Pflanzenzellen sind die grundlegenden Bausteine aller pflanzlichen Gewebe und Organe. Obwohl sie viele Merkmale mit anderen eukaryotischen Zellen gemeinsam haben, besitzen Pflanzenzellen charakteristische Strukturen, die die Photosynthese ermöglichen, mechanische Unterstützung bieten und die Anpassung an eine sessile Lebensweise erlauben.

Zellwand

Die Zellwand ist eine starre extrazelluläre Matrix, die die Plasmamembran umgibt. Ihr Hauptbestandteil ist Cellulose, ein Polysaccharid aus linearen Ketten von β‑1,4‑verknüpfter D-Glucose. Cellulose-Mikrofibrillen sind in eine Matrix aus Hemicellulosen, Pektinen und Glykoproteinen wie Extensin eingebettet. Die primäre Zellwand wird während des Zellwachstums abgelagert und bleibt flexibel genug, um eine Expansion zu ermöglichen. Nach Beendigung des Wachstums lagern einige Zellen eine sekundäre Zellwand innerhalb der primären Wand ab, die Lignin für zusätzliche Festigkeit und Wasserbeständigkeit enthält.

Die Zellwand bietet strukturelle Unterstützung, bestimmt die Zellform und widersteht dem inneren Turgordruck. Sie wirkt auch als Barriere gegen Krankheitserreger und reguliert die Zell-zu-Zell-Kommunikation durch Plasmodesmen, schmale Kanäle, die die Wand durchziehen und das Zytoplasma benachbarter Zellen verbinden.

Plasmamembran

Die Plasmamembran ist eine Phospholipid-Doppelschicht mit eingelagerten und peripheren Proteinen. Sie fungiert als selektive Barriere, die die Bewegung von Ionen, Nährstoffen und Signalmolekülen in und aus der Zelle kontrolliert. In Pflanzenzellen spielt die Plasmamembran auch eine entscheidende Rolle bei der Zellwandsynthese, indem sie Cellulose-Synthase-Komplexe beherbergt, die Cellulose-Mikrofibrillen direkt in die Wand einlagern.

Zytoplasma und Zytoskelett

Das Zytoplasma enthält das Zytosol und alle membrangebundenen Organellen. Das Zytoskelett, bestehend aus Mikrotubuli, Aktinfilamenten und Intermediärfilamenten, sorgt für strukturelle Organisation und erleichtert den intrazellulären Transport. In Pflanzenzellen richten sich die kortikalen Mikrotubuli unter der Plasmamembran aus und steuern die Ablagerung von Cellulose-Mikrofibrillen. Das Aktin-Zytoskelett treibt die zytoplasmatische Strömung an, einen Prozess, der Organellen und gelöste Stoffe durch die gesamte Zelle zirkulieren lässt.

Chloroplasten

Chloroplasten sind die Orte der Photosynthese. Sie werden von einer Doppelmembran umschlossen und enthalten ein internes System von Thylakoidmembranen, die in Grana-Stapeln organisiert sind. Das Stroma, der wässrige Raum um die Thylakoide, enthält die Enzyme des Calvin-Zyklus. Chloroplasten besitzen ein eigenes zirkuläres Genom und Ribosomen, was die Endosymbiontentheorie stützt. Neben der Photosynthese sind Chloroplasten an der Fettsäuresynthese, dem Aminosäurestoffwechsel und Stressreaktionen beteiligt.

Vakuole

Die zentrale Vakuole ist eine membrangebundene Organelle, die bis zu 90 % des Zellvolumens in ausgereiften Pflanzenzellen einnimmt. Die Vakuolenmembran, auch Tonoplast genannt, reguliert den Ionen- und Metabolitentransport. Die Vakuole speichert Wasser, Nährstoffe, Pigmente und sekundäre Metaboliten. Sie sequestriert auch toxische Verbindungen und hydrolytische Enzyme und funktioniert ähnlich wie Lysosomen in tierischen Zellen. Der durch Wasseraufnahme in die Vakuole erzeugte Turgordruck verleiht nicht-holzigen pflanzlichen Geweben mechanische Steifigkeit.

Endomembransystem

Das endoplasmatische Retikulum (ER) kommt in Pflanzenzellen als raues ER mit angehängten Ribosomen und als glattes ER, das an der Lipidsynthese beteiligt ist, vor. Der Golgi-Apparat verarbeitet und sortiert Proteine und synthetisiert komplexe Polysaccharide, einschließlich Pektine und Hemicellulosen, die für die Zellwand bestimmt sind. Der Vesikeltransport, vermittelt durch COPII-, COPI- und Clathrin-beschichtete Vesikel, liefert Fracht zur Plasmamembran, Vakuole und anderen Kompartimenten.

Peroxisomen

Pflanzliche Peroxisomen, in keimenden Samen auch Glyoxysome genannt, beherbergen Enzyme für die Photorespiration, die β‑Oxidation von Fettsäuren und den Glyoxylatzyklus. Sie enthalten Katalase, um Wasserstoffperoxid abzubauen, das bei Stoffwechselprozessen entsteht.

Mitochondrien

Mitochondrien in Pflanzenzellen ähneln denen anderer Eukaryoten mit einer Doppelmembran und Cristae, die die Oberfläche für die oxidative Phosphorylierung vergrößern. Sie erzeugen ATP über die Elektronentransportkette und spielen eine Rolle beim programmierten Zelltod, der Stresssignalübertragung und der Synthese bestimmter Aminosäuren und Vitamine.

Zellkern

Der Zellkern wird von einer Doppelmembran, der Kernhülle, umschlossen, die Kernporenkomplexe für den selektiven Transport enthält. Im Karyoplasma ist das Chromatin in Chromosomen organisiert. Der Nucleolus ist der Ort der ribosomalen RNA-Synthese und des Ribosomenaufbaus. Pflanzengenome sind oft polyploid, wobei mehrere Chromosomensätze zur genetischen Redundanz und Anpassungsfähigkeit beitragen.

Spezialisierte Zelltypen

Pflanzliche Gewebe enthalten spezialisierte Zelltypen mit unterschiedlichen strukturellen Merkmalen. Parenchymzellen sind dünnwandig und dienen der Speicherung, Photosynthese und Wundheilung. Kollenchymzellen haben ungleichmäßig verdickte Primärwände und bieten flexible Unterstützung. Sklerenchymzellen, einschließlich Fasern und Skleriden, haben dicke lignifizierte Sekundärwände und dienen der mechanischen Unterstützung. Xylemzellen bilden hohle, lignifizierte Röhren für den Wassertransport, während Phloemzellen lebende Siebelemente sind, die Zucker und Signalmoleküle transportieren.