Vakuolen sind dehnbare Zellorganellen, die hauptsächlich in Pflanzen- und Pilzzellen vorkommen und als Speichermedium für Wasser (und darin gelöste Nährstoffe) fungieren. Der Begriff leitet sich vom lateinischen "vacuus" (Vakuum oder leerer Raum) ab. Unter dem Mikroskop sind die mit Wasser gefüllten Vakuolen wegen ihres verhältnismäßig großen Umfangs meist sehr gut sichtbar. Bei Pflanzenzellen nehmen Vakuolen in der Regel mehr als 3/4 des Zellinnenraumes ein.

Vakuolen entstehen während des Zellwachstums; genauer gesagt im Verlauf des Streckungswachstums. Das Streckungswachstum dient zur Größenzunahme der Pflanze. Im Gegensatz zum Teilungswachstums ist das Streckungswachstums wesentlich energieeffizienter.

Varianten der Vakuole Bei den bekannten Pantoffeltierchen treten Vakuolen auch in der Form der kontraktilen Vakuolen auf. Kontraktile Vakuolen sind kontrahierende Bläschen, die der Wasserausscheidung aus der Zelle dienen. Dafür vergrößern und verkleinern die kontraktilen Vakuolen sich rhythmisch, nehmen dabei Zellflüssigkeit von innerhalb auf und geben diese nach außerhalb der Zelle ab. Der Wassereinstrom ist dem höheren osmotischen Innendruck innerhalb der Zelle geschuldet und kommt durch diesen zustande. Innerhalb der Zelle ist die Salzkonzentration also höher als in dem sie umgebenden Süßwasser. Ohne das Vorhandensein der kontraktilen Vakuolen würde ein zu hoher osmotischer Druck innerhalb der Zelle entstehen, die Zelle würde platzen.

Vakuolen haben einen vergleichbaren Aufbau wie Vesikel. Beide Organellen sind nur von einer Membran umgeben. Während Vakuolen stets mit einer Einfachmembran, dem sogenannten Tonoplast ausgestattet sind, können Vesikel auch über eine Doppelmembran verfügen. Der Tonoplast kann durch seine semipermeable Membran Wasser bei Bedarf aufnehmen und auch zwecks Transpiration oder für die Photosynthese wieder abgeben. Sobald sich die dehnbare Vakuole mit Wasser vollsaugt, wächst ihr Umfang um ein Vielfaches und wird erst durch die Zellwand begrenzt. Vakuolen sind mithin so groß, dass sie problemlos unter einem Mikroskop zu erkennen sind.

Die wichtigste Funktion erfüllt die Vakuole durch Erzeugung des sogenannten Turgordrucks. Indem die Vakuole ihr Volumen in der Zelle vergrößert, erhöht sich gleichzeitig auch der Druck im Zellinnenraum. Weil Teilchen immer nach einem Ausgleich der Stoffkonzentration streben (siehe Osmose und Diffusion) strömt Wasser von Außen in die Zelle ein.

Vakuolen übernehmen vielfältige Aufgaben. So können sie als Stoffspeicher von Proteinen fungieren, etwa bei Hülsenfrüchtlern in den Keimblättern, aber auch organische Verbindungen aufnehmen. Sie dienen als Zwischenspeicher von giftigen Abfallprodukten aus dem Stoffwechsel der Pflanze. In den Vakuolen können die Giftstoffe vom Rest der Zelle zuverlässig isoliert werden. Giftige Pflanzen lagern ihre Giftstoffe in den Vakuolen ein. Auf diese Weise kann eine Pflanze sich gegen Fressfeinde schützen, ohne sich durch das Gift selbst zu vergiften.