Вы наверняка замечали, что оливковое масло при комнатной температуре остается жидким, а сливочное масло сохраняет твердую консистенцию. Казалось бы, и то и другое состоит преимущественно из жиров, но физические свойства у них совершенно разные.
Конечно, причина заключается прежде всего в различиях жирнокислотного состава. Однако есть одна интересная особенность: даже две жирные кислоты с одинаковой молекулярной формулой могут существенно отличаться по своим свойствам.
И все из-за того, как расположены атомы относительно одной двойной связи.
Разберемся, что такое цис-транс изомерия и какое отношение она имеет к жирным кислотам.
Одна двойная связь, а сколько проблем!
Для начала вспомним, что ненасыщенные жирные кислоты содержат одну или несколько двойных связей между атомами углерода.
В отличие от одинарной связи, вокруг которой возможно относительно свободное вращение, двойная связь C=C такого вращения не допускает без разрушения ее π-компонента.
Именно эта особенность создает условия для существования геометрических изомеров.
Представим два атома углерода, соединенных двойной связью. У каждого из них есть атом водорода и продолжение углеводородной цепи.
Если атомы водорода находятся по одну сторону от двойной связи, перед нами цис-изомер. Если по разные стороны, транс-изомер.
При этом количество атомов углерода, водорода и кислорода в обеих молекулах совершенно одинаковое. Отличается только их пространственное расположение.
Такие соединения относятся к стереоизомерам, а конкретно к геометрическим изомерам.
На первый взгляд разница небольшая. Но в случае жирных кислот даже такое изменение может заметно повлиять на свойства вещества.
Олеиновая и элаидиновая кислоты: найди отличие
Рассмотрим две конкретные жирные кислоты: олеиновую и элаидиновую.
Олеиновая кислота широко распространена в природе. Особенно много ее в оливковом масле, хотя встречается она и во многих других растительных и животных жирах.
Элаидиновая кислота является ее геометрическим изомером.
Обе кислоты имеют одинаковую молекулярную формулу C₁₈H₃₄O₂, содержат 18 атомов углерода и одну двойную связь между девятым и десятым атомами углерода, если считать от карбоксильной группы.
Но есть небольшая разница.
Олеиновая кислота имеет цис-конфигурацию, а элаидиновая кислота имеет транс-конфигурацию.
В цис-изомере двойная связь создает заметный изгиб углеводородной цепи. Молекула уже не выглядит относительно прямой.
В транс-изомере углеводородная цепь сохраняет гораздо более вытянутую форму.
Это различие хорошо заметно на структурных формулах, но еще интереснее посмотреть, как оно влияет на свойства жирных кислот.
Почему форма молекулы имеет значение?
Представьте, что вам необходимо сложить в коробку несколько десятков прямых карандашей. Они достаточно легко располагаются параллельно и занимают относительно небольшой объем.
А теперь попробуйте проделать то же самое с изогнутыми карандашами.
Уложить их плотно друг к другу будет гораздо сложнее.
Похожая ситуация возникает и с жирными кислотами.
Цис-двойная связь создает изгиб углеводородной цепи, затрудняя плотную упаковку молекул. В результате межмолекулярные взаимодействия оказываются менее эффективными, а температура плавления снижается.
У транс-изомеров цепи более прямые, поэтому они способны плотнее упаковываться друг относительно друга.
Именно поэтому транс-изомеры жирных кислот обычно имеют более высокую температуру плавления, чем соответствующие цис-изомеры.
Например, температура плавления олеиновой кислоты составляет около 13–14 °C, а элаидиновой около 45 °C.
Получается, что изменение пространственного расположения атомов возле одной двойной связи приводит к разнице температур плавления более чем на 30 градусов!
А какое отношение это имеет к организму?
Самое непосредственное.
Жирные кислоты входят в состав множества липидов, в том числе фосфолипидов клеточных мембран.
В составе фосфолипидов углеводородные цепи располагаются рядом друг с другом, образуя внутреннюю гидрофобную область липидного бислоя.
Если в этих цепях присутствуют цис-двойные связи, молекулам сложнее упаковываться слишком плотно. Это способствует сохранению подвижности липидов, или, как говорят в биохимии, текучести мембраны.
Транс-двойные связи действуют иначе. Из-за более вытянутой формы таких цепей их упаковка может напоминать поведение насыщенных жирных кислот.
Однако текучесть мембраны зависит не только от геометрии двойных связей, но и от длины углеводородных цепей, содержания холестерина и общего липидного состава.
Поэтому нельзя утверждать, что одна транс-двойная связь автоматически делает клеточную мембрану жесткой. Все несколько сложнее.
Откуда вообще берутся трансжиры?
В природе большинство ненасыщенных жирных кислот, входящих в состав липидов человека, имеют цис-конфигурацию.
Но трансжирные кислоты тоже существуют, причем не всегда они появляются в результате промышленной обработки продуктов.
Например, некоторые трансжирные кислоты образуются под действием микроорганизмов в пищеварительной системе жвачных животных. Поэтому небольшое их количество естественным образом встречается в молочных продуктах и мясе.
Другой источник связан с промышленной переработкой растительных масел.
При частичной гидрогенизации масла часть двойных связей насыщается водородом, а некоторые из оставшихся могут изменять свою конфигурацию с цис на транс.
В результате образуются трансжирные кислоты, которые могут входить в состав частично гидрогенизированных жиров.
Почему же о них так много говорят?
Дело в том, что потребление промышленных трансжиров связано с повышением риска сердечно-сосудистых заболеваний. В частности, они способны увеличивать концентрацию холестерина в составе липопротеинов низкой плотности (ЛПНП) и неблагоприятно влиять на липидный профиль крови.
Поэтому Всемирная организация здравоохранения рекомендует максимально ограничивать их потребление и исключать промышленно произведенные трансжиры из пищевой продукции.
При этом важно не путать трансжиры со всеми ненасыщенными жирами. Наличие двойной связи само по себе совершенно не означает, что жирная кислота относится к трансжирам. Все зависит от ее геометрической конфигурации.
Что в итоге?
Цис-транс изомерия показывает, насколько большое значение в органической химии имеет пространственное строение молекул.
Олеиновая и элаидиновая кислоты имеют одинаковую молекулярную формулу и одинаковое положение двойной связи, но отличаются конфигурацией атомов в пространстве.
Этого оказывается достаточно, чтобы изменить форму углеводородной цепи, температуру плавления и особенности взаимодействия молекул друг с другом.
Именно поэтому при изучении биоорганической химии недостаточно знать только состав вещества и расположение его функциональных групп.
Иногда для объяснения свойств соединения нужно просто посмотреть, по какую сторону от двойной связи находятся атомы водорода.