Sir Hans Krebs (1981) - The Evolution of the Citric Acid Cycle and other Metabolic Pathways

Sir Hans Adolf Krebs was a German biochemist and a true specialist for elucidating cyclic metabolic pathways, i.e. cyclic series of chemical reactions in a cell. He is credited with the discovery of three such pathways, the ornithine cycle, the glyoxylate cycle and – most importantly – the citric acid or Krebs cycle

Ladies and gentlemen, ever since it was recognised in the 1930s that some metabolic pathways are cyclic in their arrangement, for example the citric acid cycle, I have often asked myself why metabolic cycles have arisen over the course of evolution. I had not been able to answer this question until recently. As you know, acetate - acetic acid - is oxidised in the citric acid cycle into carbonic acid and water. And I discussed the question of why acetate is not oxidised directly in a paper in 1947. which then changes to glyoxalate , then via formaldehyde to carbonic acid bicarbonate, into carbonic acid. That looks much simpler at first glance. However, at the time in 1947, as well as afterwards up to about a year ago, I was unable to provide an answer to this question of why the citric acid cycle is favoured. I discussed this problem in March of the previous year with my colleague Jack Baldwin, professor of organic chemistry at Oxford, and in the course of the conversation, he developed a grand idea that might lead to answering this question. It was based on the theory of evolution through natural selection. This principle applies to competition between viable members of a species. And in this competition, viable members that are more capable and efficient multiply at the expense of viable members that are less so. And after a time, only the more capable and efficient viable members of the species survive. And this principle leads to the question of whether combustion of acetic acid via the citric acid cycle holds an advantage over other metabolic pathways. The biological purpose of combustion in living cells is decidedly not, as you know, the oxidation of the substrate, but instead the utilisation of the energy released for the synthesis ATP. And the most advantageous mechanism of oxidising acetic acid is hence the one that provides the most ATP. The maximum yield of ATP can be calculated. The yield is not directly connected to the oxidation of the acetic acid, but instead, as you have just heard in the lecture from Professor Lipmann, instead with the transport of hydrogen atoms via the chain of cellular respiration reactions to molecular oxygen. The requirement for ATP synthesis is therefore the dehydrogenation of the substrate. And therefore, the question arises of whether the direct oxidation of the acetic acid to glycolate, as is shown in this slide, has just as great a utility in terms of the synthesis of ATP as the citric acid cycle does. And the answer to this question is no, because it is impossible to dehydrogenate acetic acid using the coenzymes of the cellular respiration chain. The first step is not dehydrogenation - that is impossible. Dehydrogenation, that means the transport of hydrogen atoms to the coenzymes of the cellular respiration chain. The methyl group is namely unable to release two hydrogen atoms simultaneously. It is therefore impossible, precisely because no double bonds can be formed to remove two hydrogen atoms from this methyl group. This means then that dehydrogenation, in the sense of transferring hydrogen atoms, or a transfer to the coenzymes, either in this pyridine nucleotide or to a flavoprotein, is not possible. Now, methyl groups can nevertheless be oxidised, just as those of acetic acid in living cells can be, but only via molecular oxygen, in contrast to dehydrogenation. The enzyme (may I have the next slide please?) that achieves this reaction is a hydroxylase or monooxygenase - also called a multi-function oxydase. This enzyme is not located in the mitochondria where the energy transformation takes place, but instead in the microsomal portion. This enzyme, the monooxygenase, catalyses the insertion of an oxygen atom of molecular oxygen into the organic substrate. From this two-atom oxygen molecule, one goes here between the carbon and the hydrogen, as shown, CH2OH. Meanwhile, the second oxygen atom, the molecular oxygen-H2 atom, an acceptor must be present for the second oxygen atom, and this acceptor is NADPH2 in most cases, so that NADP and water result. And this is the general expression of the oxygenase reaction, where the RCH3 is a methyl group that cannot be dehydrogenated because of the properties of R, which is a radical. R can therefore be not just acetic acid, but instead methane (CH4) for example, which can be oxidised by microorganisms. It can also be a side chain of benzene rings, like toluene or xylene, and there is a whole series of methyl groups that can participate in similar reactions. Now, the oxidation of acetic acid to glycolic acid is not only therefore worthless from the standpoint of ATP synthesis, since it does not provide any ATP, but moreover, because the consumption of one molecule of NADPH2 for the reaction of two oxygen atoms, of the oxygen molecule, prevents the synthesis of 3 additional ATP molecules. As a result, the fact that this NADPH cannot be transformed into NADH and enters the cellular respiration chain, eliminates the opportunity of synthesising 3 more ATPs. The quantitative details of the squandered energy are now as follows: when acetic acid is oxidised via the citric acid cycle, the final yield is ten pyrophosphate bonds of ATP. Twelve are formed in connection with the reactions in the cycle, but two pyrophosphate bonds are necessary for the formation of acetyl coenzyme A from acetic acid. Now if the acetate were to be oxidised directly via glycolic