Водородная связь в биологических системах: фундаментальные принципы, критические функции и современные аспекты исследования

В мире биологии, где каждая молекула играет свою уникальную роль в сложнейшем танцевальном ансамбле жизни, есть невидимый дирижер — водородная связь. Это не просто химическое взаимодействие; это архитектурный принцип, который лежит в основе всего: от аномальных свойств воды до замысловатых структур белков и ДНК, кодирующих саму суть существования. Без нее не было бы стабильных белков, способных выполнять свои функции, не было бы двойной спирали ДНК, надежно хранящей генетический код, и не было бы уникальной жидкости, которую мы называем водой, без которой жизнь в известной нам форме просто немыслима.

Водородная связь, словно тончайшие нити невидимого ткача, сплетает молекулы в сложные, но удивительно стабильные и функциональные ансамбли. Она обеспечивает динамическое равновесие, позволяя биомолекулам быть одновременно достаточно прочными для выполнения своих задач и достаточно гибкими для адаптации к изменяющимся условиям. Именно эта двойственность делает ее столь важной. В данном академическом реферате мы погрузимся в мир водородной связи, чтобы понять ее фундаментальные физико-химические принципы, всесторонне проанализировать ее критические функции в различных биологических системах, исследовать современные методы изучения и осмыслить последствия ее нарушения, а также заглянуть в будущее, где новые открытия и технологии открывают невиданные горизонты.

Физико-химические основы водородной связи

Изучение природы водородной связи — это путешествие к самой сути межмолекулярных взаимодействий, которые, хотя и уступают по прочности ковалентным связям, играют абсолютно доминирующую роль в формировании сложной архитектуры живых систем. Ведь именно эта особенность позволяет биомолекулам быть одновременно устойчивыми и достаточно лабильными для участия в динамических биологических процессах.

Механизм образования и типы водородных связей

По своей сути, водородная связь (ВС) представляет собой изящное электростатическое притяжение. Но, как часто бывает в химии, за внешней простотой скрывается более глубокий и многогранный механизм. Представьте себе атом водорода, который, будучи связанным с каким-либо сильно электроотрицательным соседом, таким как фтор (F), кислород (O) или азот (N), оказывается в необычном положении. Эти электроотрицательные «магниты» оттягивают на себя электронную плотность от водорода, оставляя его частично положительно заряженным (обозначается как δ⁺). Этот «оголенный» водород становится своеобразным донором, стремящимся взаимодействовать с другой, более электроотрицательной молекулой или группой, несущей на себе неподеленную электронную пару и частичный отрицательный заряд (δ^—). Так возникает электростатическое притяжение, которое мы называем водородной связью.

Однако механизм не исчерпывается лишь электростатикой. Здесь также присутствует и донорно-акцепторное взаимодействие. В этом сценарии атом водорода выступает акцептором электронной плотности, а электроотрицательный атом (F, O, N) другой молекулы — донором своей неподеленной электронной пары. Это взаимодействие приводит к частичному переносу заряда, делая водородную связь более сложным феноменом, чем простое притяжение зарядов. Такое двойственное описание помогает глубже понять ее природу и силу.

В зависимости от того, между какими атомами формируется связь, водородные связи делятся на два основных типа:

• Межмолекулярные водородные связи: Образуются между атомами водорода одной молекулы и электроотрицательными атомами другой молекулы. Классическим примером является вода, где молекулы H₂O активно взаимодействуют друг с другом.
• Внутримолекулярные водородные связи: Возникают между атомами одной и той же молекулы. Это часто происходит в крупных биомолекулах, таких как белки и нуклеиновые кислоты, где такие связи способствуют формированию их специфической пространственной структуры.

Количественные характеристики и факторы, влияющие на прочность

Чтобы по-настоящему оценить значимость водородной связи, важно понять ее количественные характеристики. Ее энергия значительно скромнее по сравнению с энергией ковалентной связи, что, однако, является ее уникальным преимуществом в биологических системах.

Таблица 1: Сравнительная характеристика энергий связей

Тип связи	Типичная энергия связи (кДж/моль)	Относительная прочность	Примечание
Ковалентная связь	200 – 1000	Очень высокая	Обеспечивает целостность молекул, например, пептидные связи в белках, фосфодиэфирные связи в ДНК.
Водородная связь	4 – 40 (нейтральные комплексы)	Умеренная	Обеспечивает гибкость и динамизм структур, легко образуется и разрушается в физиологических условиях.
	до 160 (ион-молекулярные комплексы)	Повышенная	Возникает при участии ионов, например, в активных центрах ферментов.
Ван-дер-Ваальсовы силы	0.4 – 4	Низкая	Слабые, но многочисленные взаимодействия, важные для гидрофобных контактов и временной стабилизации.

Как видно из таблицы, энергия водородной связи для нейтральных комплексов обычно не превышает 40 кДж/моль. В случае ион-молекулярных комплексов, где заряд играет дополнительную стабилизирующую роль, энергия может достигать 160 кДж/моль. Это значительно меньше, чем у ковалентных связей, чьи энергии варьируются от 200 до 1000 кДж/моль. Такая «слабость» водородных связей является их ключевым биологическим преимуществом: они достаточно прочны, чтобы стабилизировать структуру, но при этом достаточно лабильны, чтобы позволять быстрые конформационные изменения, необходимые для динамических процессов, таких как связывание субстратов с ферментами, репликация ДНК или передача сигналов. Это позволяет молекулам постоянно адаптироваться к изменяющимся условиям среды, обеспечивая гибкость и эффективность биологических систем.

Водородные связи также характеризуются направленностью (предпочитают линейное расположение атомов, участвующих в связи) и насыщаемостью (каждый донор и акцептор может участвовать в ограниченном числе водородных связей). Эти свойства формируют специфические, предсказуемые пространственные структуры.

Прочность водородной связи зависит от множества факторов, включая:

• Электроотрицательность донора: Чем выше электроотрицательность атома, связанного с водородом (например, F > O > N), тем сильнее смещена электронная плотность и тем более положительным становится атом водорода, что увеличивает силу связи.
• Расстояние между атомами: Оптимальное расстояние между донором и акцептором критически важно для максимальной прочности.
• Угол связи: Линейное расположение атомов (D–H···A, где D — донор, A — акцептор) обеспечивает наиболее сильное взаимодействие.
• Полярность среды: В полярных растворителях водородные связи могут ослабляться из-за конкуренции с молекулами растворителя.
• Температура: Повышение температуры приводит к увеличению кинетической энергии молекул и, как следствие, к разрушению водородных связей.

