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Blog
Originalpräparate William Küsters.

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Wettrennen um den Blutfarbstoff

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Ein Beitrag zum 150. Geburtstag von William Küster (1863-1929)

Am 1. April 1930 reiste ein Kurier der Universität Stuttgart mit einer kleinen Holzkiste unter dem Arm nach München. Sein Ziel war das Deutsche Museum und er traf sich dort mit dem damaligen Leiter der Abteilung Chemie, Dr. Armin Süßenguth, um eine Reihe von chemischen Originalpräparaten zu übergeben. Die Präparate in der Holzkiste waren Teil des wissenschaftlichen Nachlasses des Geheimrates Professor Dr. William Küster und wertvolle Zeugnisse für ein über 30 Jahre andauerndes, wissenschaftliches Wettrennen um die Aufklärung der Struktur des Blutfarbstoffes. Dies fand sein Ende erst, als Hans Fischer (1881-1945) 1928 die Totalsynthese des Hämins veröffentlichte und damit die Richtigkeit der bereits 1912 von William Küster erstmals postulierten Strukturformel bewies. 1930 wurde Hans Fischer mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet, in Anerkennung seiner Forschung »über den strukturellen Aufbau der Blut- und Pflanzenfarbstoffe und für die Synthese des Hämins«. William Küster erlebte dies nicht mehr. Er war am Morgen des 5. März 1929, als er gerade letzte Vorbereitungen für eine Experimentalvorlesung treffen wollte, einem Herzinfarkt erlegen.

William Küster (1863-1929). Bild: Deutsches Museum

Der am 22. September 1863 geborene Chemiker, der sich sein Leben lang mit dem Blutfarbstoff beschäftigte, ist heute fast komplett in Vergessenheit geraten. Selbst ein Nachruf von 1931 bemerkt bereits, dass William Küsters Biographie nicht von »großen Ereignissen und blendenden äußeren Erfolgen« geprägt ist, sondern stattdessen reich an »wissenschaftlichem Ertrage und (…) an schönem, idealem Menschentum« sei. Diese Beurteilung des Lebens von William Küster wäre wohl etwas anders ausgefallen, wenn er noch ein wenig länger gelebt hätte, denn es ist durchaus denkbar, dass er dann 1930 gemeinsam mit Hans Fischer den Nobelpreis für Chemie erhalten hätte. Fakt ist, wie eine heute mögliche Recherche in den Unterlagen der Nobelpreiskomitees beweist, dass William Küster bereits 1913 sowohl für den Nobelpreis für Chemie als auch für den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin vorgeschlagen wurde.

Eine Probe der von William Küster synthetisierten Hämatinsäure. Bild: Deutsches Museum

Geboren wurde William Küster 1863 in Leipzig als das jüngste von sieben Kindern des Kaufmanns Richard Küster. Sein Studium der Mathematik und Naturwissenschaften begann er 1882 in Tübingen, wechselte dann aber nach Berlin und studierte ab dem 4. Semester Chemie. Auf Empfehlung seines Doktorvaters ging er 1890 als Assistent an das Physiologisch-chemische Institut der Universität Tübingen zu Professor Carl Gustav Hüfner (1840 - 1908). Hier traf er zwangsläufig auf das Thema, das ihn sein weiteres wissenschaftliches Leben beschäftigen würde. Seine erste Veröffentlichung zum Thema aus dem Jahr 1894 trug den Titel »Ueber chlorwasserstoffsaures und bromwasserstoffsaures Hämatin« und befasste sich mit den Möglichkeiten, aus Rinder- und Pferdeblut den Blutfarbstoff möglichst rein zu erhalten. So war zur Herstellung von 500 g reinem Hämin das Blut von einem Dutzend Ochsen nötig. Warum war das Interesse an der Erforschung des Hämoglobins so groß? Im menschlichen Körper wird der lebensnotwendige Sauerstoff mit Hilfe der roten Blutkörperchen transportiert. Rote Blutkörperchen sind die häufigsten Zellen im Blut, unter dem Mikroskop erscheinen sie als blassrote, runde Scheiben, die in der Mitte von beiden Seiten leicht eingedellt sind und keinen Zellkern besitzen. Sie sind vollgestopft mit dem Protein Hämoglobin, das – wie wir heute wissen - aus vier Protein-Untereinheiten besteht, in die jeweils eine Häm-Gruppe eingebettet ist, die für die Aufnahme des Sauerstoffs verantwortlich ist und außerdem für die rote Farbe des Hämoglobins sorgt. Der Durchschnittsmensch enthält fast 1 kg Hämoglobin, darin enthalten sind 3 g Eisen, das sind etwa 70% seines gesamten Körpereisens.

