VI.

Die biologische Bedeutung der Sulfhydrylgruppe. Von

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330 T o r s i e n T h u n b e r g ,

U b e r s i c h t . Sei~e

1. Einleitang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 2. is i eine praformierte, reduktionsfahige SMfhydrylgruppe eine ftir jede Zelle charakte-

ristische Gruppe ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 3. Ist die Sulfhydrylgruppe bei der Au~oxydabili~i~t des Protoplasmas beteiligt? • 334 4. Die Reduktionswirkungen der Sulfhydry]gruppe . . . . . . . . . . . . . . 337 5. Das Verhaltnis der Sulfhydrylgruppe unter Einwirkung yon Giften . . . . . . . 341

1. Einleitung. Das heterogene, chemische System, das wir Protoplasma nennen, ist durch

seine grosse Reaktionsfahigke~t ausgezeichnet. Zwar ist es mSglich, dass bei dieser Reaktionsfahigkeit die Heterogenit~t, die Mikrostruktur des Protoplasma, eine Rolle spielt, indem sie besondere, die chemische Reaktionen be- schleunigende und regulierende Verhaltnisse schafft. ][ndessen ist es wahr- scheinlich, dass der chemische Charakter der die Zellen konstituierenden, einfachen Stoffe fiir die Reaktionsf~higkeit die wiehtigste RolIe spielt. Und es ist eine elementare Aufgabe der physiologischen Forschung, die Art der Gruppen festzustellen, welehe die versehiedenen Reaktionen bedingen. Einige Hypothesen sind hierfiber aufgestellt. Ich glaube indessen, dass es nieht un- berechtigt ist, zu sagen, dass, wenn man auch davon absieht, dass sie zu exklusiv waren, indem sie allzu viele l~eaktionen durch eine einzige Annahme zu erkl~ren versucht haben, sie in experimenteller Hinsicht sehr ungenfigend fundiert waren. In der letzten Zeit ist indessen eine Hypothese aufgestelit, welche experimente]l besser gegriindet ist, eine grosse Zahl Beobaehtungen yon versehiedener Art unter demselben Gesichtspunkt vereinigt und ausser- dem den VorteiI bietet, dass sie einer fortgesetzten experiment, ellen Prtifung gar nicht unzug~nglieh ist. Diese Theorie geht vot~ der Annahme aus, dass eine Sulfhydry]gruppe (Merkaptangruppe, S H-Gruppe) eine wichtige Rolle fiir die Reaktionsf~thigkeit, insbesondere die Autoxydabilitfit und das Reduk- tionsvermOgen des Protoplasma spielt. Es ist die Aufgabe der folgenden Dar- stellung, die diesbezfigliehen Beobachtungen und Ansichten zusammenzufassen.

2. Ist eine prltformierte, reduktionsfiihige Sulfhydrylgruppe eine fiir jede Zelle charakteristische Gruppe?

Wie bekannt, gibt eine L0sung yon Nitroprussidnatrium mit Alkalisulfiden eine intensive violette F~rbung und client als empfindliches Reagens auf diese Schwefelverbindungen. Eine ~hnliche, wenn auch nicht ganz identische Reaktion gibt dine NitroprussidnatriumlOsung auch mit einer grossen Anzahl Verbindungen der atiphatischen und aromatischen Reihe, welche eine Sulf- hydrylgruppe haben. Nach der Zusammenstellung ~on I - Ie f f te r (18) be-

Die biologische Bedeutung der Sulfhydrylgruppe. 331

kommt man die charakteristische Purpurfarbe mit Nitroprussidnatrium yon folgenden Stoffen

Athylmerkaptan Thiog]yko]saure a- und fl-Thiomitchsgure Cystein Thiophenol Benzylmerkaptan.

Dagegen verhMten sieh Rhodanwasserstoff, Thioessigsfiure und Thio- benzoesiture in dieser Beziehung negativ. Die Empfindlichkeit tier Nitroprussid- reaktion ist reeht gross. Ftir das Cystein hat K. MOrner (32, S. 337), der das Nitroprussidnatrium zmn Nachweis des Cysteins zuerst benutzt hat, an- gegeben, dass die Empfindlichkeit gentigend ist, um ein Tell Cystein au~ 50,000 Teile Wasser anzuzeigen.

Diese leicht aus[tihrbare und empfindliche Reaktion hat man nun ver- wendet, um die Verbreitung der Sulfhydrylgruppe zu nntersuchen. Man kann zwar einwenden, dass die Reaktion aueh durch andere Stoffe hervorgerufen werden kann und besonders kommen Kreatiniu und Aceton in Betracht. Durch besondere Massnahmen seheint es jedoch mOglich Verweehselungen aus- zuschliessen (siehe H e f f t e r [18]). Auch konnte marl einwenden, dsss nicht jede Sulfhydry]gruppe die Nitroprussidreaktion gibt, wie oben angegeben ist. In der Tat entdeckt man mit dieser Reaktion, wie H e f f t e r hervorhebt, nur diejenige Sulfhydrylgruppe, we]che alas VermOgen reduzierende Wirkungen auszufiben, besitzt.

Der erste, der die Nitroprussidreaktion ffir systemat]sche physiologisehe Untersuchungen verwendete, war Gola (1902, 14), tier auf dem Gebiete tier Pfianzenphys/ologie zu dem Ergebnis kam, dass eine dem Cystein ahnliehe, also sulfhydry]haltige Substanz fiberhaupt ffir alle meristematischen (d. h. neuen Zellen Ursprung gebenden) Gewebe eharakteristisch ist. Durcli Golas Untersuehungen angeregt, hat B u f f a (9) naehher die weite Verbreitung dieser Gruppen aueh in den tieriscllen Geweben gezeigt. Ohne Go la s und B u f f a s Untersuchungen zu kennen, hat nachher He f f t er (18) in "einer grossen Zahl tieriseher Organe und Orgauextrakte BesLandteile nachgewiesen, die die SH-Gruppe enthatten. Weder B u f f a noeh H e f f t e r haben indessen diese Gruppe in a l l e n untersuchten Organen gefunden. Ieh ffihre hier die Tabelle yon t t e f f t e r an.

