Физико-химические свойства липидов
Физические свойства
Чистые жирные кислоты образуют кристаллы, состоящие из слоев молекул, толщина каждого слоя составляет две вытянутые молекулы. Молекулы в слое расположены таким образом, что гидрофобные (не пропускающие воду) углеводородные цепи образуют внутреннюю часть слоя, а гидрофильные (любящие воду) группы карбоновых кислот образуют две грани. Для конкретной жирной кислоты детали молекулярной упаковки могут отличаться, что приводит к образованию различных кристаллических форм, известных как полиморфы.
Температура плавления насыщенных жирных кислот, представляющих биологический интерес, выше 27 °C (81 °F) и повышается с увеличением длины углеводородной цепи. Мононенасыщенные и полиненасыщенные молекулы плавятся при значительно более низких температурах, чем их насыщенные аналоги, причем самые низкие температуры плавления наблюдаются, когда углерод-углеродные двойные связи расположены вблизи центра углеводородной цепи, как в большинстве биологических молекул. В результате эти молекулы образуют вязкие жидкости при комнатной температуре.
Гидрофобный характер углеводородной цепи большинства биологических жирных кислот превышает гидрофильный характер группы карбоновой кислоты, что делает растворимость этих молекул в воде очень низкой. Например, при 25 °C (77 °F) растворимость в граммах жирной кислоты на грамм раствора составляет 3×10−6. Растворимость в воде уменьшается экспоненциально с добавлением каждого атома углерода к углеводородной цепи. Эта зависимость отражает энергию, необходимую для переноса молекулы из чистого углеводородного растворителя в воду. С каждой группой CH2, например, требуется больше энергии для упорядочивания молекул воды вокруг углеводородной цепи жирной кислоты, что приводит к гидрофобному эффекту.
В чистой воде карбоксилатная группа может диссоциировать положительно заряженный ион водорода лишь в очень малой степени, таким образом:
R-COOH → RCOO- + H+
Когда мыло растворяется в воде, жирные кислоты в нем образуют сферические структуры, называемые мицеллами, в которых гидрофильные «головы» молекул жирных кислот повернуты к воде, а гидрофобные «хвосты» укрыты внутри.
Здесь R представляет собой углеводородную цепь. Карбоксилат-ион, имеющий отрицательный заряд, более полярный, чем недиссоциированная кислота. RCOOH может быть полностью преобразован в ион RCOO- путем добавления равного количества молекул основания, такого как гидроксид натрия (NaOH). Это эффективно заменяет H+ на Na+ и дает соль жирной кислоты, которая является мылом. Очень полезное моющее свойство мыла обусловлено тем, что анионы RCOO- в воде спонтанно образуют устойчивые сферические агрегаты, называемые мицеллами. Внутренняя часть этих структур, образованная углеводородными цепочками, является отличным растворителем, в котором может быть задержан жир и гидрофобная грязь всех видов. Диаметр каждой мицеллы примерно в два раза больше длины вытянутой жирной кислоты. Дисперсии мицелл в воде могут быть получены достаточно концентрированными и обладают большой очищающей способностью. Эти дисперсии стабильны и в целом очень похожи на чистую воду. Пузырьки и пена на поверхности мыльных дисперсий являются результатом спонтанной адсорбции ионов RCOO- на границе раздела между водной дисперсией и воздухом, в результате чего границы раздела воздух-вода энергетически стабилизируются и поэтому могут механически расширяться.
Химические свойства
Наиболее химически реакционноспособной частью жирных кислот является кислая карбоксильная группа (COOH). Она реагирует со спиртами (R′OH) с образованием продуктов, известных как сложные эфиры (RCOOR′), и выделяет при этом воду. Эта эфирная связь является основной ковалентной связью, соединяющей жирнокислотные молекулы с другими группами в более сложных липидах, обсуждаемых в других разделах этой статьи. Вторая химическая связь, встречающаяся гораздо реже в биологических липидах с участием жирных кислот, — это эфирная связь (R′-O-R). Эфирные связи химически более стабильны, чем сложноэфирные.
Углеводородная часть молекулы жирной кислоты достаточно устойчива к химическому воздействию, если в ней нет двойных связей углерод-углерод. С такой двойной связью реагирует множество различных видов молекул. Например, при наличии катализатора, такого как платина, газообразный водород присоединяется к двойной связи, образуя насыщенную жирную кислоту. Галогены (хлор, бром и йод) и их производные, такие как гидроиодная кислота (HI), также реагируют с двойной связью, образуя насыщенные жирные кислоты, но в этих случаях один или два атома галогена заменяют один или два гидрогена, обычно присутствующих в насыщенной ацильной цепи. Двойные связи углерод-углерод также могут реагировать с кислородом в неферментативных процессах или в реакциях окисления, катализируемых ферментами. В результате этого процесса образуются различные продукты, некоторые из которых вызывают прогорклый запах испорченных мясных и овощных продуктов. В целом, чем более ненасыщенной является жирная кислота, тем легче она окисляется.
