Chemienobelpreis 1930: Hans Fischer
Der deutsche Wissenschaftler erhielt den Nobelpreis für seine Arbeiten über den strukturellen Aufbau der Blut- und Pflanzenfarbstoffe sowie für die Synthese des Hämins.
Biografie
Hans Fischer, * Höchst (heute zu Frankfurt am Main) 27. 7. 1881, ✝ München 31. 3. 1945; ab 1899 Studium der Chemie und der Medizin in Lausanne und Marburg, 1904 Promotion in Chemie, 1908 in Medizin, 1913-16 Lehrtätigkeit an der Universität München, Professuren in Innsbruck und Wien, ab 1921 Direktor des Instituts für organische Chemie an der Technischen Hochschule München; 1945 Freitod.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Mephistopheles bringt es in Fausts Studierzimmer auf die bekannte kurze Formel: »Blut ist ein ganz besondrer Saft.« Es besteht zu 56 Prozent aus dem Blutplasma und zu 44 Prozent aus zelligen Bestandteilen, dies sind Blutplättchen (Thrombozyten), weiße Blutkörperchen (Leukozyten) und rote Blutkörperchen (Erythrozyten).An diesen überwiegen mit einem Anteil von 44 Prozent die Erythrozyten. Das in ihnen enthaltene Hämoglobin verleiht dem Blut seine rote Farbe. Farbgebend ist der Farbstoff Häm, eine Eisenverbindung, die zusammen mit der Eiweißverbindung Globin das Hämoglobin bildet. Das Häm ist zugleich die Farbstoffkomponente des Muskelfarbstoffs Myoglobin. Erythrozyten entstehen im roten Knochenmark, existieren etwa 100 bis 120 Tage und werden dann im Knochenmark, in der Leber oder der Milz aufgelöst. Aus dem Hämoglobin bildet sich dabei der Gallenfarbstoff Bilirubin, der für das Farbspiel im Hämatom, dem »Bluterguss«, mit die Farbe gibt.
Der Sauerstoff, den das Blut transportiert, wird an das Eisen des Häms gebunden, wobei sich die Oxidationsstufe des Eisens nicht verändert. Das so gebildete Oxihämoglobin färbt das arterielle Blut hellrot. Hat es seinen Sauerstoff abgegeben, verfärbt es sich und mit ihm das dann venöse Blut dunkler, bläulichrot. Wird das Häm oxidiert, so entsteht Hämatin, in dem das Eisen nicht mehr in der Oxidationsstufe +2, sondern +3 vorliegt. Das Chlorid des Hämatins heißt Hämin. Man kann es gewinnen, indem man Eisessig mit einer gesättigten Kochsalzlösung erhitzt und in diese Lösung Blut fließen lässt. Bei diesem Vorgang bildet sich das Hämin in Form der Teichmann'schen Kristalle. Diese sind von brauner Farbe und haben eine bläulich glänzende Oberfläche. Eine alkalische Lösung wandelt das Chlorid in ein Hydroxid und bildet so das Hämatin. In neutraler Lösung bildet das Hämatin mit Globin das Methämoglobin, das auch durch Oxidation des Hämoglobins entsteht. Methämoglobin lässt sich auch wieder reduzieren, etwa durch Ameisensäure, wodurch man Hämoglobin erhält.
Synthese des Hämins
Hans Fischers Leistung lag in der vollständigen Aufklärung der Konstitution des Hämins und aller Abbauprodukte und zugleich in deren chemischer Totalsynthese aus einfachsten Bestandteilen. Pigmente in den Flügeln verschiedener Vögel identifizierte Fischer als Kupfersalz eines Porphyrins, die schwarzen Flecken auf den Eiern diverser Vogelarten erwiesen sich als eisenfreies Hämoglobin. Porphyrine sensitivieren und bewirken im Pflanzenreich die Lichtempfindlichkeit. Für seine chemischen Untersuchungen gewann Fischer den Großteil der Vorstufenverbindungen aus Eierschalen. Nicht zuletzt spielte auch Perlmutt in dieser Hinsicht eine tragende Rolle. Fischer gelang der Nachweis des Hämins in der Hefe. Er entdeckte die engen chemischen Beziehungen zwischen Hämin und Bilirubin und zwischen Hämoglobin und dem Pflanzenpigment Chlorophyll, indem es ihm bei letzteren gelang, beide Substanzen auf die Porphyrine zurückzuführen. Auf der Grundlage der Ergebnisse Fischers lag der Schluss nahe, dass in tierischen wie in pflanzlichen Zellen der Aufbau dieser Verbindungen nach dem prinzipiell gleichen Reaktionsschema erfolgt. Zur Entwicklung des Chlorophylls ist dabei das Sonnenlicht unabdingbar. Hans Fischer glückte es 1935, die Konstitution des Chlorophylls aufzuklären und damit an Arbeiten von Richard Willstätter anzuknüpfen (Nobelpreis 1915). Hans Fischer gelangen neue Einsichten in die Effizienz der Natur, komplexe, chemisch miteinander verwandte Verbindungen, verschiedene Funktionen ausfüllen zu lassen.