O r g a n R e a k t i o n Leber stark Quergestreifte Muskel ,~ Nieren-Mark ,, Nebennieren-Mark Gehirn

332 Torsteu Thunberg,

O r g a n R e a k t i o n Darmsehleimhaut stark Nieren-Rinde sehwaeh Herzmuskel Lunge ~: Unterhautzel]gewebe Aortenendothel Nebennierenrinde negativ Magenschleimhaut ,, Sehilddrtise Knorpet Knoehen ,, Fettgewebe

Es ware indessen verfriiht, aus diesen Beobaehtungen zu sehliessen, dass die Sulfhydrylgruppe in gewissen Organen fehlt. Die Empfindliehkeit der Nitroprussidreaktion ist ja nieht unbegrenzt; die MSgliehkeit ist ja nieht aus- zusehliessen, dass die Gegenwart gewisser Stoffe das Hervortreten der Reaktion verhindern kann usw. Wahrseheinlieh wird die Reaktion hiiufiger positiv ausfallen, je empfindlieher sie gemaeilt werden kann.

Die giehtigkeit einer soleheu Annahme seheint aus den in der letzten Zeit ersehienenen Arbeiten A r n o l d s (2 und 3) hervorzugehen. A r n o l d hat zweekm~tssige AbSnderungen der Nitroprussidreaktion angegeben und damit versehiedene Organe, Organextrakte und isolierte EiweisskSrper geprtift.

Wir wollen die Arbeiten A r n o l d s in Zusammenhang mit der Frage bespreehen, an welehen Zellsubstanzen die Sulfhydrylgruppe gebunden ist.

Zuerst kommen dabei gewisse Eiweissk(irper in Betraeht. H e f f t e r (1 8) seheint zuerst ausffihrlieh darauf hingewiesen zu haben, dass ein Eiweiss- k6rper und zwar das Ovalbumin die Nitroprussidreaktion gibt. Zwar ist sie in einer Ovalbuminliisung kaum wahrzunehmen. Wenn man indessen ~riseh koagulierte Ovalbuminfloeken im geagenzglas mit ganz verdiinnter Nitro- prussidnatriuml6sung durehsehtittelt und dann Ammoniak hinzuftigt, bekommt man eine positive Reaktion. Zwar kann man ja &e ])'rage auf- werfen, ob die so naehgewiesene Sulfhydrylgruppe wirklieh prgformiert ist, oder ob sie nieht erst bei der Koagulation entsteht. Eine andere, spgter zu bespreehende Reaktion (die Sehwefelwasserstoffbildung bei Zusatz von Sehwefel), welehe das Ovalbumin in sieher nieht denamriertem Zustand zeigt, sprieht indessen ffir die Praexistenz der Sulfhydrylgruppe.

Naehher hat A r n o l d (2} gefunden, dass eine ganze Reihe yon Eiweiss- k6rpern die Nitroprussidnatriumreaktion gibt. Von den Eiweissstoffen des Muskels geben z. B. die naeh der Vorsehrift H a l l i b u r t o n s dargestellten I~Iuskelglobuline (Myosin und Museulin) die Reaktion zwar nieht kraftig aber durehaus deutlieh. Die Stromasubstanz des Muskels gibt sie sehr

Die biologische Bedeu~ung der Sulfhydrylgruppe. 333

sch5n und kraftig. Auch die Gewebseiweissk0rper, welche aus einern Organ- brei ausgef~ilt werden, wenn sie naeh Ansauerung mit Na~SQ verrieben werden, geben diese Farbenreaktion in starkern Grade. Besonders seheint A r n o l d in dieser Beziehung die Leber und den Thymus untersucht zu haben. Er erwahnt indessen, class alle Organe, alle untersuchten Tierarten, diese Reaktion geben. Eine allgemeine Eiweissreaktion liegt jedoch hier nicht vor. Mehrere Eiweissk0rper geben die Reaktion nieht. Es gehSren hierher das Ovomucoid des ttfihnereies, die Eiweissk0rper des Blutserums und der Exkrete und Sekrete des Organisrnus (das Muein des Mundspeichets, das Casein, die Harneiweissk~rper).

Die Nitroprussidreaktion der Organe seheint jedoch nicht aussehliess- lieh yon den Eiweissk0rpern bedingt zu sein. Werden narnlich in Organ- extrakten oder Presssaften tierischer Organe die Eiweissk~rper vermittelst Na2S Q oder (NH~)2SQ vollstandig ausgefatlt, so zeigt nach A r n o l d ein solcher Extrakt noeh eine intensive purpurviolette Nitroprussidreaktion. Der K0rper, der diese Reaktion gibt, soll naeh A r n o l d Cystein sein. Wenigstens scheint er in allen untersuehten Reaktionen dasselbe Verhalten wie Cystein zu zeigen.

Da das Cystein also ein konstanter und wesentlieher Bestandteil einer jeden funktionst~ichtigen tierischen Zelle zu sein scheint, ist es nach A r n o l d als prim~rer Zellbestandteil im Sinne K o s s e l s anzusehen. Dieselbe Be- haupmng wiirde man also a for t io r i ffir die Sulfhydrytgruppe aufstellen k0nnen. Sie kommt ja nieht nur in dern Cystein vor, sondern auch in ge- wissen EiweisskOrpern der Zellen.

Die hier angef(ihrten Untersuehungen knfipfen sieh ja sehr nahe der Frage an, in welcher Bindungsforrn der Sehwefel irn Proteinmolekfil vor- kommt. Durch die Untersuchungen yon K. M0 r n e r (32) ist es bekannt, dass in einigen Stoffen, wie tlornsubstanz, Serumalburnin und Serurnglobulin, aller Sehwefel als CystinschwefeI vorkommt. Diese Stoffe sollen derngern~ss keine pr~formierte Sulfhydrylgruppe haben, was auch rnit dern Ergebnisse der Arnoldschen Untersuchungen stirnrnt. Die Eiweissk0rper des Blutserurns geben ja die Nitroprussidreaktion nicht. In anderen Stoffen wie ~rn Fibrinogen und Ovatburnin seheint naeh M O r n e r nut die H~lfte oder ein Drittel des Schwefels als Cystinsehwefei vorzukommen. Hier ist also eine M0glichkeit ffir das Vorkomrnnis einer pr~forrnierten Sulfhydrylgrllppe g e g e b e n . - Fort- gesetzte Untersuehungen sind indessen nStig, urn zu zeigen, inwieweit diejenigen Eiweissk0rper, welehe das Schwefel in anderer Bindung als Cystinbindung haben, eine Sulfhydrylgruppe oder noch weitere schwefethaltige Gruppen ffihren.

