angewendet werden konnte. Guggenheims ziemlich abstrakte thermodynamische Abhandlung zeigte deutlich, daR chemischer
Transport reversibel rnit chemischen Umsetzungen gekoppelt werden kann, wenn man die chemische Reaktion raumlich in zwei Halbreaktionen aufteilt, die miteinander intern
durch einen Leiter fur die eine chemische Spezies und extern
durch einen Leiter fur eine andere chemische Spezies verbunden sind, die fur den Ablauf der Gesamtreaktion erforderlich ist (siehe IYo1).
Wenn man Aufnahme und Abgabe von
Reaktanden und Produkten mit einbezieht, wie das in der
Brennstoffzlelle in Abbildung 18 der Fall ist, dann mussen
zwei interne Leiter fur spezifische Liganden in einer geschlossenen Schleife zwischen den Grenzflachen angeordnet
sein, a n dienen die chemischen Halbreaktionen stattfinden1””I. Der externe Flul.3 eines spezifischen Liganden - wie
etwa der ProtonenfluB in Abbildung 18B ist dann gleich
der Summe der beiden internen Ligandenstrome z. B. der
FluR von Wasserstoffatomen in der einen und von Elektronen in der anderen Kichtung (Abb. 18 B).
Die Spezifizitat der Weitergabe chemischer Grupperi in einem Enzyrn oder katalytischen Ubertriigerkomplex kann
man mit der Spezilizitat der internen Ligandenleitung, in einer chemikomotorischen Zelle vergleichen, deren andere innere und auBere Komponenten durch die riumliche Anordnung des spezifischen gruppenweiterleitenden Komplexes in
bezug auf die anderen osmotischen oder diffusionsrr:gulicrenden Syskme festgelegt werden. Wie der Name ,,chemiosmotisch“ sagt, reprasentiert daher die osmotische Komponente einer Gruppenubertragungs- oder Gruppenweiterleitungsreaktion in der Biologie deren chemikomotorisches Potential, das (durch natiirliche Selektion) bei geeigneter raumlicher Organisation genutzt werden kann.
So beruht z. B. die Vorstellung der protomotorischen Redoxschleife auf der Entwicklung des Konzepts dcr Weiterleitung spezilischer Liganden bei der Gruppentranslokation
folgender Art:
~
Ahh 19 Aulbau der trrniiiialen Rrdoxschleile drr Alrnung\ketle nach Art drr
Brennatall~elle(nirch [MI).
Die Vorstellung der protomotorischen Hydrodehydratationsschleife bei der reversiblen ATP-Hydrolyse basiert auf
einem iihnlichen Prinzip’”’
~
Nach Glcichung ( 2 ) werden die internen (iiber die osmotische Barriere fuhrenden) Ligandenleiter in der Redoxschleife als spezifisch fur Wasserstoffatome, die ihrem Potentialgefalle folgertd in der einen Richtung diffundieren, und fur
Elektronen, die ihrem (elektrochemischen) Potentialgefalle
folgend in lder Gegenrichtung diffundieren, angesehen genau wie in der Brennstoffzelle in Abbildung 18, und wie es
detaillierter in Abbildung 19 fur die terminale Redoxschleife
der Atmungskette dargestellt ist. Der auRere Stromkreis besteht aus den w5iDrigen Protonenleitern zu beiden Seiten der
isolierenden Lipidmembran[’51.
~
728
2H+
-
ADPOP
+ HzO
(3)
Wie formal in Gleichung (3) gezeigt, kann man sich die
protomotorische ATP-Hydrolyse als spezifische Leitung von
ATP (ADPOP geschrieben) und H 2 0 in der einen und von
ADPO + PO in der anderen Richtung vorstellen; als Differenz ergibt sich die Nettotranslokation zweier Protonen. In
Gleichung (3) wurde H 2 0 eingeklammert, um anzudeuten,
dal.3 kein spezifischer H,O-Kanal zu existieren braucht, weil
Lipidmembranen gewohnlich Wasser gut durchlassen (siehe
IV),
Die Betrachtungen in diesem Abschnitt meines Vortrags
gehen in zwei Richtungen. Zum einen zeigen sie, daB die
chemiosmotische Betrachtungsweise in schon mehr als hundert Jahre alten physikalischen und chemischen Theorien
wurzelt. Zum anderen legen sie nahe, daR das allgemeine
Konzept der spezifischen, vektoriellen Ligandenleitung von
groBer Bedeutung in Physik, Chemie und Biologie sein
konnte, was bisher noch keineswegs voll anerkannt wird[“”.