Исторический контекст изучения водородной связи

История открытия водородной связи уходит своими корнями в начало XX века. Идея о существовании особого типа связи, в которой участвует атом водорода, впервые была выдвинута американским химиком Морисом Л. Хаггинсом в 1919 году и впоследствии активно развита Ланугмюром в 1920 году. Однако наиболее значимый вклад в концепцию водородной связи внес выдающийся химик Лайнс Полинг, лауреат Нобелевской премии по химии (1954 г.) и премии мира (1962 г.). В своих работах, особенно в знаменитой книге «Природа химической связи» (1939 г.), Полинг подробно описал водородную связь как ключевой фактор, определяющий структуру многих органических и неорганических соединений, включая биомолекулы.

Его исследования, а также работы других пионеров, таких как Уильям Брэгг и Роберт Кори, которые в 1930-х годах начали изучать структуру белков с помощью рентгеноструктурного анализа, заложили основу для понимания критической роли водородных связей в формировании вторичных структур белков, таких как α-спираль и β-складчатый слой. Позднее, в 1953 году, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик, опираясь на экспериментальные данные Розалинд Франклин и Мориса Уилкинса, предложили модель двойной спирали ДНК, где водородные связи между комплементарными азотистыми основаниями были представлены как ключевой элемент стабильности и механизма репликации генетического материала. Эти исторические открытия не только углубили наше понимание химических принципов, но и открыли совершенно новую главу в молекулярной биологии, показав, как относительно слабые взаимодействия могут быть фундаментом для самых сложных биологических феноменов.

Вода как универсальный биологический растворитель: роль водородных связей

Если жизнь на Земле имеет свою колыбель, то это, несомненно, вода. Ее уникальные, порой даже «аномальные» свойства, которые мы часто воспринимаем как должное, полностью определяются вездесущими водородными связями. Вода — это не просто растворитель; это активный участник всех биологических процессов.

Структура воды и аномальные свойства

Молекула воды (H₂O) представляет собой угловую структуру, где атом кислорода, обладая высокой электроотрицательностью, сильно оттягивает электронную плотность от двух атомов водорода. Это приводит к образованию частичных отрицательных зарядов на кислороде (2δ^—) и частичных положительных зарядов на водороде (δ⁺), делая молекулу воды полярной и дипольной. Именно эта полярность является отправной точкой для формирования обширной и динамичной сети водородных связей.

Молекулы воды не существуют изолированно; они постоянно взаимодействуют друг с другом, образуя непрерывную трехмерную сетку водородных связей. Каждый атом кислорода в молекуле воды может участвовать в двух водородных связях как акцептор (через свои неподеленные электронные пары) и в двух как донор (через атомы водорода). В идеальном случае это приводит к тетраэдрической координации, где каждая молекула H₂O связана с четырьмя соседями.

Эта разветвленная сеть водородных связей обуславливает целый ряд «аномальных» свойств воды, которые критически важны для поддержания жизни:

• Нахождение в жидком состоянии при обычных условиях: Если бы не водородные связи, вода, имея такую малую молекулярную массу, кипела бы при значительно более низких температурах, как, например, сероводород (H₂S), что сделало бы ее непригодной для поддержания жизни.
• Высокая удельная теплоемкость: Вода обладает аномально высокой удельной теплоемкостью, составляющей примерно 4,186 кДж/(кг·°C) (или 4186 Дж/(кг·°C)). Это означает, что для повышения температуры воды требуется значительно больше энергии, чем для большинства других жидкостей. Большая часть этой энергии идет на разрыв водородных связей, прежде чем кинетическая энергия молекул увеличится. Это свойство позволяет воде эффективно поглощать и отдавать тепло, обеспечивая термостабильность организма и окружающей среды.
• Аномально высокие теплота парообразования и плавления: Удельная теплота парообразования воды при нормальном атмосферном давлении составляет около 2256–2258 кДж/кг, а удельная теплота плавления льда равна примерно 333–334 кДж/кг. Эти значения чрезвычайно высоки. Для испарения воды требуется разорвать огромное количество водородных связей, что делает испарение воды эффективным механизмом охлаждения (например, потоотделение). Аналогично, высокая теплота плавления льда замедляет его таяние, предотвращая резкие температурные колебания в водоемах.
• Аномальное изменение плотности: В отличие от большинства веществ, вода при плавлении льда не сжимается, а расширяется. Плотность льда (0,9167 г/см³ при 0°C) ниже плотности жидкой воды при той же температуре (0,9998 г/см³). Максимальная плотность воды достигается при 4°C (1,000 г/см³), после чего она снова начинает снижаться при дальнейшем нагревании. Это объясняется гексагональной структурой льда, где водородные связи создают более открытую, менее плотную упаковку. При плавлении часть этих связей разрушается, позволяя молекулам воды упаковываться плотнее, что приводит к увеличению плотности до 4°C. Это уникальное свойство критически важно для водной жизни: лед плавает на поверхности, изолируя нижележащие слои воды и предотвращая полное промерзание водоемов, позволяя организмам выживать зимой.

Динамика и кооперативность водородных связей в жидкой воде

Структура жидкой воды — это не статичная сетка, а невероятно динамичное образование. Водородные связи здесь постоянно образуются и разрушаются со скоростью до триллиона раз в секунду (10¹² событий/секунду). Это динамическое равновесие позволяет молекулам воды свободно перемещаться, обеспечивая текучесть, и при этом сохранять достаточную степень упорядоченности. В среднем, каждая молекула воды в жидком состоянии участвует примерно в четырех водородных связях, но это число постоянно флуктуирует, варьируясь от нуля до пяти в любой момент времени.

Ключевым аспектом стабильности и динамики водной структуры является кооперативность водородных связей. Этот механизм подразумевает, что образование одной водородной связи не является изолированным событием. Напротив, оно усиливает полярность соседних молекул, делая их атомы водорода еще более электроположительными (δ⁺), а электроотрицательные атомы (кислород) — еще более электроотрицательными (δ^—). Это, в свою очередь, значительно облегчает и энергетически благоприятствует формированию дополнительных водородных связей. Таким образом, кооперативность приводит к цепному эффекту, усиливая и стабилизируя всю водородно-связанную сетку, что вносит существенный вклад в аномальные свойства воды.

Значение для биологических процессов

Водородные связи в воде имеют колоссальное значение для всех аспектов биологии:

• Когезия и адгезия: Высокая когезия (притяжение молекул воды друг к другу) и адгезия (притяжение воды к другим полярным поверхностям) обеспечивают жизненно важные процессы. Например, капиллярность, благодаря которой вода поднимается по сосудам растений, является прямым следствием этих свойств. Когезия также создает поверхностное натяжение, позволяя некоторым насекомым скользить по поверхности воды.
• Универсальный растворитель: Полярность воды и ее способность образовывать водородные связи с другими полярными и заряженными молекулами делают ее универсальным растворителем. Биологически важные соединения, такие как ионы, сахара, аминокислоты, нуклеотиды и многие белки, легко растворяются в воде, образуя гидратные оболочки. Это позволяет им свободно перемещаться в клетке, участвовать в метаболических реакциях и транспортироваться по организму. Гидрофобные молекулы, напротив, не могут образовывать водородные связи с водой и стремятся минимизировать контакт с ней, что приводит к образованию мицелл, липидных бислоев и компактных глобулярных структур белков — явлений, также критически важных для жизни.