334 Torsten Thunberg,

3. Ist die Sulfhydrylgruppe bei der Autoxydabilitfit des Protoplasmas beteiligt.

Da die Sulfhydrylgruppe in dem Organismus tells in verschiedeuen Ei- weissstoffen, tells in dem Cystein vorkommt, ergibt sich die Frage, was fiir Eigenschaften diese Stoffe dutch ihre Sulfhydrylgruppe besitzen. Ieh denke dabei an solche Eigenschaften, welche in dem physiologischen Geschehen eine Rolte spielen kSnnen, nicht an eiue solche Eigensehaft wie z. B. das VermSgen mit einer Nitroprussidverbindung eiae Farbenreaktion zu geben. In erster Reihe ist dabei die Autoxydabilitfit zu nennen. Jedoeh muss gleich erwiihnt werden, dass es noeh nieht durch direkte Versuche, dutch Messen der ~Ienge des aufgenommenen Sauerstoffs festgestellt ist, dass die Sulfhydryl- haltigen Eiweissstoffe autoxydabel sind. Dagegen sind die Sulfhydrylver- bindungen, wetehe als Spaltungsprodukte entstehen, ausgesprochen autoxydabel. Die Thioglykolsaure, welehe naeh F r i e d m a n 11 s (13) Untersuehungen wahr- scheinlich unter den Spaltungsprodukten der Wolle vorkommt, wird, wie schon C l a e s s o n (10) (jetzt K la son) , der erste Darsteller dieser Substanz er. erwiihnt, wenigstens in Form ihres neutralen Kaliumsalzes, yon der Luft oxydiert. Und die Thiomilchsiiure, welehe yon S u r e r (42), K. M O r n e r (32) m~d F r i e d m a n n (13) als hydrolytisehes Spaltprodukt der Keratine be- schrieben ist~ wird yon dem Sauerstoff der Luft langsam zur Dithios~ure oxydiert, wie L o v 6 n (-v6 uud 27) bei seiner Synthese dieser Substanz fund. Schon L o v 6 n erw~hnt aueh, dass die Oxydation am schnellsten bei Gegen- wart einer Spur eines Eisen- oder Kupfersalzes also uuter Einwirkung yon KatMysatoren stattfindet.

Und auch die Autoxydabilit~tt des C ysteins wurde schon yon dem ersten Hersteller dieser Substanz, B a u m a n n (5), hervorgehoben. Er bemerkt, dass das Cystein nur iu saurer LSsung oder in trockenem Zustande best~ndig ist und dass die Umwandlung in Cystein in alkaliseher L0sung schnell erfolgt, eine Angabe, die indessen nach den Untersuchungen zweier amerikanischer Forscher etwas zu korrigieren ist.

M a t h e w s und W a l k e r (29) haben n~mlich die Beobachtung gemacht, dass die spontane Oxydation des Cysteins yon der Reaktion des M[ediums m~chtig beeinflusst wird und zwar in der Weise, dass sie nur bei etwa neutraler Reaktion schnell vor sich geht. Die gfinstige Wasserstoffionen- konzeutration liegt zwischen 10 -5 und 10 -j° GrammolekiiI pro Liter, und die gfiustigste scheint 10 -s zu sein, ein Wert, der recht genau mit der Wassersto~onenkonzentration des reiuen Wassers (10-7), des Blutes und des Zellinhalts stimmt.

Die Ursaehe dieser Abh~ugigkeit der Autoxydation yon tier tCeaktion des Mediums suchen M a t h e w s und W a l k e r in der folgenden Annahme. Das Cystein - - wie andere Aminos~uren - - kann sich sowohl mit Si~uren

Die biotogische Bedeutuug der Sulfhydrylgruppe. 335

als mit Basen zu Salzen verbinden. In Verbindung mit einer Saure tritt es als ein positives Ion auf, als negatives Ion, wenn es mit einer Base ver- bunden ist. In Form sowohl eines negativen als eines positiven Ions ist das Cystein best~ndig; nut das neutrale, nicht ionisierte Molekfil ist autoxydabel. Die Autoxydabiliti~t ist also yon den Existenzgrenzen des neutralen Cysteins abh~tngig.

In der Empfindliehkeit und der Lage des Optimmns ahnelt die Cystein- oxydation den Oxydationsvorgangen in der lebendigen Substanz, wie Math ews und W a l k e r hervorheben. Noeh eine Ubereinstimmung haben die genannten Forscher darin gefunden, dass auch die Autoxydation yon Cystein durch Cyankalium gehemmt wird.

Der Gedanke, dass Sulfhydrylverbindungen eine Rolle fiir die normale Oxydationserscheinungen der Zellen spielen, scheint zuerst yon H e f f t e r (17) ausgesprochen worden zu sein. Mit Untersuchungen fiber das Reduk- tionsvermOgen der Zellen beschaftigt, kam H e f f t e r zu der Auffassung, (lass eine Sulfhydrylgruppe dabei wirksam war (siehe unten); dabei wurde er allmahlich auch zu der Auffassung geleitet, dass die Sauerstoffaffiuit~t der Zelien wenigstens zum Tell yon der Anwesenheit yon Sulfhydulverbindungen abh~ngt. U n d e r sieht als wahrscheinlich an, dass die Autoxydation der Sulfhydrylverbindungen der Zellen durch positiv katalytisch wirksame Sub. stanzen beschleunigt wird; - - man weiss ja, dass Alkalien, Eisen- und Kupfer- salze die Autoxydation mehrerer Sulfhydrylverbindungen beschleunigen.

Unter solchen Umst~nden ist es von physiologischem Interesse zu wissen, wie der Vorgang der Autoxydation bet den Sulfhydrylverbindungen verliiuft. H e f f t e r richtete bet seiner Darstellung dieses Vorganges die Aufmerksam- keit auf die Untersuchungen yon E n g l e r und B r o n i a t o w s k i fiber die Autoxydation des Thiophenols. Beim Schfitteln mit Luft nimmt diese Sub- stanz auf vier Molekiile genau ein Molekfil Sauerstoff auf, wobei Wasser- stoffsuperoxyd intermediar entsteht. Unter Anwendung auf die Sulfhydryl- verbindungen der Zellen drfickt H e f f t e r den Vorgang in folgender Weise ganz allgemein aus:

2 R. SH @ O~ = g . S @ H20~'

.gR. S H + H~0~ = I 4- 2H~O . R S

Dabei ist es naeh H e £ f t e r nicht ausgeschlossen, dass die autoxydablen Sulfhydrylverbindungen der Zellen nieht wie die Thiomilchs~ure und das Cystein eine, sondern zwei Sul£hydrylverbindungen enthalten. In diesem Fatle setzt sich das entstehende Restprodukt natfirlieh nicht aus zwei Mole- kfilresten zusammen, sondem die Autoxydation verlguft naeh £olgendem Schema.

