VÁKUUMOK: FELÉPÍTÉS, FUNKCIÓK ÉS TÍPUSOK - BIOLÓGIA - 2026

A vákuumok intracelluláris organellákat membránnal választanak el a citoszolos környezettől. Sokféle sejttípusban megtalálhatók, mind prokarióta, mind eukarióta, valamint egysejtű és többsejtű organizmusokban.

A vákuum kifejezést Félix Dujardin francia biológus 1841-ben megalkotta, hogy egy "üres" intracelluláris térre utaljon, amelyet egy protozoán megfigyelt. A vákuumok azonban különösen fontosak a növényekben, és ezekben az élő dolgokban tanulmányozták a részleteket.

Azokban a sejtekben, ahol megtalálhatók, a vákuumok sokféle funkciót hajtanak végre. Például nagyon sokoldalú organellák, funkcióik gyakran függ a sejt típusától, a szövet vagy szerv típusától, amelyhez tartoznak, és a szervezet élettartamától.

Így a vákuumok funkciókat gyakorolhatnak energetikai anyagok (ételek) vagy ionok és más oldott anyagok tárolásában, a hulladékanyagok eltávolításában, a flotálódó gázok internalizálásában, a folyadékok tárolásában, a pH, többek között.

Például az élesztőben a vákuumok úgy viselkednek, mint az állati sejtek lizoszómái, mivel tele vannak hidrolitikus és proteolitikus enzimekkel, amelyek segítenek számukra a különböző típusú molekulák lebontásában.

Általában gömb alakú organellák, amelyek mérete a fajtól és a sejt típusától függ. Membránja, amelyet a növényekben tonoplaszt néven ismertek, különféle típusú asszociált fehérjékkel rendelkezik, amelyek közül sok a vákuum belsejébe és onnan történő szállításhoz kapcsolódik.

Szerkezet

A vákuumot és annak membránját, a tonoplasztot ábrázoló növényi sejt vázlata (Forrás: Mariana Ruiz a Wikimedia Commons segítségével)

A vákuumokat sokféle szervezetben megtalálják, mint például az összes szárazföldi növényben, algában és a legtöbb gombában. Számos protozoában megtalálhatók, és hasonló baktériumfajokban "organellákat" is leírtak.

Szerkezete, amint az várható volt, különösen függ a funkcióitól, különösen, ha olyan integrált membránfehérjékre gondolunk, amelyek lehetővé teszik különböző anyagok átjutását a vákuumba vagy onnan.

Ennek ellenére általánosíthatjuk a vákuum szerkezetét gömb alakú citoszolos organelleként, amely egy membránból és egy belső térből (lumenből) áll.

Vákuummembrán

A különféle típusú vákuumok legkiemelkedőbb tulajdonságai a vákuummembrántól függnek. A növényekben ez a szerkezet tonoplaszt néven ismert, és nem csupán interfészként vagy elválasztásként szolgál a vákuum citoszolos és luminalis komponensei között, hanem, mint a plazmamembrán is, egy szelektív permeabilitású membrán.

A különféle vákuumokban a vákuummembránt különböző integrált membránfehérjék keresztezik, amelyek a protonok szivattyúzásában, a fehérjék szállításában, az oldatok szállításában és a csatornák kialakításában működnek.

Így mind a növényekben lévő vákuumok membránjában, mind pedig a protozoákban, élesztőkben és gombákban a fehérjék jelenléte leírható:

- Protonpumpa vagy H + -ATPasas

- Proton pirofoszfatázok vagy H + -Pasas szivattyúk

- Protonporter (Na + / K +; Na + / H +; Ca + 2 / H +)

- Az ABC család szállítói (ATP-kötő kazettás szállítók)

- Több gyógyszer és toxin transzporterek

- Nehézfémek szállítói

- Cukorok vákuumszállítói

- Vízhordozók

Vákuum lumen

A vákuum belseje, amelyet vakuoláris lumennek is nevezünk, általában folyékony közeg, gyakran különféle ionokban gazdag (pozitív és negatív töltésű).

Mivel a vákuummembránban csaknem általános protonpumpa van jelen, ezen organellák lumenje általában egy savtér (ahol nagy mennyiségű hidrogénion van).

