Структура на растителна и животинска клетка

Въведение
Клетката е най-малката структурна и функционална единица на живота, способна да се самовъзпроизвежда. Всички клетки съдържат множество по- малки структурни единици, наречени органели, които изпълняват специфични функции. Органелите са обкръжени с течна цитоплазма, а като цяло клетката е отделена от външната среда с липиднобелтъчна обвивка, наречена клетъчна мембрана. Цитоплазмената мембрана е жизнената преграда, която отделя вътрешността на клетката от външната среда. Вътре в клетката се намират цитоплазмата с клетъчните структури и вещества, които правят възможно нейното функциониране. Ключова структура е ядрото или нуклеоида, където се съдържа необходимата информация за репродукцията на клетката. В цитоплазмата са разположени механизми за клетъчния растеж, функциониране и размножаване.
Съществуват два големи класа клетки – прокариотни (доядрени) и еукариотни (същинско ядрени). Както показват имената им, разграничителен белег е наличието или липсата на оформено ядро, но всъщност разликите са по-дълбоки. Клетките в древните пластове са прокариотни, за което се съди по малките им размери и простото им устройство. Прокариотните са най-просто устроените малки клетки. Приема се, че тяхната възраст възлиза над 3,5 милиарда години. Еукариотните организми се появяват около милиард години след прокариотите.

1.1. Химичен състав на клетката
По химична природа веществата, които влизат в състава на клетката се разделят на две групи:
неорганични компоненти: вода, органогенни елементи и минерални елементи;
органични компоненти: белтъци, нуклеинови киселини, липиди, въглехидрати (полизахариди), алкохоли, витамини и др.

1.1.1. Неорганичен състав на клетката
Вода. Животът е възникнал във вода. Всички форми на живот на Земята не могат да живеят без вода. Водата участва в създаването на вътрешната среда на клетките на растения и животни. Свободната вода служи като разтворител на веществата в цитоплазмата на клетките. В нея се разтварят различни соли, които лесно се дисоциират на йони, а също и някои органични съединения. Тя изпълнява ролята на универсална дисперсна среда в клетката. При намаляване на съдържанието й до критично ниво, живите организми преминават в състояние на анабиоза.
Електронната й структура, физичните и химичните й свойства я правят пригодна за изпълнение на биологичната й роля. Молекулата на водата представлява леко "изкривен" тетраедър, в центъра на който е разположен кислородният атом. Двете му връзки с водорода са насочени към два от върховете на тетраедъра, докато несподелените електрони от двата sp3- хибридизирани орбитала заемат останалите два върха. Ъгълът между двата водородни атома (105o) е малко по-малък от съответния ъгъл при един правилен тетраедър (109,5o). Тази "дребна" разлика "изкривява" тетраедъра и е причина за повече от особените физико-химични свойства на водата, а оттам и за биологичните и функции. Електронният облак около кислородния атом e концентриран в област противоположна на водородните атоми. Така водната молекула придобива диполен характер.

Фигура 1. Диполен характер на водната молекула - тетраедрична структура.
Всички вещества, които постъпват в клетката проникват с вода и само с вода се отделят продуктите от обмяната на веществата. Водата и йоните, получени от дисоциацията й са важни фактори, които определят структурата и функциите на биополимерите в клетката, в това число и на белтъците и нуклеиновите киселини. Водата може да промени пропускливостта на клетъчните мембрани, тъй като в резултат на различните и превръщания е възможно да настъпят изменения на съставящите ги компоненти.
Водата може да образува водородни връзки, които имат изключително голямо значение за биологичните системи (фиг. 2). Известно е, че повечето молекули в клетката образуват устойчиви „нежни" връзки само с неголям брой молекулни типове. Това частично се обяснява с водното обкръжение на молекулите в биологичните системи. Образуването на връзки между каквито и да са молекули в клетката зависи не само от това дали тези молекули могат да реагират помежду си, но също и от количеството на водородните връзки във водния разтвор.