336 T o r s t e n Thunbe rg ,

,SH S R ~ S H + O ~ = R ~ s + H 2 0 2 u s w "

In dem yon E n g l e r untersuehten Spezialfall der Autoxydation des Thio- phenols wirkt der Autoxydator zugleieh als Akzeptor, i:~dem das im ersten Stadium gebildete Wasserstoffperoxyd zwei weitere Molekfile Thiophenol oxydiert. In dem komplizierten Chemismus der Zelle ist, wie H e f f t e r bemerkt, aueh ein anderer ReaktionsveEauf denkbar. Der Peroxydsauerstoff kann mit oder ohne Mitwirkung einer Peroxydase an einen anderen Akzeptor abgegeben werden und die Oxydation der oxydablen Stoffe bewirken.

Jedenfalls ist dutch den Nachweis autoxydabler Sulfhydrylverbindungen eine M0gliehkeit ffir die Entstehung yon Hydroperoxyd in den Zellen ge- geben, wenn aueh weitere Untersuchungen nStig sind, um zu zeigen, ob eben die Sulfhydrylverbindungen der Zellen eine Wasserstoffperoxydbildung tat- saehlieh bewirken.

Selbstverstandlich mfissen die entstandenen Disulfide wieder reduziert werden, wenn sie ihre Rolle bei der Oxydation dauernd spielen sollen. Um die Frage, wie dieser Vorgang zu denken ist, zu beantworten, zieht H e f f t e r die Umwandlung des Cystins in Cystein dutch Natriumsulfit zum Vergleieh. Er hat namlich gefunden, dass, wenn man Cystin mit einer ] 0 °/oigen Natrium- sulfitl0sung erw~rmt, das Cystin sich rasch aufl0st und in Cystein fibergeht.

SCH~ . CH(NH~) . COOH S] @ tt20 ~ N% SOs -" CH~. CH(N~). COOH

2SHCH 2 . CH(NH2)COOH -~- Na~SQ.

Under nimmt nun an, dass unter Mitwirkung yon Wasser und e:nem

nach Art der Sulfite wirkenden KSrper die Sulfhydrylverbindung sich nach folgendem Schema regeneriert.

R . S

R . S In einer frfiheren Arbeit babe i eh (43) zu zeigen versucht, dass die

Analyse derjenigen Oxydationsgeschwindigkeitskurve, welche man bekommt, wenn man die Oxydationsgesehwindigkeit als Funktion des Sauerstoffspartiar- druekes ausdr~iekt, zu dem Ergebnis ffihrt, dass solehe Oxydationstheorien, die einen Stoff wechselweise Sauerstoff aufnehmen und abgeben Iassen, mit dieser Kurve fibereinstimmen. Wie mansieht, geh0rt die Heff te rsche SuIfhydIsdtheorie zu den Theorien, welche mit der Oxydationsgesehwindigkeitskurve sfimmen.

Die yon H e f f t e r entwiekelte Ansieht fiber die Beteiligung leicht beweg- lieher Wasserstoffatome bei den Oxydationsprozessen in den lebenden Zellen ]st eine nahere Pr~tzisierung einer Ansicht, welehe sehon bei frfiheren Forsehern sieh ausgesprochen finder, zwar ohne die Begrfindung, welche in dem Nach- weis der Sulfhydrylverbindungen gegeben ist.

Die biologische Bedeutung der Salfhydrylgruppe. 337

Sehon H o p p e - S e y l e r (22) hat nitmlieh auf die wiehtige Rolle des Wassersioffs ffir die Aktivierung des Sauerstoffs hingewiesen. Erst durch H e f ~t e r ist diese Annahme zu einer wirklich fruchtbaren Arbeitshypothese ausgebaut worden.

Diese Annahme yon der Bedeutung der Sutfhydrylgruppe ffir die Aut- oxydabilitiit der ]ebendigen Substanz schliesst ja gar nicht aus, dass auch andere Gruppen dabei teilnehmen. Besonders muss man nach der Entdeckung E r l a n d s e n s (11) yon der Autoxydabilitat der Phosphatide an diese Sub- stanzen und ihre unges~tttigte Fetts~iuregruppe denken. Es ist eine wichtige Aufgabe, das Verhalten eines Systems zu studieren, welches sovohl die Sulf- hydrylgruppe wie eine ungesiittigte Fettsiiuregruppe enthitlt.

4. Die Reduktionswirkungen der Sulfhydrylgruppe. Dass tierische (und pflanzliche) Zellen und Organe reduzierende Wirkungen

ausiibeu, ist schon lange bekannt. Man kann dieses Reduktionsvermtigen a]s eine Konsequenz desselben unges~ittigten Charakters der lebendigen Substanz, welches sich auch in ihrer Autoxydabititat i~ussert, ansehen.

Die Reduktionen, welche die tierischen Zellen bewirken, mSgen hier in zwei Gruppen aufgeteilt werden.

Erstens haben wir soIche Reduktionen, welche darin bestehen, dass der Sauerstoff einer sauerstoffhaltigen Substanz in Anspruch genommen wird. Anstatt also des ffeien Sauerstoffs der Luft nimmt die lebendige Substanz dabei den gebunclenen Sauerstoff irgend ether chemisehen Verbindung auf. Beispiele solcher Reduktionen haben wir in der Reduktion des 5Titrats in Nitrit, welche Reduktion schon 1879 yon B a r t h (4) au~ Anregung von B i n z studiert wurde, weiter in der t~eduktion der Arsensiiure in arsenige Siture, eine Reduktion, welche B i n z und S c h u l z 1879 (8) gefunden haben. Aueh die Umwandluug yon 5~itrobenzot in Anitin ( A b e l o u s und G 6 r a r d [1]), yon Jodaten in Jodide (Binz und Mt i l l e r [7]), yon Telluriten und Telluraten in Tetlur ( H a n s e n [15], H o f m e i s t e r [21]) geh~ren zu dersetben Gruppe yen Reduktionswirkungen.

