Il vacuolo: funzioni, plasmolisi e crioconservazione nelle cellule vegetali

Il ruolo del vacuolo

Il vacuolo è un organello presente solamente nella cellula vegetale. È ascrivibile a una sacca, presente al centro della cellula.
Quando la cellula è di piccole dimensione occupa un volume ridotto, poi, con l’accrescimento cellulare anch’esso si accresce, occupando un volume sempre maggiore. Durante le fasi giovanili della cellula non esiste un vacuolo, ma sono presenti numerosi pro-vacuoli (vacuoli di piccole dimensioni), che con l’accrescimento della cellula si uniranno a formare il vacuolo normale.

Inoltre, quando la cellula non è ancora differenziata, il vacuolo non è l’organello più importante, questo ruolo è invece assunto dal nucleo. Poi, con il processo di accrescimento, il vacuolo diventerà l’organello più importante in dimensioni, in quanto il nucleo non si accresce.

Una volta che la cellula è adulta gli organelli sono tutti appressati verso la membrana plasmatica, in quanto il vacuolo può arrivare ad occupare anche il 90% del volume cellulare.

Contemporaneamente quindi si accrescono anche la membrana cellulare e la parete cellulare, che sarà poi presente in quantità diverse in base al tessuto di cui la cellula farà parte.

Al TEM il vacuolo è facilmente riconoscibile, in quanto è una zona apparentemente “vuota” (al suo interno, in realtà, contiene dei soluti).

Funzioni del vacuolo

Una delle più importanti funzioni del vacuolo è quella di regolare la turgidità cellulare (la forma della cellula, invece, è conferita dalla parete).
Al vacuolo è quindi legata la plasmolisi. La plasmolisi è un fenomeno attraverso il quale la cellula aumenta la concentrazione di soluti al suo interno (quindi, tramite osmosi, vi è la perdita di acqua) per resistere a variazioni di temperatura, in particolare per abbassare il punto di congelamento. Durante questo fenomeno la parete cellulare non subisce alcuna modificazione, in quanto è rigida. La membrana cellulare, invece, rimane attaccata solamente nei punti di comunicazione tra le cellule, cioè nei plasmodesmi. Quanto detto accade solamente se l'abbassamento di temperatura è graduale, quindi comporta una perdita di acqua altrettanto graduale, che permette alla membrana di adattarsi al cambiamento di volume e di rimanere attaccata a livello dei plasmodesmi (plasmolisi concava). Il processo è reversibile. Se invece il cambiamento di temperatura avviene in modo repentino vi è una veloce fuoriuscita di acqua dalla cellula, con rottura del legami tra membrana e parete (quindi rottura dei plasmodesmi). La conseguenza è un completo distacco della membrana, la cellula rimane quindi isolata, ed il processo è irreversibile (plasmolisi convessa).

Gli scambi di acqua sono regolati dal vacuolo.

Crioconservazione e de-plasmolisi

Il fenomeno inverso alla plasmolisi è la de-plasmolisi, in cui l’acqua rientra nella cellula e si ha la ripresa metabolica cellulare. Questo processo è sfruttato ampiamente in laboratorio attraverso la tecnica della crioconservazione. La crioconservazione consiste nel sottoporre le cellula a plasmolisi concava prima di metterle a -197°C (conservazione in azoto). Le cellule, dopo essere state scongelate, possono tornare ad essere funzionali. Questa tecnica è applicabile anche su cellule animali, l’acqua sarà persa dal citoplasma.

Il processo di plasmolisi avviene per due funzioni principali:

- Regolazione della cellula per adattamento alla temperatura;

- Regolazione degli scambi gassosi, per permettere alle cellule di aprire e chiudere le cellule che contornano le aperture delle foglie (cellule di guardia degli stomi);

Omeostasi e accumulo

Le funzioni del vacuolo sono:

- Omeostasi, cioè mantenere le giuste condizioni nel citoplasma per permettere alla cellula di compiere tutte le sue funzioni (ad esempio, mantenere stabile il pH attraverso scambio di ioni H+);

- Accumulo di ioni, metaboliti e pigmenti. Infatti per evitare un’eccessiva differenza di potenziale osmotico alcuni soluti sono portati dal citoplasma al vacuolo, dove sono convertiti in sostanze inerti (solitamente polimeri, comunque più complesse), non reattive (ad esempio il Ca è convertito in ossalato di calcio, gli zuccheri in amido, ecc…);

Detossificazione e difesa

- Detossificazione, il vacuolo è infatti un comparto litico in cui sostanze tossiche o non più funzionali vengono lise da specifici enzimi (che provengono dall’ER rugoso);

- Composti di difesa, ad esempio i peli urticanti dell’ortica contengono nel vacuolo la sostanza urticante, oppure possono essere presenti sostanze velenose vere e proprie;

- Conservazione di composti di riserva, ad esempio l’amido dei cereali, le proteine del legumi, l’olio delle olive. Queste sostanze sono conservate come polimeri, per evitare che i monomeri possano cambiare la concentrazione.

Conservazione e trasporto

Nel vacuolo sono presenti anche dei pigmenti che hanno funzione vessillare, di richiamo.

Tutte queste regolazioni avvengono per la presenza di una membrana cellulare sul vacuolo, che contiene proteine altamente specializzate per il trasporto attivo, trasporto passivo, cotrasporto, ecc… . I trasportatori sono attivati in base a cosa deve entrare o uscire.

Calcio e cristalli

Particolare approfondimento deve essere effettuato riguardo al calcio. Questo elemento viene utilizzato nella parete cellulare per collegare le sostanze pectiche tra loro. Tuttavia, in forma libera, non può essere conservato in grandi quantità, perché inciderebbe negativamente sull’equilibrio della cellula. Viene quindi conservato sotto forma di cristalli di ossalato di calcio. Questi cristalli hanno forma diversa in base alla specie. In base alle conformazioni dei cristalli di ossalato possiamo avere:

- Druse, con forme prismatiche, a stella, più o meno complesse;

- Particelle prismatiche, a forma di foglietto;

- Rafidi, cioè strutture bastoncellari di ossalato, che vengono impilate parallele le une alle altre, possono occupare tutto il volume del vacuolo;

- Stiloidi, cioè forme più geometriche;

- Sabbia cristallina, costituita da tanti piccoli cristalli.

Forme dei cristalli

Se il campione osservato al microscopio non viene colorato questi cristalli sono di colore giallastro. Le forme più diffuse in natura sono rafidi, druse e sabbia cristallina.