acid, then only 5 or 6 ATP molecules fewer would be formed, because the oxygenase reaction cannot be connected with synthesis of an ATP and because one molecule of NADPH is consumed as a co-substrate of this oxygenase. If acetate were catabolised by the direct pathway, the ATP yield would therefore only be half as much in comparison to the ATP yield via the citric acid cycle. And the relationships are similar if carbohydrates and fatty acids are the sources of the acetyl coenzyme A rather than free acetate as the source, which generally is present in the diet only in small quantities. What I have therefore discussed so far explains not only why direct oxidation of acetate cannot compete with the citric acid cycle in relation to utility, it also provides an explanation of why the alternative to the "direct" catabolic pathway must be a cycle. to a second substance having a lower molecular weight, that is acetate to oxaloacetate, then this second lower-molecular-weight substrate must be regenerated if the primary metabolic process has taken place, which in the case of citric acid is the citric acid cycle, the combustion of the acetic acid. This is necessary, this regeneration of the second substance, the oxaloacetate, because precisely this second substance, the oxaloacetate, must be available again. It has to come from somewhere. Where is it supposed to come from? Cyclical regeneration is the only conceivable physiologically efficient mechanism. If this were not the case, then it would lead namely to the absurd consequence of a by-product from the acetic acid oxidation initially forming in stoichiometric proportions, which would be completely ridiculous. For example, an adult taking in 2,000 kilocalories per day would produce 800 grams of oxalic acid and in addition, would also require 800 grams of oxalic acid. That is all ridiculous, of course, and therefore a cycle is the sole rational and economical mechanism for organising certain metabolic functions. This permits us therefore to predict that effective utilisation of the acetate as an energy source requires bonding of the acetate to a further substance that is regenerated by a cycle. However, the question still remains now, why exactly the citric acid cycle and not other conceivable cycles arose over the course of evolution, and why acetate takes the form of acetyl coenzyme A in reactions? In this regard, it can be pointed out that the components of the cycle, including those of acetyl coenzyme A and the synthesis of the citrate from acetyl coenzyme A and oxaloacetate, and in addition, the transformation of citrate into oxoglutaric acid, already existed in life forms long before molecular oxygen was present in the atmosphere in significant quantities, therefore when life was still anaerobic. These are substances and metabolic pathways that were generally assume to already be present in the atmosphere. The atmosphere was, after all, originally anaerobic and oxygen was only introduced into the atmosphere through the assimilation of carbon dioxide by photosynthesis, and these reactions, about which I need not go into in detail, were already present because they led namely to the synthesis of important substances. This should not be glutaric acid, but rather glutamate, that is, glutamic acid is formed in this manner and in addition, the porphyrins, which include chlorophyll and cytochrome, are synthesised from oxoglutaric acid via succinyl coenzyme A. That means, then, that living organisms have drawn on reaction sequences during the evolution of the citric acid cycle which already existed in connection with other biochemical functions, such as the synthesis of amino acids and that of chlorophyll. Multiple use of available material is now a general principle of evolution and I would like to illustrate this through several examples. (The next slide, please.) Amino acids, as you know, are components of all proteins, but they have many other functions in addition. I would like to go into this very briefly: glycol, or glycine, is a precursor of creatine, of bile or choleric acid, and the porphyrins, glutathione, hippuric acid; serine becomes substances that occur in phospholipids; cystine is a precursor of taurine; arginine is a precursor of creatine. (The next slide, please). Some further examples: aspartic acid is a precursor of nucleic acid, alanine functions as a nitrogen transporter between tissues, etc. Tyrosine is the precursor of hormones, adrenaline or thyroxine, etc. I could also mention, for example, that the ATP not only plays a large role in energy transformation, but also functions as a precursor, a component of pyridine nucleotides and nucleic acids. And underlying this is the general principle of natural selection, that the circumstances in the environment are optimally utilised. Now the principle that a cyclical metabolic pathway is more efficient than conceivable linear pathways applies to all of the other cycles that I have analysed up to now, for example the ornithine cycle in urea synthesis, the Calvin cycle in photosynthesis, and the pentose phosphate pathway that produces the reduced coenzyme NADPH2. However, due to lack of time, I am unable to go into this further. The principle is always that the substance is unable to react directly, for example ammonia in urea synthesis. In a test tube under abnormal conditions, if you work in an alkaline environment and at high temperatures, then you can likewise get urea from ammonium carbonate. But under the conditions for which life is possible, neutral pH and normal temperature, here it is necessary for the molecule to take up another molecule. Just as acetate takes up oxalic acid, carbonic acid and ammonia take up ornithine. However, what I still would like to discuss, namely the details of other cycles, I cannot go into. But