Tuvo una formación muy completa influida en parte por su familia judía. Conoció a fondo la filosofía de Kant y la de Nelson. Se interesó además por la arqueología, la historia, el arte y la literatura, hasta el final de sus días. Su amor por la pintura fue alentado por su esposa, la pintora Hedwig Schallenberg, con la que se casó en 1914. Era un gran conocedor de los escritos científicos de Goethe, uno de sus poetas favoritos.
Realizó los estudios de Medicina en Friburgo de Brisgovia y Estrasburgo, y completó el doctorado en Heidelberg. En 1923 le ofrecieron una cátedra de bioquímica en Estados Unidos. Alemania, dispuesta a no perderle, le brindó la dirección de la sección de fisiología del Instituto Kaiser Wilhelm de Biología (Berlín-Dahlen). En 1929 fue invitado a hacerse cargo del recién fundado Instituto de Investigaciones Médicas de la Universidad de Heilderberg.
En 1938 tuvo que abandonar Alemania por razones políticas, y se marchó al Institut de Biologie Phyco-Chemique de París. Se vio de nuevo obligado a huir a Estados Unidos, donde en 1940 la Universidad de Pensilvania y la Fundación Rockefeller, le crearon un puesto de profesor de investigación de química fisiológica.
En 1922 Meyerhof recibió el Premio Nobel de medicina y fisiología, que compartió con el británico Archivald Vivian Hill, por descubrir la relación exacta existente entre el consumo de oxígeno y el metabolismo del ácido láctico. Estudió intensamente el proceso químico que tiene lugar en la oxidación de la glucosa presente en el organismo, y en la liberación de energía que se desprende en toda contracción muscular, comprobando que si ésta se produce en presencia de oxígeno, la glucosa se metaboliza en ácido láctico y éste –debido precisamente a la presencia del oxígeno–, en anhídrido carbónico y agua.
Su laboratorio, tanto de Heilderberg como de Estados Unidos, atrajo a gran cantidad de discípulos, denominados “Generación Meyerhof”, entre los que podemos mencionar a Severo Ochoa.
En 1944 sufrió un ataque al corazón del que se recuperó, pero en 1951 sufrió otro que acabó con su vida.
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