Die protomotorische Kedoxschleife, die Hydrodehydratationsschleife und andere mBgliche chemikomotorische
Schleifen, wie sie hie, allgemein definiert sind, beruhen auf
einern sehr einfachen Mechanismus der spezifischen Ligandenleitung. In biologischen Systemen, in denen er das konventionelle biochemische Konzept des Gruppentransfers
raumlich erweitert, habe ich ihn als direkten chemiosmotischen Mechanismus bezeichnet; prinzipiell stimmt er aber
rnit dem Mechanismus der Brennstoffzelle uberein. Ich finde
es daher ziemlich paradox, daM viele Physiologen und Biochemiker die mogliche Existenz dieser direkten und biochemisch hochst konventionellen Art des chemiosmotischen
Mechanismus abzulehnen geneigt waren, oder doch SchwieAngew. Chem. 91, 718-733 (1979)
rigkeiten hatten, sie intuitiv gelten zu lassen (siehe 14x.'7 I")
1421). Stattdessen waren sie bereit, ausschlieBlich konformationsabhangige Kopplungsmechanismen anzunehmen; in
diesen sollten chemische und osmotische Reaktionszentren
raumlich und zeitlich getrennt sein und nur uber die Konformationsanderungen einer dazwischen liegenden Polypeptidkette, die in Abbildung 20 als Schlangenlinie eingezeichnet
Abb. 20. Koniept dcr indirekten Kopplung oder der Kopplung uber Konformiitionsindcrungen: A ) fur die durch Kedoxvorginge angetriebene Protonenpumpe: B) f u r die durch ATP-Hydrolyse angetriebene Prolonenpumpe (nach BOET.
Chunce. Ermler. Skulacher und andereti; siehe [MI).
ist, in Wechselwirkung treten. Solche ,,black box"-Mechanisim
men mit hypothetischen Translokatoren (T) konnen
Gegensatz zu ihren ,,direkten" Gegenstucken - in ihren Stochiometrien (n) so angepaBt werden, dal3 sie auf jedes gerade
durchgefuhrte Experiment zutreffen, und sie haben einen
derart niedrigen biochemischen Informationsgehalt, da8 sie
experimentell sehr schwer zu widerlegen sind. Dadurch, daB
es eine beliebig dehnbare Erklarung ohne experimentell
uberpriifbare Einzelheiten liefert, konnte meiner Meinung
nach das Konzept der ausschlieBlich auf Konformationsanderungen beruhenden Kopplung in chemiosmotischen Reaktionen - das zum Teil ein Folgeprodukt der Untersuchunund Ca2 -transportkenden ATPasen
gen an den Na+/K
ist wie ein Beruhigungsmittel wirken und produktive Forschung verhindern (siehe [ s X . X h . ). MutmaBungen uber direkte, biochemisch explizite chemiosmotische Mechanismen
dagegen steigern, auch wenn sie falsch sind, Experimentierfreudigkeit und Begeisterung, indem sie zur kritischen Priifung dieser Mechanismen anregen. Ich meine, dies war eine
wichtige strategische Funktion der biochemischen, begrifflichen Aspekte der chemiosmotischen Theorie in der jiingsten
Vergangenheit, und ich wurde gerne mehr meiner Kollegen
dazu uberreden, diese Funktion in der Zukunft zu nutzen
vielleicht sogar auf den Gebieten der Na'/K'und C a 2 + transportierenden ATPasen[l"XI- bei denen das generelle
chemiosmotische Prinzip des Mechanismus bis jetzt recht
langsam verstanden wird. Der Befund, daB die Metallionen
nicht stabil kovalent gebunden werden, schlieBt nicht aus,
daR sie stabile elektrostatische Komplexe mit anionischen
Phosphatgruppen. bilden, die wahrend der ATP-Hydrolyse
in der relativ nichtwaBrigen Umgebung des aktiven Zentrums in spezifischen Kanalen ihrem Gruppenpotentialgefalle gemaB abwarts wandern.
