Molecular Expressions Zellbiologie: Pflanzenzellstruktur – Vakuolen

Vakuolen sind membrangebundene Säcke innerhalb des Zytoplasmas einer Zelle, die verschiedene Funktionen erfüllen. In reifen Pflanzenzellen sind Vakuolen in der Regel sehr groß und extrem wichtig für die strukturelle Unterstützung sowie für Funktionen wie Lagerung, Abfallentsorgung, Schutz und Wachstum. Viele Pflanzenzellen haben eine große, einzelne zentrale Vakuole, die typischerweise den größten Teil des Raums in der Zelle einnimmt (80 Prozent oder mehr). Vakuolen in tierischen Zellen sind dagegen meist viel kleiner und dienen eher der vorübergehenden Lagerung von Materialien oder dem Transport von Stoffen.

Die zentrale Vakuole in Pflanzenzellen (siehe Abbildung 1) wird von einer Membran umschlossen, die als Tonoplast bezeichnet wird und ein wichtiger und hoch integrierter Bestandteil des pflanzlichen internen Membrannetzwerks (Endomembransystems) ist. Diese große Vakuole entwickelt sich langsam, wenn die Zelle reift, durch Fusion kleinerer Vakuolen, die aus dem endoplasmatischen Retikulum und dem Golgi-Apparat stammen. Da die zentrale Vakuole beim Transport von Stoffen durch ihre Membran sehr selektiv ist, unterscheidet sich die chemische Palette der Vakuolenlösung (als Zellsaft bezeichnet) deutlich von der des umgebenden Zytoplasmas. So enthalten einige Vakuolen Pigmente, die bestimmten Blüten ihre charakteristischen Farben verleihen. Die Zentralvakuole enthält auch Pflanzenabfälle, die für Insekten und Tiere bitter schmecken, während sich entwickelnde Samenzellen die Zentralvakuole als Speicher für Proteine nutzen.

Zu ihren Aufgaben in der Funktion der Pflanzenzelle speichert die Zentralvakuole Salze, Mineralien, Nährstoffe, Proteine, Pigmente, hilft beim Pflanzenwachstum und spielt eine wichtige strukturelle Rolle für die Pflanze. Unter optimalen Bedingungen sind die Vakuolen so stark mit Wasser gefüllt, dass sie einen erheblichen Druck gegen die Zellwand ausüben. Dies hilft, die strukturelle Integrität der Pflanze zusammen mit der Unterstützung durch die Zellwand aufrechtzuerhalten, und ermöglicht es der Pflanzenzelle, viel größer zu werden, ohne neues Cytoplasma synthetisieren zu müssen. In den meisten Fällen ist das pflanzliche Zytoplasma auf eine dünne Schicht zwischen der Plasmamembran und dem Tonoplasten beschränkt, was ein großes Verhältnis von Membranoberfläche zu Zytoplasma ergibt.

Die strukturelle Bedeutung der pflanzlichen Vakuole hängt mit ihrer Fähigkeit zusammen, den Turgordruck zu kontrollieren. Der Turgordruck bestimmt die Steifigkeit der Zelle und hängt mit der Differenz zwischen dem osmotischen Druck innerhalb und außerhalb der Zelle zusammen. Der osmotische Druck ist der Druck, der erforderlich ist, um zu verhindern, dass Flüssigkeit durch eine semipermeable Membran diffundiert, die zwei Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen gelöster Moleküle voneinander trennt. Die Reaktion von Pflanzenzellen auf Wasser ist ein Paradebeispiel für die Bedeutung des Turgordrucks. Wenn eine Pflanze ausreichend Wasser erhält, schwellen die zentralen Vakuolen ihrer Zellen an, da sich die Flüssigkeit in ihnen sammelt, wodurch ein hoher Turgordruck entsteht, der dazu beiträgt, die strukturelle Integrität der Pflanze zusammen mit der Unterstützung durch die Zellwand zu erhalten. Fehlt jedoch genügend Wasser, schrumpfen die zentralen Vakuolen und der Turgordruck sinkt, wodurch die Steifigkeit der Pflanze beeinträchtigt wird, so dass sie welkt.

Pflanzenvakuolen sind auch wichtig für ihre Rolle beim molekularen Abbau und der Speicherung. Manchmal werden diese Funktionen von verschiedenen Vakuolen in derselben Zelle ausgeführt, wobei eine als Kompartiment für den Abbau von Materialien dient (ähnlich den Lysosomen in tierischen Zellen) und eine andere Nährstoffe, Abfallprodukte oder andere Substanzen speichert. Einige der Stoffe, die üblicherweise in Pflanzenvakuolen gespeichert werden, haben sich als nützlich für den Menschen erwiesen, wie z. B. Opium, Gummi und Knoblaucharoma, und werden häufig geerntet. Vakuolen speichern auch oft die Pigmente, die bestimmten Blumen ihre Farben geben, was ihnen hilft, Bienen und andere Bestäuber anzuziehen, aber sie können auch Moleküle freisetzen, die für verschiedene Insekten und Tiere giftig, geruchsintensiv oder ungenießbar sind und sie so davon abhalten, die Pflanze zu verzehren.