A vákuumok biogenezise

Sok kísérleti bizonyíték arra utal, hogy az eukarióta sejtek vákuumai belső bioszintézis és endocitózis útvonalakból származnak. Például a vakuoláris membránba beillesztett fehérjék a korai szekréciós útvonalból származnak, amely az endoplazmatikus retikulumnak és a Golgi-komplexnek megfelelő rekeszekben fordul elő.

Ezenkívül a vákuumképződés során az anyagok endocitózisának eseményei fordulnak elő a plazmamembránból, autofágia események és a citoszolból a vakuoláris lumenbe történő közvetlen szállítás eseményei.

A kialakulásuk után az összes vákuumban található fehérje és molekula elsősorban az endoplazmatikus retikulumhoz és a Golgi-komplexhez kapcsolódó transzportrendszereknek köszönhetően érkezik oda, ahol a szállító vezikulák és a vakuoláris membrán.

Hasonlóképpen, a vákuumok membránjában elhelyezkedő transzportfehérjék aktívan részt vesznek az anyagok cseréjében a citoszolos és a vakuoláris kompartmentek között.

Jellemzők

Növényi szövet és a sejtek fő szervei

Növényekben

A növényi sejtekben a vákuumok sok esetben a teljes citoszolos mennyiség több mint 90% -át foglalják el, tehát organellák, amelyek szorosan kapcsolódnak a sejt morfológiájához. Hozzájárulnak a sejtek expanziójához és a növényi szervek és szövetek növekedéséhez.

Mivel a növényi sejtekben nincsenek lizoszómák, a vákuumok nagyon hasonló hidrolitikus funkciókat látnak el, mivel különféle extracelluláris és intracelluláris vegyületek lebontásában működnek.

Kulcsfontosságúak az anyagok szállításában és tárolásában, például szerves savak, glikozidok, glutation-konjugátumok, alkaloidok, antocianinok, cukrok (magas mono-, di- és oligoszacharid-koncentrációk), ionok, aminosavak, másodlagos metabolitok stb.

A növényi vákuumok szintén részt vesznek mérgező vegyületek és nehézfémek, például kadmium és arzén megkötésében. Egyes fajokban ezek az organellák nukleáz enzimeket is tartalmaznak, amelyek megvédik a sejteket a kórokozók ellen.

Sok szerző úgy véli, hogy a növényi vákuumokat vegetatív (lytikus) vagy fehérjét tároló vákuumoknak kell besorolni. A magokban a tárolóvákuumok dominálnak, míg más szövetekben vákuumok lítikus vagy vegetatív jellegűek.

A protozoákban

A protozoák összehúzódó vákuumai megakadályozzák a sejtlízist ozmotikus hatások következtében (az intracelluláris és extracelluláris oldott anyag koncentrációjával összefüggésben) azáltal, hogy időnként eliminálják a sejtek belsejében lévő fölösleges vizet, amikor elérték a kritikus méretet (kb.; vagyis ezek ozmoregulációs organellák.

Élesztőben

Az élesztő-vákuum rendkívül fontos az autofágikus folyamatok szempontjából, azaz a hulladéksejt-vegyületek újrahasznosítása vagy eltávolítása zajlik benne, valamint aberráns fehérjék és más típusú molekulák (amelyek fel vannak tüntetve "Szállítás" a vákuumban).

A vákuum szerepe az élesztő protein lebontásában (Forrás: Chalik1 a Wikimedia Commons segítségével)

A sejtek pH-értékének fenntartásában és olyan anyagok tárolásában működik, mint az ionok (ez nagyon fontos a kalcium homeosztázisához), foszfátok és polifoszfátok, aminosavak stb. Az élesztő-vákuum részt vesz a "pexophagia"-ban is, amely a teljes organellák lebomlásának folyamata.

A vákuumok típusai

Négy fő típusú vákuum létezik, amelyek főként funkcionálisan különböznek egymástól. Egyesek bizonyos szervezetek jellemzőivel rendelkeznek, míg mások szélesebb körben terjednek.

Emésztéses vákuumok

Ez a fajta vákuum fordul elő elsősorban a protozoán szervezetekben, bár néhány "alacsonyabb" állatnál és néhány "magasabb" állat fagocitikus sejtjeiben is megtalálható.

