# Чарльз Стирлинг о макромолекулах, загадке леворукости белков и ДНК

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=rZcm0Vs69wQ
Канал: The Royal Institution
Опубликовано: 01.12.2025

---

В рамках знаменитых Рождественских лекций Королевского института (The Royal Institution) 1992 года выдающийся британский химик Чарльз Стирлинг представил заключительную часть своего цикла под названием «В руках гигантов». Переходя от микроскопических молекул-«пигмеев» вроде адреналина или никотина к макромолекулярным структурам, лектор наглядно продемонстрировал, как гигантские полимеры определяют архитектуру, функции и саму наследственность всего живого. Главным связующим звеном повествования стала уникальная пространственная асимметрия — свойство «право- и леворукости» молекул, которое, по мнению учёного, буквально управляет нашей биологической судьбой.

## 🌿 Углеводы: Прочнейшие строительные леса живой природы
[[JUMP:02:32]]

В общественном сознании углеводы часто получают исключительно негативные отзывы из-за ассоциаций с избыточным весом и необходимостью сокращать потребление пасты. Однако Чарльз Стирлинг напоминает, что именно углеводы являются первоисточником глюкозы — главного переносчика энергии в человеческом организме. Особое внимание в лекции уделяется целлюлозе, выполняющей важнейшую структурную функцию, о которой люди часто забывают.

Целлюлоза представляет собой невидимый каркас растительного мира, покрывающего практически всю поверхность Земли, за исключением пустыни Сахары. Чтобы продемонстрировать этот скрытый скелет, лектор использует несколько наглядных примеров:

* **Овощной кабачок:** Не на сезон дорогой плод практически полностью состоит из воды, однако сохраняет свою фиксированную форму исключительно благодаря прочной целлюлозной сетке.
* **Люффа:** Натуральная губка для мытья демонстрирует поразительно долговечный, жесткий и устойчивый к износу растительный скелет.
* **Хлопковая вата:** Знакомый каждому волокнистый материал из чистой целлюлозы, который при машинном скручивании превращается в прочную швейную нить.

Чтобы доказать недооцененную силу целлюлозных волокон, Чарльз Стирлинг устраивает на сцене Королевского института настоящее молекулярное соревнование с помощью специального тензометра. Вызвавшиеся из зала юные волонтеры Саймон и Виктория нагружают два образца проволоки — один из высокопрочной стали, а другой из скрученного хлопка — подвесными гирями весом по 500 граммов. К удивлению публики, стальная проволока разрывается первой при достижении нагрузки в 1 килограмм, в то время как хлопковая нить успешно выдерживает дополнительный вес.

Секрет такой поразительной прочности раскрывается на молекулярном уровне. Молекула целлюлозы состоит из длинных цепочек последовательно соединенных звеньев глюкозы. В структуре каждого звена многократно повторяются гидроксильные группы, состоящие из атомов кислорода и водорода. Эти группы обладают высокой молекулярной «липкостью» (образуют водородные связи). При параллельном расположении полимерных цепей в нити они прочно сцепляются друг с другом, обеспечивая целлюлозе колоссальную прочность на разрыв.

## 🦉 Белки: Универсальные исполнители и загадка леворукости
[[JUMP:11:10]]

В отличие от углеводов, которые в основном выполняют запасающие (крахмал) или каркасные (целлюлоза) функции, белки демонстрируют невероятную функциональную универсальность. Для демонстрации белков в действии Чарльз Стирлинг приглашает на сцену сотрудников Лондонского зоопарка с их подопечными.

Смотритель Энди представляет зрителям трехлетнюю европейскую сипуху по имени Тито. Лектор отмечает, что в дикой природе Великобритании этих птиц осталось всего около 10 000 особей. На примере Тито можно увидеть тотальное доминирование белковых структур в организме высших животных:

* **Перья и когти:** Полностью состоят из жестких кератиновых белков.
* **Хрусталики глаз:** У сипухи они представляют собой сложнейшие оптические детекторы для охоты в темноте, сформированные из прозрачных белков-кристаллинов.
* **Мышцы:** Белковые волокна обеспечивают взмахи крыльев и движения птицы.
* **Пищеварение:** Переваривание съеденной добычи происходит за счет энзимов (ферментов), которые также являются белками.

Второй живой гость лекции — кошка Милли, принесенная ассистенткой Карен. Профессор Стирлинг с улыбкой называет кошку «очаровательным клубком молекул», ведь ее шерсть, когти и внутренние регуляторные механизмы тоже состоят из протеинов. По словам лектора, даже человеческая память и когнитивные процессы в головном мозге напрямую зависят от работы белковых соединений.

Универсальность белков кроется в их уникальном химическом строении. Если целлюлоза состоит из бесконечного повторения одного и того же звена (глюкозы), то белковая цепь строится из 20 различных видов аминокислот. Они могут комбинироваться в абсолютно любом порядке, а длина одной цепи может достигать 100 000 аминокислотных остатков. 

