Wakuola i sok komórkowy

Wakuole (od łac. vacuus – pusty) to niezwykle dynamiczne i pełniące wiele rozmaitych funkcji pęcherzykowate organelle komórkowe, występujące w komórkach roślin, grzybów i protistów roślinopodobnych. W komórkach zwierząt i protistów zwierzęcych ich odpowiednikiem są wodniczki.

Budowa wakuoli

Wakuola ma postać pęcherzyka wypełnionego cieczą, zwaną sokiem komórkowym (wakuolarnym).

Liczba i wielkość wakuoli zależą od wieku komórki i rodzaju tkanki. W młodych komórkach roślin, występują liczne drobne wakuole, które wraz z dojrzewaniem i różnicowaniem się komórek łączą się ze sobą, tworząc jedną, dużą, z reguły centralnie położoną wakuolę. W dojrzałych komórkach roślinnych pojedyncza wakuola może zajmować nawet 90% objętości komórki.

R1LO3XHJ3KPHH

Na fotografii spod mikroskopu świetlnego w powiększeniu czterystukrotnym widoczne są komórki roślinne łodygi kaktura z dużymi wakuolami, w których magazynowana jest woda. Mają postać przylegających do siebie, okrągłych struktur otoczonych niebieską ścianą komórkową.

W komórkach roślin wyróżnia się dwa typy wakuol:

• wakuole gromadzące materiały zapasowe;

• wakuole lityczne – funkcjonalne odpowiedniki lizosomów komórki zwierzęcej.

Tonoplast (błona wakuolarna)

Wakuole oddzielone są od cytoplazmy pojedynczą błoną białkowo‑lipidową, zwaną tonoplastem. Tonoplast jest bardzo elastyczny – udaje się go rozciągnąć nawet o 90%.

Tonoplast jest błoną półprzepuszczalną, zawierającą białka transportowe dla wielu jonów organicznych i nieorganicznych (kanały i pompy jonowe) oraz wody (akwaporyny). Dzięki ich obecności tonoplast reguluje stężenie substancji rozpuszczalnych w cytozolu i wakuoli.

Składniki soku komórkowego

Wnętrze wakuoli wypełnia sok komórkowy, stanowiący wodny roztwór związków organicznych i nieorganicznych, rozpuszczalnych i nierozpuszczalnych w wodzie. Jego skład nie jest stały i zmienia się w ciągu życia komórki.

Do głównych składników soku komórkowego należą:

• Woda

• Jony nieorganiczne, np. potasowe (KIndeks górny +⁺), wapnia (CaIndeks górny 2+²⁺), magnezu (MgIndeks górny 2+²⁺), fosforanowe (POIndeks dolny 4₄Indeks górny 3-^3-), siarczanowe (SOIndeks dolny 4₄Indeks górny 2-^2-) i azotanowe (NOIndeks dolny 3₃Indeks górny -^-) - nie są one zdeponowane w wakuoli na stałe, ponieważ podlegają wymianie z cytozolem.

• Jony organiczne, np. aniony kwasów organicznych powstające w procesach przemiany materii - są one deponowane w wakuoli jako produkty uboczne i niepotrzebne lub do późniejszego wykorzystania.

• Cukry, aminokwasy i białka, w tym enzymy trawienne - substancje te gromadzone są przede wszystkim jako materiały zapasowe, a enzymy również do wykorzystania w procesach trawienia wewnątrzkomórkowego.

• Glikozydy - są to złożone związki organiczne, które zawierają w składzie cząsteczkę cukru, np. glukozy. Wiele z nich to związki barwne, np. żółte flawony i czerwone, niebieskie i fioletowe antocyjany, które nadają barwę owocom i kwiatom pełniąc funkcje atraktantówatraktantatraktantów.

• Alkaloidy - są to związki organiczne o właściwościach toksycznych, np. nikotyna, kofeina, morfina pełniące funkcje obronne przeciwko patogenom i szkodnikom. Wiele z nich wykorzystywanych jest przez człowieka w medycynie (kodeina, morfina, atropina).

