Golgi-apparatet
Golgi-morfologi og dynamik
Golgi-apparatet i mange dyreceller fremstår som en båndlignende struktur ved siden af kernen og tæt på centrosomet, cellens vigtigste mikrotubuli-organiserende center (Fig. 21.18A). Elektronmikrografer af tyndsnit viser, at Golgi-apparatet består af stablede, fladtrykte, membranomsluttede cisterner, der ligner en stak pandekager (Fig. 21.18B). Krydsbinding af cisternerne ved hjælp af Golgi-associerede tethering-faktorer resulterer i deres stramme, parallelle tilpasning i stakken. Tubuli og vesikler ved stakkernes rande forbinder mange stakke til en enkelt båndlignende struktur ved en proces, der er afhængig af mikrotubuli. Hvis mikrotubuli depolymeriseres eksperimentelt, reorganiseres den båndlignende Golgi-struktur til enkelte stakke, som findes ved ER-udgangssteder (Fig. 21.19). Denne fordeling ligner fordelingen af Golgi-stakke i planteceller, hvor hundredvis af enkeltstakke er placeret ved siden af ER-udgangssteder snarere end at være samlet som et enkelt bånd.
Stakke af Golgi-cisterner i dyre- og planteceller udviser alle en cis-til-trans polaritet, der afspejler passage af last gennem organellen. Proteiner og lipider fra ER kommer ind på cis-siden (indgangssiden) af stakken. Efter at have passeret gennem stakken af cisterner forlader lasten trans-siden på den modsatte side af stakken. Membransorterings- og transportaktiviteterne i Golgi menes at være særligt høje ved cis- og transfladerne og inden for de rørformede-vesikulære elementer (noncompact zone), der forbinder stakkene (Fig. 21.18B).
Tre foreslåede mekanismer forklarer transporten af sekretoriske fragtproteiner gennem Golgi-apparatet (Fig. 21.20). I den ene model er cisternerne, der udgør Golgi-stakken, relativt stabile strukturer, og sekretorisk last transporteres fra cisterne til cisterne på tværs af stakken i tubuli eller vesikler, der spirer fra en cisterne og smelter sammen med den næste. Den retningsbestemte strømning opnås ved, at de fragtproteiner, der har en præferentiel affinitet for de membraner, der omfatter de tubulære/vesikulære transportintermediater, spirer ud fra Golgi mod plasmamembranen. I en anden mekanisme, kaldet cisternal progression, transporteres sekretorisk gods gennem stakken i kontinuerligt fremadskridende cisternae. Der dannes nye cisterner på cis-siden af stakken ved koalescens af VTC’er, og de bevæger sig derefter på tværs af stakken til trans-siden. Sekretoriske fragtmolekyler er indesluttet i en given cisterne, indtil de passerer fra cis-siden til trans-siden og forlader Golgi-apparatet i transportbærere. Støtte for cisternernes progression stammer fra undersøgelser i gær, der viser, at markører i individuelle Golgi-cisterner modnes fra tidlige til sene former over tid. Kinetiske målinger i levende celler i pattedyrsceller viser, at lasten forlader Golgi-anlægget over et eksponentiel tidsforløb uden forsinkelse. Dette resultat har sammen med observationen af, at residente enzymer og fragt fordeler sig på forskellige domæner i Golgi-apparatet ud over at have overlappende fordelinger, ført til en tredje model for Golgi-trafikken. I denne model giver partitionering af lastproteiner i lipiddomæner, der er tømt for Golgi-enzymer, en mekanisme for deres eksport ud af Golgi (Fig. 21.20).
Golgi-apparatets størrelse, udseende og endog eksistens afhænger af mængden og hastigheden af lastens bevægelse gennem sekretionsvejen. Gæren Saccharomyces cerevisiae har f.eks. et dårligt udviklet Golgi-apparat, fordi den sekretoriske transport normalt er for hurtig til, at der kan opbygges udførlige Golgi-strukturer. Betingelser, der bremser fragttransporten ud af Golgi-apparatet i gærceller, fører imidlertid til, at Golgi-apparatet udvides og omarrangeres til kompakte stakke svarende til dem, der ses i de fleste dyre- og planteceller.
Golgi-apparatet er en dynamisk snarere end en permanent cellestruktur, fordi både dets proteiner og lipider bevæger sig kontinuerligt langs forskellige veje. Ingen klasse af Golgi-proteiner er stabilt tilknyttet i denne organel. Integrale membranproteiner, herunder forarbejdningsenzymer og SNARE’er, forlader og genindtræder løbende Golgi-apparatet ad membran-trafikeringsveje, der fører til og fra ER. Perifere membranproteiner, der er associeret med Golgi-apparatet (herunder Arf1, coatomer, Rab-proteiner, matrixproteiner, tethering-faktorer og GEF’er), udveksler konstant mellem Golgimembraner og cytoplasmatiske puljer.
Den forbigående og dynamiske tilknytning af molekyler til Golgi-apparatet gør denne organel følsom over for funktionerne i mange cellulære systemer. I fravær af mikrotubuli flytter Golgi-apparatet i pattedyrceller sig f.eks. ved siden af ER-eksportsteder (fig. 21.19). Dette opstår, fordi Golgi-enzymer, der løbende genbruges tilbage til ER, ikke kan vende tilbage til en centrosomal placering uden mikrotubuli. I stedet ophobes de sammen med Golgi-stillads-, tethering- og strukturelle kappeproteiner på ER-udgangssteder fordelt over hele ER’et og danner Golgi-ministacks.
BFA spreder Golgi-apparatet ved en anden mekanisme. Lægemidlet forhindrer Arf1 i at udveksle GDP til GTP (Fig. 21.5) og forhindrer derved membranen i at rekruttere Arf1-effektorer fra cytoplasmaet. I løbet af få minutter genanvendes de residente transmembranproteiner fra Golgi til ER, hvor de bliver tilbageholdt, og Golgi-apparatet forsvinder. Hvis BFA fjernes, reformeres Golgi-apparatet ved udvækst af membran fra ER.
Golgi-apparatet adskilles under mitose i mange eukaryote celler og samles derefter igen i interfasen (fig. 21.21). Denne proces ligner overfladisk virkningerne af BFA-anvendelse og udvaskning, da mange Golgi-enzymer vender tilbage til ER eller til ER-udgangssteder under mitose og genopstår fra ER ved afslutningen af mitose. Dette udløses både ved at Arf1 inaktiveres og ved at tetheringfaktorer/matrixproteiner i Golgi-apparatet fosforyleres af mitotiske kinaser (se kapitel 40) under mitose.
Og selv om Golgi-apparatet er meget dynamisk og løbende udveksler sine protein- og lipidkomponenter med andre cellulære rum, bevarer det en unik biokemisk og morfologisk identitet. Dette gør det muligt for Golgi-apparatet at deltage i flere vigtige biosyntetiske og behandlingsveje i cellen, som det diskuteres i det følgende.