Store opdagelser: Moderne kemi og livsprocesser – citrus og fosfat
Kort inden Antoine Lavoisier (1743-1794) mistede hovedet under den franske revolution, havde han grundlagt den moderne kemi, blandt andet ved at vise, at levende organismer nedbryder sukker på samme måde, som et lys brænder stearin.

De biokemiske processer, der ligger til grund for stofskiftet, er forbavsende ens hos alle levende organismer på Jorden.

De biokemiske processer, der ligger til grund for stofskiftet, er forbavsende ens hos alle levende organismer på Jorden.
Bringes i samarbejde med 50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben

I denne bog gives der en fremstilling af 50 markante gennembrud i naturvidenskaberne, der alle har været med til at skabe det moderne ver

 

Igennem hele 1800-tallet vidste man, at levende organismer bruger ilt til nedbrydningen af næringsstoffer under en stadig produktion af CO2 og vand. Herved dannes den energi, kroppen behøver for at opretholde dens mange livsfunktioner.

Måden, hvorpå forbrænding foregår, forblev ikke desto mindre omgærdet af megen mystik, indtil en række videnskabsmænd, der næsten alle måtte flygte fra det nazistiske Tyskland, i 1930'erne grundlagde forskningsfeltet biokemi.

De beskrev, hvordan næringsstoffer gradvist nedbrydes ved hjælp af enzymer, der katalyserer de kemiske reaktioner i kroppens celler. Videnskabsmændene viste endvidere, at disse livsprocesser er meget ens hos alle jordens levende organismer.

De grundlæggende biokemiske processer måtte altså have indtrådt meget tidligt efter livets opståen på Jorden.

ATP er en fælles energikilde

Som om det ikke var nok, viste den gruppe af videnskabsfolk, at nedbrydelsen af næringsstoffer hos alle organismer leder til produktionen af et enkelt molekyle, nemlig det såkaldte adenosintrifosfat (ATP).

ATP er en fælles energikilde, der kan bruges til muskelarbejde, til syntese af nye organiske molekyler eller til transport af forskellige stoffer over cellemembranen.

Men inden vi her fortsætter med at fortælle om mellemkrigstidens ATP-forskning, vil vi kaste et blik på studier af 'forgæring' i 1800-tallet.

Slog celler ihjel ved at ødelægge membranen

Af åbenlyse årsager har der i århundreder været interesse for, hvordan sukker og stivelse omdannes til vin og øl.

I 1866 viste den franske kemiker og mikrobiolog Louis Pasteur (1822-1895) i strid med samtidens kemikere, at forgæring af sukker varetages af levende gærceller, mens den tyske læge Eduard Buchner (1860-1917) i 1897 viste, at forgæring også kan foregå i en opløsning af gærcelleekstrakter, altså den væske man kunne uddrive fra gærceller, når man slog dem ihjel ved at ødelægge deres cellemembran.

Buchner argumenterede derfor, at gærceller (og andre celler), indeholder en substans, som varetager forgæring, og han kaldte substansen for zymase.

Livsprocesserne kunne forståes som biokemiske processer

Han definerede dermed funktionen af enzymer, de biologiske molekyler – oftest proteiner – som kan foranledige omdannelsen af et organisk stof til et andet organisk stof. Buchners opdagelse repræsenterer dermed på mange måder begyndelse på biokemien.

Fakta

 

Denne artikel stammer fra bogen '50 opdagelser - Højdepunkter i naturvidenskaben'. Bogen bringes i samarbejde med Aarhus Universitetsforlag. Køb bogen her

 

I 1907 modtog Buchner Nobelprisen for opdagelsen af, at forgæring kan foregå uden for den levende celle.

Denne opdagelse var skelsættende, fordi man nu forstod, at livsprocesserne kunne forstås som biokemiske processer, og at stofskiftet således ikke beror på en særlig livskraft eller vitalisme.

Warburg udviklede manometeret

For at studere cellernes biokemiske processer udviklede den tyske kemiker og læge Otto Warburg (1883-1970) et såkaldt manometer – et apparat, der tillod målinger af iltforbruget i tynde vævsskiver eller isolerede celler, som var opslæmmet i en væske (en cellesuspension).

Man kunne altså tage vævet ud af kroppen fra forsøgsdyr og tilsætte forskellige stoffer for at bestemme deres rolle i cellernes stofskifte.

Med den teknik, og en exceptionel god begavelse, viste Otto Warburg sig som en af tidens dygtigste og mest toneangivende biokemikere.

Den eneste aktive jødiske videnskabsmand under 2. verdenskrig

Warburg var imidlertid også en lidt vanskelig og kompliceret person, som både på skrift og i tale ytrede sig kritisk og ofte nedladende om andre forskeres videnskabelige synspunkter og resultater.

