Atlas de histología vegetal y animal

Las vacuolas son compartimentos delimitados por una sola membrana y presentes en las células de las plantas y hongos, incluidas las levaduras. Son un orgánulo esencial para la función de las células de las plantas: contribuyen a la forma y el tamaño de la célula mediante turgencia, almacenan sustancias de diverso tipo y son centros de degradación.

1. Características

Las vacuolas son normalmente orgánulos muy grandes (Figuras 1 y 2), pudiendo representar en las células maduras hasta el 90 % del volumen celular total. Son el compartimento más grande de las células vegetales. El nombre de vacuola viene del latín "vacuus" que significa vacío, lo cual es claramente un error puesto que siempre están llenas de soluciones acuosas más o menos concentradas. La membrana de las vacuolas se denomina tonoplasto y es una parte esencial en la función de estos orgánulos.

La forma de las vacuolas es variable puesto que depende de las morfología y circunstancias fisiológicas de la célula. Normalmente, se dispone ocupando la mayor parte del interior celular con su membrana bien desplegada. En ocasiones puede formar numerosos repliegues en su membrana y crear estructuras pasajeras y móviles tales como las hebras transvacuolares y los bulbos. Las hebras transvacuolares son pequeños canales o conductos que atraviesan el interior de la vacuola y comunican diferentes partes del citoplasma. Por estos conductos viaja moléculas citosólicas e incluso algunos orgánulos como cisternas del aparato de Golgi, mitocondrias, plastos, y endosomas. Son caminos por los que se comunican directamente regiones del citoplasma periférico, incluyendo a la región perinuclear. Contribuyen también a la posición del núcleo y son gobernados por los filamentos de actina. Los bulbos son estructuras independientes y esféricas de 1 a 22 µm de diámetro que se localizan en el interior vacuolar. Están formados por una doble membrana e incluyen material citoplasmático. Algunos autores proponen que podrían ser artefactos o compartimentos pasajeros de almacén de tonoplasto. La forma final o cambiante de la vacuola, y la de estas estructuras asociadas, dependen de la actividad de los filamentos de actina.

Las vacuolas están presentes en las primeras células meristemáticas, donde aparecen formando una red compleja de túbulos interconectados y cambiante. Esto se ha visto en Arabidopsis. Antes se creía que las células meristermáticas tenían múltiples vacuolas pero en realidad es este complejo tubular. Cuando una célula meristemática se divide, también lo hace la red tubular. La existencia de la vacuola en forma de red tubular parece importante para no interferir con la orientación del fragmoplasto y por tanto con las orientación de los planos de división. Cuando las células meristemáticas dejan de dividirse y comienza el proceso de elongación, el complejo tubular se organiza y fusiona par formar una gran vacuola. Para ello se necesita una gran cantidad de membrana.

El crecimiento de la vacuolas, y también la formación de nuevo, se produce por la llegada de vesículas o fusión con otros compartimentos. A las vacuolas puede llegar membrana directamente en vesículas desde el retículo endoplasmático, tras fusionarse compartimentos prevacuolares (también llamados provacuolas o endosomas tardíos) y tras recibir vesículas de endocitosis. Parece ser que la vía principal por la que crece una vacuola es porla fusión con compartimentos prevacuolares formados a partir de vesículas liberadas desde el lado trans del aparato de Golgi. Pueden haber cientos de provacuolas en las células meristemáticas. El retículo endoplasmático podría estar también directamente implicado en la formación y crecimiento de las vacuolas en algunos tipos celulares, sobre todo en las semillas. Una vez formadas, la llegada de nuevas vesículas desde el aparato de Golgi principalmente, y también desde la membrana plasmática, contribuyen a su tamaño final. Curiosamente, la única forma conocida de eliminar las vacuolas de una células es inhibiendo la fusión de las provacuolas (endosomas tardíos) con las vacuolas, pero no mediante la inhibición de las otras dos vías, desde el retículo o desde la membrana.

En las plantas hay diferentes tipos de vacuolas dependiendo de la función que lleven a cabo. Una misma célula puede contener distintos tipos de vacuolas, incluso una misma vacuola puede cambiar su repertorio de moléculas para realizar una función diferente a la que venía haciendo. Hay dos grandes tipos de vacuolas: las que almacenan proteínas y las líticas. Se diferencian por su pH, que es ácido en las líticas y neutro en las que funcionan como almacén. Las que almacenan proteínas se encuentran sobre todo en semillas donde acumulan muchas proteínas para la germinación. También almacenan moléculas antipatógenos. Las vacuolas líticas son las predominantes en la mayoría de las células de la planta. Por eso también se llaman vacuolas vegetativas o principales. Éstas forman un gran compartimento con una solución ácida diluida que contiene sales (potasio, sodio), metabolitos (azúcares, ácidos orgánicos) y algunos pigmentos. Algunos de estos componentes son introducidos en contra de gradiente de concentración desde el citosol. El pH típico de la vacuola vegetativa es de 5 a 5,5, aunque puede llegar a 2 en el limón, o incluso 0,6 en algunas algas.