Dagegen dfiffte wohl die Reduktion einer OxyhltmoglobinlSsung, welche Reduktion yon B e r n s t e i n (zit. nach I - I e f f t e r [18]) ftir ein Studium der Reduktionskraft der tierischen Gewebe verwertet worden ist, in der Weise vorgehen, dass zuerst ffeier Sauerstoff dureh Dissoziation entsteht, wonach er so verbraucht wird. ttier dfirfte also kaum eine Reduktion in oben ange- wandtem Sinne vorliegen.

Zweitens haben wir Reduktionen~ welche darin bestehen, dass Wasser- stoff an dem KSrper angelagert wird, welcher in Reaktion mit der tebendigen Substanz gebracht worden war. In der Bildung yon Schwefelwasserstoff aus rein verteiltem Schwefel, welcher Vorgang zuerst (1888) yon de Rey -

A s h e r - S p i t o , Ergebni~se der Physiologie, KL Jahrgang. 22

3~ Torsten Thunberg,

P a i l h a d e (38, 39) beobaehtet wurde, haben wir ein gutes Beispiel sotcher Reduktionen.

De R e y - P a i l h a d e hat zuerst mit frischer Bierhefe experimentiert und gefunden, dass nicht nur diese selbst, sondern auch ein Alkoho]extrakt tier- selben mit Sehwefel Sehwefelwasserstoff zu bilden vermag. Der Alkohol- extrakt war hergeste]lt, indem die gut getrocknete Here mit ihrem eigenen Gewicht Alkohol yon 86% w~hrend zweier Tage unter 5fterem Umschfittetn mazeriert wurde. Die Mischung wurde dann dekantiert und filtriert. Die so erhaltene Flfissigkeit (yon etwa 45 % Alkoholgehalt) gab mit Schwefel gemiseht die Sehwefelwasserstoffreaktion (ein in das Gef~ss eingeh/ingtes t~euchtes Stfick Bleipapier wurde geschw~rzt). Diese F/ihigkeit der Here soil durch t/ingeres Aufbewahren, durch zweist~indiges Erhitzen fiber 700 C, durch Chlor, Brom und Jod, dutch die lqeutralsalze dieser Elemente, durch starke S~turen und Alkalien, durch Zusatz yon konzentriertem Methylalkohol oder mehrt/igiges Durchleiten von 'Luf t verloren gehen. Die Bildung yon Schwefelwasserstog solt auch naeh dem Tode tier I-Iefezelte m6glieh sein.

Dem in Rede stehenden Vorgang zugrunde l[egend, dachte sich d e R e y- P a i l h a d e eine besondere Substanz in der Hefezelle, die er mit dem l~amen P hi 1 o t h i o n belegte und v°n welcher er gtaubt, dass sie nach Art eines

Enzyms wirke. hn weiteren Verlaufe der Untersuehungen kam d e R e y - P a i I h a d e zur

Erkenntnis, dass dieses sogenannte Philothion sich nieht nur in der Hefezelle, sondern aueh in allen tierisehen Geweben finde. Doch lasse sich dasselbe hier nieht mit Alkohol extrahieren.

Ebenso sei das Philothion in manehen Pflanzen, wie z. B. in den jungen Trieben des Spargels vorhanden. Welter soll die ungleich grosse ff/ihigkeit versehiedener Gewebe eines K6rpers Sauerstoff zu konsumieren sich analog ihrem Gehalte an Philo~hion verhalten.

Die Erzeugung von Schwefelwasserstoff seitens des Philothion ist nach de R e y - P a i l h a d e nur ein zuf~lliges dutch die gelegentliehe Zufuhr yon Schwefel bedingtes Ph~tnomen. Die eigentliche Aufgabe dieser Substanz soll darin bestQhen, class sie mit dem Sauerstoff, wetcher den Geweben zugeffihrt wird, Wasser bitdet.

An alas Studium dieses Schwefelwasserstoff bildenden Vorganges knfipften sieh die Fortsehritte in unserer Auffassung yon der Reduktionsf/ihigkeit der

Zellen. Wie sehon erw/ihnt, wurde die Bildung yon Sehwefelwasserstoff aus rein

verteiltem Sehwefel yon d e R e y - P a i l h a d e auf ein Enzym zurfiekgeffihrt. Sehon die Angabe dieses Forschers, dass die Sehwefelwasserstoffbildung reeht begrenzt ist - - so soll 100 ccm eines I-Iefeextraktes nur etwa 1 mg Sehwefel- wasserstoff zu bildQn verm~Sgen - - s p r i c h t indessen gegen eine solehe Auf- fassung. Und R 6 s i n g (40), tier 1891 auf Veranlassung yon N a s s e sieh

Die Biologische Bedeutmng der Sulfllydrylgruppe. 339

mit der Wirkung von subkutan injiziertem Schwefel bescMftigte und dabei zu der Annahme einer Schwefelwasserstoffbildung geleitet und so auf die Arbeiten yon de R e y - P a i l h a d e aufmerksam gemacht wurde, sprach sieh entschieden gegen die Enzymnatur der wirksamen Substanz aus. Wie er bestatigte, war die Schwefelwasserstoffbildung ein sehr beschr~inkter Vor- gang und welter wurde die Bildung yon Schwefelwasseratoff dutch Antiseptika nieht aufgehoben, falls sis nicht in einer das Eiweisa stark ver~ndernden Konzentration angewandt wurden. (Dieser Umstand dtirfte indeasen nicht als entscheidend a•gesehen werden kSnnen.) Anstatt die Erseheinung der Sehwefe]wasserstoffbildner als einen enzymatisehen Prozess anzusehen, fasste RtSsing sie als yon verschiedenen Eiweisaatoffen abh~ngend auf. Die Be- obachtung d e R e y- P a i l h a d e s, class ein alkoholiseher ttefeauszug in dieser Beziehung aktiv ist; kann dagegen nicht zu Felde geft~hrt werden, denn dass dieser Auszug Eiweiss enthielt, liess sieh schon aus der von de Rey- P a i l h a d e erw~hnten Trfibung beim Erhitzen auf 70 0 C vermuten und wurde yon RSs ing dureh den positiven Ausfall verschiedener Eiweissproben bewiesen.