При этом Чарльз Стирлинг подчеркивает фундаментальный и загадочный факт: все аминокислоты в составе природных белков — от перьев совы до кожи человека — являются исключительно «леворукими» (L-изомерами). Ученый признает, что современная химия способна синтезировать полностью «праворукие» белки в лаборатории, однако никто до сих пор точно не знает, почему живая природа сделала выбор в пользу левой асимметрии.

## 🔬 Лизоцим и каталаза: Охотники за бактериями и биологические ускорители
[[JUMP:19:13]]

Белки в роли ферментов работают как узкоспециализированные молекулярные машины. Первым в истории ферментом, чья трехмерная структура была полностью расшифрована с помощью рентгеноструктурного анализа, стал лизоцим. Это историческое открытие было сделано сэром Дэвидом Филлипсом и его студентами прямо в лабораториях Королевского института в 1964 году.

Лизоцим выполняет функцию первой линии антибактериальной обороны. По образному выражению Стирлинга, человеческие глазные яблоки — теплые и влажные, « как британское пиво», — представляют собой идеальный курорт для размножения бактерий. При каждом моргании веко, подобно автомобильному дворнику, омывает глаз слезной жидкостью, насыщенной лизоцимом. На компьютерной пространственной модели, продемонстрированной оператором Тимом, отчетливо видна «раскрытая пасть» молекулы фермента. Как только лизоцим сталкивается с бактерией, он захватывает ее и буквально разрывает жесткую клеточную стенку, мгновенно уничтожая патоген.

Второй важнейший фермент — каталаза, чья задача заключается в утилизации токсичного пероксида водорода, который постоянно образуется в организме как побочный продукт метаболизма. Каталаза с огромной скоростью расщепляет его на безопасную воду и кислород. Особенно богат этим ферментом поджелудочный орган и печень.

В ходе демонстрационного эксперимента профессор Стирлинг добавляет ложку измельченной свежей печени в раствор пероксида водорода. Жидкость мгновенно вскипает от обилия выделяющегося кислорода, который лектор задорно тестирует классическим школьным методом — тлеющая деревянная лучина в горлышке сосуда ярко вспыхивает несколько раз подряд. Для контраста ассистент Брайсон пытается повторить разложение пероксида обычным нагреванием без катализатора, но реакция идет настолько медленно, что лучина безрезультатно гаснет.

Чтобы подчеркнуть колоссальную разницу в скоростях, Стирлинг приводит грандиозную метафору с песочными часами:

> Если один упавший на дно символ-песчинка будет означать одну молекулу пероксида, уничтоженную каталазой за мгновение, то для демонстрации такого же объема работы при обычном химическом распаде без фермента нам потребовалось бы просыпать сквозь часы 150 000 метрических тонн песка. Это больше, чем способна вместить в себя вся аудитория Королевского института.

## 🧬 ДНК: Великая путеводная книга и космические масштабы клетки
[[JUMP:29:43]]

Третьим и самым главным макромолекулярным гигантом выступает ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — генеральный чертеж, инструкция и учебник по сборке всего живого организма. Она находится в ядрах клеток и упакована в 23 пары хромосом. Расшифровка ее двухцепочечной структуры Фрэнсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом в 1950-х годах признана автором лекции величайшим биологическим открытием XX века. На сцене демонстрируется та самая историческая модель, с которой Крик и Уотсон когда-то выступали в этом же зале.

Масштабы ДНК в человеческом теле поражают воображение своими космическими пропорциями:

* **Длина в одной клетке:** Внутри одного микроскопического ядра упакована нить ДНК длиной ровно в 1 метр.
* **Суммарная длина в организме:** Поскольку человеческое тело состоит примерно из 60 триллионов клеток, соединенная воедино ДНК одного человека могла бы протянуться от Земли до Солнца и обратно 1 миллион раз.

С точки зрения геометрии ДНК представляет собой двойную правозакрученную спираль, напоминающую магическую винтовую лестницу. Она состоит из трех основных компонентов:

1.  **Сахар дезоксирибоза:** Близкий химический родственник глюкозы, формирующий прочные «перила» этой лестницы.
2.  **Фосфатные группы:** Соединяют сахара между собой. По составу это точно такой же фосфат кальция, который содержится в костях или используется садоводами в качестве удобрения.
3.  **Азотистые основания:** Цветные «ступеньки» лестницы, обладающие молекулярной липкостью и стягивающие две спирали вместе.

Информационный код ДНК записан с помощью всего четырех букв-оснований: T, A, C и G. Их строгая последовательность задает порядок соединения аминокислот при синтезе белков. Участок ДНК, содержащий инструкцию для конкретного признака (например, голубых глаз, черной шерсти или создания фермента каталазы), называется геном. Вся совокупность генов составляет геном организма.