what I would indeed like to discuss still is the general application of the question To what extent are they superior to other theoretically conceivable pathways?" Such questions can be approached from the standpoint of modern knowledge of organic chemical reaction mechanisms, and based on this knowledge, we can predict which reactions are possible at all, and which ones are difficult or impossible. For example, and this concerns linear reactions now, why are fatty acids catabolised by Beta-Oxidation? Why not Alpha-Oxidation or Gamma-Oxidation or Omega-Oxidation? The answer is, again I cannot go into detail due to lack of time, that would be a long story: Beta-Oxidation produces more ATP, much more ATP. Alpha-Oxidation and Omega-Oxidation can occur under particular circumstances. But the oxidizing agent is not a pyridine nucleotide or a flavoprotein, but instead molecular oxygen, and the enzyme is a monooxygenase, because dehydrogenation by a flavoprotein or pyridine nucleotide is impossible for Alpha-Oxidation and Beta-Oxidation. We have to accept this, as I said, I cannot go into detail. This also explains why fatty acids do not react when they are free, but instead as thioesters of coenzyme A and also why fatty acids must be bound to a sulphur atom and not just any element. George Wald has already made this clear some time ago. This has to do with particular atomic properties of sulphur. Phosphate would be another possibility. That is also used biologically on occasion. There is also acetyl phosphate, as Fritz Lipmann has discovered, but that is only a precursor in the energy turnover of acetyl coenzyme A. And it is also clear, of course - chemistry teaches us this - just why free fatty acids cannot react. I now believe that applying modern knowledge of reaction mechanisms to the problems of metabolic pathways will be a fruitful area for future research and that developing this area will lead to a deeper understanding of the organisation of substances in life forms. I find it very satisfying that from now on we will be able to answer the question raised of why metabolic cycles have arisen over the course of evolution, a question that has been directed toward me quite frequently by students. In retrospect, the answer appears extraordinarily simple: based on evolution through natural selection. There are definitely circumstances in which a cyclical mechanism can be much more efficient than a non-cyclical mechanism. It involves the fittest in the fight for existence, survival of the fittest. As you may know, this expression 'survival of the fittest' has been criticised as a tautology. It has been said that it means nothing more than the survival of the survivor. However, this kind of criticism fails to address the arguments in relation to biochemical evolution, because, namely, the fittest can be expressed quantitatively in chemical form by the yield of ATP from combustion of organic substances, as I have discussed in the case of the citric acid cycle for example. And now, another general observation in closing: The analysis of reactions that produce energy, and one can even say the deeper study of living organisms, makes it clear that life has attained optimal organisational efficiency in the course of several billion years. This insight is very important for physicians' daily practice. Highly effective modern medicinal products, almost all of these medicines have side effects, quite disruptive and sometimes even fatal side effects, because they disturb the optimum efficiency of the living cell. The result is iatrogenic illnesses, the illnesses that arise through medical intervention. I would like to quote the extent of these iatrogenic illnesses: recently, American physicians in Boston determined that 36% of 815 patients had iatrogenic diseases, at the time they were examined when admitted to hospital; 9% of the cases were serious, and in 2% of the cases, the iatrogenic illness was probably a contributing factor to a fatal outcome. These are shocking figures. I believe that the best doctor is the one who is familiar with the fundamental principles of general biology and has an appreciation of the delicate and closely adapted, optimally matched, optimised organisation of cells. This physician utilises medicines very, very cautiously. These cases of poisoning by medicinal products can in part be traced back to the ill pressuring the doctor to prescribe medicine, since many patients incorrectly consider the doctor who most often prescribes to be the best doctor. Finally, I would like to mention that overmedication has been a problem for centuries - a problem that is very difficult to eliminate. Indeed even in Boston, where American doctors recently - in March 1981 - published these statistical data, right where we fight especially effectively - one would think - against overmedication, but success has been very limited so far. I would like to provide two quotes that show this to be an age-old problem. German physicist and philosopher Georg Christoph Lichtenberg, who lived from 1742 to 1799, once wrote, And a contemporary of his, Castello, wrote a pair of verses portraying a conversation between doctor and patient. The patient says, "Oh, dear doctor, how do you manage to remain so hearty and happy at such an advanced age?" And the doctor replies: "Simple, my dear child, I prescribe medicines for others, but I certainly never take them myself". And I hope doctors and physiologists acquire wisdom by studying the wonderfully optimised adaptation of living organisms to the environment and by studying general biology in the broadest sense. This is really the deeper reason, because we expect physicians to first thoroughly study the fundamental subjects, applied to the special case of Homo sapiens, before they get near a patient. I thank you.

