Aparato de Golgi
Morfología y dinámica del Golgi
El aparato de Golgi en muchas células animales aparece como una estructura en forma de cinta adyacente al núcleo y cerca del centrosoma, el principal centro organizador de microtúbulos de la célula (Fig. 21.18A). Las micrografías electrónicas de secciones delgadas muestran que el aparato de Golgi consiste en cisternas apiladas, aplanadas y con membrana que se asemejan a una pila de panqueques (Fig. 21.18B). La reticulación de las cisternas por parte de los factores de unión asociados al Golgi da lugar a su alineación estrecha y paralela dentro de la pila. Los túbulos y las vesículas de los bordes de los apilamientos interconectan muchos apilamientos en una única estructura en forma de cinta mediante un proceso que depende de los microtúbulos. Si los microtúbulos se despolimerizan experimentalmente, la estructura de Golgi en forma de cinta se reorganiza en pilas individuales que se encuentran en los sitios de salida del RE (Fig. 21.19). Esta distribución se asemeja a la distribución de los apilamientos de Golgi en las células vegetales, donde cientos de apilamientos individuales se encuentran adyacentes a los sitios de salida del RE en lugar de estar unidos como una sola cinta.
Los apilamientos de las cisternas de Golgi en las células animales y vegetales muestran una polaridad cis-trans que refleja el paso de la carga a través del orgánulo. Las proteínas y los lípidos del RE entran por la cara cis (cara de entrada) de la pila. Tras atravesar la pila de cisternas, la carga sale por la cara trans en el lado opuesto de la pila. Se cree que las actividades de clasificación y transporte de la membrana del Golgi son especialmente altas en las caras cis y trans y dentro de los elementos tubulares-vesiculares (zona no compacta) que interconectan las pilas (Fig. 21.18B).
Tres mecanismos propuestos explican el transporte de proteínas de carga secretoras a través del aparato de Golgi (Fig. 21.20). En un modelo, las cisternas que componen la pila de Golgi son estructuras relativamente estables y la carga secretora transita de cisterna a cisterna a través de la pila en túbulos o vesículas que brotan de una cisterna y se fusionan con la siguiente. El flujo direccional se consigue gracias a que las proteínas de carga tienen afinidad preferente por las membranas que comprenden los intermediarios de transporte tubular/vesicular que brotan del Golgi hacia la membrana plasmática. En un segundo mecanismo, denominado progresión cisternal, la carga secretora se transporta a través de la pila en cisternas que progresan continuamente. Se forman nuevas cisternas en la cara cis de la pila por coalescencia de VTCs y luego progresan a través de la pila hacia el lado trans. Las moléculas de carga secretora quedan confinadas dentro de una cisterna determinada hasta que pasan de la cara cis a la cara trans y salen del aparato de Golgi en transportadores. El apoyo a la progresión cisternal se deriva de estudios en levaduras que muestran que los marcadores en las cisternas de Golgi individuales maduran desde las formas tempranas a las tardías con el tiempo. Las mediciones cinéticas en células vivas de mamíferos muestran que la carga sale del Golgi a lo largo de un curso temporal exponencial sin retraso. Este hallazgo, junto con la observación de que las enzimas residentes y la carga se reparten en distintos dominios dentro del aparato de Golgi, además de tener distribuciones superpuestas, ha conducido a un tercer modelo de tráfico del Golgi. En este modelo, la partición de las proteínas de carga en dominios lipídicos desprovistos de enzimas de Golgi proporciona un mecanismo para su exportación fuera del Golgi (Fig. 21.20).
El tamaño, la apariencia e incluso la existencia del aparato de Golgi dependen de la cantidad y la velocidad de movimiento de la carga a través de la vía secretora. La levadura Saccharomyces cerevisiae, por ejemplo, tiene un aparato de Golgi poco desarrollado porque el transporte secretor es normalmente demasiado rápido para que se acumulen estructuras de Golgi elaboradas. Sin embargo, las condiciones que ralentizan el transporte de carga fuera del aparato de Golgi en las células de levadura hacen que el aparato de Golgi se agrande y se reorganice en pilas compactas similares a las que se observan en la mayoría de las células animales y vegetales.
El aparato de Golgi es una estructura celular dinámica más que permanente, porque tanto sus proteínas como sus lípidos se mueven continuamente a lo largo de varias vías. Ninguna clase de proteína de Golgi está asociada de forma estable dentro de este orgánulo. Las proteínas de la membrana integral, incluidas las enzimas de procesamiento y las SNARE, salen y vuelven a entrar continuamente en el aparato de Golgi por vías de tráfico de membranas que van hacia y desde el RE. Las proteínas de la membrana periférica asociadas al aparato de Golgi (incluyendo Arf1, coatomer, proteínas Rab, proteínas de la matriz, factores de unión y GEFs) intercambian constantemente entre las membranas del Golgi y las piscinas citoplasmáticas.
La asociación transitoria y dinámica de las moléculas con el aparato de Golgi hace que este orgánulo sea sensible a las funciones de muchos sistemas celulares. Por ejemplo, en ausencia de microtúbulos el aparato de Golgi en las células de mamíferos se reubica adyacente a los sitios de exportación del RE (Fig. 21.19). Esto se debe a que las enzimas del Golgi que se reciclan continuamente hacia el RE no pueden regresar a una ubicación centrosomal sin microtúbulos. En su lugar, se acumulan junto con el andamiaje del Golgi, las proteínas de sujeción y la capa estructural en los sitios de salida del RE distribuidos por todo el RE, formando ministacks de Golgi.
El BFA dispersa el aparato de Golgi por un mecanismo diferente. El fármaco impide que Arf1 intercambie GDP por GTP (Fig. 21.5), impidiendo así que la membrana reclute efectores de Arf1 desde el citoplasma. En cuestión de minutos, las proteínas transmembrana residentes del Golgi son recicladas al RE, donde quedan retenidas, y el aparato de Golgi desaparece. Si se elimina el BFA, el aparato de Golgi se reforma por el crecimiento de la membrana desde el RE.
El aparato de Golgi se desmonta durante la mitosis en muchas células eucariotas y luego se vuelve a montar en la interfase (Fig. 21.21). Este proceso se asemeja superficialmente a los efectos de la aplicación y el lavado de BFA, ya que muchas enzimas del Golgi regresan al RE o a los sitios de salida del RE durante la mitosis y vuelven a salir del RE al final de la mitosis. Esto se desencadena tanto por la inactivación de Arf1 como por la fosforilación de los factores de unión/proteínas de la matriz del aparato de Golgi por parte de las quinasas mitóticas (véase el capítulo 40) durante la mitosis.
Aunque el aparato de Golgi es muy dinámico e intercambia continuamente sus componentes proteicos y lipídicos con otros compartimentos celulares, mantiene una identidad bioquímica y morfológica única. Esto permite que el aparato de Golgi participe en varias de las principales vías de biosíntesis y procesamiento de la célula, como se discute a continuación.