Han udmærkede sig desuden ved at være den eneste jødiske videnskabsmand, der forblev videnskabelig aktiv i Berlin under hele 2. Verdenskrig.

Warburgs biokemiske arbejder var motiverede af at forstå stofskiftet i kræftceller, og da Hitler efter sigende var rædselsslagen for selv at dø af kræft, foranledigede han, at Warburg blev omklassificeret til 1/8's jøde. Derved slap han for repressalier fra det nazistiske diktatur.

Urinstof dannes fra ammoniak

I 1926 kom den tyske læge Hans Adolf Krebs (1900-1981) til Warburgs laboratorium ved Kaiser-Wilhelm-Institut i Berlin.

Her lærte Krebs at bruge Warburgs manometer, men da Warburg ikke tillod sine forskningsassistenter at arbejde på deres egne projekter, måtte Krebs udsætte den selvstændige forskning, indtil han efter en kort periode på klinikken kunne etablere sit eget laboratorium i Freiburg i 1931.

Alligevel kunne Krebs allerede i 1932 beskrive, hvordan urinstof dannes fra ammoniak i isolerede leverceller.

Krebs opdagede hvordan fødestoffer oxideres

I 1930’erne påviste Hans Krebs de første cykler i stofskiftet, hvor forbrændingen ikke foregår som en lineær proces. Det indbragte Nobelprisen i 1953. Der er siden påvist mange sådanne cykler i vores stofskifte. (Foto: University of Sheffield)

Dette var en stor opdagelse, og da han på grund af sin jødiske oprindelse ikke kunne oppebære en stilling ved et tysk universitet efter nazisternes magtovertagelse i 1933, takkede han ja, da præsidenten for Royal Society og biokemiker Sir Frederick Gowland Hopkins (1861-1947) inviterede ham til Cambridge i England.

Blandt de sparsomme ejendele, han kunne tage med sig, valgte Krebs et antal Warburg-manometre.

Men det var efter sin fastansættelse ved University of Sheffield i 1935, at han gjorde sin største videnskabelige opdagelse: Beskrivelsen af, hvordan fødestoffer oxideres til vand og CO2.

 

Vævssnittets iltoptag blev stimuleret

For at undersøge cellernes stofskifte valgte Krebs at studere flyvemusklerne fra duer, fordi netop disse muskler har et meget højt iltforbrug.

Krebs og hans kolleger regnede med, at nedbrydningen af sukker måtte foregå i en række fortløbende trin, sådan at energiudladningen ved det enkelte trin var relativt lille.

Krebs skar nu tynde skiver fra flyvemusklerne, lagde dem i en velegnet opløsning, der mindede om ekstracellulærvæskens sammensætning (en såkaldt Krebs-Ringer opløsning) og tilsatte sukker.

Herved kunne han – som andre havde gjort tidligere – vise, at vævssnittets iltoptag blev stimuleret.

 

Krebs kunne beskrive de enkelte dele af cellens stofskifteproces

Det var interessant, fordi Krebs nu havde en eksperimentel præparation og metode, som kunne tillade en mere detaljeret beskrivelse af de enkelte dele af cellens umådelig mange stofskifteprocesser.

Krebs startede derfor en systematisk undersøgelse, hvor en række mulige stoffer, som kunne være mellemstadier i nedbrydningen af sukker til CO2, blev tilsat enkeltvis.

Sukker består af seks kulstofmolekyler, og Krebs forsøgte sig derfor med mindre kulstofforbindelser og kunne vise, at de tre stoffer succinat, fumarat og malat, der hver består af fire kulstofmolekyler, stimulerede iltoptaget.

Alle stofferne stimulerede iltoptaget mere end forventet

Når krystaller af citronsyre belyses med polariseret lys ses et væld af farver. Citronsyre er et vigtigt led i stofskiftet, når næringsstoffer forbrændes til kuldioxid og vand, og opdagelsen af citronsyrecyklen var med til at etablere biokemien som en selvstændig videnskabelig disciplin.(Foto: Jan Homann)

De stoffer forventede han derfor kunne være nedbrydningsstoffer på vejen mod den fuldstændige forbrænding til CO2.

Krebs bemærkede imidlertid, at de alle stimulerede iltoptaget mere end forventet, og at ingen af stofferne forsvandt fuldstændigt under forsøgene. Hvis stofferne blot var mellemtrin, ville man jo forvente, at de forsvandt fuldstændigt – netop som et lys brænder ned.

Samtidig med Krebs' studier beskrev to andre tyske biokemikere i 1937 en progressiv nedbrydelse af citronsyre (seks kulstofmolekyler) til oxaloacetat (fire kulstofmolekyler).

En lineær proces for stoffernes nedbrydelse kunne imidlertid ikke forklare, at stofferne ikke forsvandt fuldstændigt og forklarede heller ikke, hvorfor stofskiftet blev stimuleret mere end forventet.

