Chemienobelpreis 1937: Walter Norman Haworth — Paul Karrer
Der Brite und der Schweizer erhielten den Nobelpreis für Chemie für ihre Forschungen über Kohlenhydrate, Carotinoide und Flavine sowie die Vitamine C, A und B2.
Biografien
Sir (ab 1947) Walter Norman Haworth, * Chorley (Lancashire, England) 19. 3. 1883, ✝ Birmingham 19. 3. 1950; ab 1912 Dozent für Chemie am United College der University of Saint Andrews (Schottland), ab 1920 Professor für Organische Chemie an der University of Durham (England), ab 1925 Professor für Chemie an der University of Birmingham.
Paul Karrer, * Moskau 21. 4. 1889, ✝ Zürich 18.6. 1971; 1911 Dr. phil. an der Universität Zürich, 1912-18 Forschungstätigkeit im Institut von Paul Ehrlich in Frankfurt am Main, 1919 Professor für Chemie und Direktor des Chemischen Instituts an der Universität Zürich bis zu seiner Emeritierung 1959.
Würdigung der preisgekrönten Leistung
Bei den Kohlenhydraten handelt es sich um chemische Verbindungen, die man in den meisten Fällen mit der Bruttoformel CnH2nOn beschreiben kann. Diese Formel macht sichtbar, dass man diese Verbindungen formal als Hydrate (H2O-haltig) von Kohlenstoff auffassen kann, mit ihrer wirklichen Struktur hat dieser Name jedoch wenig zu tun. Zu den Kohlenhydraten, die auch als Saccharide bezeichnet werden, zählen so unterschiedliche Verbindungen wie der Traubenzucker (D-Glucose), der Rohr- bzw. Rübenzucker, die Stärke und die Cellulose. Man unterscheidet bei den Sacchariden die Monosaccharide, die Oligosaccharide und die Polysaccharide. Die Monosaccharide sind die Bausteine, aus denen sich die Oligo- und Polysaccharide aufbauen. Oligosaccharide bestehen aus zwei bis zehn miteinander verbundenen Monosacchariden. Das Disaccharid Saccharose — der Rohrzucker — setzt sich aus den Monosacchariden D-Glucose und D-Fructose zusammen. Sind mehr als zehn Monosaccharidmoleküle miteinander verbunden, spricht man von Polysacchariden.
Neue Strukturformeln für D-Glucose
Trotz der großartigen Leistungen von Emil Fischer auf dem Gebiet der Kohlenhydrate (Nobelpreis 1902) blieb eine Reihe von Strukturfragen bei diesen Verbindungen offen. Was zum Beispiel die Struktur von Glucose anging, so wurde sie anfangs durch eine kettenförmige Formel wiedergegeben, die an dem einen Kettenende eine so genannte Aldehydgruppe -CHO enthält. Haworths Untersuchungen um 1925 zeigten, dass Glucose in zwei ringförmigen Formen auftreten kann, die wie folgt unterschieden werden: Die Eckpunkte der Ringe stellen, mit Ausnahme des Sauerstoffatoms, Kohlenstoffatome dar. Die beiden Moleküle sind bis auf die räumliche Stellung der Hydroxygruppen -OH am Kohlenstoffatom 1 identisch. Steht diese Hydroxygruppe unterhalb der Ringebene, so spricht man von Alphaglucopyranose, im anderen Fall von der Betaglucopyranose. Die Bezeichnung Pyranose weist auf das diesen Verbindungen zugrunde liegende Ringsystem Pyran hin. Die offenkettige Aldehydstruktur tritt nur in sehr geringen Mengen bei der gegenseitigen Umwandlung der Ringstrukturen in Erscheinung.
Polysaccharide wie Stärke oder Cellulose entstehen aus D-Glucose dadurch, dass bestimmte Hydroxygruppen der ringförmigen Glucosemoleküle miteinander unter Wasserabspaltung reagieren. Dabei ist die Hydroxygruppe am Kohlenstoffatom 1 immer beteiligt. Es hängt von deren räumlicher Stellung (Alpha- oder Beta) ab, ob Stärke oder Cellulose entsteht.