Таким образом, водородные связи — это не просто химическое явление, а фундаментальный принцип, который делает воду тем уникальным растворителем и средой, без которых невозможно представить себе ни одну живую систему.

Водородные связи в архитектуре белков: от вторичной до четвертичной структуры

Белки — это молекулярные машины жизни, выполняющие бесчисленное множество функций: от катализа реакций до обеспечения структурной поддержки и транспорта. Их способность выполнять эти задачи напрямую зависит от их сложной трехмерной структуры, которая формируется и стабилизируется, во многом благодаря водородным связям.

Вторичная структура: α-спирали и β-складчатые слои

Первый уровень пространственной организации белка, называемый вторичной структурой, характеризуется регулярными, повторяющимися укладками полипептидной цепи. Главными архитекторами здесь выступают водородные связи, которые формируются между атомами, входящими в состав пептидного остова (C=O и N-H групп).

• α-спираль: Представьте себе закрученную лестницу, где каждая ступенька — это аминокислотный остаток. В α-спирали полипептидная цепь образует правозакрученную спираль. Стабилизация этой структуры достигается за счет водородных связей, образующихся между карбонильным кислородом (C=O) пептидной группы одного аминокислотного остатка (i-го) и амидным водородом (N-H) пептидной группы аминокислотного остатка, расположенного на четыре позиции дальше по цепи (i+4-го). Эти связи ориентированы почти параллельно оси спирали. Каждая α-спираль содержит примерно 3,6 аминокислотных остатка на виток, а шаг спирали составляет около 0,54 нм. Несмотря на то, что каждая отдельная водородная связь является относительно слабой (энергия 4-40 кДж/моль), их огромное количество по всей длине спирали обеспечивае�� значительную суммарную стабильность, удерживая структуру в ее функциональной конформации.
• β-складчатый слой: В отличие от спирали, β-складчатый слой представляет собой более вытянутую структуру, напоминающую гармошку. Здесь водородные связи формируются между соседними, практически полностью вытянутыми участками полипептидной цепи. Эти участки (β-цепи) могут располагаться параллельно (N-конец одной цепи напротив N-конца другой) или антипараллельно (N-конец одной цепи напротив C-конца другой). Водородные связи образуются между атомами C=O одной цепи и N-H другой, располагаясь перпендикулярно полипептидным цепям. Антипараллельные β-слои более стабильны благодаря более идеальной геометрии водородных связей. Множество таких связей сшивает соседние цепи, создавая прочную, но гибкую структуру, характерную, например, для фиброинов шелка.

Третичная структура: пространственная укладка

Третичная структура белка — это его полная трехмерная пространственная укладка, определяющая его уникальную форму и функциональную специфичность. В отличие от вторичной структуры, которая стабилизируется водородными связями пептидного остова, третичная структура стабилизируется различными взаимодействиями между боковыми цепями (радикалами) аминокислот, а также между радикалами и пептидным остовом. И здесь водородные связи играют одну из ведущих ролей.

Таблица 2: Взаимодействия, стабилизирующие третичную структуру белков

Тип взаимодействия	Характеристика	Прочность
Водородные связи	Образуются между полярными незаряженными радикалами аминокислот (например, -OH групп серина/треонина, -NH2 групп аспарагина/глутамина) или между радикалами и пептидными группами. Они динамичны и многочисленны.	Умеренная
Ионные связи	Возникают между противоположно заряженными радикалами аминокислот (например, карбоксильной группой аспартата/глутамата и аминогруппой лизина/аргинина). Эти связи являются сильными электростатическими взаимодействиями, но их прочность сильно зависит от pH среды.	Высокая
Гидрофобные взаимодействия	Возникают между неполярными радикалами аминокислот (например, валином, лейцином, изолейцином, фенилаланином), которые, избегая контакта с водной средой, собираются внутри белковой глобулы. Эти взаимодействия обусловлены энтропийными эффектами (освобождение молекул воды из гидратных оболочек) и являются одними из главных факторов, определяющих сворачивание глобулярных белков.	Умеренная
Дисульфидные мостики	Единственный тип ковалентной связи, стабилизирующей третичную структуру. Образуются между двумя остатками цистеина путем окисления их сульфгидрильных (-SH) групп. Эти связи значительно прочнее всех нековалентных взаимодействий и часто служат «замками», фиксирующими определенные участки белковой цепи. Они играют важную роль в стабилизации внеклеточных белков и белков, подвергающихся воздействию жестких условий.	Наиболее прочные (ковалентные)

В глобулярных белках, которые функционируют в водной среде, гидрофобные радикалы аминокислот стремятся «спрятаться» от воды, погружаясь внутрь белковой глобулы. В то же время гидрофильные и заряженные радикалы располагаются на поверхности, где они могут взаимодействовать с молекулами воды и образовывать многочисленные водородные и ионные связи, обеспечивая растворимость белка. Баланс этих взаимодействий определяет уникальную и стабильную трехмерную структуру, которая является основой функциональности белка. В чем же заключается ключевой вывод из этого сложного механизма? Очевидно, что тонкая настройка этих взаимодействий является залогом эффективного выполнения белками своих жизненно важных функций, а любое нарушение может привести к серьезным сбоям в работе организма.

Четвертичная структура: формирование функциональных комплексов

Многие белки состоят не из одной, а из нескольких полипептидных цепей, или субъединиц (протомеров), которые объединяются в единый функциональный комплекс. Эта организация называется четвертичной структурой. Примером может служить гемоглобин, состоящий из двух α- и двух β-субъединиц, каждая из которых содержит гем.

Стабилизация четвертичной структуры происходит исключительно за счет нековалентных взаимодействий между контактными поверхностями субъединиц, которые должны быть комплементарны друг другу. Среди этих взаимодействий:

• Водородные связи: Образуются между полярными группами на поверхности контакта субъединиц.
• Ионные связи: Возникают между противоположно заряженными группами.
• Гидрофобные взаимодействия: Играют значительную роль, когда неполярные участки субъединиц взаимодействуют, минимизируя контакт с водой.

Хотя водородные связи сами по себе относительно слабы, их совокупность, наряду с другими нековалентными взаимодействиями, обеспечивает прочное, но при этом регулируемое связывание субъединиц, что критически важно для регуляции активности мультимерных белков и их способности к аллостерическим переходам. Таким образом, водородные связи являются универсальным строительным материалом для всех уровней белковой архитектуры, обеспечивая их стабильность, динамичность и, в конечном итоге, их биологическую функцию.

