Мембраны и энергетический обмен: повторение для ЕГЭ (интенсив)
Быстрое повторение перед ЕГЭ: бислой и транспорт веществ, гликолиз и кислородный этап — ловушки, числа и тренажёр.
Ты съел бутерброд — и энергия хлеба должна доехать до мышц. На пути она дважды встречает мембраны: глюкоза попадает в клетку через белки-каналы, а потом сгорает в митохондриях, чья работа построена на мембранах. Сама мембрана — не сплошной мешок, а бислой: два слоя фосфолипидов, гидрофильные «головки» наружу, гидрофобные «хвосты» внутрь. Через бислой сами проходят газы и жирорастворимые вещества, а ионы и сахара идут только через белки-каналы и насосы, и насосы тратят АТФ. На ЕГЭ это сразу две темы — транспорт и энергетический обмен, и обе начинаются с мембраны.
- бислой#
- два слоя фосфолипидов — основа любой клеточной мембраны
- гидрофильные головки#
- части фосфолипида, обращённые к воде снаружи бислоя
- гидрофобные хвосты#
- жирные «хвосты» фосфолипидов, спрятанные внутри мембраны
- белок-канал#
- белок мембраны, через который идут ионы и сахара
- кристы#
- складки внутренней мембраны митохондрии, место синтеза АТФ
- гликолиз#
- бескислородное расщепление глюкозы в цитоплазме, выход 2 АТФ
Мембрана под микроскопом: жидкостно-мозаичная модель
Современную картину мембраны нарисовали Сеймор Зингер и Гаррет Никольсон в 1972 году: липидный бислой — «море», в котором плавают белки разного калибра. Одни белки прошивают мембрану насквозь и служат каналами и насосами, другие сидят на поверхности и передают сигналы, третьи держат на себе углеводные цепочки — по ним соседние клетки узнают друг друга, как по бейджу. Всё это хозяйство подвижно: мембрану сравнивают с жидкостью, из которой можно вылепить почти любую форму — пузырёк, вырост, впячивание. Отсюда следствие: мембрана не только барьер, но и почта, рецепторная панель и упаковочный цех клетки.
Главный насос клетки — натрий-калиевый: за один цикл он выталкивает наружу три иона натрия и затягивает два иона калия, причём оба против градиента концентрации, поэтому без АТФ не обойтись. На этот насос нейрон тратит до трети всей своей энергии — зато мембрана становится заряженной, и по этому заряду бежит нервный импульс. Есть и объёмные грузы: амёба и лейкоцит захватывают добычу впячиванием мембраны — эндоцитозом, а железы выводят готовые секреты наружу зеркальным способом — экзоцитозом.
Митохондрия заслуживает отдельного взгляда: это органелла с двумя мембранами. Внешняя — гладкая оболочка, внутренняя — складчатая: её складки, кристы, утыканы белками дыхательной цепи. В полужидком матриксе между мембранами цикл Кребса, который описал Ганс Кребс в 1937 году, докручивает окисление продуктов гликолиза, а на кристах электронная цепь и фермент АТФ-синтаза штампуют 36 АТФ. Как эти складки работают, объяснил Питер Митчелл в 1961 году хемиосмотической гипотезой — за неё в 1978-м дали Нобелевскую премию. В клетке печени счёт митохондрий идёт на тысячи.
Энергетический обмен: 0 + 2 + 36 АТФ
Расщепление глюкозы идёт в три этапа. Подготовительный: в желудочно-кишечном тракте и лизосомах полимеры распадаются до мономеров, АТФ не образуется, энергия рассеивается теплом. Гликолиз: в цитоплазме глюкоза превращается в две молекулы ПВК и даёт 2 АТФ — без кислорода. На гликолизе живут даже зрелые эритроциты: митохондрий в них нет. Кислородный этап: ПВК окисляется до CO2 и H2O в митохондриях, на складках внутренней мембраны — кристах, — и даёт 36 АТФ. Итого 38 с глюкозы; в новых учебниках пишут 30-32, вычитая расходы на перенос АТФ, — в школьных заданиях чаще ждут 38.
Транспорт через мембрану
Через бислой вещества едут по-разному, и в задачах ЕГЭ проверяют именно способ. Критерий один — тратится ли АТФ.
| Способ | Энергия АТФ | Пример |
|---|---|---|
| пассивная диффузия | не тратится | кислород и углекислый газ сами проходят бислой |
| облегчённая диффузия | не тратится, но нужен белок-канал | глюкоза заходит в клетку по каналу |
| активный транспорт | тратится | натрий-калиевый насос гонит ионы против градиента |
| эндоцитоз | тратится | лейкоцит захватывает микроба мембраной |
Энергетика и транспорт — соседи по билету, и связывает их одна деталь: кислородный этап работает на мембранах митохондрий, на кристах. Чем больше складок, тем больше белков дыхательной цепи умещается и тем больше АТФ. Поэтому клетки сердца, которые сокращаются без выходных, набиты митохондриями плотнее остальных — они занимают до 40% объёма кардиомиоцита.
Кстати, почему тренированные бегуны дольше не задыхаются? Их мышечные клетки обзавелись большим числом митохондрий с плотными кристами: та же глюкоза превращается в заметно больше АТФ по кислородному пути. Митохондрии даже умеют размножаться делением внутри клетки — регулярная нагрузка буквально выращивает новые энергетические станции. Отсюда и совет тренеров: выносливость строится системными, а не героическими одиночными рывками.