Vonder Annahme also ausgehend, dass die Schwefelwasseratoffbildung yon einer Reaktien zwisehen einer Eiweisssubstanz und dem Schwefel ab- h~tngt, entwiekelt R ~ s i n g folgende Auffassung. Er nimmt an, dass aueh dan Wasaer sieh an der Reaktion beteiligt und zwar so dasa das Eiweisa aich dureh Aufnahme einea Hydroxyls aus dem Wasser hydroxyliere, indem das Hydroxyl an Stelle eines Wasserstoffatomes des Eiweissmolek~ls trete und dieses Wasserstoffatom mit dem restierenden Wasserstoffatome des Wasaers sieh eines Sehwefelatoms behufa Bildung yon Sehwefelwasserstoff bemitehtige.

Dieser Auffassung hat sieh auch N as se (34) angeschlossen. Bei diesem Standpunkt der Frage setzten die wiehtigen Untersuehungen

yon t t e f f t e r (17) ein. Dieser Forscher, der schon frfiher in Nasse ' s Institut sich mit Unter-

suchungen fiber die Physiologie des Sehwefets beseh~tftigt und sparer die Re- duktion der Kakodylsaure dutch tierische Organe gefunden hatte, hat die Angaben yon de R e y - P a i l h a d e und R S s i n g best~tigt, korrigiert und er- weitert. In Gemeinsamkeit mit H a u s m a n n land er, wie R 6 s i n g , dasa die H2S-Bildung des Eierklars ein zeitlieh begrenzter Prozess ist, stellte aber darfiber feat, class die H~S-bildende Eigenschaft des Eierk]ars dem Ovalbumin zukommt. Er land entgegen R5 s ing, dass das VermSgen, aus Schwefel It, S zu bilden, durch Kochen nicht aufgehoben wird. Wie N a s s e und R S s i n g glaubt aueh H e f f t e r , dass es sich bei der Einwirkung yon Sehwefel auf Ei- weisastoffen um einen Oxydationaprozeas handelt. Die H2S-Bildung wird ja dureh kleine Mengen oxydierender Mittel aufgehoben, wie sehon d e gey-Pa i l - had e und R5 s in g fanden, t t e f f t e r weicht indessen in einem entseheidenden Punkte von der Auffassung Nassea und R(Ssings ab. Von der Erfahrung

22*

340 Torsten Thunberg,

ausgehend, dass der Schwefel unter Umstanden ein geMgnetes Mittel ~st, Wasserstoff wegzunehmen, wirft er die Frage auf, ob es sich nieht nur um ein Austreten yon Wasserstoffatomen aus dem Eiweiss handetn kann. Sehr leicht spalten z. B. gewisse Thioverbindungen Wasserstoff ab und I t e f f t e r land bei direkten Versuehen, dass Benzylmerkaptan, Thiophenol und Thio- glykolsaure sich bei Gegenwart yon Schwefel schon bei gewShnlicher Zimmer- temperatur unter Bildung yon HaS oxydieren. Ja das VerhMten einiger Thioverbindungen bieten in so vielen Hinsichten Analogien zu den mit Sehwefel reagierenden Eiweissstoffen, dass H e f ft er die Aunahme, dass diese Eiweissstoffe eine Merkaptangruppe enthalten, aufwirft.

Diese Annahme wird in einer zweiten Abhandlung yon H e f f t e r (18) noch erh~rtet. Er zeigt da, class das Cystein, die Thioglykolsaure sich gegen Sehwefel genau so verhalten, wie das Ovalbumin und die reduzierenden Ge- websbestandteile. Sie bilden bei Zimmer- oder KSrpertemperatur eine be- sehrankte Menge Schwefelwasserstoff und verlieren diese F~higkeit durch die BehandIung mit Oxydationsmitteln, durch die sie unter Entziehung des labilen Wasserstoffs in Disulfide fibergeffihrt werden. Ja, das Cystein und die anderen genannten Sulfhydrylverbindungen vermSgen dieselben Reduk- tionen auszuffihren, die man ausser der Schwefe]wasserstoffbildung an Or- ganen oder Organ- und Ze]lextrakten beobachtet hat. Dies gilt yon der Re- duktion tier Arsensaure zu arseniger Saute, yon tier Reduktion der Jodate zu Jodidea, der Tellurite und Tellurate zu Tellur, des Queeksilberchlorfirs zu metallisehem Queeksilber usw. Und aueh betreffend der Reduktion einer Methylenblaul~sung hebt H e f f t e r hervor, (]ass man sie auch durch Cystein bewirken kaun. Eben die Reduktion dieses Stoffes ist im I t e f f t e r s c h e n Laboratorium yon S t r a s s n e r (41) genau untersucht, wobei sieh eine aus- gesproehene Analogie zwisehen der entf~trbenden Einwirkung der Leber und der Einwirkung der Thioglykols~ture ergab. Dabei wurde auch be- obachtet, dass gewisse Gewebebestandteile das VermSgen besitzen, die Re- duktion der Sulfhydrylgruppe zu beschleunigen.

H e f f t e r geht indessen nieht so weir, dass er alle Reduktionswirkungen der Gewebe auf die Sulfhydry]gruppe bezieht. Er ist im Gegenteil der An- sicht, class einige Reduktionen nicht durch den labilen Wasserstoff der SuIf- hydrylverbindungen bewirkt werden. Bereits ]iegen namtich Tatsachen vor, die gegen eine einheitliche Auffassung der Reduktionswirkungen sprechen. So dfirfte die Reduktion der Nitrate, wahrscheinlich auch des Nitrobenzols, nieht durch d~e Sulfhydrylgruppe bedingt sein. Sie wird z. B. durch Blau- saure gehemmt und dutch Aufkochen v~ltig aufgehoben, wahrend die Re- duktion der Farbstoffe, des Schwefels usw. durch Blausaure gar nieht beein- flusst, dutch Erhitzen auf 100 ° h~chstens verminder~ wird.