War zu Beginn der Hämin-Forschung noch nicht einmal die Summenformel endgültig sicher (verschiedene Verunreinigungen sorgten hier lange Zeit für falsche Ergebnisse), so kristallisierte sich bald als zentrales Problem die Frage nach der chemischen Struktur des Hämins heraus. Grundlegend war dabei die Feststellung William Küsters, dass der oxidative Abbau des Hämins zu zwei Molekülen Hämatinsäure führte, einer Verbindung, die beim Erhitzen Kohlendioxid abspaltete und das Methylethylmaleinimid ergab. 1906 wies Küster die Richtigkeit seiner Strukturformel für Hämatinsäure nach, 1914 synthetisierte er letztere erstmals. 
Strukturformel Hämin.

Die heute gültige Struktur des Hämins. Bild: Deutsches Museum

Auf Grund der genaueren Kenntnis aller Spaltstücke und der Elementaranalyse des Hämins war es William Küster schon 1912/13 möglich, für das Hämin eine in allen wesentlichen Teilen richtige Konstitutionsformel aufzustellen, die jedoch erst Ende der Zwanziger Jahre von Hans Fischer durch die Totalsynthese des Hämins bestätigt wurde.  Wichtig war dabei, dass Küster allein ausgehend von den experimentellen Ergebnissen auf eine Struktur schloss: Ein zentral gelegenes, komplex gebundenes Eisenatom ist von einem 16gliedrigen, heterozyklischen Ringsystem umschlossen. Vier substituierte Pyrrolkerne sind in symmetrischer Weise durch Methinbrücken miteinander verbunden und bilden den sogenannten Porphinkern. Die 8 β-Stellungen der Pyrrolkerne sind durchwegs substituiert, die 1,3,5- und 8-Stellung durch Methylgruppen, die 2- und 4-Stellung durch Vinylreste und die einander benachbarten 6- und 7-Stellungen durch je einen Propionsäurerest.

Dass erst die Synthese des Hämins letztlich Küsters Formelbild zum Durchbruch verhalf, lag dabei vor allem auch an der strikten Ablehnung dieses Vorschlages durch den späteren Nobelpreisträger Professor Richard Willstätter (1872-1942): »W. Küsters wichtige Arbeiten haben das Gebiet des Blutfarbstoffes mit folgender Konstitutionsformel des Hämins beleuchtet, welche besonders dem Verlauf der Oxydation und Reduktion Rechnung trägt. (…) Das Unwahrscheinliche dieser Formel liegt namentlich in der Annahme eines aus vier Stickstoffatomen und zwölf Kohlenstoffatomen bestehenden 16-gliedrigen Ringgebildes.« 

Der totale Aufbau des Hämins aus seinen Bausteinen gehört zu den großartigsten Leistungen organischer Synthese. Dutzende von Chemikern arbeiteten unter der genialen Leitung von Hans Fischer um dieses Ziel zu erreichen. Bewiesen wurde damit letztlich auch die Richtigkeit des gewagten Vorschlages von William Küster aus dem Jahr 1912. 

Der Blogbeitrag ist die Kurzfassung eines Artikels über William Küster.

Autor/in

Florian Breitsameter

Dr. Florian Breitsameter hat Chemie studiert und ist Kurator für Pharmazie und Medizintechnik am Deutschen Museum. Er entwickelte die Ausstellung »Gesundheit« und forscht u.a. zu Holzstandgefäßen in deutschen Apotheken und der Geschichte der Sulfonamide.

Sein Tipp für einen Besuch im Deutschen Museum: Die Historische Apotheke in der Ausstellung Gesundheit mit wunderschönen und wertvollen Apothekengefäßen, die u.a. Asseln, Rocheneier, getrocknete Kröten und Unicornum verum – echtes Einhorn – enthalten!