Proč jsou lipidy nerozpustné ve vodě?

Lipidy jsou široká skupina chemických látek, které zahrnují steroidy, tuky a vosky charakterizované jejich nerozpustností ve vodě. Tato nerozpustnost se často označuje jako hydrofobní nebo „bojící se vody“. Tento termín však může být zavádějící, protože jeho nerozpustnost v voda je způsobena mnohem větší afinitou molekuly vody k jiným molekulám vody než odpuzování mezi lipidem a vodou molekuly.

Vazby uhlík na uhlík a uhlík na vodík nalezené v lipidech jsou považovány za nepolární. To znamená, že elektrony ve vazbě jsou mezi atomy sdíleny relativně rovnoměrně. Naopak, elektrony ve vazbách mezi vodíkem a kyslíkem v molekule vody nejsou sdílené což má za následek mírný kladný náboj na atomu vodíku a mírný záporný náboj na atomu vodíku atom kyslíku. Tyto mírné náboje na atomech v molekule vody, nazývané dipóly, vedou k tomu, že voda je označována jako polární molekula.

Polární kovalentní vazby, jaké se nacházejí ve vodě, umožňují tvorbu vodíkových vazeb, což je slabá atraktivní síla mezi mírným záporným nábojem v jedné polární molekule a mírným kladným nábojem v sousední polární molekula. I když jsou jednotlivé vodíkové vazby slabé, jejich kumulativní účinek výrazně ovlivňuje fyzikální vlastnosti polárních sloučenin. Polární sloučeniny mají tendenci mít mnohem vyšší teploty tání než nepolární sloučeniny podobné molekulové hmotnosti a rozpustnost je ovlivněna přítomností nebo nepřítomností vodíkových vazeb.

Lipidy jsou tvořeny dlouhými řetězci uhlovodíků. Uhlovodíkové sloučeniny jsou pozoruhodné dlouhou sekvencí vazeb uhlík-uhlík s atomy vodíku navázanými na atomy uhlíku. Podobná elektronegativita, míra schopnosti atomu přitahovat elektrony, atomů uhlíku a vodíku vede k tomu, že uhlovodíky tvoří dlouhé nepolární řetězce.

Atomy uhlíku se mohou vázat až se čtyřmi dalšími atomy. Jeden pár elektronů sdílený mezi dvěma atomy se nazývá jednoduchá vazba. Nasycené lipidy mají jednoduché vazby mezi uhlíky na řetězci (uhlíky vždy vytvářejí jednoduché vazby s vodíky). V nenasycených lipidech je jedna z vazeb uhlík na uhlík dvojná vazba (čtyři atomy jsou sdíleny mezi atomy). Tato dvojná vazba snižuje počet atomů vodíku v molekule a vytváří ohyb v řetězci. Jednoduše řečeno, nasycené lipidy mají co nejvíce atomů vodíku obklopujících řetězec uhlíků, kde nenasycené lipidy mají méně než maximální počet možných atomů vodíku obklopujících uhlíkový řetězec v důsledku dvojné vazby mezi dvěma nebo více uhlíky atomy.

Některé lipidy jsou amfipatické, kde je k jednomu konci připojena hydrofilní chemická skupina, jako je karboxylová nebo fosfátová skupina. Hydrofilní konec interaguje s molekulami vody, zatímco hydrofobní konec molekuly si zachovává svoji hydrofobní povahu. Tato dvojí povaha umožňuje těmto molekulám vytvářet membrány živých buněk. Jsou také přítomny v mýdlech, kde kombinace hydrofobního ocasu a hydrofilní hlavy umožňuje rozpuštění dalších lipidů ve vodě.