Водородные связи как ключ к генетической информации: структура ДНК и РНК

В основе всей наследственной информации, управляющей жизнью, лежат нуклеиновые кислоты — ДНК и РНК. Их удивительная стабильность, способность к самовоспроизведению и точность передачи генетического кода не были бы возможны без водородных связей, которые действуют как молекулярные «кнопки» и «молнии», скрепляющие эти гигантские биополимеры.

Двойная спираль ДНК: комплементарность и стабильность

ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) — это молекула, хранящая генетическую информацию в форме двойной спирали. Эта элегантная структура, открытая Уотсоном и Криком, стабилизируется именно водородными связями, которые образуются между комплементарными азотистыми основаниями двух антипараллельных полинуклеотидных цепей.

Принцип комплементарности является краеугольным камнем молекулярной биологии:

• Аденин (А) всегда образует две водородные связи с тимином (Т).
• Гуанин (Г) всегда образует три водородные связи с цитозином (Ц).

Это строгое правило обеспечивает не только стабильность, но и однородность структуры двойной спирали ДНК. Геометрия этих комплементарных пар (А-Т и Г-Ц) удивительно схожа, что позволяет поддерживать постоянное расстояние между двумя цепями ДНК, составляющее около 2 нм (или 20 Å), по всей длине молекулы. Каждый полный виток двойной спирали имеет длину приблизительно 3,4 нм и включает в себя около 10 пар нуклеотидов.

Наличие трех водородных связей в паре Г-Ц делает это взаимодействие более прочным по сравнению с парой А-Т, где всего две связи. Это имеет важное биологическое значение: участки ДНК, богатые парами Г-Ц, более термостабильны и требуют больше энергии для расплавления (разделения цепей), что, например, важно для термофильных организмов, живущих в условиях высоких температур.

Роль водородных связей в репликации, транскрипции и трансляции

Принцип комплементарности, основанный на водородных связях, является не просто структурным элементом, но и динамическим механизмом, лежащим в основе всех процессов передачи генетической информации:

1. Репликация ДНК (самовоспроизведение): Во время репликации две цепи ДНК расплетаются, и каждая из них служит матрицей для синтеза новой комплементарной цепи. Водородные связи временно разрываются, позволяя нуклеотидам свободно присоединяться к матрице по принципу комплементарности, а затем новые водородные связи восстанавливаются, формируя две идентичные двойные спирали ДНК.
2. Транскрипция (синтез РНК на ДНК-матрице): В этом процессе участок ДНК временно расплетается, и на одной из цепей ДНК синтезируется молекула РНК. Водородные связи между РНК-нуклеотидами и ДНК-матрицей обеспечивают точное копирование генетической информации, при этом урацил (У) в РНК связывается с аденином (А) на ДНК (вместо тимина).
3. Трансляция (синтез белков на РНК-матрице): Хотя сами водородные связи в ДНК не участвуют напрямую в трансляции, принцип комплементарности, который они поддерживают, является основой генетического кода. Молекулы транспортных РНК (тРНК), которые несут аминокислоты к рибосомам, взаимодействуют с матричной РНК (мРНК) через комплементарные водородные связи между антикодоном тРНК и кодоном мРНК, обеспечивая правильную последовательность аминокислот в синтезируемом белке.

Вторичные структуры РНК

Молекулы РНК (рибонуклеиновая кислота) чаще всего представляют собой одноцепочечные полимеры. Однако это не означает, что они лишены сложной трехмерной структуры. Благодаря внутримолекулярной комплементарности оснований, участки одной и той же РНК-цепи могут сворачиваться и образовывать вторичные структуры, стабилизированные водородными связями.

Наиболее распространенными вторичными элементами РНК являются:

• «Шпильки» (hairpin loops): Образуются, когда комплементарные участки одной цепи РНК спариваются, образуя двойную спираль, а неспаренные основания формируют петлю на вершине.
• «Петли» (internal loops, bulges): Неспаренные участки внутри двойной спирали или выпячивания.

Примерами РНК с критически важными вторичными и третичными структурами являются:

• Транспортные РНК (тРНК): Имеют характерную форму «клеверного листа» (на плоскости) и L-образную форму (в пространстве), стабилизированную многочисленными внутримолекулярными водородными связями. Эти структуры необходимы для точного распознавания кодонов на мРНК и переноса соответствующих аминокислот.
• Рибосомальные РНК (рРНК): Входят в состав рибосом — комплексов, ответственных за синтез белков. рРНК обладают чрезвычайно сложными и компактными вторичными и третичными структурами, которые формируют каркас рибосомы и участвуют в каталитической активности.

Таким образом, водородные связи в нуклеиновых кислотах — это не просто статичные «скрепки», но динамичные и регулируемые элементы, которые лежат в основе стабильности, функциональности и универсальности генетических процессов.

Современные методы исследования водородных связей в биомолекулах

Изучение тонкой природы водородных связей в сложных биологических системах требует применения высокотехнологичных и разнообразных физико-химических методов. Эти подходы позволяют не только выявлять наличие таких связей, но и характеризовать их прочность, направленность, динамику и влияние на общую структуру и функцию биомолекул.

Спектроскопические методы: ИК и ЯМР

Спектроскопия предоставляет мощный инструментарий для «прослушивания» молекулярных вибраций и резонансов, которые напрямую связаны с наличием и свойствами водородных связей.

• Инфракрасная (ИК) спектроскопия: Этот метод основан на регистрации поглощения молекулами ИК-излучения, что вызывает колебания атомов. Образование водородной связи оказывает заметное влияние на частоты колебаний групп, участвующих в связи. Например, валентные колебания O–H или N–H групп, вовлеченных в водородную связь, смещаются в область более низких частот (красное смещение), а их полосы поглощения уширяются и становятся более интенсивными. И наоборот, деформационные колебания тех же групп могут смещаться в сторону более высоких частот. Анализируя эти изменения в ИК-спектрах, ученые могут не только подтвердить наличие водородных связей, но и оценить их силу и степень упорядоченности.
• Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) спектроскопия: ЯМР-спектроскопия является одним из самых мощных методов для изучения структуры и динамики водородных связей в растворе. Она основана на способности атомных ядер с ненулевым спином (например, ¹H, ¹³C, ¹⁵N) поглощать и переизлучать радиочастотную энергию в сильном магнитном поле. Химический сдвиг — положение сигнала ядра в спектре — очень чувствителен к локальному электронному окружению. Протоны (¹H), участвующие в водородных связях, испытывают значительное деэкранирование, что приводит к сдвигу их сигналов в область более высоких значений химического сдвига (вниз по полю). Например, для протонов карбоновых кислот в димерах, вовлеченных в прочные водородные связи, химический сдвиг может достигать 10,5–12,0 м.д., а для некоторых особо прочных связей — до 15 м.д. и выше. Изучение этих сдвигов, а также их температурной зависимости, позволяет получить детальную информацию о прочности, направленности и динамике водородных связей в белках, нуклеиновых кислотах и других биомолекулах. Многомерная ЯМР-спектроскопия (2D, 3D) позволяет определять пространственную близость атомов и, таким образом, картировать всю сеть водородных связей в сложных структурах.