2. Funciones

La vacuola es un orgánulo central en la fisiología y homeostasis de las células vegetales, lo cual implica realizar una variedad de funciones que varían según el tipo celular considerado. Entre las principales funciones de las vacuolas están las de contribuir a la forma y tamaño de la célula mediante turgencia, almacén de sustancias de reserva (azúcares, metabolitos, lípidos, aminoácidos, enzimas, proteínas, antocianinas) y también de sustancias tóxicas y moléculas dedicadas la defensa de las plantas contra patógenos y herbívoros.

Turgencia

La turgencia celular es una medida de la presión hidrostática ejercida contra las paredes celulares de las células vegetales. Esta turgencia está controlada por las vacuolas y po rel citosol. Las cuales pueden incorporar sustancias, como iones, en su interior para crear ambientes osmóticos variables respecto al citosol, lo que produce flujos de entrada y salida de agua. Esta capacidad de transporte de iones y moléculas en contra de gradientes reside fundamentalmente en la membrana de la vacuola, donde hay dos bombas (ATPasa-H⁺ y pirofosfatasa-H⁺) que crean gradientes de protones con gasto de energía, y éstos son utilizados para el transporte de otras moléculas. La capacidad de acumular agua en la vacuola es crucial para el crecimiento del tamaño celular tras la mitosis, que puede aumentar unas 10 a 20 veces respecto al tamaño celular inicial, lo cual es un factor importante para el crecimiento de los órganos vegetales. El crecimiento mediante turgencia es una buena estrategia, puesto que se gasta menos energía en introducir agua en la célula que en sintetizar proteínas nuevas (que es lo que hacen las células animales para crecer). Es decir, se aumenta el tamaño celular, y por tanto el tamaño de la planta, ahorrando una gran cantidad de energía porque el agua ocupa un lugar que de otra manera tendrían que ocuparlo proteínas u otras moléculas celulares. Es interesante también que esta acumulación de agua se haga en la vacuola, porque si se hiciera en el citosol, el contenido de éste se diluiría tanto que la célula no sería viable.

Almacén de sustancias

Las vacuolas son un orgánulo de llegada del tráfico vesicular y, dependiendo del tipo celular, son centros de almacenamiento de azúcares, proteínas y ácidos orgánicos. En las células del parénquima clorofílico, como en el mesófilo de las hojas, las vacuolas son almacenes temporales de las moléculas sintetizadas durante la fotosíntesis. Estas moléculas son después movilizadas a otras partes de la planta por la noche. En las plantas con metabolismo de tipo CAM el ácido málico se almacena temporalmente en la vacuola durante la noche y es liberado durante el día. La función de almacén es particularmente importante en las semillas, donde las vacuolas son centros de almacenamiento proteico. Estas reservas serán movilizadas durante la germinación. Después, en las células diferenciadas, estas vacuolas se convierten en líticas.

Por otra parte, las plantas no tienen un sistema de excreción como los animales, ni se pueden mover para evitar sustancias tóxicas, de manera que la estrategia es almacenar dichas sustancias. Así, en las vacuolas se almacenan algunos productos residuales del metabolismo y sustancias potencialmente tóxicas para la célula como metales pesados, tales como el cadmio, zinc o el níquel, u otras sustancias como la nicotina, alcaloides (opio), taninos y componentes fenólicos. Estos últimos son metabolitos secundarios que pueden permanecer en la vacuola para siempre. Algunos son tóxicos para los animales, por lo que pueden actuar como un mecanismo de protección frente a herbívoros. Las vacuolas también almacenan otras sustancias útiles como algunos pigmentos, por ejemplo las antocianinas en los pétalos (acumuladas en las células epidérmicas), resinas, etcétera. Gran parte del sabor de las frutas y verduras se debe a las moléculas que se acumulan en las vacuolas.

Degradación

Las vacuolas líticas, o vegetativas, se dan en tejidos vegetativos de la planta. En estas vacuolas se acumulan enzimas como proteasas y nucleasas, además de un conjunto de proteínas relacionadas con la defensa frente a patógenos. Estas vacuolas tienen un pH ácido que consiguen con bombas de protones localizadas en sus membranas. De este modo actúan como lugares para la degradación de moléculas. Tendrían una misión similar a los lisosomas de las células animales. Al igual que los lisosomas, también participan en los procesos degradativos durante la autofagia, degradando mitocondrias o gerontoplastos. En las vacuolas se encuentran las denominadas enzimas vacuolares procesadoras las cuales participan en la conversión de los precursores moleculares que llegan a la vacuola en productos activos.

Apoptosis

Las vacuolas participan en la apoptosis de plantas por un proceso denominado autolisis. Además, hay un tipo de muerte celular de las células vegetales que se llama muerte celular hipersensitiva, que se produce cuando se rompe la membrana de la vacuola.

