Otto  Warburg (1954) - Experiments on the Chemistry of Photosynthesis (German Presentation)

Good day ladies and gentlemen, Since chlorophyll exposed to light but isolated from the cell is photochemically inactive, the process of photosynthesis is dependent upon enzymes, as respiration and fermentation are. In the following, I would like to acquaint you with some aspects of enzymes involved in photosynthesis. The enzymes of photosynthesis are not understood nearly as well as those involved in respiration and fermentation, but you will see nevertheless that we can say quite a bit about them today. The first slide, please. We shall first examine a process that is the opposite of photosynthesis, a process of respiration, indeed the oxidation of glucose phosphate to pentose phosphate by means of nicotinamide in the equation written here. The reaction was discovered in Berlin-Dahlem shortly after the discovery of the pyridine nucleotide. It takes place in two steps. Firstly, one molecule of nicotinamide oxidises the glucose phosphate to glucose phosphoric acid, then an additional molecule of nicotinamide oxidises the hexonic phosphoric acid to pentose phosphate by splitting off carbonic acid. A specific enzyme is required for both of these steps. In the reaction written down here, the glucose phosphate is therefore oxidised to pentose phosphate by two enzymes whose active group is nicotinamide and that transfer hydrogens. One would think that the complete combustion of glucose then continues similarly, so that pentose phosphate is oxidised to tetrose phosphate, the tetrose phosphate to triose phosphate, and so on. Horecker says, however, that this is not the case and instead that pentose phosphate is divided into smaller fragments by a cleaving enzyme after it has been formed by the oxidation reaction written here, and that the fragments are then condensed again into glucose phosphate, so that the oxidation always only takes place with formations of six carbons. If glucose phosphate has been oxidised six times to pentose phosphate, then the net result is that one molecule of glucose phosphate has been burned. Through this sensible mechanism, organisms manage to complete the oxidation of the six carbon atoms in glucose with two enzymes, while without the regeneration of glucose, six times two = twelve oxidation enzymes would have been necessary. It can also be said of this mechanism that the pentose phosphate formed through oxidation is not arabinose phosphate as one should have expected, but instead is ribulose phosphate, the phosphate of a ketopentose, one which has been very rarely found in nature until now. It can moreover be said that a further, very rare sugar appears as an intermediate product during the recombination of the pentose fragments into the glucose phosphate: the phosphate of sedoheptulose, a ketose with a seven-carbon chain. These rare sugars, ribulose and sedoheptulose, are thus intermediate products of burning glucose through nicotinamide. Now you will ask what these very specialised facts about glucose oxidation have to do at all with photosynthesis. Actually, quite a bit. Because during photosynthesis with radioactive carbonic acid at Calvin's institute in Berkeley, carbon bonds were found sixty seconds after applying light that are none other than the phosphates of ribulose and sedoheptulose. I should add that the enzyme reactions written here also run from right to left in vitro using pure enzymes, if one starts with pentose phosphate and dihydronicotinamide, so there can be no doubt that the reduction of the carbonic acid during photosynthesis is caused by the reverse reaction of the respiration processes written here. Hydrogenated nicotinamide occurs during respiration and is always reoxidised again by the molecular oxygen. Photohydrogenated nicotinamide occurs during photosynthesis and is always reduced again by chlorophyll that has been exposed to light. It is therefore a reduction of carbonic acid by photosynthesis, not just as a net outcome, but rather within the mechanism as well, the reverse reaction of a respiration process, a known respiration process. The identical hydrogen-transfer enzymes are respiration enzymes or photosynthesis enzymes, depending on whether they are supplied with nicotinamide or hydrogenated nicotinamide. It may be that the carbonic acid is reduced during photosynthesis not only through the reaction described here, but also through other reactions. For example, the reverse reaction of decarboxylising malic acid to pyruvic acid, which Ochoa in New York in particular believes. But the principle is always the same. Everyone agrees that it is always the reductive carboxylation of hydrogenated nicotinamide by which the carbonic acid is bound and reduced during photosynthesis. Lights, please. While on one hand the reduction of carbonic acid in photosynthesis is the reverse reaction of a respiration process, the forward reactions of respiration also play an important role in photosynthesis. In the primary reaction of photosynthesis, it is well known that one mole of carbonic acid is absorbed and one mole of oxygen generated when one mole of light quanta are absorbed. But since 112,000 calories are necessary to generate one mole of oxygen from carbonic acid, while the energy from one mole of photos in the red wavelength only amounts to 42,000 calories, nature decided as an alternative that the energy lacking from light quanta, namely the significant amount of two-thirds of the total energy, will be made available to photosynthesis from the chemical energy stored in the cells. That is one solution to the so-called quantum problem in photosynthesis, which many researchers in the natural sciences have worked on since about, that has been going since 1920, which is thirty-five years. None of us had remotely thought about this mechanism, about this alternative. We always wondered how it is possible that three quanta, which are necessary, how they can collaborate, when in reality it is accomplished simply