Дифракционные методы: рентгеноструктурный анализ и нейтронная дифракция

Эти методы позволяют «видеть» расположение атомов в пространстве, что критически важно для определения архитектуры водородных связей.

• Рентгеноструктурный анализ (рентгеновская кристаллография): Является золотым стандартом для определения пространственной структуры белков и нуклеиновых кислот с атомарным разрешением. Метод основан на дифракции рентгеновских лучей на кристалле молекулы. По распределению интенсивности дифрагированных лучей можно построить электронную плотность и, соответственно, определить положения атомов. Однако у рентгеновского излучения есть один существенный недостаток для изучения водородных связей: атомы водорода, имеющие всего один электрон, очень слабо рассеивают рентгеновские лучи и поэтому практически «невидимы» на рентгеновских картах электронной плотности. Их положение часто приходится достраивать на основе химических правил и геометрии связей, что делает информацию о водородных связях косвенной.
• Нейтронная дифракция: В отличие от рентгеновского излучения, нейтроны взаимодействуют не с электронами, а с атомными ядрами. Атом водорода (точнее, его ядро — протон) обладает относительно большим сечением рассеяния нейтронов, что делает его хорошо «видимым» для этого метода. Нейтронная дифракция позволяет с высочайшей точностью определять положения атомов водорода в кристаллических структурах, что дает возможность напрямую визуализировать и характеризовать водородные связи в биомолекулах, измеряя их длины и углы. Этот метод, хотя и требует специализированных реакторов или источников нейтронов, является незаменимым для получения прямой и точной информации о водородных связях.

Компьютерное моделирование и молекулярная динамика

В последние десятилетия вычислительные методы стали незаменимым инструментом для дополнения и интерпретации экспериментальных данных, особенно в изучении динамического поведения водородных связей.

• Молекулярная динамика (МД): Этот метод позволяет моделировать движение атомов и молекул во времени, решая уравнения движения Ньютона. Путем имитации поведения системы на атомарном уровне можно изучать динамику образования и разрушения водородных связей, их среднее количество, длительность жизни и влияние на конформационные изменения биомолекул. Молекулярная динамика особенно ценна для изучения структур сеток водородных связей в жидкой воде и ее взаимодействия с белками и нуклеиновыми кислотами.
• Квантово-химические расчеты: Методы квантовой химии позволяют с высокой точностью описывать электронную структуру молекул и энергии водородных связей. Эти расчеты используются для разработки и валидации силовых полей, применяемых в молекулярной динамике, а также для изучения специфических взаимодействий, таких как частичный перенос заряда в водородных связях.
• Вычислительные модели для протонов: Разрабатываются специализированные вычислительные модели, которые позволяют точно описывать поведение протонов в молекулах с прочными водородными связями, учитывая такие явления, как квантовое туннелирование и «неопределенное» расположение протона между двумя атомами. Эти модели критически важны для более глубокого понимания механизмов, лежащих в основе мутаций и ферментативного катализа.

Компьютерное моделирование, таким образом, не только углубляет понимание фундаментальных принципов водородных связей, но и становится мощным инструментом для анализа химических соединений в разработке новых лекарств и материалов, предсказывая их взаимодействие с целевыми биомолекулами.

Последствия нарушения водородных связей: денатурация и мутации

Хрупкое равновесие, обеспечиваемое водородными связями, является не только основой стабильности и функциональности биомолекул, но и их уязвимости. Нарушение этих связей может иметь каскадные последствия, приводя к потере биологической функции и развитию серьезных патологических состояний.

Денатурация белков: механизмы и последствия

Представьте себе сложнейший механизм, собранный из тысяч деталей, каждая из которых идеально подогнана. Если этот механизм изменить, он перестанет работать. То же самое происходит с белками. Их биологическая функция неразрывно связана с их уникальной трехмерной пространственной структурой (че��вертичной, третичной и вторичной).

Денатурация — это процесс нарушения этой природной пространственной структуры белка под влиянием внешних факторов, при этом первичная структура (последовательность аминокислот, соединенных ковалентными пептидными связями) остается неповрежденной. Разрыв водородных связей является одним из ключевых механизмов денатурации, наряду с разрывом ионных связей и гидрофобных взаимодействий (а также дисульфидных мостиков в жестких условиях).

Факторы, вызывающие денатурацию:

• Нагревание: Повышение температуры увеличивает кинетическую энергию молекул, что приводит к разрыву водородных связей. Для большинства белков денатурация начинается при температурах выше 50-60°C, хотя этот порог может сильно варьироваться.
• Изменение pH: Сильные кислоты и щелочи изменяют степень ионизации заряженных групп в белках, разрушая ионные связи и влияя на водородные связи, что приводит к изменению конформации.
• Органические растворители (например, спирты, ацетон): Эти растворители нарушают гидратную оболочку белка и ослабляют гидрофобные взаимодействия, что также влияет на водородные связи.
• Соли тяжелых металлов (например, Pb²⁺, Hg²⁺) или многозарядные ионы (например, Al³⁺): Взаимодействуют с заряженными группами белков, нарушая ионные и водородные связи.
• Радиация, ультразвук, механические воздействия: Также способны нарушать тонкую структуру белка.

Последствия денатурации:

Потеря пространственной структуры приводит к изменению физико-химических свойств белка (например, уменьшению растворимости, изменению оптических свойств) и, что самое главное, к потере его биологической функции. Например, фермент перестает катализировать реакцию, а транспортный белок — переносить молекулы.

Интересно, что в некоторых случаях, если денатурация не была слишком жесткой и не привела к агрегации или разрыву пептидных связей, развернутая полипептидная цепь способна самопроизвольно восстановить свою вторичную и третичную структуры — этот процесс называется ренатурацией. Это является доказательством того, что вся необходимая информация для сворачивания белка закодирована в его первичной аминокислотной последовательности.

Квантовое туннелирование протонов и мутации ДНК

Одной из самых удивительных и относительно недавно осознанных угроз для целостности генетической информации является явление квантового туннелирования протонов в водородных связях ДНК.

Традиционно мутации связывали с химическими повреждениями ДНК или ошибками ферментов. Однако современные исследования показывают, что протоны, участвующие в водородных связях между комплементарными азотистыми основаниями (А-Т, Г-Ц), не являются статичными. В соответствии с законами квантовой механики, они могут «туннелировать» сквозь энергетический барьер, перемещаясь от одного электроотрицательного атома к другому в водородной связи.