 

Tilsætningsstoffet malonat stoppede forbrændingen af pyrodruesyre

Krebs udvidede derfor undersøgelserne ved at tilsætte stoffet malonat, der blokerer omdannelsen af succinat til fumarat, begge forbindelser med fire kulstofmolekyler.

Krebs viste, at malonat stopper forbrændingen af pyrodruesyre, hvilket fungerede som en god intern kontrol for, at malonat rent faktisk udøvede den ønskede hæmning af omdannelsen fra succinat til fumarat.

Krebs bemærkede imidlertid også, at tilsætning af fumarat til det malonat-forgiftede muskelpræparat førte til en ophobning af succinat. Og denne observation passede med, at fumerat – efter det er dannet fra succinat – kan genomdannes til succinat.

 

Processen er i dag kendt som citronsyrecyklen

Som forklaring på denne overraskende opdagelse foreslog Krebs, at en del af forbrændingen måtte foregå som en cyklisk proces: At sukker nedbrydes til to pyrodruesyrer (tre kulstofmolekyler), som så kombineres med oxaloacetat (fire kulstofmolekyler) under adskillelse af et CO2-molekyle, hvorved der dannes citronsyre med seks kulstofmolekyler.

Denne citronsyre omdannes nu igen til oxaloacetat under fraspaltning af yderligere to CO2-molekyler.

Processen er i dag velkendt som citronsyrecyklen, eller Krebs' cyklus, og forklarer, at tilstedeværelsen af de enkelte stofskifteprodukter stimulerer forbrændingen af sukker til CO2, uden at de enkelte stofskifteprodukter forsvinder i processen.

 

Krebs blev ikke publiceret p¨grund af pladsmangel

Krebs indsendte opdagelsen til det engelske tidsskrift Nature, som dog afslog at publicere manuskriptet på grund af pladsmangel.

ATP-molekylet er den fælles energienhed for alle celler i alle levende organismer.

Redaktøren fortrød givetvis denne beslutning, da Krebs sammen med en anden tysk biokemiker Fritz Lipmann (1899-1986) i 1953 modtog Nobelprisen for beskrivelsen af netop denne citronsyrecyklus.

Lipmann havde ikke bidraget direkte til beskrivelsen af citronsyrecyklus, men han modtog Nobelprisen for opdagelsen af coenzym A, som deltager i regulering af citronsyrecyklen.

 

Uorganisk fosfat forsvandt under forbrænding

Lipmann havde endvidere postuleret, at forbrændingen af næringsstoffer ledte til dannelsen af ATP, som med sine tre energirige bindinger mellem fosfatmolekylerne kunne oplagre kemisk bundet energi, som kunne frigøres, for eksempel under muskelarbejde.

Dette visionære forslag var i nogen grad undfanget, mens Lipmann opholdt sig ved Ejnar Lundsgaards (1899-1968) laboratorium ved Københavns Universitet i årene op til krigen.

Lundsgaard havde observeret, at uorganisk fosfat forsvandt under forbrændingen i skeletmuskulatur, og havde argumenteret for en fuldstændig forbrænding, trods modvind hos kolleger.

 

Mitokondriet er 'cellens kraftværk'

Den fuldstændige forbrænding og dannelsen af ATP fra de protoner, som opstod fra citroncyklen i form af NADH, blev først forstået i efterkrigstiden.

Her spillede den engelske biokemiker Peter Dennis Mitchell (1920-1992) en helt central rolle, og han modtog Nobelprisen i 1978 for sin opdagelse af den mekanisme, der danner ATP på basis af en gradient af protoner hen over membranen i et specialiseret organel inde i cellen: mitokondriet. 

Da mitokondrierne således danner langt den største del af den energi, som bruges i celler fra dyr, var det passende, at cellebiologen Philip Siekevitz (1918-2009) navngav mitokondriet som 'cellens kraftværk (powerhouse)' i en populærvidenskabelig artikel i 1965. 

Opdagelsen af ATP og citroncyklen var den gyldne tid for den klassiske biokemi, hvor man grundlagde de basale mekanismer, som gælder for stofskiftet i alle levende organismer.

I dag ved vi, at disse grundlæggende biokemiske 'pathways' opstod ret tidligt i evolutionen, og at stofskifteprocesserne er forbavsende ens hos hele Jordens plante- og dyreliv.

... Eller følg os på Facebook, Twitter eller Instagram.

Videnskab.dk Podcast

Lyt til vores seneste podcast herunder eller via en podcast-app på din smartphone.


Se den nyeste video fra Tjek

Tjek er en YouTube-kanal om videnskab og sundhed henvendt til unge.

Indholdet på kanalen bliver produceret af Videnskab.dk's Center for Faglig Formidling med samme journalistiske arbejdsgange, som bliver anvendt på Videnskab.dk.