Chemienobelpreis 1955: Vincent du Vigneaud
Der amerikanische Biochemiker erhielt den Nobelpreis »für seine Arbeiten an biochemisch bedeutsamen Schwefelverbindungen, besonders für die erste Synthese eines Polypeptidhormons«.
Biografie
Vincent du Vigneaud, * Chicago (Illinois) 18. 5. 1901, ✝ White Plains (New York) 11. 12. 1978; ab 1932 Leiter der biochemischen Abteilung der George Washington University School of Medicine (Washington D.C.), ab 1938 Leiter der biochemischen Abteilung der Cornell University Medical College (Ithaca, New York) und 1967-75 dort Professor für Chemie.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Hormone sind Informationsüberträger zwischen den verschiedenen Zellarten des Organismus. Ohne ihre Existenz zu ahnen, wurde ihre Wirkung schon sehr früh genutzt.Die Kastration von Haremswächtern und Sängerknaben lässt sich als endokrinologische Maßnahme betrachten, die die Wirkung der in den Hoden gebildete Hormone aufhebt. Dass es Stoffe solcher Art im Körper geben müsse, vermutete schon der französische Arzt Teophile de Bordeu im 18. Jahrhundert. Die eigentliche Hormonforschung begründete 1849 der Arzt Arnold Berthold. Er hatte Hähnen die Geschlechtsdrüsen entfernt und anschließend an anderer Stelle wieder in den Körper zurückverpflanzt. Da die von der Sterilisation bekannten Veränderungen in Verhalten und Aussehen nicht auftraten, schloss er, dass die Hoden einen Drüsenstoff ins Blut abgeben. Die innere Sekretion war damit bewiesen.
Der englische Physiologe Ernest Starling führte 1905, nach der Entdeckung des Gewebshormons Sekretin in der Dünndarmschleimhaut, zusammen mit William Bayliss den Begriff Hormon ein. Als der Chemiker Friedrich Stolz im selben Jahr die chemische Struktur des 1897 von dem amerikanischen Biochemiker John Jacob Abel isolierten ersten Hormons, dem Adrenalin (Epinephrin), aufklärte, begann die systematische Erforschung der Chemie der Hormone.
Die Geburtsstunde der Neurohormone schlug 1928. Der Doktorand Ernst Scharrer hatte in München die Lichtempfindlichkeit blinder Elritzen untersucht und dabei auffällige Vakuolen (Hohlräume) im Gehirn der Fische als Orte innerer Sekretion gedeutet. Seine Behauptung stieß jedoch auf Ablehnung. Die Neuroendokrinologie machte erst in den 1950er-Jahren Fortschritte, als der Arzt Wolfgang Bargmann 1949 gezeigt hatte, dass neurosekretorische Fasern von den Kerngebieten im Hypothalamus zur Neurohypophyse verlaufen. Nun setzte ein Wettlauf um die schwierige Isolierung der hypothalamischen Hormone ein.
Vom Schwefel zum Hypothalamus
Das Hypothalamus-Hypophysen-System im Zwischenhirn ist das zentrale Steuer- und Regelsystem des Organismus. Es stellt die Verbindung zwischen dem Zentralnervensystem und dem Endokrin, dem Hormonsystem, dar. Du Vigneaud interessierte dieser Bereich zunächst überhaupt nicht. Er charakterisierte seine Arbeit einmal als »Forschungszug in Sachen Schwefelchemie und -metabolismus«. Der setzte sich schon 1918 in Bewegung. Damals luden Freunde du Vigneaud nach der Schule in ihr chemisches Labor ein. Dort mischten sie schwefelhaltigen Sprengstoff zusammen. Neun Jahre später wurde du Vigneaud über den Schwefel im Insulin promoviert.
Er ging als Forschungsstipendiat nach Edinburgh und London. Am Kaiser-Wilhelm-Institut in Dresden studierte er die Peptidsynthese und erweiterte seine Kenntnisse über schwefelhaltige Peptide. In den folgenden Jahren beschäftigte er sich mit dem intermediären Stoffwechsel der Aminosäuren Cystein, Methionin, Homocystein und Cystathionin.
1931 entdeckte er das Homocystin und erkannte, dass die reduzierte Form dieser Aminosäure eine wichtige metabolische Verbindung darstellt. Du Vigneaud nutzte die in den 1930er-Jahren hochmodernen Markierungstechniken für seine Arbeit. Damit konnte er nachweisen, dass beim Umbau von Methionin in Cystein der Schwefel des Methions auf Serin übergeht. Die Reaktion nannte er Transsulfuration.
