Golgi Apparatus
Golgi Morphology and Dynamics
O aparelho de Golgi em muitas células animais aparece como uma estrutura em forma de fita adjacente ao núcleo e próximo ao centrossoma, o principal centro organizador do microtubo da célula (Fig. 21.18A). Micrografias eletrônicas de seções finas mostram que o aparelho de Golgi consiste de cisternas empilhadas, achatadas, fechadas com membrana que se assemelham a uma pilha de panquecas (Fig. 21.18B). A ligação cruzada de cisternas por factores de amarração associados ao Golgi resulta no seu alinhamento apertado e paralelo dentro da pilha. Túbulos e vesículas nas bordas das pilhas interligam muitas pilhas numa única estrutura em forma de fita por um processo dependente de microtúbulos. Se os microtubos forem despolimerizados experimentalmente, a estrutura em forma de fita Golgi reorganiza-se em pilhas únicas encontradas nos locais de saída das ER (Fig. 21.19). Esta distribuição assemelha-se à distribuição das pilhas de Golgi em células vegetais, onde, centenas de pilhas únicas estão localizadas adjacentes aos locais de saída das ER em vez de estarem unidas como uma única fita.
As pilhas de cisternas de Golgi em células animais e vegetais exibem uma polaridade cis-para-trans, reflectindo a passagem da carga através da organela. Proteínas e lipídios das ER entram na face cis (face de entrada) da pilha. Depois de passar pela pilha de cisterna, a carga sai da face trans no lado oposto da pilha. As atividades de triagem e transporte de membranas do Golgi são consideradas especialmente altas nas faces cis e trans e dentro dos elementos tubulares-vesiculares (zona não compacta) que interligam as pilhas (Fig. 21.18B).
Três mecanismos propostos explicam o transporte de proteínas de carga secretora através do aparelho do Golgi (Fig. 21.20). Em um modelo, as cisternas que compõem a pilha de Golgi são estruturas relativamente estáveis e a carga secretora transita de cisterna para cisterna através da pilha em túbulos ou vesículas que brotam de uma cisterna e se fundem com a seguinte. O fluxo direcional é alcançado pelas proteínas da carga com afinidade preferencial para as membranas que compõem os intermediários de transporte tubular/vesicular que brotam do Golgi em direção à membrana plasmática. Num segundo mecanismo, chamado progressão cisterna, a carga secretora é transportada através da pilha em cisternas em contínua progressão. Uma nova cisterna se forma na face cisterna da pilha pela coalescência dos VTCs e depois progride através da pilha para o lado trans. Moléculas de carga secreta são confinadas dentro de uma determinada cisterna até que esta passe da face cis para a face trans e saia do aparelho Golgi nos transportadores. O suporte para o progresso cisterna deriva de estudos em leveduras que mostram marcadores em cisterna Golgi individual amadurecem de formas iniciais a tardias ao longo do tempo. As medições cinéticas de células vivas em células de mamíferos mostram que a carga sai do Golgi ao longo de um percurso temporal exponencial, sem atraso. Esta descoberta, juntamente com a observação de que as enzimas residentes e a divisão da carga em domínios distintos dentro do aparelho do Golgi, além de ter distribuições sobrepostas, levaram a um terceiro modelo de tráfico do Golgi. Neste modelo, a partição das proteínas da carga em domínios lipídicos esgotados das enzimas do Golgi fornece um mecanismo para a sua exportação para fora do Golgi (Fig. 21.20).
O tamanho, aparência e mesmo existência do aparelho do Golgi dependem da quantidade e taxa de movimentação da carga através do caminho secreto. A levedura Saccharomyces cerevisiae, por exemplo, tem um aparelho Golgi pouco desenvolvido porque o transporte secreto é normalmente muito rápido para que as estruturas elaboradas do Golgi se acumulem. No entanto, condições que atrasam o transporte de carga para fora do aparelho de Golgi em células de levedura levam ao aumento e rearranjo do aparelho de Golgi em pilhas compactas semelhantes às observadas na maioria das células animais e vegetais.
O aparelho de Golgi é uma estrutura celular dinâmica e não permanente, porque tanto suas proteínas quanto seus lipídios se movimentam continuamente ao longo de vários caminhos. Nenhuma classe de proteína Golgi está associada de forma estável dentro desta organela. As proteínas integrais da membrana, incluindo enzimas de processamento e SNAREs, saem e reentram continuamente no aparelho de Golgi por vias de tráfego de membranas que levam e saem das ER. As proteínas da membrana periférica associadas ao aparelho de Golgi (incluindo Arf1, coatomer, proteínas de Rab, proteínas de matriz, fatores de amarração e GEFs) trocam constantemente entre as membranas de Golgi e os pools citoplasmáticos.
A associação transitória e dinâmica das moléculas com o aparelho de Golgi torna esta organela sensível às funções de muitos sistemas celulares. Por exemplo, na ausência de microtubos, o aparelho de Golgi em células de mamíferos desloca-se adjacente aos locais de exportação das ER (Fig. 21.19). Isto ocorre porque as enzimas do Golgi que estão continuamente recicladas de volta às ER não podem retornar a um local centromal sem microtubulos. Em vez disso, elas acumulam-se juntamente com andaimes Golgi, amarras e proteínas estruturais do revestimento nos locais de saída das ER distribuídas pelas ER, formando ministacks Golgi.
BFA dispersa o aparelho Golgi por um mecanismo diferente. A droga evita que o Arf1 troque o PIB pelo GTP (Fig. 21.5), impedindo assim que a membrana recrute os efetores do Arf1 a partir do citoplasma. Em poucos minutos, as proteínas transmembranas residentes do Golgi são recicladas para o SU onde são retidas, e o aparelho do Golgi desaparece. Se o BFA for removido, o aparelho de Golgi reforma-se pelo crescimento da membrana da ER.
O aparelho de Golgi desmonta-se durante a mitose em muitas células eucarióticas e depois remonta-se em interfase (Fig. 21.21). Este processo assemelha-se superficialmente aos efeitos da aplicação e lavagem do BFA, uma vez que muitas enzimas Golgi retornam às ER ou aos locais de saída das ER durante a mitose e reemergem das ER no final da mitose. Isto é desencadeado tanto pela inactivação do Arf1 como por factores de amarração/proteínas matriciais do aparelho de Golgi sendo fosforilado por quinases mitóticas (ver Capítulo 40) durante a mitose.
Embora o aparelho de Golgi seja altamente dinâmico e troque continuamente os seus componentes proteicos e lipídicos com outros compartimentos celulares, mantém uma identidade bioquímica e morfológica única. Isto permite que o aparelho de Golgi participe de várias das principais vias biossintéticas e de processamento da célula, como é discutido a seguir.