Что это означает? Протон может оказаться не на «своей» стороне связи. Например, протон, который обычно находится ближе к кислороду в паре Г-Ц, может туннелировать к азоту. Это приводит к образованию таутомерных форм азотистых оснований — изомеров, которые отличаются распределением электронов и положением протонов. Эти таутомерные формы могут ошибочно спариваться с «неправильным» партнером во время репликации ДНК (например, таутомерная форма аденина может спариваться с цитозином вместо тимина).

Таблица 3: Примеры ошибочного спаривания оснований из-за таутомерии

Исходная пара	Таутомерная форма	Ошибочное спаривание	Итог мутации
А-Т	Адениновый таутомер	А-Ц	Транзиция Г-Ц → А-Т
Г-Ц	Гуаниновый таутомер	Г-Т	Транзиция А-Т → Г-Ц

Важность этого открытия заключается в том, что квантовое туннелирование может вызывать спонтанные точечные мутации без воздействия каких-либо внешних мутагенов. Новейшие исследования показывают, что вероятность возникновения таких мутаций была значительно недооценена, возможно, на целых четыре порядка. Это означает, что квантовые эффекты играют гораздо более существенную роль в процессе спонтанного мутагенеза, чем считалось ранее. Хотя многие из этих мутаций могут быть безвредными или исправляться системами репарации ДНК, некоторые могут привести к генетическим нарушениям и изменению функций белков.

Клинические примеры

Последствия нарушения водородных связей, будь то через денатурацию белков или мутации в ДНК, имеют прямое отношение к патологическим состояниям.

Ярким примером является муковисцидоз, одно из наиболее распространенных наследственных заболеваний. Оно вызывается мутациями в гене CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator), который кодирует белок — трансмембранный регулятор проводимости, ответственный за транспорт хлорид-ионов через мембраны клеток. В наиболее частой мутации — делеции трех пар оснований (ΔF508) — происходит потеря фенилаланина в положении 508 белковой цепи. Эта, казалось бы, незначительная потеря приводит к нарушению правильного сворачивания (фолдинга) белка, то есть к нарушению его третичной структуры, которая стабилизируется, в том числе, водородными связями. Неправильно свернутый белок CFTR не может быть доставлен на клеточную мембрану и выполнять свою функцию, что приводит к накоплению густой слизи в легких, поджелудочной железе и других органах. Этот пример демонстрирует, как даже небольшие изменения на молекулярном уровне, затрагивающие тонкую сеть водородных связей, могут иметь драматические последствия для всего организма, подчеркивая критическую важность этих, казалось бы, слабых взаимодействий для поддержания здоровья и жизни. Разве не удивительно, что такие микроскопические изменения способны вызвать столь глобальные последствия для здоровья человека?

Перспективы изучения водородных связей: новые открытия и прикладные аспекты

Исследование водородных связей — это постоянно развивающаяся область, где новые открытия не только углубляют наше фундаментальное понимание природы, но и открывают захватывающие перспективы для прикладных областей, от нанобиотехнологий до разработки лекарств.

Динамика водородных связей в жидкой воде: новейшие исследования

Жидкая вода, несмотря на свою кажущуюся простоту, до сих пор остается одним из самых загадочных веществ. Долгое время считалось, что водородные связи в жидкой воде распределены хаотично, образуя случайную и постоянно меняющуюся сеть. Однако новейшие исследования проливают новый свет на эту динамику.

Команда ученых под руководством Йоханнеса Хангера из Института исследования полимеров им. Макса Планка в Германии и другие группы обнаружили, что водородные связи в жидкой воде вовсе не случайны. Вместо этого они могут иметь разную силу — одни связи могут быть значительно сильнее, другие слабее. Это приводит к своеобразной, но динамичной организации молекул воды в упорядоченные структуры, такие как кольца или цепочки, которые постоянно формируются и разрушаются. Средняя энергия водородных связей в жидкой воде составляет около 18,8 кДж/моль.

Это открытие имеет колоссальное значение. Оно углубляет наше понимание молекулярных механизмов аномального поведения воды и ее роли в биологических системах. Понимание того, как и почему водородные связи в воде могут быть дифференцированными по силе и организовываться в локальные структуры, может объяснить, как вода взаимодействует с биомолекулами, влияя на их сворачивание, стабильность и функциональность. Это также открывает новые горизонты для исследований в области материаловедения и химии растворов.

Роль водородных связей в нанобиотехнологиях

Нанобиотехнологии — это междисциплинарная область, которая нацелена на создание новых материалов и устройств с использованием биологических принципов и объектов на наноуровне. Водородные связи здесь играют центральную роль.

Компьютерное моделирование взаимодействия водорода в наночастицах воды, полимеров и других систем становится критически важным для развития этой области. Например, понимание, как водородные связи влияют на адсорбцию молекул на поверхности наночастиц, важно для создания эффективных систем доставки лекарств или биосенсоров. Моделирование формирования и разрушения водородных связей в наноразмерных контейнерах может помочь в разработке новых материалов для хранения водорода или других газов.

Кроме того, создание биосовместимых наноматериалов, имитирующих структуры живой природы, часто требует точного контроля над межмолекулярными взаимодействиями, где водородные связи являются ключевыми. Например, при проектировании самособирающихся пептидных нановолокон или ДНК-наноструктур, именно специфические водородные связи диктуют их форму и свойства.

Рациональный дизайн лекарственных препаратов

В фармацевтике водородные связи — это не просто теоретическое понятие, а основной инструмент в руках химиков-медиков. Рациональный дизайн лекарственных препаратов (или «драг-дизайн») — это подход, при котором новые молекулы-кандидаты синтезируются или модифицируются с учетом их предполагаемого взаимодействия с биологической мишенью (обычно белком или нуклеиновой кислотой) на атомарном уровне.

Точное понимание и моделирование специфических водородных связей между лекарственным веществом (лигандом) и его целевым белком или нуклеиновой кислотой является критически важным.

• Аффинность: Чем больше комплементарных водородных связей может образовать лиганд с активным центром белка-мишени, тем сильнее будет их связывание (выше аффинность). Это позволяет лекарству связываться с мишенью даже при низких концентрациях.
• Избирательность: Водородные связи также играют ключевую роль в обеспечении избирательности лекарства. Активные центры разных белков имеют уникальную пространственную конфигурацию и распределение доноров/акцепторов водородных связей. Лекарство, разработанное для формирования специфического набора водородных связей с одной мишенью, будет иметь гораздо меньшую аффинность к другим белкам, что минимизирует нежелательные побочные эффекты.

Пример: Взаимодействие нейромедиатора ацетилхолина с его рецептором включает образование нескольких водородных связей. Эти связи являются ключевыми для стабильности комплекса «нейромедиатор-рецептор» и запуска передачи нервного импульса. Аналогично, многие антибиотики, например, тетрациклины, действуют, образуя специфические водородные связи с рибосомальной РНК бактерий, блокируя синтез их белков.