Lassen Sie mich hier einfugen, daB die protonisch-chemiosmotische Theorie weit mehr Anwendungsmoglichkeiten
~
+-
+
~
~
Angew. Chem. 91, 718-7.33 (197Y)
bietet als nur im zentralen Feld der Energieubertragungen in
der klassischen oxidativen und photosynthetischen PhosphoSo gibt
rylierung, wie sie hier behandelt wurden (siehe
es z. B. das protomotorische Bakteriorhodopsinsystem in HaIobacferium ha10bium~'~'1461, die protomotorische Pyrophosphatase in phototrophen Bakterien[1471,protonische
Warmeerzeugung in den Mitochondrien der Fettzellen Winterschlaf haltender Tiere[l4'1. den bemerkenswerten Rotationsantrieb von Bakteriengeineln, der durch Protizitat angetrieben wird (siehe [I4') '"I ), die protomotorische ATPase und
protonenabhangigen Transportsysteme in Chloroplastenn i e m b r a n e ~ i ' ' ~ ~ . 'in' ~ Plasmamembranen
~,
von SchimnielpilZen, Hefen und hoheren Pflanzen (siehe 1x1.x7.154 I"' ) und
auch in den Membranen der C h r ~ m a f f i n k o r n e r [und
' ~ ~ ~Synaptosomen['5xl, in interessanten und ungewohnlichen Redoxketten, so wie der des acidophilen Thiobacillus ferrooxi- die beilaufig dazu beigetragen hat, die Hypothese
von der Kopplung durch lokalisierte, protonierte Anhydride
auszuschliehen - und wahrscheinlich noch andere unentdeckte protizitatserzeugende und -verbrauchende Systeme.
Dariiber hinaus war es nie mein Wunsch oder meine Absicht, das Konzept der spezifischen Weiterleitung von Liganden und der Translokation chemischer G r~ppen["~.'". 7'1. 771,
auf dem die chemiosmotische Theorie beruht, auf protizitatsgekoppelte Systeme zu beschranken. Es ist nur die einzigartige Vielseitigkeit der Verwendung von P r ~ t i z i t i i t und
l ~ ~ deren
~
Wichtigkeit fur die Energieubertragung in den Hauptwegen
des Energiestoffwechsels, die zufallig dazu fuhrte, den Gebrauch der chemiosmotischen Theorie nur auf protomotorische und protonenabhangige Systeme und nicht auf andere
chemikomotorische und chemisch getriebene Systeme anzuwenden. In neueren Ubersichtenlx'.l"Xl habe ich versucht,
eine breitere Anwendung der chemiosmotischen Theorie
und des leistungsfahigen biochemischen Konzepts der spezifischen Weiterleitung von Liganden in Form einer allgemeinen Idee der Chemikalizitat anzuregen eine Erweiterung
von Lipmanns bewundernswert fruh formulierter Idee der
Stoffwechselmuster['''l.
~
3. Einige Fragen zu biochemischen Einzelheiten der
protomotorischen Atmungs- und Photoredoxkette
Die in Abbildung 17A gezeigte Atrnungskette unterscheidet sich von meinem friiheren Vorschlag mit den drei linear
angeordneten Redoxschleifen (Abb. 14 und 15) dadurch, da8
die Schleifen 2 und 3 zu einer Konfiguration 2 + 3 zusammenfallen, die Q-Cyclus genannt wird und den Cytochromb-c-Komplex als Katalysator enthalt. Auf diese Weise konnen viele der sonst anomalen thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften der Cytochrome h,,, und h , , , (in Abbildung 17A mit bb bezeichnet) erklart werden; auch die Gegenwart von Ubichinon (Q) als einzigem Wasserstoffiibertrager dieser Redoxregion sowie der Angriffspunkt des Inhibitors Antimycin lassen sich dann verstehen""'. ''"l '"1 . Wie die
gestrichelten Linien in Abbildung 17B andeuten, ist es nicht
sicher, oh ein ahnlicher Plastochinoncyclus (PQ) in Chloroplasten e~istiert"~!Ein anderer entscheidender Wesenszug
der Diagramme in Abbildung 17 ist das Vorkommen von Eisen-Schwefel-Zentren (FeS), die aufgrund der eleganten Pionierarbeiten von Helmut Beinert heute fur den Elektronentransport fur ebenso wichtig gehalten werden wie die Hamgeriiste der Cytochrome['7'. 173J.