• Garbniki - są to związki organiczne występujące w korze i drewnie wielu drzew, nadające roślinom cierpki i gorzki smak; pełnią funkcje ochronne przeciwko szkodnikom i patogenom.

• Ciała stałe, np. kryształy szczawianu wapnia, które mogą występować w formie piasku krystalicznego, pęczków igiełek (rafidów) lub agregatów o nieregularnym kształcie (druzy); pełnią funkcje obronne.

RQ1IW2AOaJrwB

Obraz spod mikroskopu świetlnego o 600-krotnym powiększeniu przedstawia podłużne kryształy, przypominające kształtem igły.

Funkcje wakuol

O funkcjach wakuoli decydują przede wszystkim właściwości tonoplastu i skład soku komórkowego. Do najważniejszych z nich należy:

• Regulacja stanu uwodnienia komórki. Ze względu na obecność licznych kanałów jonowych i akwaporyn, tonoplast reguluje przepływ substancji między wakuolą a cytozolem. Ma to wpływ na kierunek przemieszczania się wody między komórką a środowiskiem, dzięki czemu wakuole utrzymują właściwy stopień uwodnienia i turgorturgorturgor komórki, nadając jej kształt i sztywność.

• Regulacja wzrostu komórki. Przy dużym stężeniu związków rozpuszczalnych w soku komórkowym woda napływa do wakuoli. W rezultacie objętość wakuoli rośnie i naciska na cytozol, który następnie wywołuje ciśnienie na ścianę komórkową rozciągając ją. To powoduje, że wakuola jest główną organellą uczestniczącą we wzroście komórki.

• Spichrzowa. Dotyczy magazynowania substancji zapasowych, takich jak cukry (sacharoza, inulina), białka zapasowe (np. w nasionach zbóż i roślin strączkowych) oraz związków chemicznych o charakterze obronnym (alkaloidy, garbniki, szczawian wapnia w formie kryształów) i atraktantów (flawony i antocyjany). W wakuoli gromadzone są również substancje toksyczne, które w ten sposób izolowane są od innych organelli komórkowych.

• Trawienie wewnątrzkomórkowe. Znajdujące się w soku komórkowym enzymy trawienne uczestniczą w rozkładzie substancji zapasowych i białek zapasowych na związki proste wykorzystywane w przemianach metabolicznych. Enzymy wakuolarne degradują również struktury komórkowe podczas starzenia się komórek i związki toksyczne.

Wodniczki w komórkach zwierzęcych i protistów zwierzęcych

Odpowiednikiem wakuol w komórkach zwierzęcych i protistów zwierzęcych są wodniczki. Wodniczki są mniejsze od wakuol, ale podobnie jak i one, otoczone są pojedynczą błoną. Wyróżnia się dwa rodzaje wodniczek: pokarmowe i tętniące. Wodniczki pokarmowe formowane są podczas endocytozy i współpracują z lizosomami w trawieniu pokarmu, natomiast wodniczki tętniące uczestniczą w usuwaniu wody poza komórkę.

Podsumowanie

• Wakuola jest organellum komórkowym otoczonym pojedynczą błoną białkowo‑lipidową - tonoplastem. Występuje w komórkach roślin, grzybów i protistów roślinopodobnych.

• Wnętrze wakuoli wypełnia sok komórkowy, który jest wodnym roztworem różnych związków organicznych i nieorganicznych.

• Do najważniejszych składników soku komórkowego należą: woda, jony nieorganiczne, cukry, aminokwasy, białka, glikozydy, garbniki i alkaloidy.

• Skład soku komórkowego nie jest stały i zmienia się w zależności od stanu fizjologicznego komórki. Jego skład decyduje o funkcjach jakie pełni wakuola w komórce.

• Wakuole pełnią różne funkcje, m.in. odpowiadają za turgor komórki, nadają barwę kwiatom i owocom, magazynują różne jony i związki, pełnią funkcje obronne i lityczne.

• Odpowiednikiem wakuol w komórkach zwierząt i protistów zwierzęcych są wodniczki pokarmowe i tętniące.

Ćwiczenia utrwalające