Kāpēc lipīdi nešķīst ūdenī?

Lipīdi ir plaša ķīmisko vielu grupa, kas ietver steroīdus, taukus un vaskus, kam raksturīga to nešķīstība ūdenī. Šo nešķīstamību bieži dēvē par hidrofobu vai “ūdens biedējošu”. Tomēr šis termins var būt maldinošs, jo tas nešķīst ne ūdens ir saistīts ar ūdens molekulas daudz lielāku afinitāti pret citām ūdens molekulām nekā atgrūšanās starp lipīdu un ūdeni molekulas.

Lipīdos atrodamās oglekļa un oglekļa un oglekļa un ūdeņraža saites tiek uzskatītas par nepolārām. Tas nozīmē, ka saitē esošie elektroni ir salīdzinoši vienādi sadalīti starp atomiem. Un otrādi, ūdeņraža un skābekļa savienojumos esošie elektroni ūdens molekulā nav kopīgi vienādi rada nelielu pozitīvu lādiņu uz ūdeņraža atomu un nelielu negatīvu lādiņu uz skābekļa atoms. Šīs nelielās ūdens molekulas atomu uzlādes, sauktas par dipolēm, rezultātā ūdeni sauc par polāro molekulu.

Polārās kovalentās saites, tādas kā ūdenī atrodamās, ļauj veidot ūdeņraža saites - vāju pievilcīgu spēku starp nelielu negatīvo lādiņu vienā polārajā molekulā un nelielu pozitīvo lādiņu blakus esošajā polārā molekula. Kaut arī atsevišķas ūdeņraža saites ir vājas, to kumulatīvā ietekme lielā mērā ietekmē polāro savienojumu fizikālās īpašības. Polārajiem savienojumiem parasti ir daudz augstākas kušanas temperatūras nekā līdzīgiem molekulmasas nepolāriem savienojumiem, un šķīdību ietekmē ūdeņraža saišu klātbūtne vai trūkums.

Lipīdi tiek veidoti no garām ogļūdeņražu ķēdēm. Ogļūdeņražu savienojumi ir ievērojami ar ilgstošu oglekļa un oglekļa savienojumu secību ar ūdeņraža atomiem, kas saistīti ar oglekļa atomiem. Līdzīga elektronegativitāte, kas ir atoma spēja piesaistīt elektronus, oglekļa un ūdeņraža atomi rada to, ka ogļūdeņraži veido garas nepolāras ķēdes.

Oglekļa atomi var saistīties ar vēl četriem papildu atomiem. Vienu elektronu pāri, kas ir kopīgi starp diviem atomiem, sauc par vienu saiti. Piesātinātajiem lipīdiem ir vienas saites starp ķēdes oglekļiem (ogļi vienmēr veido atsevišķas saites ar ūdeņražiem). Nepiesātinātajos lipīdos viena no oglekļa un oglekļa saitēm ir divkārša (četri elektroni ir sadalīti starp atomiem). Šī dubultā saite samazina ūdeņraža atomu skaitu uz molekulas un rada ķēdes līkumu. Vienkārši sakot, piesātinātajos lipīdos ir pēc iespējas vairāk ūdeņraža atomu, kas ieskauj ogļu ķēdi, kur nepiesātinātajos lipīdos ir mazāk nekā maksimālais iespējamo ūdeņraža atomu skaits, kas ieskauj oglekļa ķēdi divkāršās saites rezultātā starp diviem vai vairākiem oglekļa savienojumiem atomi.

Daži lipīdi ir amfipātiski, kur vienā galā ir pievienota hidrofila ķīmiska grupa, piemēram, karboksilgrupa vai fosfāta grupa. Hidrofilais gals mijiedarbojas ar ūdens molekulām, savukārt molekulas hidrofobā aste saglabā savu hidrofobisko raksturu. Šis duālais raksturs ļauj šīm molekulām veidot dzīvo šūnu membrānas. Tie ir arī ziepēs, kur hidrofobas astes un hidrofilās galvas kombinācija ļauj citiem lipīdiem izšķīdināt ūdenī.