Meine Damen und Herren, seitdem es in den Dreißigerjahren erkannt wurde, dass manche Stoffwechselwege zyklisch angeordnet sind, zum Beispiel der Zitronensäurezyklus, habe ich mich oft gefragt, warum Stoffwechselzyklen im Laufe der Evolution des Lebens entstanden sind. Bis vor kurzem konnte ich keine Antwort auf diese Frage geben. Wie Sie wissen, wird im Zitronensäurezyklus Acetat, Essigsäure, zur Kohlensäure und Wasser oxidiert. Und ich habe im Jahre 1947 in einer Arbeit mal die Frage erörtert, warum Acetat nicht direkt oxidiert wird. und das weiter zu Glyoxalat geht und dann über Formaldehyd zu Kohlensäure-Bikarbonat, zu Kohlensäure geht. Das sieht auf den ersten Blick viel einfacher aus. Aber ich konnte damals 1947 und auch später bis vor etwa einem Jahr keine Antwort darauf geben, warum der Zitronensäurezyklus bevorzugt ist. Im März vorigen Jahres erörterte ich dieses Problem mit meinem Oxforder Kollegen Jack Baldwin, Professor der organischen Chemie, und im Laufe der Unterhaltung entwickelte er eine großartige Idee, die zu der Beantwortung des Problems führte und zwar auf Grundlage der Theorie der Evolution durch natürliche Auslese. Dieses Prinzip betrifft den Wettbewerb zwischen Replikatoren. Und in diesem Wettbewerb vermehren sich die funktionstüchtigeren Replikatoren auf Kosten der weniger tüchtigen Replikatoren. Und nach einiger Zeit überleben dann nur die tüchtigeren Replikatoren. Und dieses Prinzip führt zu der Frage, ob die Verbrennung der Essigsäure durch den Zitronensäurezyklus einen Vorteil gegenüber anderen Stoffwechselwegen besitzt. Der biologische Zweck der Verbrennung in lebenden Zellen ist nun nicht, wie Sie wissen, die Oxidation der Substrate, sondern die Ausnützung der frei werdenden Energie für die Synthese des ATP. Und der vorteilhafteste Mechanismus der Essigsäureoxidation ist daher derjenige, der am meisten ATP liefert. Die maximale Ausbeute von ATP lässt sich berechnen. Sie ist nicht direkt mit der Oxidation der Essigsäure verknüpft, sondern wie Sie eben in dem Vortrag von Herrn Professor Lipmann gehört haben, sondern mit dem Transport von Wasserstoffatomen über die Atmungskette zu molekularem Sauerstoff. Voraussetzung für die ATP-Synthese ist daher die Dehydrogenierung der Substrate. Und so ergibt sich die Frage, ob die direkte Oxidation der Essigsäure über Glykolat, wie Sie auf diesem Diapositiv angegeben ist, in Bezug auf die Synthese von ATP einen ebenso großen Nutzeffekt hat wie der Zitronensäurezyklus. Und die Antwort auf diese Frage ist Nein, weil es unmöglich ist, Essigsäure durch die Coenzyme der Atmungskette zu dehydrogenieren. Die erste Stufe ist keine Dehydrogenierung – das ist unmöglich. Dehydrogenierung, das heißt Übertragung von Wasserstoffatomen auf die Coenzyme der Atmungskette. Die Methylgruppe kann nämlich nicht zwei Wasserstoffatome gleichzeitig abgeben. Es ist also nicht möglich, weil eben keine Doppelbindung entstehen kann, zwei Wasserstoffatome von dieser Methylgruppe zu entfernen, das bedeutet also, dass eine Dehydrogenierung im Sinne einer Übertragung von Wasserstoffatomen oder auf die Coenzyme entweder in diesem Pyridinnukleotid oder ein Flavoprotein nicht möglich ist. Nun können aber Methylgruppen, wie die der Essigsäuren in lebenden Zellen oxidiert werden, aber nur durch molekularen Sauerstoff im Gegensatz zu der Dehydrierung. Das Enzym (darf ich um das nächste Bild bitten?), das diese Reaktion zustande bringt, ist eine Hydroxylase oder Monooxygenase – auch mischfunktionelle Oxydase genannt. Das ist ein Enzym, das nicht in den Mitochondrien lokalisiert wird, wo die Energieumwandlungen stattfinden, sondern in der mikrosomalen Fraktion. Dieses Enzym, die Monooxygenase, katalysiert die Einfügung eines Sauerstoffatoms des molekularen Sauerstoffs in das organische Substrat. Von diesem Zwei-Atomen-Sauerstoffmolekül geht eines hier zwischen den Kohlenstoff und den Wasserstoff, wie es hier angegeben ist, CH2OH, und während das zweite Sauerstoffatom, das molekulare Sauerstoff H2-Atom, für das zweite Sauerstoffatom muss ein Akzeptor vorhanden sein, und dieser Akzeptor ist in den meisten Fällen in NADPH2, sodass dann also NADP und Wasser entstehen. Und dies ist die allgemeine Gleichung der Oxygenase-Reaktion, wo das RCH3 eine Methylgruppe ist, die wegen der Eigenschaften von R, dem radikalen R, nicht