by the cell adding as much chemical energy as the light quanta lack. That is an almost unbelievably simple and brilliant mechanism. And you actually see in this example that organisms are indescribably cleverer than researchers in the natural sciences. Because for thirty years, this idea didn't occur to anyone in the slightest until it was actually observed on a manometer. It was seen on a manometer. When light was applied, there was a pressure of one quantum and as soon as it was dark, two-thirds disappeared again and everything was then thermodynamically balanced. Now the regeneration or the entire mechanism would make no sense of course, if the cells were to add energy and thereby lose it. But as mentioned, it so happens that the cell immediately receives the energy back and indeed receives it through a respiration process in which the cell always receives energy back via the light of photosynthesis, which has quasi been loaned out. Photosynthesis, as it can also be described, is therefore only possible through a continuous consumption and regeneration of chemical energy in the cell, without which the light entering the green cells has no effect. So first respiration - it can also be expressed this way - creates the photosensitivity of the green cells. And that is why the enzymes of respiration also are part of the enzyme chain of photosynthesis. The experiments that prove this have been developed in Dahlem in such a way that they are beyond any doubt. You can imagine that when something like this is discovered, no one believes it at first. It is always like this, as soon as one encounters something new, there is immediate opposition, which is understandable and human. It was thus suggested that the effects are too small, that it only comes from heat. In reality, the situation now is that we get thirty-five cubic mm of oxygen in one minute when we illuminate a sample. Now, if you calculate that the error is perhaps 0.5 cubic mm, then the matter is beyond all experimental doubt. Then you proceed to illuminate the sample so strongly that all of the available cell energy is consumed. Thus you can virtually titrate out the cellular existing energy by illuminating so strongly that all of it is extracted. When that has happened and it is illuminated again, you no longer get a quantum yield of one because of course the cellular energy is now depleted. And then you have to wait. You have to wait approximately ten minutes in the dark, and if you then illuminate the sample again, you get energy again. But if you illuminate the sample during the intervening period, you get less. After two minutes you get perhaps six cubic mm, after ten minutes you get twelve, and so on. So it is evident that the cellular energy is actually recovered during the recuperative process of oxygen consumption. To prove that it is oxygen you can proceed as follows: you illuminate a sample strongly and extract all of the cellular energy that is there. Then you take away the oxygen from the cell. Now you can wait as long as you wish and when you illuminate the sample again, you never get the oxygen production in light again, because the cell does not get its energy back. Similarly, when you introduce oxygen again and illuminate the sample, you get oxygen production again with a quantum yield of one. You can therefore really prove and measure, track how the cell gets its energy back and that in fact without this cellular energy, the entire system of the green cells does not react to light at all. That the photosensitivity of the green cells is actually created initially by respiration makes photosynthesis different from all other photochemical reactions of the inanimate world. As I began with, that chlorophyll isolated from the cell is photochemically inactive, we can now add that chlorophyll found within the living green cell is also photochemically inactive if one single substance among all of the substances of the cell is missing, namely the substance that is the vehicle of the auxiliary chemical energy. Its chemical nature remains unknown. The only thing certain is that it is not adenosine triphosphate, as has sometimes been assumed in chemical literature of late. Because the amounts of maximum energy that you can titrate out of the cell and that can be made available by the cell are so large that if you were to identify and assume it was phosphorus, that all of the phosphorus is bound in adenosine triphosphate, then you would still not have explained even one-third of the auxiliary energy that is actually made available, measured by the oxygen coming from the cell. So, first we have had the bonding, the reduction of carbonic acid as a reverse reaction of a respiration process, then here we have the forward reaction of respiration, without which photosynthesis is impossible. That makes two occurrences of respiration enzymes, simultaneously photosynthesis enzymes. A third matter, which is only - that I still will report on briefly to you now - only exists in photosynthesis. I must first make a remark about the pigments of the green cells and their photoabsorption. All green cells contain, besides the chlorophyll, yellow pigments, the carotenoids. While chlorophyll absorbs over the entire visible spectrum, the yellow pigments absorb only in the short-wavelength portion of the visible spectrum, and indeed most strongly in blue-green, that is near the blue-green cadmium lines. If you illuminate green cells with blue-green, approximately half the light will be absorbed by the chlorophyll and the other half of the light by the yellow pigments. While in red, only the chlorophyll absorbs and the yellow pigments not at all. Depending therefore on whether you shine red or blue-green light on the green cells, the yellow pigments can share in up to fifty percent of the absorption or not at all. Our experiments associated with these effects assumed then that the yield of chemical energy in photosynthesis by Chlorellas was generally better in summer than in winter. Now our Chlorellas