Die Zentralvakuole ist ein typisches Merkmal der Pflanzenzelle. Bei einer ausgewachsenen Zelle füllt die Vakuole fast das gesammte Zellinnere aus, manchmal zu mehr als 90%. Die Zentralvakuole ist von einer Membran umgeben, die als Tonoplast bezeichnet wird.
Die Zentralvakuole enthält den Zellsaft, der sich stark vom Cytosol unterscheidet. Sein pH-Wert liegt mit 5,0 bis 5,5 deutlich unter dem des Cytosols, in Extremfällen ist der Zellsaft sogar noch saurer.
Der Zellsaft in der Zentralvakuole ist nicht nur sauer, sondern auch stark hyperosmotisch, da er viele gelöst Ionen und Moleküle enthält. Daher dringt viel Wasser in die Vakuole ein, wodurch der sogenannte Turgordruck (oder kurz Turgor) zunimmt. Dieser starke Druck wirkt dann auf die Zellwand ein, die aber sehr stabil ist und diesem Druck entgegenwirkt. Das Zusammenwirken von Turgordruck und Wanddruck ist es, was den krautigen, also nicht verholzten Pflanzen ihre Steifigkeit oder Festigkeit gibt. Ohne diesen Turgordruck würden alle Blätter und Blüten einer krautigen Pflanze schlaff herabhängen.
Bildung der Zentralvakuole
Die Zentralvakuole bildet sich durch Fusion vieler kleiner Provakuolen in der wachsenden Pflanzenzelle.
Außerdem ist die Vakuole in den Membranfluss der Pflanzenzelle eingebunden, denn das Trans-Golgi-Netzwerk (TNG) gibt weitere lysosomale Vesikel ab, die mit dem Tonoplasten fusionieren und so die Zentralvakuole vergrößern. Aus diesem Grund wird die Zentralvakuole oft auch als "Riesen-Lysosom" bezeichnet.
Es wurde aber auch ein alternativer Weg der Vakuolenbildung beobachtet, nämlich durch Fusion von ER-Zisternen. Dabei entsteht zunächst eine Hohlkugel, die von zwei Membranen umgeben ist, ähnlich wie die Kernmembran. Durch Selbstverdauung wird dann aber die innere der beiden Membranan aufgelöst.
Wichtig für das Wachstum der Pflanze
Die Zentralvakuole wächst aber nicht nur durch die Fusion mit Vesikeln, sondern vor allem durch die massive Aufnahme von Wasser, was ja wegen des hohen osmotischen Wertes des Zellsaftes bedingt wird. Daher spielen die Zentralvakuolen der Zellen eine wichtige Rolle beim Streckungswachstum der Pflanze. Das Volumen der Vakuole wird dabei stark vergrößert, während das Cytosol nicht besonders stark wachsen muss. Das ist für die Pflanze sehr ökonomisch. Bei einer erwachsenen Pflanzenzelle besteht fast die gesamte Zelle aus der Zentralvakuole, während das Cytoplasma sich am Rande an die Zellwand "quetschen" muss.
Vakuolen als Speicherkompartimente
Neben anorganischen Ionen wie Na+, K+, Ca2+ und Cl- werden in der Zentralvakuole organische Stoffe wie Kohlenhydrate, organische Säuren (Äpfelsäure, Oxalsäure etc.), Aminosäuren und Proteine gespeichert. Die Zuckerpflanzen Zuckerrohr und Zuckerrübe speichern beispielsweise Saccharose in ihren Vakuolen. Überschüssiges Calcium wird oft in Form von Calciumoxalat gespeichert, das manchmal schöne Kristalle bildet.
Auch Proteine können in der Zentralvakuole gespeichert werden, hier sind vor allem die Samen der Hülsenfrüchtler zu nennen, also beispielsweise Erbsen, Bohnen, Linsen oder Soja. Auch in Getreidekörnern finden sich Vakuolen als Proteinspeicher. Diese Speichervakuolen werden dann als Aleuronkörner bezeichnet.
Neben diesen Nährstoffen werden häufig auch Produkte des sekundären Stoffwechsels in der Vakuole gespeichert, zum Beispiel leicht oder stark toxische Substanzen wie Caffein oder Opiate. Vermutlich dienen die Vakuolen hier als "Müllhalden" mit dem positiven Nebeneffekt, dass auch Fressfeinde durch diese Giftstoffe abgeschreckt werden.
Bei vielen bunten Blütenblättern spielen Farbstoffe eine Rolle, die in den Zentralvakuolen gespeichert werden, vor allem die Anthocyane sind hier zu nennen.