dehydrogeniert werden kann. R kann also nicht nur Essigsäure sein, sondern zum Beispiel Methan, das von Mikroorganismen oxidiert werden kann, CH4, es kann auch eine Seitenkette des Benzolrings sein, wie Toluol oder Xylol. Und es gibt eine ganze Reihe von Methylgruppen, die an ähnlichen Reaktionen teilnehmen. Nun ist die Oxidation der Essigsäure zu Glykolsäure nicht nur deshalb vom Standpunkt der ATP-Synthese wertlos, weil sie kein ATP liefert, sondern außerdem noch darum, weil der Verbrauch von einem Molekül NADPH2 für die Reaktion des zweien Sauerstoffatoms, des Sauerstoffmoleküls, die Synthese von 3 weiteren ATP-Molekülen verhindert. Dadurch, dass dieses NADPH nicht in NADH umgewandelt werden kann und in die Atmungskette hineingeht, geht die Möglichkeit für 3 weitere ATP-Synthesen verloren. Die quantitativen Einzelheiten der Energievergeudung sind nun folgendermaßen: Wenn Essigsäure durch den Zitronensäurezyklus oxidiert wird, dann ist der Nettogewinn 10 Pyrophosphat-Bindungen des ATP, 12 entstehen an sich im Zusammenhang mit den Reaktionen des Zyklus, aber 2 Pyrophosphat-Bindungen sind für die Bildung von Acetyl-Coenzym A aus Essigsäure nötig. Wenn nun Acetat direkt über Glykolat oxidiert werden würde, dann würden nur 5 oder 6 ATP-Moleküle weniger entstehen, weil eben die Oxygenasereaktion nicht mit einer ATP-Synthese verknüpft sein kann und weil ein Molekül NADPH als Cosubstrat dieser Oxygenase verbraucht wird. Die Ausbeute an ATP wäre daher nur die Hälfte, wenn Acetat auf dem direkten Weg abgebaut würde im Vergleich mit der ATP-Ausbeute durch den Zitronensäurezyklus. Und ähnlich liegen die Verhältnisse, wenn nicht freies Acetat, was an sich im Allgemeinen in der Nahrung nur in geringen Mengen vorkommt, wenn Kohlehydrat und Fettsäuren die Quellen des Acetyl-Coenzyms A sind. Was ich also bisher erörtert habe, erklärt nicht nur, warum eine direkte Oxidation des Acetats im Bezug auf den Nutzeffekt nicht mit dem Zitronensäurezyklus konkurrieren kann, es ergibt sich auch eine Erklärung dafür, warum die Alternative des „direkten“ Abbauwegs ein Zyklus sein muss. Wenn nämlich eine Reaktionsfolge direkter Art einen geringeren Nutzeffekt hat als eine Reaktionsfolge, die eine primäre Bindung des Substrats an eine zweite niedrigmolekulare Substanz benötigt, also Acetat an Oxalacetat. Dann muss diese zweite niedrigmolekulare Substanz regeneriert werden. Wenn der primäre Stoffwechselprozess, das heißt also im Fall der Zitronensäure, der Zitronensäurezyklus, die Verbrennung zur Essigsäure stattgefunden hat. Das ist notwendig, diese Regenerierung der zweiten Substanz des Oxalacetats, weil eben diese zweite Substanz das Oxalacetat wieder zur Verfügung stehen muss. Sie muss irgendwoher kommen, woher sollte sie denn nun kommen? Nur eine zyklische Regeneration ist denkbar als ein physiologisch nützlicher Mechanismus. Wäre das nun nicht der Fall, dann würde das nämlich zu der unsinnigen Konsequenz führen, dass erstens ein Nebenprodukt der Essigsäureoxidation in stöchiometrischen Proportionen entstehen würde, was ganz unsinnig wäre. Zum Beispiel würde ein erwachsener Mensch mit einer Kalorienaufnahme von 2.000 Kilokalorien pro Tag Das ist natürlich alles unsinnig. Und daher ist ein Zyklus der einzig rationelle und ökonomische Mechanismus für die Organisation gewisser Stoffwechselvorgänge. Es lässt sich somit vorhersagen, dass eine wirksame Ausnutzung des Acetats als Energiequelle eine Verbindung des Acetats mit einer weiteren Substanz benötigt, die dann durch einen Zyklus regeneriert wird. Aber nun bleibt noch die Frage offen, warum gerade der Zitronensäurezyklus und nicht andere denkbare Zyklen im Laufe der Evolution entstanden sind, und warum Acetat in der Form auf Acetyl-Coenzym A reagiert? Dazu lässt sich sagen, dass die Komponenten des Zyklus einschließlich des Acetyl-Coenzyms A und der Synthese des Citrats aus Acetyl-Coenzym A und Oxalacetat und ferner die Umwandlung von Citrat zu Oxoglutarat schon in der lebenden Welt existierten, lange bevor molekularer Sauerstoff in der Atmosphäre in signifikanten Mengen vorhanden war, als also das Leben noch anaerob war. Dieses sind Substanzen und Stoffwechselwege, von denen man allgemein annimmt, dass sie schon in der Atmosphäre vorhanden waren, die Atmosphäre war ja ursprünglich anaerob und erst durch Kohlensäureassimilation