are always raised under incandescent light, in summer as well as winter, but in a south-facing window so that the cells also have always received daylight besides the incandescent light when grown. Daylight is known in medium-short wavelengths like incandescent light, and contains much more blue-green light than incandescent light. We therefore wondered whether it would not perhaps be appropriate during measurements of the photosynthetic yields to augment light in the red region or the monochromatic green with short-wavelength light and so possibly improve the yields of the winter cells. In fact we found that the yields rose when we augmented red or green monochromatic light with shorter wavelength light. The most effective was blue-green. Out of these observations - please, next, next slide - grew the present-day experimental procedure for measuring the yield of photosynthesis. In this experiment, for example, which is a typical experiment with winter cells, Chlorellas are continuously irradiated with very high intensity red light. This experiment lasts about seven hours for example. Then light, which is blue-green in colour, alternately augments it and the experiment is continued again. Now this is very important for the experimental procedure, because it greatly simplifies the interpretation: the blue-green light that acts is energetically almost equal to zero compared to the red light, whose energy turnover you measure. The blue-green light that you apply is active yet cannot participate in the oxygen production, but instead only can act catalytically. Now, if you look at the illustration, there is one more thing to say: In general, you express the quantitative results of photosynthesis measurements using the so-called quantum requirement that is 1 divided by phi and means the mole of quanta absorbed divided by the mole of oxygen produced. The quantum requirement thus becomes larger, the worse the yield is. I want to address you one more time about this, because this experiment, how it was run, and want to tell you about the energy yield for it, converted. After two hours, you have to imagine, the cells come out of the dark, after two hours of blue-green, the quantum requirement is 4.4, which corresponds to a 60% chemical energy yield. Then the blue-green exposure is taken away. And almost immediately, the quantum requirement rises to infinity. That means there is absolutely no oxygen produced any longer and the chemical energy gain is zero. Then we apply blue-green light again. The quantum requirement falls to 3.6, which means that the yield of chemical energy climbs to about 75%. We then take the blue-green away again and the quantum requirement rises to 17, which means that the yield of chemical energy falls to 16%. We then add the blue-green again and the quantum requirement falls to 3.2, that means the yield of chemical energy rises to 83%. The blue-green is taken away again and the quantum requirement rises immediately to 12, that means the yield of chemical energy falls to 22%. All together, the yield of chemical energy in the experiment in the absence of blue-green light has therefore been very poor and in the presence of blue-green very good. If you wanted to, which we have not done, add in the respired oxygen to the oxygen produced by the light, the quantum requirement in the last two blue-green periods would be 2.85 on average, which corresponds to a 93% chemical energy yield. Now, the explanation. Blue-green light, as already mentioned, is strongly absorbed by the carotenoids. We also know that the carotenoids sustain a cis-trans rearrangement through illumination. We also know about them that the cis-trans rearrangements are exploited by organisms, rhodopsin is in fact a carotenoid according to the investigations by George Wald, and the effect of light upon rhodopsin is based on the cis-trans rearrangements of the visual carotenoids - or the visual carotenoid. Since, from the experiments written down here, a small amount of blue-green light creates large energy turnovers in Chlorellas, it can be concluded that a carotenoid isomer that forms in light is the active group of an energy conversion enzyme. This carotenoid isomer may be more stable in summer cells than in winter cells. And so it might be that the influence of the blue-green light in experiments has been discovered with winter cells. We always add blue-green light now and almost always find a significant improvement from the blue-green in the summer cells as well, but not as strong as in winter. I believe that this discovery will acquire a similar significance for the chemistry of photosynthetic enzymes as did the discovery of carbon monoxide and effects of light for the chemistry of respiration enzymes years ago. In any case, blue-green light is already beginning to explain the hitherto-unknown function of carotenoids in photosynthesis. To summarise, today we are able to write down the equation of the enzyme reaction by which carbonic acid is reduced in photosynthesis. Equations such as these - and the fourth slide, once again the third. So you see here two equations that contain the following facts: firstly, the nicotinamide, dihydronicotinamide, as a catalyst for the reduction of carbonic acid; secondly, dihydrocarotene and carotene as accounting for the experiments with blue-green light. Thus, both of these facts are accommodated in these equations. But these equations are surely wrong, because they would be ignoring the most important result of all the photosynthesis experiments, the quantum yield of 1 for the primary reaction of photosynthesis. In this equation here you have 4, which cannot therefore be correct. In the equations of photosynthesis, the energy conversion of photosynthesis, the unknown substance belongs, that initially facilitates the activity of the low-energy quanta of visible light in the cycle of breakdown and regeneration. And with that, I have discussed roughly everything that we can say about the enzymes of photosynthesis at present.

