Golgiapparaten
Golgimorfologi och dynamik
Golgiapparaten i många djurceller uppträder som en bandliknande struktur i anslutning till cellkärnan och nära centrosomen, cellens huvudsakliga centrum för organisering av mikrotubuli (fig. 21.18A). Elektronmikrografer av tunna snitt visar att Golgiapparaten består av staplade, tillplattade, membraninneslutna cisterner som liknar en stapel pannkakor (fig. 21.18B). Korsbindning av cisternerna med Golgi-associerade tetheringfaktorer resulterar i att de är tätt och parallellt placerade i stapeln. Tubuli och vesiklar vid staplarnas ränder sammankopplar många staplar till en enda bandliknande struktur genom en process som är beroende av mikrotubuli. Om mikrotubuli experimentellt depolymeriseras omorganiseras den bandliknande Golgistrukturen till enskilda staplar som återfinns vid ER-utgångsplatser (fig. 21.19). Denna fördelning liknar fördelningen av Golgi-stackar i växtceller, där hundratals enskilda stackar ligger intill ER-utgångsplatser snarare än att vara sammanfogade som ett enda band.
Stackar av Golgi-cisterner i djur- och växtceller uppvisar alla en cis-till-trans-polaritet som återspeglar passagen av last genom organellen. Proteiner och lipider från ER kommer in på cis-ytan (ingångsytan) av stapeln. Efter att ha passerat genom cisternestacken lämnar lasten transsidan på den motsatta sidan av stapeln. Golgis membransorterings- och transportverksamhet tros vara särskilt hög vid cis- och trans-ytorna och inom de tubulärt-vesikulära elementen (icke-kompakta zonen) som förbinder staplarna (fig. 21.18B).
Tre föreslagna mekanismer förklarar transporten av sekretoriska lastproteiner genom Golgiapparaten (fig. 21.20). I en modell är cisternerna som utgör Golgi-stapeln relativt stabila strukturer och sekretorisk last transiteras från cistern till cistern över stapeln i tubuli eller vesiklar som knoppar av från en cistern och smälter samman med nästa cistern. Det riktade flödet åstadkoms genom att lastproteiner med preferentiell affinitet för de membran som omfattar de tubulära/vesikulära transportintermediärerna knoppar ut från Golgi mot plasmamembranet. I en andra mekanism, kallad cisternell progression, transporteras sekretorisk last över stapeln i kontinuerligt framskridande cisterner. Nya cisterner bildas på cis-sidan av stapeln genom koalescens av VTC:er och går sedan vidare över stapeln till trans-sidan. Molekyler av sekretorisk last är inneslutna i en viss cistern tills de passerar från cis-sidan till trans-sidan och lämnar Golgiapparaten i transportbärare. Stödet för cisternernas utveckling kommer från studier i jäst som visar att markörer i enskilda Golgi-cisterner mognar från tidiga till sena former med tiden. Kinetiska mätningar i levande celler i däggdjursceller visar att lasten lämnar Golgi under ett exponentiellt tidsförlopp utan eftersläpning. Detta resultat, tillsammans med observationen att inhemska enzymer och last delar upp sig på olika områden inom Golgiapparaten, förutom att de har överlappande fördelningar, har lett till en tredje modell för Golgi-trafikering. I denna modell ger partitionering av lastproteiner i lipiddomäner som är utarmade på Golgienzymer en mekanism för deras export ut ur Golgi (Fig. 21.20).
Golgiapparatens storlek, utseende och till och med existens beror på mängden och hastigheten av lastförflyttning genom den sekretoriska vägen. Jästen Saccharomyces cerevisiae, till exempel, har en dåligt utvecklad Golgiapparat eftersom den sekretoriska transporten normalt är för snabb för att utarbeta Golgistrukturer ska kunna ackumuleras. Förhållanden som bromsar lasttransporten ut ur Golgiapparaten i jästceller leder dock till att Golgiapparaten förstoras och omorganiseras till kompakta staplar som liknar dem som ses i de flesta djur- och växtceller.
Golgiapparaten är en dynamisk snarare än permanent cellstruktur, eftersom både dess proteiner och lipider rör sig kontinuerligt längs olika vägar. Ingen klass av Golgi-protein är stabilt associerad inom denna organell. Integrala membranproteiner, inklusive bearbetningsenzymer och SNAREs, lämnar och återinträder kontinuerligt i Golgiapparaten genom membrantrafikvägar som leder till och från ER. Perifera membranproteiner som är associerade med Golgiapparaten (inklusive Arf1, coatomer, Rab-proteiner, matrixproteiner, tetheringfaktorer och GEF:er) utbyter ständigt mellan Golgimembran och cytoplasmatiska pooler.
Den övergående och dynamiska associeringen av molekyler med Golgiapparaten gör att denna organell är känslig för funktionerna i många cellulära system. I avsaknad av mikrotubuli förflyttar sig till exempel Golgiapparaten i däggdjursceller intill ER-exportplatser (fig. 21.19). Detta uppstår eftersom Golgi-enzymer som kontinuerligt återvänder tillbaka till ER inte kan återvända till en centrosomal plats utan mikrotubuli. Istället ackumuleras de tillsammans med Golgi-ställningar, tethering och strukturella höljeproteiner vid ER-exportplatser som är fördelade över ER och bildar Golgi-ministackar.
BFA sprider ut Golgiapparaten genom en annan mekanism. Läkemedlet hindrar Arf1 från att byta ut GDP mot GTP (fig. 21.5) och förhindrar därmed membranet från att rekrytera Arf1-effektorer från cytoplasman. Inom några minuter återförs Golgis residenta transmembranproteiner till ER där de behålls, och Golgiapparaten försvinner. Om BFA avlägsnas reformeras Golgiapparaten genom att membranen växer ut från ER.
Golgiapparaten sönderdelas under mitos i många eukaryota celler och återmonteras sedan i interfasen (fig. 21.21). Denna process liknar ytligt sett effekterna av BFA-applikation och utspolning, eftersom många Golgi-enzymer återvänder till ER eller till ER-utgångsställen under mitosen och återkommer från ER i slutet av mitosen. Detta utlöses både av att Arf1 inaktiveras och av att tetheringfaktorer/matrixproteiner i Golgiapparaten fosforyleras av mitotiska kinaser (se kapitel 40) under mitos.
Trots att Golgiapparaten är mycket dynamisk och kontinuerligt byter ut sina protein- och lipidkomponenter med andra cellulära kompartment, bibehåller den en unik biokemisk och morfologisk identitet. Detta gör att Golgiapparaten kan delta i flera viktiga biosyntetiska och bearbetningsvägar i cellen, vilket diskuteras härnäst.