durch die Photosynthese wurde Sauerstoff dann in die Atmosphäre hineingebracht, dass also schon vorher diese Reaktionen, auf die ich nicht im Einzelnen einzugehen brauche, vorhanden waren, weil sie nämlich zu der Synthese von wichtigen Substanzen führten. Dies sollte nicht Glutarat, sondern Glutamat heißen, also Glutaminsäure wird auf diese Weise gebildet und außerdem von Oxoglutarat über Succinyl-Coenzym A werden die Porphyrine, dazu gehört das Chlorophyll und Cytochrom synthetisiert. Das heißt also, dass in der Evolution des Zitronensäurezyklus lebende Organismen Reaktionsfolgen herangezogen haben, die schon in Verbindung mit anderen biochemischen Funktionen der Synthese von Aminosäuren zum Beispiel und des Chlorophylls existierten. Es ist nun ein allgemeines Prinzip der Evolution, dass vielfacher Gebrauch von gegebenem Material gemacht wird. Und ich möchte das durch einige Beispiele illustrieren. Aminosäuren, wie Sie wissen, sind Bausteine aller Eiweißkörper, aber außerdem haben sie noch viele andere Funktionen. Nur ganz kurz möchte ich darauf eingehen: Glykokoll, Glycin, ist eine Vorstufe des Kreatins, der Gallensäure und der Porphyrine, Glutathion, die Hippursäure, Serin wird zu Substanzen, die in Phosphorlipiden vorkommen, Cystein ist die Vorstufe des Taurins, Arginin ist eine Vorstufe des Kreatins. Noch weitere Beispiele: Asparaginsäure ist eine Vorstufe von Nukleinsäure, Alanin hat die Funktion als Stickstofftransporter zwischen Geweben usw. Tyrosin ist die Vorstufe von Hormonen, das Adrenalin oder Thyroxin usw. Das ist das letzte Diapositiv.) Ich könnte auch noch erwähnen zum Beispiel, dass das ATP nicht nur eine große Rolle in der Energieumwandlung spielt, sondern auch eine Vorstufe, ein Baustein der Pyridinnukleotide und der Nukleinsäuren ist. Und dahinter steckt eben das allgemeine Prinzip durch natürliche Auslese, dass die Gegebenheiten der Umwelt optimal ausgenützt werden. Nun das Prinzip, dass ein zyklischer Stoffwechselweg effizienter ist, als denkbare lineare Wege, gilt nun für alle anderen Zyklen, die ich bisher analysiert habe, zum Beispiel den Ornithinzyklus der Harnstoffsynthese oder dem Calvinzyklus der Photosynthese oder dem Pentosephosphatzyklus, der reduziertes Coenzym NADPH2 liefert. Aber darauf kann ich aus Zeitmangel nicht weiter eingehen. Das Prinzip ist immer, dass die Substanz, zum Beispiel das Ammoniak in der Harnstoffsynthese, nicht direkt reagieren kann in einem Reagenzglas unter den abnormen Bedingungen, wenn man bei alkalischem Milieu und mit hohen Temperaturen arbeitet, dann kann man aus Ammoniumkarbonat auch Harnstoff bekommen. Aber unter den Bedingungen, unter denen Leben möglich ist, das neutrale pH und normale Temperatur, da ist es nötig, dass sich das Molekül an ein anderes Molekül anlagert, so wie das Acetat an Oxalessigsäure, lagert sich die Kohlensäure und das Ammoniak an Ornithin an. Was ich aber noch erörtern möchte, also auf die Einzelheiten anderer Zyklen kann ich nicht eingehen, aber was ich doch noch erörtern möchte, ist die allgemeine Anwendung der Fragestellung Inwiefern sind sie anderen theoretisch denkbaren Wegen überlegen?“ Man kann solche Fragen vom Standpunkt der modernen Kenntnisse der organisch-chemischen Reaktionsmechanismen angehen und aufgrund dieser Kenntnisse kann man voraussagen, welche Reaktionen überhaupt möglich sind und welche Reaktionen sehr schwierig sind oder unmöglich sind. Zum Beispiel, und dies bezieht sich jetzt auf lineare Reaktionen, warum werden Fettsäuren durch Beta-Oxidation abgebaut? Warum nicht Alpha-Oxidation oder Gamma-Oxidation oder Omega-Oxidation? Die Antwort ist, wiederum aus Zeitmangel kann ich darauf nicht eingehen, das wäre eine längere Geschichte: Beta-Oxidation liefert mehr ATP, viel mehr ATP. Alpha-Oxidation und Omega-Oxidation kommen unter besonderen Umständen vor, aber das Oxidationsmittel ist nicht ein Pyridinnukleotid oder ein Flavoprotein, sondern wiederum molekularer Sauerstoff und das Enzym ist eine Monooxygenase. Denn Dehydrogenierung durch ein Flavoprotein oder Pyridinnukleotid ist nicht möglich für Alpha-Oxidation und Beta-Oxidation. Wir müssen das akzeptieren, wie gesagt, darauf kann ich nicht eingehen. Man kann auch erklären, warum Fettsäuren nicht als freie Fettsäuren reagieren, sondern als Thioester des Coenzyms A und auch warum Fettsäuren