Современные вычислительные методы, такие как докинг (docking) и молекулярная динамика, позволяют предсказывать, какие водородные связи будут образовываться между потенциальным лекарством и его мишенью, оптимизируя структуру лиганда для достижения максимальной аффинности и избирательности. Таким образом, водородные связи являются не просто основой жизни, но и мощным инструментом в руках ученых для создания будущего в медицине и биотехнологиях.

Заключение

Водородная связь, этот невидимый, но всепроникающий феномен, предстает перед нами как один из величайших архитекторов и регуляторов в мире живых систем. От ее кажущейся слабости проистекает невероятная сила — сила динамизма, адаптивности и точности, без которых невозможно представить существование жизни на Земле. Мы увидели, как водородные связи превращают молекулу воды в уникальный, жизненно важный растворитель, наделяя ее аномальными свойствами, критически важными для терморегуляции и поддержания водной среды.

Мы углубились в сложную архитектуру белков, где водородные связи, подобно нитям сложного гобелена, сплетают вторичные, третичные и четвертичные структуры, обеспечивая их стабильность и, как следствие, функциональную активность. Без этих связей белки утратили бы свою форму и способность катализировать реакции, транспортировать вещества или выполнять структурные функции.

Особое внимание было уделено роли водородных связей в хранении и передаче генетической информации. Именно они, строго следуя принципу комплементарности, скрепляют две цепи ДНК в знаменитую двойную спираль, обеспечивая точность репликации и транскрипции. Даже в одноцепочечных молекулах РНК водородные связи формируют сложные вторичные структуры, необходимые для их функциональности.

Современная наука не стоит на месте, постоянно расширяя наши горизонты. Методы, такие как ЯМР, ИК-спектроскопия, нейтронная дифракция и компьютерное моделирование, позволяют нам «видеть» и анализировать водородные связи с беспрецедентной детализацией. Эти инструменты не только подтверждают давно известные теории, но и открывают новые, порой удивительные аспекты, такие как динамическая гетерогенность водородных связей в жидкой воде или роль квантового туннелирования протонов в мутагенезе — явления, которые пересматривают наше представление о фундаментальных процессах жизни и эволюции.

Наконец, мы рассмотрели прикладное значение изучения водородных связей. Понимание этих взаимодействий лежит в основе рационального дизайна лекарственных препаратов, позволяя создавать молекулы с высокой аффинностью и избирательностью к целевым биомолекулам. Оно также является краеугольным камнем в развитии нанобиотехнологий, где контроль над межмолекулярными силами на атомарном уровне открывает путь к созданию революционных материалов и устройств.

Водородная связь — это не просто предмет академического интереса. Это фундаментальный принцип, который продолжает вдохновлять ученых на новые открытия, способные изменить наше понимание жизни и открыть путь к инновационным решениям в медицине, биотехнологиях и материаловедении. Дальнейшие исследования в этой области обещают еще более глубокое проникновение в тайны молекулярного мира, где эти слабые, но многочисленные связи являются подлинными дирижерами симфонии жизни.