729
Die Vorstcllung von der Atmungs- und Photoredoxkette
als einer Folge physikalisch kornpakter Komplexe (die zurn
Teil zerlegt und wieder zusarnmengesetzt werden konnen)
starnmt aus den Arbeiten von Keilin und Kit~g1"~1,Takemori
und King[1751,
von der von Green und H ~ t e j i ~ "angefiihrten
"~
Gruppe aus Madison und von Efraim Racker~['~IArbeitsgruppe. Urispriinglich beschrieben sie vier Komplexe:
NADH-Q-Reduktase, Succinat-Q-Reduktase, QH,-Cytochrom-c-Reduktase (das ist der Cytochrorn-b-c,-Komplex)
und Cytochrom-Oxidase, die funktionell durch Ubichinon
und Cytochrom c verbunden sind. Rackers Gruppe steuerte
die Komplexe F,,F, und CF,,CFl bei; diese sind physikalisch
und chemisch von den Redoxkomplexen getrennt["4.yy.
''".
1791
Man nimmt heute an, d a8 die Lipidkopplungsmembran,
die von den Redox- und ATPase-Komplexen durchdrungen
wird, in Einklang mit dem Konzept der fliissigen Membran[1X"' eine hohe Lateralmobilitat besitzt (siehe
I 1 6 6 . I7 I . I X I I
Die mogliche Leitung von Wasserstoffatornen durch Flavinrnononucleotid (FMN) in der NADH-Dehydrogenase beruht lediglich auf der bekannten Eigenschaft der Flavingruppe, Wasserstoff zu binde n~X 2~1'.l~1"
Der 2~
sehr groBe Abstand
der Norrnalredoxpotentiale von FeSl und FeS2 und der Effekt von Ap auf sie sind schwerlich rnit der in Abbildung 17A
gezeigten Anordnung in Einklang zu bringen["'I. Wie in Abbildung 21 angedeutet ist, rnochte ich rein spekulativ vorschlagen, daR ein proteingebundenes Q'H/Q-Redoxpaar
existiert, das FeSl und FeS2 verbindet, wodurch das allgemeine Verhalten der protomotorischen NADH-Dehydrogenase und ihr Bedarf fur ein spezifisches Q - H o m o l ~ g e s ~ ~ ~ ~ ~
besser zu erklaren ist.
OH l
).
In den Atmungsketten der Mitochondrien gibt es etwa
gleich viele Cytochrom-b-c,- und Cytochrorn-Oxidase-Kornplexe. Wenn man alle Q-abhangigen Dehydrogenasen
(NADH-Dehydrogenase, Succinat-Dehydrogenase, Elektronentransfer-F:lavoprotein-Dehydrogenase,Cholin-Dehydrogenase. Glycerin-1-phosphat-Dehydrogenaseusw.) zusarnrnenzahlt, findet man etwa gleich viele Dehydrogenase- wie
Cytochrom-b-c,-Kornplexe. Dal3 es gerade vier Komplexe
sind, die von Greens Arbeitsgruppe gefunden wurden, ist daher ohne Belang. Zwei Komplexe jedoch haben eine besondere Bedeutung: der Cytochrorn-b-c,-Komplex und die Cytochrom-Oxidase, die funktionell durch Cytochrom c verbunden sind und zusarnmen das protomotorische Cytochromsystern ergeben. Dieses bernerkenswert kompakte System dient allen Q-abhangigen Dehydrogenasen als Reaktionspartner, von denen nur eine. die NADH-Dehydrogenase,
bisher selbst als protomotorisch bekannt ist['X21
Im allgemeinen kommt ein Cytochrom-b-c,-Komplex auf
mindestens zehn Q-Molekiile, die als Redoxpool dienen, wie
Kroger und Klingenberg['"I fanden. Neuere Untersuchungen
von Ragan et a1.~'7".171i
uber
.'
die funktionelle Wechselwirkung von NADH-Q-Reduktase und Cytochrom-b-c,-Komplexen in Liposomenrnernbranen bestatigen jedoch die Hypothese von Kingl"''""l, wonach die aktivsten Redoxeinheiten
binare Dehydrogenase-Cytochrom-b-c,-Komplexernit gebundenern Q sind. Moglicherweise beruht die Funktion von
Q als Redoxpool weniger auf seiner lateralen Beweglichkeit
als freies Molekiil als auf der hohen lateralen Beweglichkeit
der Lipide, so da8 sich ein dynamisches Assoziations-Dissoziations-Gleichgewicht von binaren Dehydrogenase-Cytochrom-b-cl-Kornplexen (rnit assoziiertem Q) einstellt.