an ein Schwefelatom und nicht an irgendein beliebiges Element gebunden sein muss, das hat George Wald schon vor längeren Zeit klar gemacht. Das hat besonderen atomaren Eigenschaften des Schwefels zu tun. Phosphat wäre eine andere Möglichkeit, das wird auch biologisch gelegentlich gebraucht, es gibt auch, was Fritz Lipmann entdeckt hat, Acetylphosphat, aber das ist nur eine Vorstufe im Energieumsatz von Acetyl-Coenzym A. Und es ist natürlich auch klar, die Chemie lehrt uns das, warum eben freie Fettsäuren nicht reagieren können. Ich glaube nun, dass die Anwendung der modernen Kenntnisse der Reaktionsmechanismen auf die Probleme der Stoffwechselwege ein fruchtbares Gebiet für zukünftige Forschung sein wird, und dass die Erschließung dieses Gebietes zu einem tieferen Verständnis der Organisation der lebendigen Substanz führen wird. Ich finde es sehr befriedigend, dass man nunmehr die Frage beantworten kann, eine Frage, die besonders häufig von Studenten an mich gerichtet worden ist und aufgeworfen wird, warum Stoffwechselzyklen im Laufe der Evolution entstanden sind? Im Rückblick erscheint die Antwort außerordentlich einfach: auf der Grundlage der Evolution durch natürliche Auswahl. Es gibt eben Umstände, wo ein zyklischer Mechanismus viel effizienter sein kann, als ein nichtzyklischer Mechanismus. Es handelt sich also um das Bestangepasste im Kampf ums Dasein, um ein Überleben des Bestangepassten. Man hat, wie Sie vielleicht wissen, diese Redewendung des Überlebens des Bestangepassten als Tautologie kritisiert. Man hat gesagt, dass es nichts weiter bedeutet, als das Überleben des Überlebenden. Aber diese Art von Kritik betrifft nicht die Argumente in Bezug auf die biochemische Evolution. Weil nämlich das Bestangepasste quantitativ in chemischer Form ausgedrückt werden kann, zum Beispiel, wie ich es erörtert habe, im Falle des Zitronensäurezyklus durch die ATP-Ausbeute bei der Verbrennung organischer Substanzen. Und nun noch eine allgemeine Schlussbemerkung: Die Analyse der Energie lieferenden Reaktionen und überhaupt kann man wohl sagen, dass tiefere Studium lebender Organismen macht es klar, dass das Leben im Laufe von einigen tausendmillionen Jahren eine optimale Effizienz der Organisation erreicht hat. Diese Erkenntnis ist von großer Bedeutung für die tagtägliche ärztliche Praxis. Die hochwirksamen modernen Arzneimittel, fast alle diese Arzneimittel haben Nebenwirkungen, sehr störende, manchmal sogar fatale Nebenwirkungen, weil sie die optimale Effizienz der lebenden Zelle stören. Das Ergebnis sind die iatrogenen Krankheiten, die Krankheiten, die durch ärztliches Zutun entstehen. Über den Umfang dieser iatrogenen Krankheiten möchte ich zitieren, dass kürzlich amerikanische Ärzte in Boston fanden, dass 36% von 815 Patienten iatrogene Krankheiten hatten, also wenn sie bei der Aufnahme ins Krankenhaus untersucht wurden, und in 9% der Fälle waren es ernsthafte und in 2% der Fälle waren sie wahrscheinlich ein beitragender Faktor zum tödlichen Ausgang. Das sind erschütternde Zahlen. Ich glaube, der beste Arzt ist derjenige, der mit den Grundprinzipien der allgemeinen Biologie vertraut ist und Verständnis für die delikate und eng angepasste optimale Organisation der Zellen hat. Er geht mit den Arzneimitteln sehr, sehr vorsichtig um. Zum Teil sind diese Arzneimittelvergiftungen darauf zurückzuführen, dass die Kranken den Arzt drängen, Rezepte zu verschreiben, denn viele Patienten halten fälschlicherweise den Arzt, der am meisten verschreibt, für den besten Arzt. Zum Schluss möchte ich erwähnen, dass diese Übermedikation schon seit Jahrhunderten ein Problem ist. Ein Problem, das sehr schwierig auszurotten ist. Gerade in Boston, wo die amerikanischen Ärzte kürzlich – im März 1981 – diese statistischen Daten veröffentlichten, dort kämpft man besonders wirkungsvoll – würde man denken – gegen diese Übermedikation, aber bisher ist der Erfolg gering. Dass das nun ein uraltes Problem ist, möchte ich durch zwei Zitate belegen. Der deutsche Physiker und Philosoph Georg Christoph Lichtenberg, der von 1742 bis 1799 lebte, schrieb einmal Und ein Zeitgenosse von ihm, Castello, schrieb ein paar Verse, die eine Unterhaltung zwischen Arzt und Patienten darstellen. Der Kranke sagt „Ach lieber Arzt, wie machen Sie es doch, dass Sie in diesem hohen Alter noch so kerngesund und fröhlich sind? Und der Arzt antwortet: Das ist ganz leicht, mein liebes Kind, ich schreibe anderen Arzneien, doch nehm ich sie nie selber ein“. Und zu dieser Weisheit kommt, hoffe ich, der Mediziner und Physiologe durch das Studium der wunderbaren optimalen Angepasstheit lebender Organismen an die Umwelt und durch das Studium der allgemeinen Biologie, im weitesten Sinne, – und dies ist wirklich der tiefere Grund, weil wir von den Medizinern erwarten, dass sie sich zunächst, bevor sie an einen Kranken herankommen, gründlich mit den Grundlagenfächern, studiert am speziellen Fall von Homo sapiens, befassen sollen. Ich danke Ihnen.

