Golgi apparátus
Golgi morfológia és dinamika
A Golgi apparátus sok állati sejtben a sejtmag mellett és a centroszóma, a sejt fő mikrotubulus-szervező központja közelében szalagszerű struktúraként jelenik meg (21.18A ábra). Vékony metszetek elektronmikroszkópos felvételein látható, hogy a Golgi-apparátus egymásra rakott, lapított, membránnal körülvett ciszternákból áll, amelyek palacsintahalomra hasonlítanak (21.18B ábra). A ciszternák Golgi-asszociált tethering faktorok általi keresztkötése a ciszternák szoros, párhuzamos igazodását eredményezi a halmon belül. A halmok peremén lévő tubulusok és vezikulák a mikrotubulusoktól függő folyamat révén sok halmot egyetlen szalagszerű struktúrává kapcsolnak össze. Ha a mikrotubulusokat kísérletileg depolimerizáljuk, a szalagszerű Golgi-struktúra az ER kilépési helyeken található egyetlen halmazzá szerveződik át (21.19. ábra). Ez az eloszlás hasonlít a Golgi-halmok eloszlásához a növényi sejtekben, ahol az ER kilépési helyek mellett több száz egyes halom található, ahelyett, hogy egyetlen szalagként kapcsolódnának össze.
A Golgi-ciszternák halmai az állati és növényi sejtekben mind cis-transz polaritást mutatnak, ami tükrözi a rakomány áthaladását az organellumon. Az ER-ből származó fehérjék és lipidek a halmaz cisz-oldalán (belépőoldalán) lépnek be. Miután áthaladtak a ciszternák halmazán, a rakomány a halmaz ellentétes oldalán lévő transz oldalról távozik. Úgy gondolják, hogy a Golgi membránválogatási és transzportaktivitása különösen nagy a cisz- és transz-felületeken, valamint a halmokat összekötő tubuláris-vesikuláris elemeken (noncompact zóna) belül (21.18B ábra).
Három javasolt mechanizmus magyarázza a szekréciós cargo fehérjék szállítását a Golgi-apparátuson keresztül (21.20. ábra). Az egyik modell szerint a Golgi-köteget alkotó ciszternák viszonylag stabil struktúrák, és a szekréciós rakomány a ciszternákról ciszternára halad át a kötegen keresztül tubulusokban vagy vezikulákban, amelyek az egyik ciszternából bimbóznak, és összeolvadnak a következővel. Az irányított áramlás úgy valósul meg, hogy a Golgiból a plazmamembrán felé bimbózó tubuláris/vezikuláris transzportintermediereket tartalmazó membránokhoz preferenciális affinitással rendelkező rakományfehérjék a Golgiból bimbóznak ki. Egy második, ciszternális progressziónak nevezett mechanizmusban a szekréciós rakományt folyamatosan haladó ciszternák szállítják a halmon keresztül. Új ciszternák képződnek a halom cisz oldalán a VTC-k összeolvadásával, majd a halmon keresztül haladnak a transz oldalra. A szekréciós rakomány molekulái egy adott ciszternán belül maradnak, amíg a cisz-oldalról át nem jutnak a transz-oldalra, és a Golgi-apparátusból transzporthordozókban nem lépnek ki. A ciszternális progresszió alátámasztása élesztőn végzett vizsgálatokból származik, amelyek azt mutatják, hogy az egyes Golgi-ciszternákban lévő markerek idővel a korai formákból a késői formákba érnek. Emlőssejtekben végzett élő sejtkinetikai mérések azt mutatják, hogy a rakomány exponenciális ütemben, késleltetés nélkül távozik a Golgiból. Ez a megállapítás, valamint az a megfigyelés, hogy a rezidens enzimek és a rakomány a Golgi-apparátuson belül különböző doménekben oszlanak meg, amellett, hogy átfedő eloszlást mutatnak, a Golgi-kereskedelem egy harmadik modelljéhez vezetett. Ebben a modellben a cargo fehérjéknek a Golgi-enzimektől megfosztott lipiddoménekbe való particionálása biztosítja a Golgiból való exportálásuk mechanizmusát (21.20. ábra).
