Golgin apparaatti
Golgin morfologia ja dynamiikka
Golgin apparaatti esiintyy monissa eläinsoluissa nauhamaisena rakenteena tuman vieressä ja lähellä sentrosomia, joka on solun tärkein mikrotubuluksia organisoiva keskus (kuva 21.18A). Ohutleikkeiden elektronimikroskooppikuvat osoittavat, että Golgin apparaatti koostuu pinoutuneista, litistyneistä, kalvon ympäröimistä sisäkkeistä, jotka muistuttavat pannukakkupinoa (kuva 21.18B). Golgi-assosioituneiden kiinnitystekijöiden aikaansaama sisternojen ristisidonta johtaa niiden tiukkaan, yhdensuuntaiseen linjaukseen pinon sisällä. Pinojen reunoilla olevat tubulukset ja vesikkelit yhdistävät useita pinoja yhdeksi nauhamaiseksi rakenteeksi mikrotubuluksista riippuvaisella prosessilla. Jos mikrotubulukset depolymerisoidaan kokeellisesti, nauhamainen Golgin rakenne järjestäytyy uudelleen yksittäisiksi pinoiksi, joita esiintyy ER:n ulostulokohdissa (kuva 21.19). Tämä jakauma muistuttaa Golgin pinojen jakaumaa kasvisoluissa, joissa sadat yksittäiset pinot sijaitsevat ER:n ulostulokohtien vieressä sen sijaan, että ne olisi liitetty yhteen yhdeksi nauhaksi.
Eläin- ja kasvisolujen Golgin sisternojen pinoissa on kaikissa cis-to-trans-polariteetti, joka heijastaa lastin kulkua organellin läpi. Proteiinit ja lipidit ER:stä tulevat pinon cis-puolelle (sisääntulopuolelle). Kun lasti on kulkenut cisternapinon läpi, se poistuu trans-puolelta pinon vastakkaiselle puolelle. Golgin membraanien lajittelu- ja kuljetusaktiivisuuden ajatellaan olevan erityisen suurta cis- ja trans-pinnoilla ja putkimaisten-vesikkelielementtien sisällä (ei-kompakti vyöhyke), jotka yhdistävät pinot toisiinsa (kuva 21.18B).
Kolme ehdotettua mekanismia selittää sekretorisen rahdin valkuaisaineiden kulkeutumisen Golgi-laitteiston läpi (kuva 21.20). Yhdessä mallissa Golgin pinon muodostavat sakarat ovat suhteellisen stabiileja rakenteita, ja sekretorinen lasti siirtyy sakarasta toiseen pinon läpi putkissa tai vesikkeleissä, jotka lähtevät yhdestä sakarasta ja sulautuvat seuraavaan sakaraan. Suuntainen virtaus saavutetaan siten, että lastiproteiinit, joilla on etuoikeutettu affiniteetti membraaneihin, jotka sisältävät tubulaarisia/vesikkelikuljetuksen välituotteita, purkautuvat Golgista kohti plasmakalvoa. Toisessa mekanismissa, jota kutsutaan cisternaaliseksi etenemiseksi, erittyvä lasti kuljetetaan pinon poikki jatkuvasti etenevissä cisternoissa. Uudet cisternat muodostuvat pinon cis-puolelle VTC:iden yhteenliittymällä ja etenevät sitten pinon poikki trans-puolelle. Erittävän lastin molekyylit pysyvät tietyn sisternan sisällä, kunnes ne siirtyvät cis-puolelta trans-puolelle ja poistuvat Golgin laitteesta kuljetuskuljettimissa. Cisternaalista etenemistä tukevat hiivalla tehdyt tutkimukset, jotka osoittavat, että yksittäisten Golgin cisternojen markkerit kypsyvät ajan myötä varhaisista myöhäisiin muotoihin. Elävien solujen kineettiset mittaukset nisäkässoluissa osoittavat, että lasti poistuu Golgista eksponentiaalisen ajan kuluessa ilman viivettä. Tämä havainto yhdessä sen havainnon kanssa, että residenssientsyymit ja rahti jakautuvat Golgin sisällä eri alueille sen lisäksi, että ne jakautuvat päällekkäin, on johtanut kolmanteen malliin Golgin salakuljetuksesta. Tässä mallissa lastiproteiinien jakautuminen lipidididomeeneihin, joissa ei ole Golgin entsyymejä, tarjoaa mekanismin niiden viemiseksi ulos Golgista (kuva 21.20).