Meine Damen und Herren, da belichtetes, von der Zelle abgetrenntes Chlorophyll photochemisch unwirksam ist, so ist die Photosynthese wie die Atmung und die Gärung ein Fermentproblem. Ich möchte Ihnen im Folgenden einiges über die Fermente der Photosynthese mitteilen. Die Fermente der Photosynthese sind durchaus noch nicht so weit wie die Atmungs- oder Gärungsfermente, aber immerhin werden Sie sehen, dass man Einiges heute schon sagen kann. Das erste Bild, bitte. Wir betrachten zunächst einen der Photosynthese entgegengesetzten Vorgang, einen Atmungsvorgang, und zwar die Oxidation von Glukosephosphat zu Pentosephosphat durch Nikotinsäureamid nach der hier angeschriebenen Gleichung. Die Reaktion ist in Dahlem kurz nach der Entdeckung der Pyridin-Nukleotide gefunden worden. Sie verläuft in zwei Schritten. Zunächst oxidiert ein Molekül Nikotinsäureamid das Glucosephosphat zu Glucosesäurephosphat, dann oxidiert ein weiteres Molekül Nikotinsäureamid, das Hexonsäurephosphat unter Abspaltung von Kohlensäure zu Pentosephosphat. Für jeden der beiden Schritte ist ein spezifisches Fermentprotein erforderlich. In der angeschriebenen Reaktion wird also Glukosephosphat durch zwei wasserstoffübertragende Fermente, deren Wirkungsgruppe Nikotinsäureamid ist, zu Pentosephosphat oxidieren. Man sollte denken, dass die vollständige Verbrennung der Glucose sich dann weiterhin so vollzieht, dass das Pentosephosphat zu Tetrosephosphat, das Tetrosephosphat zu Triosephosphat usw. oxidiert wird. Horecker sagt jedoch, dass das nicht der Fall ist, sondern dass das Pentosephosphat, nachdem es sich durch die angeschriebene Oxidation gebildet hat, durch ein spaltendes Ferment in kleinere Bruchstücke aufgeteilt wird und dass die Bruchstücke dann wieder zu Glukosephosphat kondensiert werden, sodass sich die Oxidation immer nur an den sechs Kohlenstoffkörpern abspielt. Ist dabei Glukosephosphat sechs Mal zu Pentosephosphat oxidiert worden, so ist in der Bilanz ein Molekül Glukosephosphat verbrannt worden. Durch diesen sinnvollen Mechanismus erreicht es die lebende Natur, dass sie bei der Verbrennung der sechs Kohlenstoffatome der Glukose mit zwei Oxidationsfermenten auskommt, während ohne die Rückbildung der Glukose sechs Mal zwei = zwölf Oxidationsfermente notwendig gewesen wären. Von diesem Mechanismus ist ferner zu sagen, dass das Pentosephosphat, das durch die Oxidation entsteht, nicht etwa Arabinosephosphat ist, wie man hätte erwarten sollen, sondern es ist Ribulosephosphat, das Phosphat einer Ketopentose, einer Ketopentose, die bisher in der Natur sehr selten gefunden worden ist. Und es ist ferner zu sagen, dass bei der Rekombination der Pentosebruchstücke zu dem Glukosephosphat als Zwischenprodukt ein weiterer, sehr seltener Zucker auftritt. Das Phosphat der Sedoheptulose, einer Ketose der 7-Kohlenstoff-Reihe. Diese seltenen Zucker Ribulose und Sedoheptulose sind also Zwischenprodukte der Glukoseverbrennung durch Nikotinsäureamid. Nun werden Sie fragen, was diese sehr speziellen Tatsachen der Glukoseverbrennung mit der Photosynthese überhaupt zu tun haben. Nun, sehr viel. Denn bei Photosynthesen mit radioaktiver Kohlensäure ist in Calvin’s Institut in Berkeley gefunden worden, dass sechzig Sekunden nach Einsetzen der Belichtung radioaktive Kohlenstoffverbindungen gefunden werden, die nichts anderes sind als die Phosphate der Ribulose und der Sedoheptulose. Fügt man noch hinzu, dass die hier angeschriebene Fermentreaktion in vitro mit reinen Fermenten auch von rechts nach links verläuft, wenn man von Pentosephosphat und Dihydronikotinsäureamid ausgeht, so kann kein Zweifel sein, dass die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese durch die Rückreaktion des hier angeschriebenen Atmungsvorgangs bewirkt wird. Bei der Atmung entsteht das hydrierte Nikotinsäureamid und wird immer durch den molekularen Sauerstoff wieder reoxidiert. Bei der Photosynthese entsteht das lichthydrierte Nikotinsäureamid und wird immer wieder durch das belichtete Chlorophyll reduziert. Es ist also die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese, nicht nur in der Bilanz, sondern auch in ihrem Mechanismus, die Rückreaktion eines Atmungsvorgangs, eines bekannten Atmungsvorgangs. Dieselben wasserstoffübertragenden Fermente sind Atmungsfermente oder Photosynthesefermente, je nachdem man ihnen Nikotinsäureamid oder hydriertes Nikotinsäureamid zuführt. Es mag sein, dass die Kohlensäure bei der Photosynthese nicht nur durch die hier angeschriebene Reaktion, sondern auch durch andere Reaktionen reduziert wird. Zum Beispiel durch die Rückreaktion der Decarboxylierung der Äpfelsäure zu Brenztraubensäure, an die insbesondere Ochoa in New