Фигура 2. Водородни връзки между диполите на водата
В биологичните системи водата изпълнява следните общи функции:
Обединява всички части на организма;
Разтворител и среда за извършване на биохимични реакции;
Участва в създаването на порядък на структурите в клетките;
Метаболит и непосредствен компонент на биохимичните процеси (при фотосинтезата, водата е донор на е-, необходима е за хидролизните и синтетичните процеси);
Изпълнява функции в преносно-мембранните процеси;
Главен компонент на транспортните системи на висшите организми;
Терморегулиращ фактор, запазва тъканите от резки температурни колебания, благодарение на високата си топлоемкост;
Добър “амортисьор” при механични въздействия върху организма.
Органогенни елементи - основни органогенни елементи са С, N, Н и О, които заемат от 86 до 98% от сухото вещество на клетките.
Въглерод - от 34 до 62% от сухото вещество на клетките, влиза в състава на повечето органични съединения и обуславя функциите им. Въглеродните атоми образуват помежду си прости (единични), двойни и тройни връзки, богати на енергия. Електронната му структура, неговите физични и химични свойства обуславят голямото разнообразие на органични съединения с широк диапазон на свойства. Въглеродът образува комплекси с голяма молекулна маса, които образуват колоидни разтвори, необходими за цитоплазмата и за построяване на фината и структура.
Азот - заема от 7 до 14% от сухото вещество на клетките, предимно в редуцирана форма (-NН2, -NН-, =N-) и придава реактивоспособност на органичните вещества, които го съдържат. Това се дължи на способността му трудно да влиза в химични съединения, но лесно да излиза от тях.
Кислород - заема около 30% и водород - от 5 до 8% от сухото вещество на клетките. Тези два елемента (единият окислител, а другият редуктор) вървят винаги заедно и влизат в разнообразни реакции с намиращите се около тях вещества.
Минерални елементи. Минералните елементи остават в пепелния остатък и заемат от 2 до 14% от сухото вещество на клетките. Това са: Р, Fе, S, Мg, Nа, К, Zn, Мn, Сu, Со и много други. Наличието на едни или други йони в клетките се обуславя от способността им да се пренасят от средата в клетката.
Една част от минералните елементи е необходимо да се доставят на човека с храната в по-големи количества над 100 mg ежедневно. Условно се наричат "макроминерали". Към макроминералите принадлежат шест елементи: четири метала - натрий, калий, калций и магнезий и два металоиди (неметали) - фосфор и хлор. Те се намират в организма обикновено в разтворено и дисоциирано състояние като катиони или аниони. Други са необходими в количества под 100 mg на ден, прието е да се наричат "микроминерали". Към микроминералите в човешкия организъм могат да се посочат: желязо, манган, мед, кобалт, цинк, селен, хром, молибден (катиони) и йод и флуор (аниони). Други елементи не са полезни за човека и дори някои от тях имат токсичен ефект.
Клетките съдържат значителни количества фосфор, който заема от 10 до 45% от пепелния остатък. Той се намира под формата на фосфорна киселина, свързана чрез естерни връзки с други атоми, фосфорът влиза в състава на клетъчните фосфолипиди, ДНК, РНК, нуклеопротеидите, редица ензими и др. Особено място сред елементите заема сярата, която рядко присъства в клетките във вид на минерални съединения. Обикновено тя влиза в състава на аминокиселините метионин, цистин и цистеин или е включена в някои вторични метаболити в сяросъдържащите хетероциклични съединения, а също и витамини (тиамин и биотин). Желязото е важен елемент за изграждането на дихателните ензими, цитохромите, цитохром- оксидазата, пероксидазата, каталазата.
Минералните елементи са с различно физиологично значение. Те стабилизират физико-химичното състояние на колоидите в цитоплазмата. Металните йони имат най-важно значение за функционирането на биологичните системи, свързани са с ензимните реакции. Те влизат в състава на редица ензими и по този начин участват в ензимни реакции. Магнезиевите йони (Мg+2) са необходими за съхраняването на устойчивите структури на рибозомите. Йоните на кобалта участват в състава на витамин В12. Калият е необходим за изграждането на някои повърхностни структури на микробните клетки. Той взема участие в набъбването на клетъчните белтъци. Йоните на някои минерални елементи се съдържат в клетките в много малки количества (т.нар. микроелементи).

1.1.2. Органични молекули изграждащи клетката
Главните химични компоненти на клетките са структури, наречени макромолекули. Основни биологични макромолекули са нуклеиновите киселини, белтъците, полизахаридите и липидите. Една част от тях са хомобиополимери (изградени чрез свързването на еднотипни, в някои случаи идентични основни структури), а другите хетеробиополимери, когато градивните единици при полимерите са еднотипни, но не идентични. Всеки един от тези полимери е изграден от характерно свързани мономери.
Макромолекулите на клетките се разделят на информационни и неинформационни. Информационни са нуклеиновите киселини и белтъците. В тях последователностите на мономерните единици са строго специфични, носят биологична информация и определят процесите на тази информация. Информационните молекули съдържат сравнително малък брой различни мономерни единици, при които важно значение имат техните последователности.
Полизахаридите и липидите не са информационни макромолекули, защото последователностите на техните мономери са във висока степен повтарящи се и не са функционално важни.
Основни органични структури. Органични съединения, които не подлежат на хидролиза, т.е. не притежават ковалентни връзки, които да се разкъсват при внасяне на вода – хидролиза, се наричат основни органични структури. Тези връзки могат да се разкъсват и чрез внасяне на фосфорна киселина, процес известен като фосфоролиза. В клетките не постъпват от околната среда производни органични структури, т.е. молекули, които биха могли да се подложат на хидролиза или фосфоролиза.
Основните органични структури (т.нар. мономери), са органични съединения, които съдържат до около 30 въглеродни атома и са групирани в класове в зависимост от техните химични особености. Има четири класа мономери, важни за клетката:
монозахариди – мономери на полизахаридите
нуклеотиди - базови единици в нуклеиновите киселини - ДНК и РНК;
аминокиселини - мономери на белтъците;
мастни киселини - мономерни единици на липидите.
Въглехидрати. Въглехидратите изграждат до 80% от сухото вещество на растенията: целулоза, нишесте, глюкоза, захароза, пектин и др. Висшите животни използват глюкоза, гликоген (резервна храна); рибозата и 2- дезоксирибозата се съдържат в нуклеиновите киселини. Наричат се още захари или захариди. Въглехидрати (англ. carbohydrates) буквално означ