Не забывай, что мембраны внутри клетки не меньшие труженики, чем наружная. Эндоплазматическая сеть несёт рибосомы и развозит белки, аппарат Гольджи упаковывает их в пузырьки, лизосомы держат ферменты за мембраной, чтобы клетка не переварила сама себя, а митохондрии и пластиды обзавелись двумя мембранами каждая. Мембранная сеть превращает клетку в завод с цехами: перевозка между цехами идёт в пузырьках, которые отшнуровываются от одной мембраны и сливаются с другой. На вопрос «где в клетке есть мембраны» честный ответ — почти везде.
Прогони этапы на привычном обеде. Бутерброд во рту и желудке: подготовительный этап — крахмал режут до глюкозы, белки до аминокислот, АТФ ноль. Глюкоза всасывается в кровь и доезжает до мышечной клетки: в цитоплазме гликолиз — две ПВК и 2 АТФ, пока кислород не нужен. Если ты идёшь пешком, кислорода хватает: ПВК догорает в митохондриях и добирает 36 АТФ. Замер на бегу — и после гликолиза включается молочнокислый путь. Три этапа, 0 — 2 — 36, — и весь обмен веществ у тебя на ладони.
У бислоя есть и своя «штукатурка» — холестерин: у животных он вклинивается между фосфолипидами и держит мембрану от излишней текучести и от застывания. Из-за этого соотношение липидов и белков в разных мембранах сильно различается: в миелиновой оболочке нерва белков почти нет, а во внутренней мембране митохондрии белков больше половины — там им работать. Мембрана асимметрична и по слоям: наружный несёт углеводные метки, внутренний — якоря для цитоскелета.
Бескислородные пути — не сноска, а рабочая тема контрольных. Молочнокислые бактерии после гликолиза превращают ПВК в молочную кислоту: так делают йогурт, кефир и квашеную капусту, так же ноют твои мышцы после спринта. Дрожжи идут по спиртовому пути: из ПВК получаются спирт и углекислый газ — пузырьки поднимают тесто, а в тишине погреба превращают виноградный сок в вино. Оба пути дают клетке жалкие 2 АТФ, зато работают мгновенно и без кислорода.
- Задание: из белка получили 90 аминокислот на подготовительном этапе. Сколько молекул воды пошло на разрыв связей и сколько АТФ выделилось?
- Полимер рвётся гидролизом: каждая разрезанная пептидная связь потребляет одну молекулу воды.
- Связей между 90 звеньями на одну меньше, чем звеньев: 90 − 1 = 89.
- АТФ на подготовительном этапе не образуется вовсе — вся энергия рассеивается теплом.
- Ответ: 89 молекул воды и 0 АТФ. Связка «связей на одну меньше, чем звеньев» решает такие задачи мгновенно.
Как это спрашивают на контрольной
- Верю — не верю: гликолиз требует кислорода (нет: он идёт в цитоплазме без кислорода).
- Задача: клетка полностью окислила 5 молекул глюкозы — сколько АТФ она получила?
- Развёрнутый ответ: сравни пассивный и активный транспорт — по затратам АТФ, участию белков и направлению.
Образец полного ответа на последний вопрос: «Пассивный транспорт идёт по градиенту концентрации и АТФ не тратит: кислород сам проходит бислой, а глюкоза заходит через белок-канал — это облегчённая диффузия. Активный транспорт двигает вещества против градиента, требует белков-насосов и расходует АТФ: так работает натрий-калиевый насос, а лейкоцит захватывает микроба эндоцитозом». Запомни связку «против градиента — значит с затратой»: она решает половину вопросов по мембране.
Газы проходят бислой сами, ионы движутся через с затратой , а складки внутренней мембраны митохондрий называют .
Банк слов
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Где идёт гликолиз и сколько АТФ он даёт?
2 Сколько АТФ даёт полное окисление одной молекулы глюкозы при классическом подсчёте? Запиши число.
3 Мембрана клетки — это сплошной мешок из одного слоя фосфолипидов.
4 Выбери всё, что верно для кислородного этапа.
5 Сопоставь этап энергетического обмена и его место с результатом.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
6 Зачем внутренней мембране митохондрий складки — кристы?
7 Раздели процессы по месту, где они идут.
Разложи элементы по категориям: нажми на элемент, потом на категорию.
8 Дополни строение мембраны и митохондрии.
Выбери подходящее слово в каждом пропуске.
Мембрана клетки — это два слоя , а складки внутренней мембраны митохондрий называют .
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Идёт ли гликолиз без кислорода?
Да, гликолиз протекает в цитоплазме и кислорода не требует — он даёт 2 АТФ с глюкозы. Кислород нужен только следующему, кислородному этапу в митохондриях.
Сколько АТФ образуется при полном окислении глюкозы?
Классический школьный подсчёт — 38 АТФ: 2 из гликолиза и 36 из кислородного этапа. В новых учебниках встречается 30-32, где вычтен расход на перенос АТФ через мембраны, — сверяйся с условием задачи.
Почему мембрану называют полупроницаемой?
Через бислой сами проходят газы и жирорастворимые вещества, а ионы и сахара — только через белки-каналы, часто с затратой АТФ. Мембрана избирательно решает, кого пропускать.
Как связаны кристы и выработка АТФ?
Кристы — складки внутренней мембраны митохондрии, и на них сидят белки дыхательной цепи вместе с АТФ-синтазой. Чем больше складок, тем больше рабочих мест, поэтому клетка сердца с плотными кристами получает АТФ на полную мощность.