Haworth klärt die Struktur von Vitamin C auf
Auch Haworths Forschungsergebnisse zum Vitamin C (Ascorbinsäure) trugen zu seiner Auszeichnung mit dem Nobelpreis bei. Großer Mangel an Vitamin C führt zu der Krankheit Skorbut, die sich in Blutungen der Haut und Schleimhäute sowie in Gelenkschwellungen äußert. Der ungarische Biochemiker Albert Szent-Györgyi (Nobelpreis für Medizin 1937), der 1928 erstmals das Vitamin C in reiner und kristalliner Form isoliert hatte, übergab Haworth Anfang der 1930er-Jahre eine bestimmte Menge dieser Verbindung zur weiteren Strukturaufklärung. Haworth konnte die Struktur 1933 endgültig aufklären und dadurch das Tor für eine Totalsynthese weit aufstoßen.
Auch Paul Karrer hat wesentliche Beiträge zur Kohlenhydrat- und Vitaminchemie geleistet. Durch den Nobelpreis wurden seine herausragenden Forschungen über Carotinoide, Flavine und die Vitamine A und B2 hervorgehoben.
Die Zusammenhängezwischen Betacarotin und Vitamin A
Aus Karotten konnte ein Farbstoff — das Carotin — isoliert werden, der sich durch die Anwendung von Adsorptions-Chromatographie in drei Komponenten auftrennen ließ. Danach setzt sich Carotin zu etwa 15 Prozent aus Alphacarotin, zu etwa 85 Prozent aus Betacarotin und zu 0,1 Prozent aus Gammacarotin zusammen. Paul Karrer konnte 1930 die richtige Strukturformel für Betacarotin aufstellen.
Generell zeigte sich, dass es sich bei den Carotinoiden um Polyene handelt. Das sind chemische Verbindungen, die zahlreiche konjugierte Doppelbindungen enthalten, das heißt, Einfach- und Doppelbindungen wechseln sich in den Molekülen miteinander ab. Außerdem zeigte sich, dass diese Naturstoffe sehr symmetrisch aufgebaut sind, sie setzen sich aus zwei gleichen Teilen zusammen, und die beiden Molekülenden weisen die gleiche Struktur auf. 1931 stellten der schwedische Biochemiker Hans von Euler-Chelpin (Nobelpreis 1929) und Paul Karrer fest, dass Carotin dieselbe biologische Aktivität wie Vitamin A hat, dessen Struktur bis dahin noch unbekannt war. Diese Entdeckung legte nahe, dass zwischen Betacarotin und Vitamin A eine nahe strukturelle Beziehung bestehen musste. Karrer gelang es 1931, die chemische Struktur von Vitamin A aufzuklären und das Betacarotin als eine Vorstufe, ein Provitamin des Vitamin A zu charakterisieren. Damit war es erstmals gelungen, die Struktur eines Vitamins aufzuklären und Vitamine als chemische Einheiten eindeutig nachzuweisen. Das von Karrer in seiner Struktur aufgeklärte Vitamin A wird auch als Axerophthol, Retinol beziehungsweise Vitamin A1 bezeichnet. Es gibt auch noch ein Vitamin A2, das sich nur geringfügig in seiner chemischen Struktur von Vitamin A1 unterscheidet. Die A-Vitamine sind wichtig für die Zellentwicklung.
Auch B-Vitamine sind interessant
Karrer dehnte seine Vitaminforschungen auch auf das Vitamin B2 aus, das zur Substanzklasse der Flavine gehört und auch als Lactoflavin oder Riboflavin bezeichnet wird. Es gelang ihm, sowohl die Struktur dieser komplizierten Verbindung aufzuklären als auch eine Totalsynthese zu entwickeln, nach der eine technische Produktion dieses Vitamins aufgenommen werden konnte.
Durch seine Untersuchungen zum Nicotinsäureamid, einem weiteren Vitamin des B2-Komplexes, leistete Karrer auch wesentliche Beiträge zur Aufklärung der Beziehungen zwischen Enzymen und Vitaminen. Nicotinsäureamid ist ein wichtiger Bestandteil von Enzymen, die Oxidations- und Reduktionsprozesse in Organismen katalysieren.
Die große Leistungskraft Paul Karrers fand ihren Niederschlag in mehr als 1000 wissenschaftlichen Publikationen, die von ihm und seinen Mitarbeitern auf den verschiedensten Gebieten der Naturstoffchemie erbracht wurden.
A. Neubauer