A Golgi-apparátus mérete, megjelenése, sőt létezése a szekréciós útvonalon keresztül történő cargo mozgás mennyiségétől és sebességétől függ. Az élesztő Saccharomyces cerevisiae például gyengén fejlett Golgi-apparátussal rendelkezik, mert a szekréciós transzport általában túl gyors ahhoz, hogy kidolgozott Golgi-szerkezetek halmozódjanak fel. Az élesztősejtekben azonban a Golgi-apparátusból történő teherszállítást lassító körülmények a Golgi-apparátus megnagyobbodásához és kompakt halmazokká való átrendeződéséhez vezetnek, hasonlóan a legtöbb állati és növényi sejtben megfigyeltekhez.
A Golgi-apparátus inkább dinamikus, mint állandó sejtstruktúra, mivel mind a fehérjék, mind a lipidek folyamatosan mozognak a különböző útvonalakon. A Golgi-fehérjék egyetlen osztálya sem társul stabilan ehhez az organellához. Az integrális membránfehérjék, beleértve a feldolgozó enzimeket és a SNARE-okat is, folyamatosan kilépnek a Golgi-apparátusból és visszatérnek abba az ER-hez vezető és onnan induló membránpályákon keresztül. A Golgi-apparátushoz kapcsolódó perifériás membránfehérjék (beleértve az Arf1-et, a coatomert, a Rab-fehérjéket, a mátrixfehérjéket, a tethering-faktorokat és a GEF-eket) folyamatosan cserélődnek a Golgi-membránok és a citoplazmatikus poolok között.
A molekulák átmeneti és dinamikus társulása a Golgi-apparátushoz érzékennyé teszi ezt az organellát számos sejtrendszer működésére. Például mikrotubulusok hiányában a Golgi-apparátus emlőssejtekben az ER-exportáló helyek mellé helyeződik át (21.19. ábra). Ez azért következik be, mert az ER-be folyamatosan visszaforgó Golgi-enzimek mikrotubulusok nélkül nem tudnak visszatérni a centroszomális helyre. Ehelyett a Golgi-állványzat, a tethering és a szerkezeti köpenyfehérjékkel együtt felhalmozódnak az ER kilépési helyein az ER-ben elosztva, Golgi minisztákokat alkotva.
A BFA más mechanizmus révén szórja szét a Golgi-apparátust. A gyógyszer megakadályozza, hogy az Arf1 GDP-t GTP-re cseréljen (21.5. ábra), ezáltal megakadályozza, hogy a membrán Arf1 effektorokat toborozzon a citoplazmából. Perceken belül a Golgi rezidens transzmembránfehérjéi visszakerülnek az ER-be, ahol visszamaradnak, és a Golgi-apparátus eltűnik. Ha a BFA-t eltávolítjuk, a Golgi-apparátus a membránnak az ER-ből való kinövésével megreformálódik.
A Golgi-apparátus számos eukarióta sejtben a mitózis során szétszerelődik, majd az interfázisban újra összeáll (21.21. ábra). Ez a folyamat felületesen hasonlít a BFA alkalmazásának és kimosásának hatásaira, mivel a mitózis során számos Golgi-enzim visszatér az ER-be vagy az ER kilépési helyére, és a mitózis végén újra megjelenik az ER-ből. Ezt egyrészt az Arf1 inaktiválódása váltja ki, másrészt az, hogy a mitózis során a mitotikus kinázok (lásd 40. fejezet) foszforilálják a Golgi-apparátus kötőfaktorait/mátrixfehérjéit.
Noha a Golgi-apparátus rendkívül dinamikus, és folyamatosan cseréli fehérje- és lipidkomponenseit más sejtkompartmentekkel, megőrizte egyedi biokémiai és morfológiai identitását. Ez teszi lehetővé, hogy a Golgi-apparátus részt vegyen a sejt számos fő bioszintetikus és feldolgozási útvonalában, amint azt a következőkben tárgyaljuk.