York denkt. Aber das Prinzip ist immer das gleiche. Alle sind sich einig darüber, dass es immer die reduktive Carboxylierung durch hydriertes Nikotinsäureamid ist, durch die die Kohlensäure bei der Photosynthese gebunden und reduziert wird. Während nun die Reduktion der Kohlensäure bei der Photosynthese die Rückreaktion eines Atmungsvorgangs ist, spielen andererseits auch Hinreaktionen der Atmung bei der Photosynthese eine wichtige Rolle. Bekanntlich wird bei der Primärreaktion der Photosynthese, wenn ein Mol Lichtquanten absorbiert werden, ein Mol Kohlensäure aufgenommen und ein Mol Sauerstoff entwickelt. Da aber für die Entwicklung von ein Mol Sauerstoff aus Kohlensäure 112.000 Kalorien notwendig sind, während die Energie von ein Mol Quanten im Rot nur 42.000 Kalorien beträgt, so hat die Natur den Ausweg gewählt, dass die den Lichtquanten fehlende Energie, also der große Betrag von zwei Drittel der Gesamtenergie, aus dem chemischen Energievorrat der Zelle der Photosynthese zur Verfügung gestellt wird. Das ist eine Lösung des so genannten Quantenproblems der Photosynthese, an die die vielen Naturforscher, die darüber gearbeitet haben seit etwa, das geht jetzt seit 1920, also fünfunddreißig Jahre. Keiner von uns hat auch nur im Entferntesten an diesen Mechanismus gedacht, an diese Möglichkeit. Man hat sich immer gefragt, wie es möglich ist, dass durch drei Quanten, die nötig sind, wie die zusammenwirken können und in Wirklichkeit wird es einfach so gemacht, dass die Zelle so viel chemische Energie dazu legt als den Lichtquanten fehlt. Das ist ein geradezu unglaublich einfacher und geistreicher Mechanismus. Und man sieht eigentlich daran, dass die lebende Natur unbeschreiblich viel klüger ist als es die Naturforscher sind. Denn tatsächlich ist dreißig Jahre lang kein Mensch auch nur im Geringsten auf diese Idee gekommen, bis man es schließlich am Manometer gesehen hat. Man hat es am Manometer gesehen. Wenn man belichtet, dann gibt es einen Druck von einem Quantum und sowie man Dunkel macht, dann verschwinden wieder zwei Drittel und dann ist thermodynamisch alles in Ordnung. Nun die Rückbildung oder der ganze Mechanismus hätte ja keinen Sinn, wenn die Zelle Energie zusetzen und dabei verlieren würde. Es ist aber, wie gesagt, so eingerichtet, dass die Zelle die Energie sofort zurück bekommt, und zwar bekommt sie die durch einen Atmungsvorgang zurück, bei dem die Zelle immer im Licht der Photosynthese gewissermaßen geliehene Energie zurück erhält. Photosynthese, so kann man es auch ausdrücken, ist also nur möglich durch einen fortgesetzten Verbrauch und Wiederaufbau von chemischer Zellenergie, ohne die das Licht in den grünen Zellen nicht wirken kann. Erst die Atmung also, so kann man es auch ausdrücken, erzeugt die Lichtempfindlichkeit der grünen Zellen. Und deshalb gehören die Fermente der Atmung auch zur Fermentkette der Photosynthese. Die Experimente, die dies beweisen, sind in der letzten Zeit in Dahlem so ausgebaut worden, dass sie über jeden Zweifel erhaben sind. Sie können sich denken, dass, wenn so etwas gefunden wird, es zunächst kein Mensch glaubt. Es ist immer so, sowie man irgendetwas Neuem kommt, ist sofort ein Widerstand, menschlich verständlicher Widerstand. Es wurde also gesagt, die Ausschläge sind zu klein, es kommt nur von Wärme. In Wirklichkeit liegt es jetzt so, dass wir, wenn wir belichten, in der einen Minute 35 mm³ Sauerstoff bekommen. Wenn man nun rechnet, dass vielleicht der Fehler 0,5 mm³ ist, dann ist also die Sache über jeden experimentellen Zweifel erhaben. Nun macht man es so, man belichtet so stark, dass die gesamte verfügbare Zellenergie verbraucht wird. Also man kann gewissermaßen die vorhandene Zellenergie titrieren, in dem man so stark belichtet, dass man alles rausholt. Wenn das passiert ist und man will es wieder belichten, dann bekommt man keine Ein-Quanten-Ausbeute mehr, weil ja jetzt die Zellenergie verbraucht ist. Und dann muss man warten. Man muss ungefähr zehn Minuten im Dunklen warten und wenn man dann wieder belichtet, bekommt man es wieder. Wenn man aber in der Zwischenzeit belichtet, dann bekommt man weniger. Vielleicht nach zwei Minuten bekommt man 6 mm³, nach zehn Minuten bekommt man 12 usw. Es geht also daraus hervor, dass durch den Erholungsvorgang der Sauerstoffverbrauch, die Zellenergie tatsächlich zurück gewonnen wird. Dass es der Sauerstoff ist, können Sie so beweisen: Sie belichten stark und holen die ganze Zellenergie heraus, die drin ist. Dann nehmen Sie der Zelle den Sauerstoff weg. Jetzt können Sie so lange warten, wie Sie wollen und wenn Sie wieder belichten, bekommen Sie niemals wieder Sauerstoffentwicklung im Licht, weil die Zelle ihre