Moleculaire Expressies Celbiologie: Structuur van plantencellen – Vacuolen

Vacuolen zijn membraangebonden zakjes binnen het cytoplasma van een cel die op verschillende manieren functioneren. In volgroeide plantencellen zijn de vacuolen meestal zeer groot en uiterst belangrijk voor de structurele ondersteuning, maar ook voor functies als opslag, afvalverwijdering, bescherming en groei. Veel plantencellen hebben één grote centrale vacuole die meestal de meeste ruimte in de cel inneemt (80 procent of meer). Vacuolen in dierlijke cellen daarentegen zijn meestal veel kleiner en worden vaker gebruikt om stoffen tijdelijk op te slaan of te transporteren.

De centrale vacuole in plantencellen (zie figuur 1) wordt omsloten door een membraan dat de tonoplast wordt genoemd, een belangrijk en zeer geïntegreerd onderdeel van het interne membraannetwerk (endomembraan) van de plant. Deze grote vacuole ontwikkelt zich langzaam naarmate de cel rijper wordt door samensmelting van kleinere vacuolen die afkomstig zijn van het endoplasmatisch reticulum en het Golgi-apparaat. Omdat de centrale vacuole zeer selectief is in het transporteren van materialen door zijn membraan, verschilt het chemische palet van de vacuole-oplossing (celsap genoemd) aanzienlijk van dat van het omringende cytoplasma. Zo bevatten sommige vacuolen bijvoorbeeld pigmenten die bepaalde bloemen hun karakteristieke kleuren geven. De centrale vacuole bevat ook plantaardig afval dat bitter smaakt voor insecten en dieren, terwijl zich ontwikkelende zaadcellen de centrale vacuole gebruiken als opslagplaats voor eiwitten.

De centrale vacuole slaat onder meer zouten, mineralen, voedingsstoffen, eiwitten en pigmenten op, helpt bij de groei van de plant en speelt een belangrijke structurele rol voor de plant. Onder optimale omstandigheden zijn de vacuolen zo met water gevuld dat zij een aanzienlijke druk uitoefenen op de celwand. Dit helpt de structurele integriteit van de plant in stand te houden, samen met de steun van de celwand, en stelt de plantencel in staat veel groter te worden zonder nieuw cytoplasma te hoeven aanmaken. In de meeste gevallen is het cytoplasma van de plant beperkt tot een dunne laag tussen het plasmamembraan en de tonoplast, waardoor er een grote verhouding is tussen membraanoppervlak en cytoplasma.

Het structurele belang van de vacuole van de plant hangt samen met zijn vermogen om de turgordruk te regelen. De turgordruk bepaalt de stijfheid van de cel en hangt samen met het verschil tussen de osmotische druk binnen en buiten de cel. Osmotische druk is de druk die nodig is om te voorkomen dat vloeistof diffundeert door een semipermeabel membraan dat twee oplossingen met verschillende concentraties oplosmoleculen van elkaar scheidt. De reactie van plantencellen op water is een uitstekend voorbeeld van het belang van de turgordruk. Wanneer een plant voldoende water ontvangt, zwellen de centrale vacuolen van zijn cellen op doordat de vloeistof zich daarin verzamelt, waardoor een hoge turgordruk ontstaat, die helpt de structurele integriteit van de plant te handhaven, samen met de steun van de celwand. Bij gebrek aan voldoende water krimpen de centrale vacuolen echter en neemt de turgordruk af, waardoor de stijfheid van de plant in gevaar komt en verwelking optreedt.

De vacuolen van de plant zijn ook belangrijk vanwege hun rol bij de afbraak en opslag van moleculen. Soms worden deze functies uitgevoerd door verschillende vacuolen in dezelfde cel, waarbij de ene dient als compartiment voor de afbraak van materialen (vergelijkbaar met de lysosomen in dierlijke cellen), en de andere voor de opslag van voedingsstoffen, afvalproducten of andere stoffen. Verschillende van de materialen die gewoonlijk in plantenvacuolen worden opgeslagen, zijn nuttig gebleken voor de mens, zoals opium, rubber en knoflookaroma’s, en worden vaak geoogst. Vacuolen bevatten ook vaak de pigmenten die bepaalde bloemen hun kleur geven, waardoor ze bijen en andere bestuivers aantrekken, maar kunnen ook moleculen afgeven die giftig, geurig of onsmakelijk zijn voor verschillende insecten en dieren, waardoor ze ontmoedigd worden de plant te consumeren.