Hauska[lx4.1x51 und Lenaz et al.[lX('largumentierten, daR Q
und PQ in der Lipidphase von Liposomen so beweglich sind,
daR die beobachteten Leitungsgeschwindigkeiten von Wasserstoffatomen durch die Mitochondrien- und Chloroplastenmembran rnit Hilfe der Pools von freiem Q und PQ erklart werden konnen. Es ist aber wahrscheinlicher, daR nach
den Vorstellungen Kings und dem Konzept des Q-Cyclus
(siehe 11"')1)die Leitung von H-Atomen durch die osmotische
Barriere durch spezifische, ligandenleitende Q- und PQ-Regionen erfolgt, die rnit Q- oder PQ-bindenden Proteinen im
Cytochrorn-b-c,(oder b-y)-Komplex und in den benachbar-
730
ten Dehydrogenasen (oder PSII-Komplexen?) assoziiert
Sind[131f.104. 166. IhP 171. 1x5. 1x7 IPO]
H'
I NAOH - OH I
f
C
J
Abb. 21. Spekulativer Vorschlag fur die Beteiligung des Q'H/Q-Redoxpaare\ be1
der NADH-Q-Reduktase und fur den Zusammenhang mit dem Cytochromsystem.
Die Vorstellung der Nettoleitung von 0 ' ~durch einen
beADP- + P )/ATP-Gegentransport in F , und CF115X.X'i
ruht auf dern Beispiel des ADP/ATP-Gegentransportsystems, das ADP und ATP n u r in bestirnmten Protonierungszustanden transportiert[1"51.Die protornotorische NAD(P)Transhydrogenase (in Abb. 17 nicht eingczeichnet) konnte
ebenfalls Protonen durch Gegentransport der Phosphatgruppen im NAD und NADP translozieren, die in unterschiedlichen, durch den Redoxzustand der Nicotinamidgruppe bestimmten Protonierungszustanden vorkommen["l.
Zusammenfassend kann gesagt werden, daR die bioenergetisch wirksarnen Mechanismen (wie sie schematisch in
Abb. 17 gezeigt sind) auf zwei Prinzipien beruhen: 1. die
halbfliissige Lipiddoppelschichtmembran rnit den durch sie
hindurchreichenden Kornplexen bildet eine zusammenhangende, nichtwafirige (protonenundurchlassige) Flache, die
als osmotische Barriere wirkt und die die wa8rigen Protonenleiter zu beiden Seiten trennt; 2. die durch die Mernbran
hindurchreichenden Komplexe katalysieren die hochspezifische, vektoriell geordnete Leitung von Elektronen, Wasserstoffatomen, Protonen und 02--Ionen. Als Beispiele fur die
spezifische Ligandenbindung konnen die Elektronenaufnahme durch Cytochrome oder Eisen-Schwefel-Proteine, die
Wasserstoffbindung durch Flavoproteine oder Q-Proteine
und die 0' -Aufnahrne durch das Paar ATP/(ADP + P~ )
angefiihrt werden. Aber die Ligandenweiterleitung in den
eingebetteten cherniosmotischen Kornplexen erfordert zusatzliche dynamisch-topologische, physikalische und cherniAngew. Chem. 91. 718-733 (1979)
sche Eigenschaften, die die Diffusion der Liganden auf einzigartigen Wegen erleichtern.
Uber die biochemischen Einzelheiten der spezifischen Ligandenleitung, selbst der Elektronenleitung, weif3 man noch
wenig[l"h,
lVb] , Aber ich denke, man kann doch auch sagen,
daB die protomotorischen Eigenschaften des mitochondrialen Cytochromsysterns und des Photosystems der Chloroplasten im Prinzip wohl durch den cherniosmotischen Mechanismus der direkten Ligandenleitung korrekt erkliirt werden.