Energie nicht zurückbekommen hat. Sowie Sie dann wieder Sauerstoff einleiten und belichten, dann bekommen Sie wieder die Sauerstoffentwicklung mit der Quantenausbeute 1. Sie können also wirklich beweisen und messen, verfolgen, wie die Zelle ihre Energie bekommt und dass tatsächlich ohne diese Zellenergie das ganze System der grünen Zellen auf Licht gar nicht reagieren wird. Dadurch, dass die Lichtempfindlichkeit der grünen Zellen durch die Atmung tatsächlich erst erzeugt wird, unterscheidet sich die Photosynthese von allen photochemischen Reaktionen der unbelebten Welt. Wenn ich damit begann, dass Chlorophyll, das von der Zelle getrennt ist, photochemisch unwirksam ist, so können wir jetzt hinzufügen, dass auch Chlorophyll, das in der lebenden grünen Zelle gefunden ist, photochemisch unwirksam ist, wenn von allen Substanzen der Zelle eine einzige fehlt, nämlich diejenige Substanz, die der Träger der chemischen Hilfsenergie ist. Ihre chemische Natur ist unbekannt. Sicher ist nur, dass es nicht Adenosintriphosphat ist, wie man in der letzten Zeit von chemischer Seite manchmal angenommen hat. Denn die Beträge an Höchstenergie, die man aus der Zelle titrieren kann und die die Zelle zur Verfügung stellen kann, sind so groß, dass, wenn man den Phosphor bestimmt und annehmen würde, der ganze Phosphor ist in Adenosintriphosphat gebunden, dann würde man noch nicht den dritten Teil der Hilfsenergie erklärt haben, der wirklich zur Verfügung gestellt wird, dadurch dass man den Sauerstoff misst, der aus der Zelle herauskommt. Also, wir haben zuerst die Bindung, die Reduktion der Kohlensäure als Rückreaktion eines Atmungsvorgangs gehabt, dann haben wir hier die Hinreaktion der Atmung, ohne die die Photosynthese nicht möglich ist. Das sind schon zweimal Atmungsfermente und gleichzeitig Photosynthesefermente. Eine dritte Sache, über die ich Ihnen jetzt noch kurz berichten will, die gibt es nur bei der Photosynthese. Ich muss da mal eine Bemerkung über die Farbstoffe der grünen Zellen und ihre Lichtabsorption vorausschicken. Alle grünen Zellen enthalten neben dem Chlorophyll gelbe Farbstoffe, die Carotinoide. Während das Chlorophyll im ganzen sichtbaren Spektralgebiet absorbiert, absorbieren die gelben Farbstoffe nur den kurzwelligen Teil des sichtbaren Spektrums, und zwar am stärksten im Blau-Grünen, also etwa im Licht der blau-grünen Kadmium-Linien. Belichtet man grüne Zellen mit blau-grün, so wird etwa die Hälfte des Lichts von dem Chlorophyll und die andere Hälfte des Lichts von den gelben Farbstoffen absorbiert. Während im Rot ausschließlich das Chlorophyll und gar nicht die gelben Farbstoffe absorbieren. Je nachdem man also grüne Zellen mit rotem oder mit blau-grünem Licht bestrahlt, hat man die Möglichkeit, die gelben Farbstoffe zu fünfzig Prozent an der Absorption zu beteiligen oder die gelben Farbstoffe gar nicht zu beteiligen. Unsere, mit diesen Erscheinungen zusammenhängenden Versuche gingen nun davon aus, dass wir die Ausbeute an chemischer Energie bei der Photosynthese der Chlorella im Sommer im Allgemeinen besser fanden als im Winter. Nun wird Chlorella bei uns immer, im Sommer wie im Winter, im elektrischen Metallfadenlicht gezüchtet, aber an einem Südfenster, so dass die Zellen bei ihrer Zucht außer dem Metallfadenlicht auch immer Tageslicht erhalten haben. Tageslicht ist nun bekanntlich im Mittel kurzwelliger als Metallfadenlicht und enthält vielmehr blau-grün als Metallfadenlicht. Wir fragten uns deshalb, ob es nicht vielleicht zweckmäßig wäre, bei den Messungen der Ausbeuten der Photosynthese zum Beispiel im Rot oder im monochromatischen Grün kurzwelligeres Licht zuzusetzen und so möglicherweise die Ausbeuten der Winterzellen zu verbessern. Tatsächlich fanden wir, dass die Ausbeuten stiegen, wenn wir zu rotem oder grünem monochromatischem Licht kurzwelligeres Licht zusetzten. Am wirksamsten war blau-grün. Aus diesen Beobachtungen – bitte das zweite Bild – entwickelte sich die heutige Versuchsanordnung zur Messung der Ausbeute bei der Photosynthese. Bei diesem Versuch zum Beispiel, der also ein typischer Versuch von Winterzellen ist, wird Chlorella dauernd mit einer sehr starken Intensität von Rot bestrahlt. Dieser Versuch dauert zum Beispiel etwa sieben Stunden. Dann wird abwechselnd dabei Licht, blau-grünes Licht, zugesetzt und wieder fortgenommen. Nun ist für die Versuchsanordnung sehr wesentlich, weil es die Deutung sehr vereinfacht: Das blau-grüne Licht, was wirkt, ist energetisch fast gleich Null gegen das rote Licht, dessen Energieumsatz man misst. Das blau-grüne Licht, was man zusetzt, kann sich also an der Sauerstoffentwicklung nicht beteiligen, sondern kann nur katalytisch