Список использованной литературы

1. Водородная связь / под ред. Н.Д. Соколова. Москва : Наука, 1989.
2. Зацепина Г.Н. Физические свойства и структура воды. Москва : МГУ, 1998.
3. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Строение вещества. Москва : Высшая школа, 1978.
4. Краснов К.С. Молекулы и химическая связь. Москва : Высшая школа, 1984.
5. Немухин А.В. Димер фторида водорода: Строение простейшего комплекса с водородной связью // Соросовский образовательный журнал. 1998. №7. С. 65-69.
6. Пиментел Дж., Мак-Клеллан О. Водородная связь. Москва, 1964.
7. Степанов Н.Ф. Водородная связь: как ее понимать // Соросовский образовательный журнал. 2001. №2. С. 28-34.
8. Эпштейн Л.М., Шубина Е.С. Многоликая водородная связь // Природа. 2003. № 1.
9. Водородная связь. URL: https://chemege.ru/vodorodnaya-svyaz (дата обращения: 07.11.2025).
10. Межмолекулярное взаимодействие и водородная связь. URL: http://www.uchim.net/otvet/mezhmolekulyarnoe-vzaimodeystvie-i-vodorodnaya-svyaz (дата обращения: 07.11.2025).
11. Демкив А. Остовные водородные связи, вторичная структура белка β-лактамазы. URL: https://demkiv.ucoz.ru/publ/pervyj_semestr/ostovnye_vodorodnye_svjazi_vtorichnaja_struktura_belka_b_laktamazy/1-1-0-2 (дата обращения: 07.11.2025).
12. Вторичная структура белка — Биологическая химия. URL: https://www.xumuk.ru/biologhim/167.html (дата обращения: 07.11.2025).
13. Вторичная структура белка — SportWiki энциклопедия. URL: https://sportwiki.to/Вторичная_структура_белка (дата обращения: 07.11.2025).
14. Каков механизм образования водородной связи? Какие виды водородной связи вы знаете? URL: https://5terka.com/node/1429 (дата обращения: 07.11.2025).
15. Водородная связь. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Водородная_связь (дата обращения: 07.11.2025).
16. Вода. Водородная связь. URL: http://www.him.1sept.ru/article.php?ID=200800310 (дата обращения: 07.11.2025).
17. Водородная связь: свойства и типы. URL: https://studwork.org/spravochnik/himiya/himicheskie-svyazi/vodorodnaya-svyaz-svoystva-i-tipy (дата обращения: 07.11.2025).
18. Вторичная структура белка двояка — Биологическая химия. URL: https://medbiol.ru/medbiol/biochem/00021c17.htm (дата обращения: 07.11.2025).
19. Структура белка. URL: https://foxford.ru/wiki/biologiya/stroenie-belka (дата обращения: 07.11.2025).
20. Водородные связи в белке thiol:disulfide interchange protein DsbE. URL: http://www.chem.msu.su/rus/journals/vzh/2012/st/g-12-07-33.pdf (дата обращения: 07.11.2025).
21. Структура и свойства белков: Уровни структурной организации белковых молекул. URL: https://bio.reshebnik.top/html/book/bio/11/4.html (дата обращения: 07.11.2025).
22. Четвертичная структура белка представлена олигомерами — Биологическая химия. URL: https://medbiol.ru/medbiol/biochem/00021c19.htm (дата обращения: 07.11.2025).
23. Квантовые процессы приводят к появлению мутаций в структуре ДНК — Naked Science. URL: https://naked-science.ru/article/naked-science/kvantovye-protsessy-privodyat-k-poyavleniyu-mutatsiy-v-strukture-dnk (дата обращения: 07.11.2025).
24. Водородная связь — Обучение / Интернет-лицей. URL: https://portal.tpu.ru/departments/fulltext/lecture/lms/02/02_02.htm (дата обращения: 07.11.2025).
25. Вторичная структура белков. Связи стабилизирующие вторичную структуру. URL: http://biofile.ru/bio/14357.html (дата обращения: 07.11.2025).
26. Уникальные свойства воды: кратко. Интересно и познавательно. URL: https://www.oum.ru/yoga/vedicheskaya-kultura/unikalnye-svoystva-vody/ (дата обращения: 07.11.2025).
27. Структура воды. URL: http://bookonlime.ru/node/1090 (дата обращения: 07.11.2025).
28. Вычислительная модель химиков СПбГУ объяснила особенности движения протонов в водородных связях. URL: https://24hitech.ru/computational-model-of-chemists-from-spbu-explained-the-features-of-proton-movement-in-hydrogen-bonds/ (дата обращения: 07.11.2025).
29. Вода и ее жизненно-важные свойства. URL: https://rosvoda.com/voda_i_ee_zhiznenno-vazhnye_svojstva (дата обращения: 07.11.2025).
30. Как происходит образование первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур белка? URL: https://yandex.ru/q/question/kak_proiskhodit_obrazovanie_pervichnoi_a6984e72/ (дата обращения: 07.11.2025).
31. СТРОЕНИЕ И ФУНКЦИИ БЕЛКОВ – II. URL: https://www.bsmu.by/upload/docs/uchpos/biologiya/biohim_stroit_funct_belkov.pdf (дата обращения: 07.11.2025).
32. Удивительные свойства воды: от таинственности до жизненной важности. URL: https://e-school.academy/news/udivitelnye-svoystva-vody-ot-tainstvennosti-do-zhiznennoy-vazhnosti (дата обращения: 07.11.2025).
33. Водородная связь — Вода. URL: http://voda.org.ru/vse-o-vode/fizicheskie-svoystva-vody/vodorodnaya-svyaz.html (дата обращения: 07.11.2025).
34. Третичная структура. URL: https://presentme.ru/chemistry/10-2-102.doc (дата обращения: 07.11.2025).
35. Комплементарность. URL: https://biochemistry.ru/biohimija_dlya_vas/komplementarnost.html (дата обращения: 07.11.2025).
36. Лекция 2 Конформация белков: принципы формирования. URL: https://kubsau.ru/upload/iblock/c38/c385a5e3e26f8d16d01300806443c5ae.pdf (дата обращения: 07.11.2025).
37. Водородные связи между молекулами воды. URL: https://ru.khanacademy.org/science/biology/water-acids-and-bases/water-of-life/a/hydrogen-bonding-in-water (дата обращения: 07.11.2025).
38. Исследование проливает новый свет на водородные связи воды. URL: https://hi-tech.mail.ru/news/113115-issledovanie-prolivaet-novyy-svet-na-vodorodnye-svyazi-vody/ (дата обращения: 07.11.2025).
39. Структура нуклеиновых кислот. URL: http://school-collection.edu.ru/catalog/res/46487532-6a68-45e0-83ea-923f66c0d65b/ (дата обращения: 07.11.2025).
40. Четвертичная структура белка. URL: http://chembio.mgmu.ru/modules/kurs/pdf/lek_10.pdf (дата обращения: 07.11.2025).
41. Какой тип связи в первичной и четвертичной структуре белка? URL: https://otvet.mail.ru/question/29841857 (дата обращения: 07.11.2025).
42. Нуклеиновые кислоты. URL: https://ru.khanacademy.org/science/biology/dna-rna-protein-synthesis/dna-replication-transcription-translation/a/nucleic-acids (дата обращения: 07.11.2025).
43. Химические связи в третичной структуре белка. URL: https://www.youtube.com/watch?v=FjIuK52t9_Q (дата обращения: 07.11.2025).
44. Строение молекулы и структура воды в жидком, твердом и газообразном виде. URL: https://fazlytdinov.ru/stati/stroenie-molekuly-i-struktura-vody-v-zhidkom-tverdom-i-gazoobraznom-vide.html (дата обращения: 07.11.2025).
45. Водородная связь. URL: https://www.yaklass.ru/p/himiya/11-klass/stroenie-veschestva-mnogoobrazie-veschestv-10901/mezhmolekuliarnoe-vzaimodeistvie-vodorodnaia-sviaz-10907/re-468778f7-0870-432d-88b1-4566c30800b6 (дата обращения: 07.11.2025).
46. Строение нуклеиновых кислот. URL: https://foxford.ru/wiki/biologiya/stroenie-nukleinovyh-kislot (дата обращения: 07.11.2025).
47. Квантовое туннелирование может провоцировать мутации в ДНК. URL: https://www.techinsider.ru/science/261904-kvantovoe-tunnelirovanie-mozhet-provocirovat-mutacii-v-dnk/ (дата обращения: 07.11.2025).
48. Компьютерное моделирование захвата молекулярного водорода в клеточных наночастицах воды при высоких давлениях. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/kompyuternoe-modelirovanie-zahvata-molekulyarnogo-vodoroda-v-kletochnyh-nanochastitsah-vody-pri-vysokih-davleniyah (дата обращения: 07.11.2025).
49. Структура и свойства белков. URL: https://profil.adu.by/component/content/article/11-uchebniki/biologiya/11-klass/835-paragraf-4-struktura-i-svojstva-belkov?Itemid=437 (дата обращения: 07.11.2025).
50. ДНК. Основные понятия. URL: https://prosbio.ru/d-n-k-osnovnye-ponyatiya/ (дата обращения: 07.11.2025).
51. Структуры сеток водородных связей и динамика молекул воды в конденси. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/struktury-setok-vodorodnyh-svyazey-i-dinamika-molekul-vody-v-kondensi (дата обращения: 07.11.2025).
52. Вторичные структуры белков. URL: https://www.chem.msu.ru/rus/teaching/gormon/gl2.pdf (дата обращения: 07.11.2025).
53. Компьютерное моделирование структуры связанной воды : автореферат диссертации по специальности ВАК РФ 03.00.02 — Биофизика. URL: https://www.dissercat.com/content/kompyuternoe-modelirovanie-struktury-svyazannoi-vody (дата обращения: 07.11.2025).
54. Компьютерное моделирование взаимодействия водорода с вакансиями и м. URL: https://www.susu.ru/sites/default/files/diss/2016/dis_abdullin_a.i.pdf (дата обращения: 07.11.2025).
55. Нуклеиновые кислоты. Структура ДНК. Синтез ДНК. Мутаци. URL: https://biology.kpfu.ru/wp-content/uploads/2017/02/07_nukleinovye_kisloty.pdf (дата обращения: 07.11.2025).
56. Мутация генов: что это такое, варианты и последствия. URL: https://genetico.ru/blog/mutaciya-genov-chto-eto-takoe-varianty-i-posledstviya (дата обращения: 07.11.2025).