Die Entdeckung der Transmethylierung als Stoffwechselprozess geht auf ihn zurück. Mit cholinfreien Diäten — Cholin ist eine Vorstufe der Aminosäuresynthese — an Ratten wies er nach, dass Methionin in einer reversiblen Reaktion Methylgruppen für die Cholinsynthese spendet. Du Vigneaud schrieb über diesen bis dahin unbekannten Vorgang: »Zwar kann Methionin auch in vitro demethyliert werden; die notwendigen Bedingungen dazu sind aber drastisch.« Jetzt müsse geklärt werden, wie die Bindung zwischen Methylgruppe und Schwefel geschwächt werden kann. Kurz vor dem offiziellen Eintritt der USA in den Zweiten Weltkrieg gelang ihm 1942 die Synthese des schwefelhaltigen Biotins. Er wies nach, dass es mit Vitamin H identisch ist. Dann wurde er zur Erforschung der Chemie des Penicillins verpflichtet.
Die Erforschung des Hypophysenhinterlappens (HHL) als Teil der Hirnanhangdrüse (Glandula pituitaria, Hypophyse) lag seit 1932 im Interesse du Vigneauds. Denn es gab Hinweise, dass die im HHL gespeicherten Verbindungen Oxytocin und Vasopressin Abkömmlinge des Cystins sind. Als er sich ab 1947 wieder diesem Gebiet widmen konnte, lagen die notwendigen Labortechniken vor, um diese wasserlöslichen Verbindungen näher zu erforschen. Vor allem die Stärkegelelektrophorese und die Möglichkeit zur quantitativen Trennung von Aminosäuremischungen in sauren Hydrolysaten waren für seine Arbeit sehr hilfreich.
Die Analyse ergab zunächst gleiche Mengenverhältnisse an den acht Aminosäuren Cystin, Glutaminsäure, Asparagin, Glycin, Isoleucin, Leucin, Prolin und Tyrosin. Als er Oxytocin mit einer Säure oxidierte und die Zusammensetzung noch einmal bestimmte, fand er neun Aminosäuren. Denn das schwer lösliche Cystin war in seine Bestandteile, zwei Moleküle Cystein, zerfallen. Es gelang ihm, die Aminosäurefolge und die Struktur des Polypeptids richtig zu bestimmen. Oxytocin erwies sich als ringförmig, da die beiden Cysteine über ihre Schwefelatome wieder eine Disulfidbindung eingehen wie im Cystin. Da die beiden Cysteine an erster und sechster Stelle der Sequenz stehen, bildet sich ein Sechserring mit einem Schwanz von drei Aminosäuren.
Ergebnisse ohne Alternative
Für du Vigneaud gab es zu diesem Ergebnis keine Alternative. Dennoch musste er das Oxytocin für den endgültigen Beweis der Richtigkeit seines Ergebnisses Schritt für Schritt synthetisieren. Die offenkettigen Peptide lagerten sich spontan an den Schwefelgruppen der Cysteine zu einem Ring zusammen. Er konnte damit zum ersten Mal zeigen, dass die Aminosäurensequenz eine Art thermodynamischer Information in sich trägt, die das Protein in eine spezifische, vorbestimmte Faltung überführt. Wenig später gelang dem Forscher auch die Synthese von Vasopressin. Es unterscheidet sich nur in zwei Aminosäuren von Oxytocin.
Oxytocin wirkt ausschließlich bei der Frau. Es regt unter anderem die Kontraktion der Muskulatur der Gebärmutter an. Der Säugling bewirkt durch den Saugreiz die Ausschüttung, die den Milchfluss der Mutterbrust anregt. Vasopressin, das wegen seiner harnhaltenden Wirkung auch als antidiuretisches Hormon (ADH) bezeichnet wird, wirkt auf die Muskulatur der Blutgefäße und führt zu Bluthochdruck.
Die Synthese dieser Neuropeptidhormone war eine Sensation. Sie sind überraschend klein. Ihre Funktion erschließt sich einzig aus der Sequenz und der Disulfidbrücke. Diese Fakten waren sehr wichtig, um das Verhalten von Hormonen besser zu verstehen. Das Nobelkomitee bezeichnete du Vigneauds Arbeit als Meilenstein der organischen Chemie. Der Geehrte sah das etwas anders: »Das eigentlich Aufregende an solch einem Preis ist es, die Freude mit seinen Freunden zu teilen und vor allem mit denen, die mit mir auf dem Zug waren.«
U. Schulte