wirken. Nun, wenn Sie das Bild betrachten, so ist noch eines zu sagen: Im Allgemeinen drückt man die quantitativen Ergebnisse der Photosynthesenmessung durch den so genannten Quantenbedarf aus, das ist 1 durch Phi und bedeutet, die Mole Quanten absorbiert, dividiert durch Mole Sauerstoff entwickelt. Der Quantenbedarf ist also umso größer je schlechter die Ausbeute ist. Ich will Ihnen das noch einmal vorlesen, weil dieser Versuch, wie der gelaufen ist und will Ihnen die Energieausbeute dazu sagen, umgerechnet. Nach zwei Stunden, Sie müssen sich vorstellen, die Zellen kommen aus dem Dunkeln, nach zwei Stunden Blau-Grün ist der Quantenbedarf 4,4, das entspricht einer Ausbeute an chemischer Energie von 60 %. Dann wird das Blau-Grün fortgenommen. Und fast sofort steigt der Quantenbedarf auf unendlich. Das heißt, es wird überhaupt kein Sauerstoff mehr entwickelt und der Gewinn an chemischer Energie ist Null. Dann setzen wir wieder Blau-Grün zu. Der Quantenbedarf sinkt auf 3,6, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie steigt auf 75 %. Wir nehmen dann das Blau-Grün wieder fort, der Quantenbedarf steigt auf 17, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie sinkt auf 16 %. Dann wird wieder Blau-Grün zugegeben und der Quantenbedarf sinkt auf 3,2, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie steigt auf 83 %. Das Blau-Grün wird wieder fortgenommen und der Quantenbedarf steigt alsbald auf 12, das heißt, die Ausbeute an chemischer Energie sinkt auf 22 %. Im Ganzen ist also bei dem Versuch die Ausbeute an chemischer Energie bei Abwesenheit von Blau-Grün sehr schlecht und bei Gegenwart von Blau-Grün sehr gut gewesen. Würde man, was wir nicht getan haben, den veratmeten Sauerstoff zu dem durch das Licht entwickelten Sauerstoff hinzu addieren, so wäre der Quantenbedarf in den beiden letzten Blau-Grün-Perioden im Mittel 2,85, das entspricht 93 % Ausbeute an chemischer Energie. Nun zur Erklärung. Blau-grünes Licht wird, wie bereits erwähnt, von den Carotinoiden stark absorbiert. Von den Carotinoiden weiß man ferner, dass sie durch Belichtung Cis-Trans-Umlagerung erleiden. Man weiß ferner von ihnen, dass diese Cis-Trans-Umlagerungen von der lebenden Natur ausgenutzt werden, ist doch der Sehpurpur nach den Untersuchungen von George Wald ein Carotinoid und beruht die Wirkung des Lichts auf den Sehpurpur auf Cis-Trans-Umlagerungen der Sehcarotinoide- oder des Sehcarotinoids. Da nun bei den hier angeschriebenen Versuchen wenig blau-grünes Licht große Energieumsätze in Chlorella erzeugt, so ist zu schließen, dass ein im Licht entstehendes Carotinoidisomeres die Wirkungsgruppe eines Ferments der Energieumwandlung ist. Dieses Carotinoidisomer mag in Sommerzellen stabiler sein als in Winterzellen. Und so mag es kommen, dass der Einfluss des blau-grünen Lichts bei Versuchen mit Winterzellen entdeckt worden ist. Wir setzen jetzt immer Blau-Grün zu und finden auch bei den Sommerzellen fast immer dort eine wesentliche Verbesserung durch Blau-Grün, aber nicht so stark wie im Winter. Ich glaube, dass diese Entdeckung für die Fermentchemie der Photosynthese eine ähnliche Bedeutung gewinnen wird wie vor Jahren die Entdeckung der Poloxid- und Lichtwirkung für die Fermentchemie der Atmung. Jedenfalls ist das blau-grüne Licht bereits im Begriff, die bisher unbekannte Funktion der Carotinoide bei der Photosynthese zu erklären. Fasse ich zusammen, so können wir heute die Gleichung der Fermentreaktion hinschreiben, durch die die Kohlensäure bei der Photosynthese reduziert wird. Bitte das dritte Bild. Aber wir können noch nicht die Gleichung der Umwandlung der Lichtenergie in chemische Energie hinschreiben. Gleichungen wie diese – und das vierte Bild, noch mal das Dritte. Also Sie sehen hier zwei Gleichungen, die von den Tatsachen enthalten: Erstens, das Nikotinsäureamid, Dihydronikotinsäureamid, als Katalysator der Reduktion der Kohlensäure. Zweitens, Dihydrocarotin und Carotin als, indem wir Rechnung tragen den Versuchen mit blau-grünem Licht. Also diese beiden Tatsachen sind in diesen Gleichungen verarbeitet. Aber diese Gleichungen sind sicherlich falsch, weil sie das wichtigste Ergebnis aller Experimente über Photosynthese ignorieren würden, die Quantenausbeute 1 bei der Primärreaktion der Photosynthese. Bei dieser Gleichung hier haben sie 4, das kann also nicht stimmen. In die Gleichungen der Photosynthese, der Energieumwandlung der Photosynthese gehört die unbekannte Substanz hinein, die im Kreislauf von Zerfall und Wiederaufbau die Wirkung der energiearmen Quanten des sichtbaren Lichts erst ermöglicht. Damit habe ich Ihnen ungefähr alles mitgeteilt, was man zur Zeit über Photosyntheseferment sagen kann.