Dasselbe durfte fur die protomotorische Eigenschaft der
Photosysterne phototropher Bakterien1'".'''71 und einiger
bakterieller Redoxkettenl' 14.i'il
zutreffen. Der Mechanisrnus
der protornotorischen ATPase ist umstrittener: auf alle Falle
erscheinen mir aber mechanistische Vorschlage des direkten
chemiosmotischen Typs strategisch wertvoll, da sie rationale
experimentelle Forschung stirnulieren und daher selbst dann
zu unserem biochemischen Wissen beitragen, wenn sie sich
letzten Endes als falsch erweisen sollten.
Jahre 1963 hervorheben. Ich mochte auRerdem betonen, daf3
es Bill Slater war, der mich 1965 dazu uberredete, mich eingehender mit der Erforschung der oxidativen Phosphorylierung zu befassen, nachdem Jennifer Muyle und ich unsere
Arbeit in den Glynn Research Laboratories aufgenornmen
hatten. Jim Danielli verdanke ich die Photographie der Abbildung 6. Ich danke Jack Dunitz und U/riclz Muller-Herold
fur ihre Hilfe bei der Suche nach Max Plancks Ausspruch'",
und ich danke Bernie Trumpower und Carol Edwards. dalJ sie
rnich vor der Veroffentlichung dariiber informiert haben.
daR der Faktor OxF wahrschcinlich eine aktive, rekonstituierte Form des Rieskeschen Eisen-Schwefel-Proteins ist, womit sie den Entwurf des Q-Cyclus (Abb. 17 A) beeinflufit haben. Robert Harper und Stephanie Key bin ich fur ihre Hilfe
bei der Vorbereitung des Manuskripts zu Dank verpflichtet
und der Glynn Research Ltd. fur die allgemcine finanzielle
Unterstiitzung.
kingegiingen am 21. M i r i IY7Y [ A 2x41
Uherset7t vun I)r I)re//iclnr XIciniv. Freihurg
4. Schlufibemerkung und Ausblick
Die Erforscher der Membranbiochemie und Bioenergetik
waren wahrend der letzten dreiBig Jahre langen Perioden der
UngewiRheit und begrifflichen Umwalzungen ausgesetzt eine traurnatische Zeit fur viele von uns, sowohl in personlicher als auch in wissenschaftlicher Hinsicht.
Die gegenwartige Lage, in der wir, abgesehen von wenigen
Andersdenkenden, eine Ubereinkunft zugunsten der chemiosmotischen Theorie gefunden haben, IaRt auf zukiinftiges Einvernehmen und auf Effizienz der experimentellen
Forschung auf dem Gebiet der Membranbiochernie und
Bioenergetik hoffen. In den Zeiten der intensivsten Priifung
der chemiosmotischen Theorie, in den sechziger Jahren und
Anfang der siebziger Jahre, konnte keiner von uns das Ergebnis voraussagen. Am bemerkenswertesten und bewundernswertesten am jetzigen Zustand der Ubereinstimmung
finde ich die Selbstlosigkeit und GroRziigigkeit, mit der die
fruheren Gegner der chemiosmotischen Hypothese diese
nicht nur akzeptiert, sondern dazu beigetragen haben, sie in
den Rang einer Theorie zu erheben. Ihrer klassischen Popperschen Sicht nach (siehe ["I) ist die chemiosmotische
Theorie akzeptabel, weil sie zur Zeit den besten begrifflichen
Rahmen abgibtliyxl.Auf diese Weise den pessimistischen
Ausspruch des groDen M a x Planck['Iwiderlegt zu haben, ist,
glaube ich, ebenso selten wie erfreulich.
Zum Thema der Atmungskette zuruckkehrend. ist es besonders bemerkenswert, daR David Keilins chemisch einfaches Bild richtig war - und es ist ihm hoch anzurechnen, daR
er gezogert hat, sich auf die energiereichen Zwischenprodukte einzulassen, als diese in Mode waren. Das erinnert mich
an den Aphorismus ,,The obscure we see eventually, the
completely apparent takes longer".