Для наглядности волонтер Рона помогает развернуть распечатанный на бумаге текстовый геном простейшей одноклеточной бактерии *Escherichia coli* (кишечная палочка). Даже чтение крошечного фрагмента кода («Т-Г-А-Т-Г...») оказывается невероятно монотонным занятием. Полный же геном человека, переложенный в книжный формат, занял бы 90 массивных томов — эквивалент трех полных изданий энциклопедии «Британника». При этом Чарльз Стирлинг отмечает забавный парадокс: геном обычной саламандры потребовал бы 30 000 таких томов. Это связано с тем, что люди, по оценкам ученых, ежедневно используют лишь около 1% своей ДНК, в то время как остальная часть пока остается невостребованным эволюционным багажом.

## 🎯 «Роджер-ракета» против онкологии: Передовая медицинская химия
[[JUMP:43:35]]

Любые сбои при копировании ДНК, вызванные радиацией или химикатами, приводят к мутациям и могут запустить онкологические процессы. Современная медицина борется с этим с помощью химиотерапии, однако существующие лекарства часто не обладают избирательностью и вызывают тяжелые побочные эффекты, такие как выпадение волос. Стирлинг делится трогательной американской историей о школьнике, заболевшем лейкемией: когда из-за лекарств он облысел, все его одноклассники добровольно побрились наголо, чтобы мальчик не чувствовал себя белой вороной.

Чтобы решить проблему токсичности, передовые химики создают интеллектуальные лекарственные молекулы. Профессор Стирлинг рассказывает о своем визите на конференцию во Францию, где его выдающийся американский коллега К. С. Николау (K.C. Nicolaou) представил инновационный противоопухолевый агент. Разработчики дали этой сложной молекуле ироничное прозвище «Роджер-ракета».

Принцип работы «Роджера-ракеты» детально реконструируется на сцене:

* **Наведение и фиксация:** Хвостовая часть молекулы состоит из углеводных («сахарных») фрагментов. Они обладают избирательной липкостью и намертво сцепляются с сахаристыми перилами ДНК, укладываясь точно в так называемый малый желобок дефектной спирали.
* **Боеголовка:** Внутри структуры скрыто мощное химическое оружие, способное разрушить ДНК.
* **Механизм детонации:** Самое поразительное, по признанию Стирлинга, заключается в том, что триггерный механизм этой новейшей американской разработки был основан на фундаментальных химических реакциях, которые сам Стирлинг и его студенты исследовали еще 30 лет назад, даже не подозревая о столь благородном будущем применении.

При активации триггера молекула лекарства претерпевает мгновенную механическую перестройку, превращаясь в два острейших молекулярных ножа на противоположных концах. Эти «ножи» буквально разрезают пораженную ДНК пополам, лишая раковую клетку возможности размножаться и синтезировать дефектные белки. Эффектный трехмерный анимационный ролик, присланный профессором Николау, наглядно демонстрирует зрителям этот микроскопический взрыв и последующее расщепление ДНК-мишени.

## ☄️ Космический след аминокислот и эстафета научного поиска
[[JUMP:52:41]]

В финальной части лекции Чарльз Стирлинг неожиданно демонстрирует аудитории огромный, тяжелый кусок метеорита. Ежегодно на Землю обрушивается около 100 000 тонн космического вещества, большая часть которого сгорает до состояния песка. Большинство метеоритов состоят из железа и силикатов и абсолютно неинтересны для органической химии. Однако упавший в Австралии в 1969 году Мурчисонский метеорит (Murchison meteorite) стал мировой сенсацией: внутри него ученые обнаружили настоящие аминокислоты — строительные блоки земных белков.

Это открытие породило у ряда исследователей гипотезу: возможно, загадочная «леворукость» земной жизни зародилась в глубоком космосе и была занесена на планету извне? К сожалению, детальный анализ Мурчисонского метеорита опроверг это предположение. Космические аминокислоты оказались рацемической смесью — они содержали ровно 50% левых и 50% правых молекул. Таким образом, великая тайна происхождения хиральной асимметрии жизни до сих пор остается неразгаданной и ждет своих будущих исследователей.

Завершая Рождественский цикл лекций, профессор Стирлинг цитирует строки из знаменитого стихотворения канадского поэта Джона Маккрея «В полях Фландрии», опубликованного в журнале *Punch* 8 декабря 1915 года — ровно в день рождения самого лектора. В оригинале поэт, погибший в окопах Первой мировой войны, призывал потомков продолжить битву с реальным военным врагом. Чарльз Стирлинг переосмысливает это завещание для юных слушателей:

> «Нашими главными врагами сегодня являются бедность, невежество и болезни. И именно ученые могут внести решающий вклад в победу над ними. Из слабеющих рук мы передаем этот факел вам. Пусть факел науки будет поднят вами высоко. Если вы унесете отсюда любопытство и желание понять, как и почему устроен этот мир — идите в науку, ведь она полна восторга, глубокого интереса и чистейшего энтузиазма».