Otto Warburg (1954)

Experiments on the Chemistry of Photosynthesis (German Presentation)

Otto Warburg (1954)

Experiments on the Chemistry of Photosynthesis (German Presentation)

Comment

The biochemist Otto Warburg lectured already at the first Lindau meeting in 1951, but no known transcription of his lecture exists. But from the title we know that it concerned photosynthesis, an example of which is the process in which green plants with the help of light and water take up carbon from the air. Warburg lectured on other aspects of photosynthesis also in 1954 and 1963, while for his last lecture in Lindau (1966) he chose the subject of cancer. During the time span 1951-66, the Lindau meetings in medicine transformed from catering mainly for specialists to catering for a broad audience consisting more and more of young researchers and students. Warburg’s choice of topics raises a general question, which is of interest also today: Should the young people in the audience believe everything that a Nobel Laureate tells them just because he/she has received the Nobel Prize? It is quite clear that Warburg was an exceptionally gifted biochemical experimentalist and that he also made at least one discovery of Nobel stature. But it seems that he used the results of some of his experiments to construct theories that were not accepted by the scientific community. The two areas, in particular, in which Warburg’s theories met resistance, were the ones he lectured on in Lindau: Photosynthesis and Cancer! With regard to photosynthesis, his theory was built on the hypothesis of a maximum quantum yield and turned out not to be applicable. Warburg was known to defend his own ideas vehemently and this may possibly explain why Melvin Calvin, who received the 1961 Nobel Prize in Chemistry for his explanation of the way plants assimilate carbon dioxide, chose not to attend the Lindau meetings until 1974, when Warburg had passed away. As regards the topic of cancer, Warburg’s 1966 lecture gave an explanation of the cause of cancer that today is looked upon not as a cause but rather as an effect. His ideas about cancer also led him to live his life in a rather eccentric way and he eventually became what one could term a food fundamentalist. By acquiring a large area adjoining his house in Berlin, he could grow his own fruits and vegetables and keep his own small animals for food production. He baked his own bread and even, from specially delivered organically “clean” milk, separated out cream and made his own butter. So in answer to the question posed above, my personal recommendation to the young people in the audience is: Always keep an open but critical mind!

Anders Bárány

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT

Cite


Specify width: px

Share

COPYRIGHT


Related Content