Schon jetzt sind indessen Grfinde vorhanden, dem Unterschied im Ver- haltnis gegen Blaus~ture grSssere Bedeutung nicht zuzumessen. Dass die Sulf-

Die biologische Bedeutung der Sulfhydrylgruppe. 341

hydrylgruppe ffir Blausi~ure empfindlieh ist, geht z. B. aus den Unter- suehungen yon M a t h e w s und W a l k e r (29) hervor und auch S t r a s s n e r fand, dass Btaus~ure die Reduktionswirkung sowohl tier Gewebe wie tier Thioglykolsaure hemmt. Dessen ungeachtet ist es ja sehr m0glich, dass andere Gruppen bei den Reduktionswirkungen der Gewebe eine Rolle spielen. Man kann ja an die ungesi~ttig~en Phosphatide denken, und O. F r i i n k e l und No g u e i ra (12) haben zu zeigen versucht, dass die Reduktion yon Methylen- blau durch die Niere eine Funktion eines ungesattigten Phosphatids ist.

5. Das Verh~ltnis der Sulfhydrylgruppe unter Einwirkung yon Giften.

Wie S. L a n g (24) zuerst gezeigt hat, warden die Btausi~ure und ihre Satze im Organismus in Thiocyansiiure (Rhodans~ture) umgewandel~ und in dieser Form im ttarne abgegeben. Am besten geIingt die Rhodanreaktion des tIarnes, wenn mail die Cyanvereinigung in kleinen, nicht toxisch wirkenden Gaben wiederholt darreicht. Auf diese Weise gelang es L a n g gr0sseren Hunden nach und nach bis 0,2 g Blaus~ure in Form yon Cyanka]ium beizubringen, ohne dass Vergiftungserscheinungen eintraten.

In derselben Weise gibt der Harn eine ausgepriigte Rhodanreaktion, wenn man Stoffe, welche eine CN.Gruppe abspalten, verffittert. L a n g hat dies ffir Acetonitril, Propionitril, Butyronitril und Capronitril gefunden. Be- sonders ist das Acetonitril fiir solche Versuche empfehlenswert. Es ist nicht so giftig wie die h5heren Homologen, was L a ng damit in Zusammenhang stellt, dass der Organismus gegeniiber der J~thy]-, Propyl- und Butytgruppe ein hSheres Oxydationsverm0gen hat, als gegeniiber der Methylgruppe. Die Blaus~iurevergiftung wird daher bei Ausfiitterung der h~hereu Homologen heftiger.

Diese Paarung des Cyanradikals mit der SulfhydryIgruppe stellt, wie L a n g hervorhebt~ einen ausgesproeheneu Entgiftungsvorgang dar, wenn man unter Eatgiftung die Uber:[iihrung eines giftigen K0rpers in einen minder giftigen versteht. Denn, wie aus den Arbeiteu yon P e l i k a n , P a s c h k i s und P o d c o p a e w (zit. naeh L a n g 24) hervorgeht, wirken Rhodsnverbinduugen erst in Mengen toxisch, wie sie als Umwandlungsprodukte der Blausfiure nie auftreten k5nnen. So sind z. B. Dosen won 0,003 g Blausi~ure pro Kilo Kaninchen sicher letal, wahrend Rhodan bei Kaninchen erst bei 0,5 g toxisehe Wirkungen entfaltet (Pe l ikan ) l Die yon L a n g entdeckte Rhodanbildung aus Nitrilen mit Einschluss der Blausiiure veranlasste P a s c h e l e s (35), den Mechanismus dieser Rhodanbildung zu untersuchen. Er land, dass gewisse schwefelhaltige Eiweissstofie Cyanalkali leicht in Rhodanalkali iiberffihren. Be- sonders aktiv war Eiereiweiss. Durch diesen Nachweis siehf P a s c h e l e s die Rhodanbildung des Organismus als au[gekliirt an. Die Organe des KSrpers

342 T o r s t e n Thunberg ,

bestehen zum grossen Teile aus Eiweissstoffen, die locker gebundenen Sehwefel enthalten. Wie die Stoffwechse]untersuchungen lehren, finder fiberdies ein fortw~thrender Eiweisszerf~lt unter Schwefelabspaltung start. Unter diesen Verh~tltnissen muss das in den KSrper gelangte Cyan zum mindesten ebenso leicht, wahrscheinlich aber noch viel ieiehter als beim Zusammenbringen mit Eiweiss ausserhalb des K0rpers in Rhodan fibergeftihrt werden. In seinem Vorrate an locker gebundenem Schwefel besitzt also der Organismus ein leicht in Wirksamkeit zu setzendes Gegengift gegen die Cyanvergiftung, dem es wohl zuzuschreiben ist, dass die BlausSurevergiftung unterhalb der ]e~alen Dosis relativ leichte, zumeist rasch vortibergehende Erseheinungen auslSst. So wird es auch verst~tndlich, dass bei sukzessiver Einfuhr yon kleinen Blau- s5uredosen, wenn zwisehen denselben ein ausreichendes Zeitinterva]l liegt eine sehr bedeutende Menge yon Blaus~ture otme jeden Schaden beigebracht werden kann und eine Summation der Wirkung niemals erfolgt.

Nachdem es gelungen war, das Sehieksal kleiner Mengen Blaus~ure im Organismus zu verfolgen und ihre Umwandlung zu der relativ ungiftigen Thioeyansi~ure festzustel]en, lag es nahe, zu versuehen, ob man auf diesem v o n d e r Natur vorgezeiehneten Wege eine Entgiftung der in toxischer Dosis in den K0rper gelangten B]aus~ure erreiehen konnte. Da sieh die Umwand- lung yon B]aus~ture zu Schwefelb]ausaure in den Geweben des KSrpers voll- zieht, war Aussieht vorhanden, die Entgiftung des eingedrungenen Giftes nicht bloss im Magen und Darm, sondern auch nach erfolgter Resorption im Blute und in den Geweben zu erzielen.

Von diesem Gedanken ausgehend, hat L a n g (25) Versuche angestellt und gefunden, dass einige unoxydierten Schwefel enthaltende Subst~nzen in der Tat die Wirkung der BtausSure in hohem Masse abzuschwschen verm0gen und dadurch lebensrettend wirken k0nnen. Dies gilt yon dem Sehwefelnatrium und vor allem yon dem Natriumthiosulfat. Die Versuehe mit Sehwefelnatrium werden davon beeintr~chtigt, dass diese Substanz setbst ausgesprochen giftig ist, w~hrend yon Thiosulfat sehr grosse Mengen ohne Schaden beigebraeht werden k0nnen. Die Giftigkeit dee Thiosulfats kann namlieh nicht h0her als jene tier indifferenten Salze fiberhaupt angesehlagen werden. Es kann z. B. in einer Menge yon 2,5--3 g pro Kilo Tier (Kaninchen) ohne toxische Wirkung beigebracht werden. Um eine Vorstellung yon der entgiftenden Wirkung des Thiosulfats zu geben, mag hier nur angeffihrt werden, da.ss wenn Blausaure per os gegeben wird (letale Dosis bei dieser Form der Dar- reichung 4 mg) und dann Thiosulfat intraven6s injiziert wird, Mengen bis zum 5fachen der letalen Dosis unsch~dlich gemaeht wurden.