Otras

Hay vacuolas especializadas en diferentes tejidos. Por ejemplo, en los tegumentos internos de la cubierta de las semillas acumulan flavonoides, los cuales dan color a los pétalos, protegen de los rayos ultravioleta a semillas y a otras estructuras, y sirven como defensa frente al estrés. Estas moléculas son sintetizadas en las membranas del retículo, pero en su lado citosólico y transportadas a las vacuolas para su procesamiento final. Cruzan la membrana de la vacuola gracias a unos transportadores específicos. Aunque podrían también entrar en el propio retículo y desde ahí ser transportados a las vacuolas por el tráfico vesicular.

Algunas plantas, como las brasicales, tienen vacuolas en sus partes vegetativas que funcionan como repelentes de herbívoros puesto que acumulan proteínas, como las mirosinasas, que al ser liberadas por la acción del hervíboro sobre la planta, degradan otros compuestos de la hoja y dan productos tóxicos para el animal. Las células que acumulan mirosinasas en sus vacuolas se llaman células de mirosina y se localizan cerca de los haces conductores de las hojas.

Las plantas carecen de sistema inmune por lo que cada célula tiene que protegerse a sí misma. En la vacuola se hayan proteínas de defensa. Hay dos mecanismos de defensa que llevan a cabo las vacuolas (Figura 3). Normalmente se produce un colapso de la membrana de la vacuola y el contenido se mezcla con el citosol. Las infecciones víricas llevan a la rotura de la membrana de la vacuola y a la liberación de sus enzimas al citosol, donde degrada los virus que se encuentren proliferando en el interior celular. En otras ocasiones, la fusión de la membrana de la vacuola con la membrana permite liberar las enzimas y proteínas de defensa al exterior celular y atacar a las bacterias que proliferan extracelularmente.

3. Ruta vesicular

Las vacuolas forman parte de la ruta del tráfico vesicular. Se pueden considerar como un producto final resultado del tráfico vesicular, puesto que la formación y mantenimiento de las vacuolas depende del sistema de este tráfico. A ellas llegan vesículas con moléculas que tiene que almacenar, enzimas para la degradación, así como todos las moléculas que componen su membrana. A la vacuola se puede llegar por diferentes caminos:

Retículo endoplasmático > Aparato de Golgi > Vacuola; Retículo endoplasmático > Aparato de Golgi > Compartimento prevacuolar > Vacuola. Esta ruta es la típica para llevar enzimas hidrolíticas a la vacuola. Los compartimentos prevacuolares se podrían equiparar a los cuerpos multivesiculares de los animales. Al contrario que en las células animales, las enzimas líticas no poseen una manosa-6 fosfato para su selección en el lado trans del aparato de Golgi, sino que se realiza mediante un péptido señal que contienen una secuencia de aminoácidos. Hay péptidos señal específicos para las vacuolas líticas y otros para las vacuolas de almacén, cuando ambas existen en la misma célula. Hay 3 señales: secuencias de aminoácidos específicas, aminoácidos hidrófobos y otras desconocidas. Para cada una tiene que haber receptores específicos.

Retículo endoplasmático > Vacuola. Directamente desde el retículo endoplasmático rugoso. Esta vía parece importante en células como las de las semillas, donde el material que se aporta es fundamentalmente de reserva. Esta ruta sería muy frecuente en estas células, mientras que en otros tipos celulares como en las hojas sería relativamente rara. Las vesículas que se forman para este transporte son independientes de la cubierta proteica COPII, que es necesaria para llegar al aparato de Golgi. En este camino directo a la vacuola hay a veces una parada en forma de compartimentos intermedios, los cuales son compartimentos pasajeros donde se retienen a las proteínas antes de que lleguen a la vacuola. Esta vía directa retículo-vacuola parece ser una modificación del mecanismo molecular de la autofagia que las plantas utilizan para almacenar sustancias en la vacuola.

• Bibliografía ↷

  • Bibliografía

    Krüger F, Schumacher K. 2018. Pumping up the volume − vacuole biogenesis in Arabidopsis thaliana. Seminars in cell and developmental biology. 80: 106-112. https://doi.org/10.1016/j.semcdb.2017.07.008

    Madina MH. Rahman S, Zheng H, Germain H. 2019. Vacuolar membrane structures and their roles in plant–pathogen interactions. Plant molecular biology. 101: 343-354.

    Marty F. 1999. Plant vacuoles. Plant cell 11:587-600.

    Pereira C., Pereira S, Pissarra J. 2014. Delivering of proteins to the plant vacuole--an update. International journal of molecular sciences 15: 7611-762. https://doi.org/10.1007/s11103-019-00921-y

    Shimada T, Takagi J, Ichino T, Shirakawa M, Hara-Nishimura I. 2018. Plant vacuole. Annual review in plant biology. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042817-040508.

    Taiz L. 1992. The plant vacuole. Journal of experimental biology 172: 113-122.

    Zhang C, Hicks G R, Raikhel NV. 2014. Plant vacuole morphology and vacuolar trafficking. Frontiers in plant sciences 5: 476.