Golgin laitteiston koko, ulkonäkö ja jopa olemassaolo riippuvat lastin liikkeen määrästä ja nopeudesta erittymisreitin läpi. Esimerkiksi hiivalla Saccharomyces cerevisiae on heikosti kehittynyt Golgin apparaatti, koska sekretorinen kuljetus on normaalisti liian nopeaa, jotta kehittyneitä Golgin rakenteita ehtisi kertyä. Olosuhteet, jotka hidastavat lastin kuljetusta pois Golgin laitteesta hiivasoluissa, johtavat kuitenkin siihen, että Golgin laite suurenee ja järjestäytyy uudelleen kompakteiksi pinoiksi, jotka ovat samanlaisia kuin useimmissa eläin- ja kasvisoluissa.
Golgin laite on pikemminkin dynaaminen kuin pysyvä solurakenne, koska sekä sen proteiinit että lipidit liikkuvat jatkuvasti eri reittejä pitkin. Mikään Golgin proteiiniluokka ei ole pysyvästi sidoksissa tähän organelliin. Integraaliset kalvoproteiinit, mukaan lukien prosessointientsyymit ja SNAREt, poistuvat ja palaavat jatkuvasti Golgin laitteesta ER:ään johtavia ja sieltä lähteviä kalvokuljetusreittejä pitkin. Golgin laitteeseen assosioituneet perifeeriset kalvoproteiinit (mukaan lukien Arf1, coatomer, Rab-proteiinit, matriisiproteiinit, tethering-tekijät ja GEF:t) vaihtavat jatkuvasti Golgin kalvojen ja sytoplasman altaiden välillä.
Molekyylien ohimenevä ja dynaaminen assosiaatio Golgin laitteeseen tekee tästä organellista herkän monien solujärjestelmien toiminnoille. Esimerkiksi mikrotubulusten puuttuessa nisäkässoluissa Golgin apparaatti siirtyy ER:n vientipaikkojen viereen (kuva 21.19). Tämä johtuu siitä, että Golgin entsyymit, jotka kierrättävät jatkuvasti takaisin ER:ään, eivät voi palata sentrosomaaliseen paikkaan ilman mikrotubuluksia. Sen sijaan ne kerääntyvät yhdessä Golgin teline-, kiinnitys- ja rakenteellisten päällysproteiinien kanssa ER:n poistumiskohtiin, jotka ovat jakautuneet eri puolille ER:ää, muodostaen Golgin ministakkeja.
BFA hajauttaa Golgin apparaatin eri mekanismilla. Lääke estää Arf1:tä vaihtamasta GDP:tä GTP:ksi (kuva 21.5) ja estää siten kalvoa rekrytoimasta Arf1:n efektoreita sytoplasmasta. Muutamassa minuutissa Golgin paikalliset transmembraaniproteiinit kierrätetään ER:ään, jossa ne säilyvät, ja Golgin apparaatti katoaa. Jos BFA poistetaan, Golgin apparaatti uudistuu kasvattamalla kalvoa ulos ER:stä.
Golgin apparaatti hajoaa mitoosin aikana monissa eukaryoottisoluissa ja kootaan sitten uudelleen interfaasissa (kuva 21.21). Tämä prosessi muistuttaa pintapuolisesti BFA:n annostelun ja huuhtelun vaikutuksia, koska monet Golgi-entsyymit palaavat mitoosin aikana ER:ään tai ER:n poistumiskohtiin ja nousevat uudelleen ER:stä mitoosin lopussa. Tämän käynnistää sekä Arf1:n inaktivoituminen että mitoosin aikana mitoottisten kinaasien (ks. luku 40) fosforyloimat Golgin laitteiston kiinnitystekijät/matriisiproteiinit.
Vaikka Golgin laitteisto on erittäin dynaaminen ja vaihtaa jatkuvasti proteiini- ja lipidikomponenttejaan muiden solukompartmenttien kanssa, se säilyttää ainutlaatuisen biokemiallisen ja morfologisen identiteetin. Tämän ansiosta Golgin laite voi osallistua useisiin tärkeimpiin solun biosynteettisiin ja prosessointitapoihin, kuten seuraavassa käsitellään.