Sir Hans Krebs (1981)

The Evolution of the Citric Acid Cycle and other Metabolic Pathways

Sir Hans Krebs (1981)

The Evolution of the Citric Acid Cycle and other Metabolic Pathways

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Sir Hans Adolf Krebs was a German biochemist and a true specialist for elucidating cyclic metabolic pathways, i.e. cyclic series of chemical reactions in a cell. He is credited with the discovery of three such pathways, the ornithine cycle, the glyoxylate cycle and – most importantly – the citric acid or Krebs cycle. In the Krebs cycle, acetate, originating from the degradation of sugars or fatty acids, is further degraded to carbon dioxide, thereby yielding energy in the form of ATP and GTP molecules. The intermediates of the cycle are also important precursors for the synthesis of other biomolecules, such as amino acids. In total, the Krebs cycle accounts for two thirds of the oxidation of carbon compounds in most cells [1]. It thus appears to be fair to consider it the most important metabolic process altogether.In 1937, Krebs and his graduate student William A. Johnson attempted to publish their groundbreaking discovery in the journal Nature. Surprisingly, their article, which should turn out to be one of the most important biological papers of the 20th century, was rejected [2]. It eventually appeared in another journal, Enzymologia [3]. In the present lecture, which was given more than 40 years after this publication, Krebs takes a look back and considers a seemingly trivial question. Why is the citric acid cycle a cycle? Why is it not a linear pathway? Krebs claims to have been unable to answer this question, which was repeatedly asked by his students, until 1980, when he discussed the issue with his Oxford colleague, Jack Baldwin, a professor of organic chemistry and true specialist of reaction mechanisms.Baldwin suggested that the cyclic nature of the oxidation of acetate may have evolutionary reasons. Naturally, evolution would prefer the mechanism which yields most energy, that is most ATP molecules. Whereas a non-cyclic process, based on the direct oxidation of acetate, would be thinkable, it would have to involve several unfavorable reaction mechanisms, thus yielding less ATP. The intermediates of the citric acid cycle, on the other hand, allow for very efficient enzymatic reactions and thus ensure that the maximum possible amount of ATP molecules is generated from each acetate unit entering the cycle.In concluding his talk, Krebs expresses his concern about a tendency of overmedication in modern medicine. According to Krebs, physicians should always stay aware of the ultimate degree of optimization and efficiency Nature has achieved for metabolic processes. This quasi-perfect status quo makes it very unlikely, that a drug tampering with metabolism will ever change anything for the better, Krebs says. His statement, which is now more than 30 years old, could not be more topical: drug side-effects are estimated to be the fourth to sixth leading cause of death in the United States today [4]. The present lecture is the last of nine lectures Krebs gave in Lindau from 1960 to 1981. He passed away in Oxford only five months later, on November 22nd.David Siegel[1]B. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fifth Edition, 2008, Garland Science, New York, USA. [2]H. Kornberg, Nature Reviews Molecular Cell Biology 2000, volume 1, pages 225-228.[3]H. A. Krebs and W. A. Johnson, Enzymologia 1937, Volume 4, pages 148-156. [4]J. Lazarou et al., Journal of the American Medical Association 1998, volume 279,pages 1200-1205.

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