Belső része gazdag emésztő enzimekben, amelyek képesek elbontani a fehérjéket és más anyagokat élelmiszer-ipari célokra, mivel a lebomlott anyag a citoszolba kerül, ahol különféle célokra használják.

Tároló vákuumok

Angolul "sap vacuoles" néven ismertek, és ezek jellemzik a növényi sejteket. Folyadékkal töltött rekeszek és membránjuk (a tonoplaszt) komplex transzportrendszereivel rendelkezik az anyagok cseréjére a lumen és a citoszol között.

Éretlen sejtekben ezek a vákuumok kicsi méretűek, és ahogy a növény érlelődik, összeolvadnak és nagy központi vákuumot képeznek.

Belül vizet, szénhidrátokat, sókat, fehérjéket, hulladékokat, oldódó pigmenteket (antocianinokat és antoxantineket), latexet, alkaloidokat stb. Tartalmaznak.

Pulzáló vagy összehúzódó vákuumok

Összehúzódó vagy pulzáló vákuum található sok egysejtű protisztában és édesvízi algában. A sejtek ozmotikus karbantartására szakosodtak, és ehhez nagyon rugalmas membránjuk van, amely lehetővé teszi a folyadék kiürítését vagy bevezetését.

Paramecium-sejt, egy egysejtű organizmus, amely kontraktilis vákuumokat tartalmaz (Forrás: A vákuumot és annak membránját, a tonoplasztot ábrázoló növénysejt sémája (Forrás: Deuterostome a Wikimedia Commons segítségével)

Funkcióinak teljesítése érdekében az ilyen típusú vákuumok folyamatos ciklikus változásokon mennek keresztül, amelyek során fokozatosan duzzadnak (folyadékkal feltöltve, egy diasztole néven ismert folyamat), amíg el nem érik a kritikus méretet.

Ezután, a körülményektől és a sejtkövetelményektől függően, a vákuum hirtelen összehúzódik (kiürül, egy szisztolé néven ismert folyamat), és teljes tartalmát az extracelluláris térbe kihúzza.

Levegő vagy gáz vákuum

Ezt a típusú vákuumot csak prokarióta szervezetekben írták le, de az eukarióta vákuumok többi részétől abban különbözik, hogy nem jellemzi egy tipikus membrán (a prokarióta sejteknek nincs belső membránrendszere).

A gázvakuolok vagy a légi „pszeudovakulek” olyan kis struktúrák halmaza, amelyek gázokkal vannak feltöltve, amelyek a baktériumok anyagcseréje során keletkeznek, és amelyeket egy fehérjeréteg fed le. Funkcióik a flotációban, a sugárvédelemben és a mechanikus ellenállásban.

Irodalom

1. Eisenach, C., Francisco, R., és Martinoia, E. (második). Vákuum terv. Current Biology, 25 (4), R136-R137.
2. Lodish, H., Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Bretscher, A., Ploegh, H.,… Martin, K. (2003). Molecular Cell Biology (5. kiadás). Freeman, WH & Company.
3. Martinoia, E., Mimura, T., Hara-Nishimura, I., és Shiratake, K. (2018). A növényi vákuumok sokrétű szerepei. Plant and Cell Physiology, 59 (7), 1285-1287.
4. Matile, P. (1978). A vákuumok biokémiája és működése. Éves áttekintés a növényi élettanról, 29. (1), 193–213.
5. Pappas, GD, & Brandt, PW (1958). Az améba összehúzódó vákuumának finom felépítése. Journal of Cell Biology, 4 (4), 485–488.
6. Shimada, T., Takagi, J., Ichino, T., Shirakawa, M., és Hara-nishimura, I. (2018). Növényi vákuumok. A növénybiológia éves áttekintése, 69, 1–23.
7. Tan, X., Li, K., Wang, Z., Zhu, K., Tan, X. és Cao, J. (2019). A növényi vákuumok áttekintése: képződés, található fehérjék és funkciók. Növények, 8 (327), 1–11.
8. Thumm, M. (2000). Az élesztő vákuum felépítése és működése, szerepe az autofágiaban. Mikroszkópia-kutatás és technika, 51 (6), 563–572.
9. Walsby, AE (1972). A gázszivattyúk felépítése és működése. Bakteriológiai áttekintés, 36. (1), 1–32.