Ekspresje Molekularne Biologia Komórki: Struktura Komórki Roślinnej – Wakuole

Wakuole są związanymi z błoną woreczkami w cytoplazmie komórki, które funkcjonują na kilka różnych sposobów. W dojrzałych komórkach roślinnych wakuole są zwykle bardzo duże i są niezwykle ważne w zapewnianiu wsparcia strukturalnego, a także pełnią funkcje takie jak magazynowanie, usuwanie odpadów, ochrona i wzrost. Wiele komórek roślinnych ma dużą, pojedynczą wakuolę centralną, która zazwyczaj zajmuje większość miejsca w komórce (80 procent lub więcej). Wakuole w komórkach zwierzęcych są jednak znacznie mniejsze i częściej służą do tymczasowego przechowywania materiałów lub transportu substancji.

Centralna wakuola w komórkach roślinnych (zob. ryc. 1) jest zamknięta błoną zwaną tonoplastem, ważnym i wysoce zintegrowanym składnikiem systemu wewnętrznej sieci błon roślinnych (endomembrany). Ta duża wakuola rozwija się powoli w miarę dojrzewania komórki, łącząc się z mniejszymi wakuolami pochodzącymi z retikulum endoplazmatycznego i aparatu Golgiego. Ponieważ centralna wakuola jest bardzo selektywna w transporcie materiałów przez swoją błonę, paleta chemiczna roztworu wakuolowego (zwanego sokiem komórkowym) różni się znacznie od otaczającej cytoplazmy. Na przykład, niektóre wakuole zawierają pigmenty, które nadają niektórym kwiatom ich charakterystyczne kolory. Wakuola centralna zawiera również odpady roślinne, które smakują gorzko dla owadów i zwierząt, podczas gdy rozwijające się komórki nasienne używają wakuoli centralnej jako magazynu białek.

Wśród swoich ról w funkcjonowaniu komórek roślinnych, wakuola centralna przechowuje sole, minerały, składniki odżywcze, białka, pigmenty, pomaga we wzroście roślin i odgrywa ważną rolę strukturalną dla rośliny. W optymalnych warunkach wakuole są wypełnione wodą do tego stopnia, że wywierają znaczne ciśnienie na ścianę komórkową. Pomaga to utrzymać integralność strukturalną rośliny, wraz z wsparciem ze strony ściany komórkowej, i umożliwia komórce roślinnej wzrost znacznie większy bez konieczności syntezy nowej cytoplazmy. W większości przypadków cytoplazma roślinna jest ograniczona do cienkiej warstwy umieszczonej między błoną plazmatyczną a tonoplastem, co daje duży stosunek powierzchni błony do cytoplazmy.

Strukturalne znaczenie wakuoli roślinnej jest związane z jej zdolnością do kontrolowania ciśnienia turgorowego. Ciśnienie turgoru dyktuje sztywność komórki i jest związane z różnicą pomiędzy ciśnieniem osmotycznym wewnątrz i na zewnątrz komórki. Ciśnienie osmotyczne to ciśnienie wymagane do zapobiegania dyfuzji płynu przez błonę półprzepuszczalną oddzielającą dwa roztwory zawierające różne stężenia cząsteczek solutu. Reakcja komórek roślinnych na wodę jest doskonałym przykładem znaczenia ciśnienia turgorowego. Kiedy roślina otrzymuje odpowiednią ilość wody, centralne wakuole jej komórek pęcznieją, ponieważ ciecz gromadzi się w nich, tworząc wysoki poziom ciśnienia turgorowego, które pomaga utrzymać integralność strukturalną rośliny, wraz ze wsparciem ze strony ściany komórkowej. W przypadku braku wystarczającej ilości wody, wakuole centralne kurczą się, a ciśnienie turgorowe zmniejsza się, naruszając sztywność rośliny i powodując więdnięcie.

Wakuole roślinne są również ważne ze względu na ich rolę w degradacji i magazynowaniu molekularnym. Czasami te funkcje są wykonywane przez różne wakuole w tej samej komórce, z których jedna służy jako przedział do rozkładu materiałów (podobny do lizosomów znalezionych w komórkach zwierzęcych), a druga przechowuje składniki odżywcze, produkty odpadowe lub inne substancje. Niektóre z materiałów powszechnie przechowywanych w wakuolach roślin okazały się przydatne dla ludzi, np. opium, kauczuk i aromat czosnkowy, i są często zbierane. Wakuole często przechowują także pigmenty, które nadają niektórym kwiatom ich kolory, co pomaga im w przyciąganiu pszczół i innych zapylaczy, ale także mogą uwalniać cząsteczki, które są trujące, nieprzyjemne w zapachu lub niesmaczne dla różnych owadów i zwierząt, zniechęcając je w ten sposób do konsumpcji rośliny.