Ausgangspunkt waren Fischers Arbeiten zur Chemie des Pyrrols, einer heterocyclischen aromatischen Verbindung der Summenformel C4H5N. Indem er das Derivat Pyrrol-2-aldehyd zusammen mit Ameisensäure erhitzte, stellte er die Stammverbindung des Hämoglobins her: Das Porphin gab einer ganzen Gruppe von Farbstoffen den Namen. Auch die Farbkomponenten des Chlorophylls und des Vitamins B12 lassen sich auf diese Substanz zurückführen. Wegweisend für den Aufbau der aus 76 Atomen bestehenden Verbindung Hämin war jedoch ihr Abbau, ihre gezielte chemische Zersetzung. Diese führt zur Klasse der Porphyrine, etwa indem Hämin mit Eisessig in Gegenwart von Ameisensäure erhitzt wird und das eisenfreie Protoporphyrin entsteht. Dem Hämin verwandte Farbstoffe lassen sich andererseits aus den Porphyrinen wieder regenerieren, da durch eine essigsaure Lösung, die Eisen-(II-) Ionen enthält, wieder ein Eisenatom in ein Porphingerüst eingegliedert werden kann. Da der vollständige Abbau zum Pyrrol führt, lag es für den umgekehrten Weg des Aufbaus der Verbindung nahe, mit Pyrrol als Ausgangssubstanz beziehungsweise dem leicht zugänglichen Derivat Pyrrol-2-aldehyd zu beginnen.
Um seine Häminsynthese planen zu können, synthetisierte Fischer dann zunächst alle Spaltprodukte des Hämins und optimierte die dabei eingeschlagenen Synthesewege. Bei diesen systematisch angelegten Arbeiten kam es vereinzelt zu erheblichen Schwierigkeiten, die einzelnen erhaltenen Verbindungen voneinander zu trennen und sie zu charakterisieren, beispielsweise durch einen scharfen Schmelzpunkt. Daher waren die erhaltenen Derivate in eine andere Form zu überführen, um die benötigten Unterscheidungsmerkmale innerhalb der Substanzklasse trennscharf zu erhalten. Als Verbindung, bei der sich aufbauende Synthese und abbauende Analyse trafen, eignete sich das Mesoporphyrin, von dem 15 Isomere existieren. Von diesen 15 Isomeren gelang für zwölf die Synthese, und wiederum eines davon erwies sich mit dem Abbauprodukt des Hämins als identisch. Damit war der Weg zur Totalsynthese des Hämins frei.
Voraussetzung für Forschungen zum Hämoglobin
Mit Fischers Arbeiten zum Hämin war ein wichtiger Bestandteil des Hämoglobins in Struktur und Synthese erforscht. Max Perutz (Nobelpreis 1962) blieb es vorbehalten, 1960 die räumliche Struktur des Hämoglobins aufzuklären. Hämoglobin, das im Blut aller Wirbeltiere und im Blut einiger Wirbelloser enthalten ist, variiert zwischen den verschiedenen Tierarten nur geringfügig. Durch die chemischen und biochemischen Eigenschaften des Hämoglobins lassen sich auch verschiedene Giftwirkungen und die Reaktionen des Organismus erklären. So bindet das Hämoglobin das Gas Kohlenmonoxid (CO) wesentlich besser als den Sauerstoff CO ist sogar in der Lage, den Sauerstoff aus der Verbindung mit dem Hämoglobin zu verdrängen. Blutgifte wie Anilin oder Nitrobenzol oxidieren das Eisen des Häm von zwei- zu dreiwertigem. Das dreiwertige Eisen der Hämingruppe ist aber nicht mehr in der Lage, den Sauerstoff zu binden und zu transportieren. In beiden Fällen kommt der Gasaustausch im Gewebe zum Erliegen.
Fischers Erfolg bei der Synthese des Hämins beruhte auf wissenschaftlicher Sorgfalt, Geduld, theoretischen Kenntnissen und experimentellem Können und damit auf Eigenschaften eines Forschers, die die Alchemisten als Wissenschaftler bereits lange Zeit zuvor in Ehren hielten. Dass dabei neue Theorien und Methoden zu erweiterten Kenntnissen und Möglichkeiten führen, belegt, dass auch Faust und Mephistopheles nur Mensch und Teufel ihrer Zeit waren. Aber wäre das Drama anders verlaufen, hätte Faust mit Häm und nicht mit Blut signiert?
N. Fuchsloch