Aueh rai~ Methylmerkaptan, alas jedoch se]bst sehr giftig ist, J~thylsulfid, xanthogensaurem Natrium, thioglykolsaurem Natrium, carbaminthioglykol- saurem Natrium und dem SehwefelkSrper des Spargels stellte La n g Versuche an, ohne indessen mit diesen Stoffen nach Anwendung der t0dlichen B]au-

Die biologische Bedeu~ung der Sulfhydrylgruppe. 343

s~uremenge weder eine Ver~nderung im Ablauf der Vergiftung noeh eine merkliehe Verz~gerung des letalen Ausgangs erzielen zu k~nnen. Mit Cystin und Cysteiu wurde yon L a n g nur je sin Versuch angestellt, wobei bei dem Cystin ¥o]lkommene Erholung ~rotz Anwendung einer tetalen Dosis zustande kam. Bei Verwendung des Cysteins trat das tSdtiche Ende auffa]lend sp~tt sin.

(Sonst waren eben Versuche mit Cystin und Cystein sehr wfinschens- wert, gewesen, um den Mechanismus des Entgiftungsvorgangs aufzuklaren. Wie L a n g selbst gezeigt hat, erfo]gt die Schwefelanlagerung an das Cyan- radikal im lebenden Organismus viel rascher als die yon P as che l es ausser- halb des Organismus gefundene, durch Eiweissstoffe bedingte Umwandlung, und es ist ja nicht ausgeschlossen, dass die gri~ssere Schnelligkeit innerhalb des Organismus davon bedingt ist, dass dabei schwefelhaltige Abbauprodukte wirksam sind.)

An diese Untersuchungen L a n g s schtiessen sich sine Anzahl Unter- suchungen yon H e y m a n s und seinen Mitarbeitern M a s o i n , V e r b r u g g e und M e u r i e e (19, 20, 30, 31, 45) und aus dem E h r l i e h s e h e n Laboratorium yon Re i d H u n t (23), UntersUchungen, durch welche die Wirkungen mehrerer SchwefeIverbindungen bei Vergiftung durch Blausiiure und eine grosse Zahl yon Mono- und Di-Nitrilen eingehend geprfift worden ]st. Dureh diese Unter- suchungen sind mehrere interessante Einzelheiten an den Tag gebracht. Ieh erinnere nur an das yon V e r b r u g g e gefundene Verhaltnis, dass der Frosch im Gegensatz zu den Siiugetieren gegen die Rhodanalkalien beinahe ebenso empfindlich wie gegen die Cyanalkalien ist, und an die Feststellung dutch M e u r i c e , dass die Taube das Cyanradikal in Sulfocyan nicht zu ver~tndern seheint. Die Frage yon dem n~theren Mecha~nismus der Rhodanbildung bei den Saugetieren wurde indessen in diesen Untersuchungen kaum bertibrt.

In der letzten Zeit hat indessen H e b t i n g (16) diese Frage zur Behand- lung aufgenommen und einige Versuehe fiber die Wirkung yon Cystin und (~-Thiomi]chs~ure bei Blaus~urevergiftung verSffentlicht, wenn ich unter den yon ibm untersuchten Substanzen nur diejenigen erwahne, welche als Stoff- wechselprodukte in Betracht kommen kSnnen. Die fl-Thiomilchsiiure seheint dabei sine ausgesprochene Verz6gerung der Giftwirkuug bewirkt zu haben. Weitere Versuche sind indessen n(itig.

In diesem Zusammenhang mag aueh an die Beobaehtung yon R a u d - n i t z (33) erinnert warden, dass Rhodanalkalien extra corpus dureh die Super- oxydase unter Blaus~turebildung zersetzt werden. Es wiire ja sine M0glieh- keit, dass die Rhodanbildung aus der Cyangruppe, und die Cyanbildung aus der Rhodangruppe zwei Vorgiinge sind, welehe bei verschiedenen Tierarten verschieden intensiv verIaufen. Eine solche Hypothese kSnnte die verschiedene Empfindlichkeit verschiedener Tierarten fiir Rhodan- und Cyanvereinigungen ebenso wie das Nichterseheinen yon Rhodan in den Ausscheidungen der Taube

3~4 Tors~en Thunberff, Die biologische Bedeutung der Sulfhydrylgruppe.

naeh Eingabe yon Cyan erkl~ren. Von dem S~ugetierorganismus scheint naoh P o l l a k (36) das Rhodan nicht angegriffen zu werden, was in guter Ubereinstimmung mit der Unsch~dlichkeit der Rhodanverbindungen ffir die Si~ugetiere steht.

In den Untersuchungen, weiche hier oben beriihrt worden sind, hat man den Gehalt des Organismus an reaktionsfithigem Schwefel als einen Schutz gegen Vergiftung aufgefasst. Wenn man indessen yon der Auffassung ausgeht, dass die Sulfhydrylgruppe in dem Leben der Zellen eine wichtige Rolle spielt, so ]iegt die Ansicht nahe, dass solche Stoffe, welche die Sulf- hydrylgruppe angreifen, als Gifte wirken miissen. Diesem Gedankengang folgend babe ich (49) die ausgesproehene Giftwirkung der jodsauren Salze auf ihre Fahigkeit mit der Sulfhydrylgruppe zu reagieren bezogen. Weitere Untersuchungen sind indessen n(~tig, um die Verhaltnisse aufzukliiren, tlier mag nur hervorgehoben werden, dass die Auffassung, dass die Sulfhydryl- gruppe (oder eine (lurch Oxydation daraus entstandene Schwefelgruppe) die Giftempfindlichkeit bedingt, gar nicht ira Widerspruch damit steht, dass die- se]be Gruppe eine Entgiftung bedingen kann. Dadurch, dass das Gift in Reaktion mit einigen Sulfhydryl- oder Schwefelgruppen tritt, wird es yon anderen abgelenkt.