Dank
Zu besonderer Dankbarkeit verpflichtet bin ich meiner
Mitarbeiterin Jennifer Muyle fur ihre stetige Hilfe, Diskussionsbereitschaft und Kritik. Viele Kollegen haben zur Entwicklung der ldeen und des Wissens beigetragen, die diesem
Vortrag zugrunde liegen. Ich mochte besonders den EinfluB
von Tsoo King nach dem zu friihen Tode David Keilins im
A ngew. Chem. 9 1, 718- 733 ( I 9 79)
I1 I
M Plunck. Wissenschaftliche Autohiographie. Leiprig 192X f'/unrh-s Ausqmich. wie er in meinem Vortrag titiert wird. is1 eiiie Urnxhreihung des
folgenden Paasus ( S 22): ..Eine neue wissenschal'tliche Wahrheit ptlegt
\ich nicht in der Weise durch7usetzen. da8 ihrr G r g n r r uherxugt werden
und sich ala helehrt erkllren, sondern vielniehr dadurch. deli die Gegner
allmahlich aussterben und dafJ die heranwachsende Generation von vornherein mit der Wahrheit vertraut gemacht iat". Ich habe mich jedoch rum
Tell an eine spitere Fassung dieaes Aussprucha gehalten [entnommen a u h
M. Plunrk: Urrprung und Auswirkung wissenschaftlicher ldeen (1433).
Vortrag. ahgedruckt in: Vortrlge und Erinnerungen. Darnistadt 19751. in
welcher P l ~ n c kdas Wort ldee anstelle von Wahrhcii verwcndet
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ZUSCHRIFTEN
Verbindungen, bei der eine Anellierung von Sechsringen zu
einem cyciischen System fiihrt, das im Innern einen Hohlraum rnit Wasserstoffatomen umschlieDt. Bei (1). fur das sich
200 Kekule-Strukturen rnit unterschiedlicher Anordnung
von Doppel- und Einfachbindungen formulieren lassen"',
interessierte die n-Elektronendelokalisation und die damit
zusammenhangende Frage nach der Diatropie im makrocyclischen System, fur die schon 1951 gezeigt worden war, daB
verschiedene theoretische Ansatze im Falle von (1) zu kontroversen Voraussagen fUhrenl4'. Experimentell ergab die
'H-NMR-Absorption der inneren Wasserstoffatome keine
Anhaltspunkte fur eine Diatropie im makrocyclischen System['), was qualitativ rnit MO-Berechnungen der Chemischen Verschiebungen uberein~timmt[~.~1.
Im Zusammenhang mit diesen Fragen und einigen spektroskopischen Eigenschaften war die Bestimmung der Molekulstruktur des
Kekulens durch Rontgen-Strukturanalyse von besonderem
Interesse.
Molekiilstruktur und spektroskopische Eigenschaften
des Kekulens"]
Von Clam Krieger, Franpis Diederich, Dieter Schweitzer und
Heinz A. Staab"'
Kekulen (l),uber dessen Synthese kurzlich berichtet wurde['I, ist das erste Beispiel einer neuen Klasse aromatischer
['I
Prof. Dr. H. A. Staab, Ing. (grad.) C. Krieger. Dr. F. Diederich
Abteilung Organische Chemie
Dr. D. Schweitzer
Abteilung Molekulare Physik
Max-Planck-lnstitut fur medizinische Forschung
Jahnstralie 29, D-69W Heidelberg 1
Angew. Chem. V I (1979) Nr. V
(1) wurde aus durch Zonenschmelzen gereinigtem Pyren
in einer unter Hochvakuum geschlossenen Ampulle beim
langsamen Abkuhlen von 450 auf 350 " C kristallisiert; nach
Absublimieren des Pyrens im Hochvakuum und Waschen
der Kristalle rnit Chloroform erhielten wir gelbe monokline
Nadeln, die sich fur eine Strukturanalyse eigneten [KristallgroBe 0.05 x 0.08 x 0.4 mm; Raumgruppe C2/c; a = 2799(3),
b=458.7(5), c=2271(2) pm, p=109.6(1)", 2 = 4 , pber=1.45
g.cm-3; MoK,,-Strahlung, 1596 beobachtete Reflexe,
R=0.056].
0 Verlug Chemie, GmbH. 0-6940 Weinheim, 1974,
0044-8249/79/0909-0733
% 02.50/0
733
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