Apparato del Golgi
Morfologia e dinamica del Golgi
L’apparato del Golgi in molte cellule animali appare come una struttura nastriforme adiacente al nucleo e vicino al centrosoma, il principale centro di organizzazione dei microtubuli della cellula (Fig. 21.18A). Le micrografie elettroniche di sezioni sottili mostrano che l’apparato di Golgi consiste di cisterne impilate, appiattite e chiuse da membrana che assomigliano a una pila di frittelle (Fig. 21.18B). La reticolazione delle cisterne da parte dei fattori di legame associati al Golgi determina il loro allineamento stretto e parallelo all’interno della pila. Tubuli e vescicole ai bordi delle pile interconnettono molte pile in un’unica struttura nastriforme mediante un processo dipendente dai microtubuli. Se i microtubuli sono sperimentalmente depolimerizzati, la struttura nastriforme del Golgi si riorganizza in pile singole che si trovano nei siti di uscita dell’ER (Fig. 21.19). Questa distribuzione assomiglia alla distribuzione delle pile di Golgi nelle cellule vegetali, dove centinaia di pile singole si trovano adiacenti ai siti di uscita dell’ER piuttosto che essere unite insieme come un unico nastro.
Le pile di cisterne di Golgi nelle cellule animali e vegetali mostrano tutte una polarità cis-to-trans che riflette il passaggio del carico attraverso l’organello. Le proteine e i lipidi provenienti dall’ER entrano nella faccia cis (faccia d’ingresso) della pila. Dopo aver attraversato la pila di cisterne, il carico esce dalla faccia trans sul lato opposto della pila. Si pensa che le attività di smistamento e trasporto di membrana del Golgi siano particolarmente elevate sulle facce cis e trans e all’interno degli elementi tubolari-vescicolari (zona non compatta) che interconnettono le pile (Fig. 21.18B).
Tre meccanismi proposti spiegano il trasporto delle proteine del carico secretorio attraverso l’apparato del Golgi (Fig. 21.20). In un modello, le cisterne che comprendono la pila del Golgi sono strutture relativamente stabili e il carico secretorio transita da cisterna a cisterna attraverso la pila in tubuli o vescicole che nascono da una cisterna e si fondono con la successiva. Il flusso direzionale è ottenuto dalle proteine del carico che hanno affinità preferenziale per le membrane che comprendono gli intermedi di trasporto tubolare/vescicolare che gemmano dal Golgi verso la membrana plasmatica. In un secondo meccanismo, chiamato progressione cisternale, il carico secretorio è trasportato attraverso la pila in cisterne in continua progressione. Nuove cisterne si formano sul lato cis della pila per coalescenza di VTC e poi progrediscono attraverso la pila verso il lato trans. Le molecole di carico secretorio sono confinate all’interno di una data cisterna fino a quando non passano dalla faccia cis alla faccia trans ed escono dall’apparato di Golgi in vettori di trasporto. Il supporto alla progressione cisternale deriva da studi sul lievito che mostrano che i marcatori nei singoli cisterna del Golgi maturano da forme precoci a forme tardive nel tempo. Misure cinetiche in cellule vive in cellule di mammifero mostrano che il carico esce dal Golgi in un corso di tempo esponenziale senza ritardo. Questa scoperta, insieme all’osservazione che gli enzimi residenti e il carico si dividono in domini distinti all’interno dell’apparato del Golgi, oltre ad avere distribuzioni sovrapposte, ha portato a un terzo modello di traffico del Golgi. In questo modello, il partizionamento delle proteine del carico in domini lipidici privi di enzimi del Golgi fornisce un meccanismo per la loro esportazione fuori dal Golgi (Fig. 21.20).
Le dimensioni, l’aspetto e persino l’esistenza dell’apparato del Golgi dipendono dalla quantità e dalla velocità del movimento del carico attraverso la via secretoria. Il lievito Saccharomyces cerevisiae, per esempio, ha un apparato di Golgi poco sviluppato perché il trasporto secretorio è normalmente troppo veloce perché si accumulino strutture elaborate di Golgi. Tuttavia, le condizioni che rallentano il trasporto del carico fuori dall’apparato di Golgi nelle cellule di lievito portano l’apparato di Golgi a ingrandirsi e riorganizzarsi in pile compatte simili a quelle viste nella maggior parte delle cellule animali e vegetali.
L’apparato di Golgi è una struttura cellulare dinamica piuttosto che permanente, perché sia le sue proteine che i lipidi si muovono continuamente lungo vari percorsi. Nessuna classe di proteine del Golgi è associata in modo stabile all’interno di questo organello. Le proteine integrali di membrana, compresi gli enzimi di elaborazione e gli SNARE, escono e rientrano continuamente nell’apparato del Golgi attraverso vie di traffico di membrana che portano a e dall’ER. Le proteine di membrana periferiche associate all’apparato del Golgi (tra cui Arf1, coatomeri, proteine Rab, proteine della matrice, fattori di tethering e GEF) si scambiano costantemente tra le membrane del Golgi e i pool citoplasmatici.
L’associazione transitoria e dinamica delle molecole con l’apparato del Golgi rende questo organello sensibile alle funzioni di molti sistemi cellulari. Per esempio, in assenza di microtubuli, l’apparato del Golgi nelle cellule di mammifero si sposta adiacente ai siti di esportazione dell’ER (Fig. 21.19). Questo accade perché gli enzimi del Golgi che si riciclano continuamente verso l’ER non possono tornare in una posizione centrosomale senza microtubuli. Invece, si accumulano insieme all’impalcatura del Golgi, al tethering e alle proteine strutturali del mantello nei siti di uscita dell’ER distribuiti attraverso l’ER, formando ministacks del Golgi.
BFA disperde l’apparato del Golgi con un meccanismo diverso. Il farmaco impedisce ad Arf1 di scambiare GDP per GTP (Fig. 21.5), impedendo così alla membrana di reclutare gli effettori di Arf1 dal citoplasma. In pochi minuti, le proteine transmembrana residenti del Golgi vengono riciclate nell’ER, dove vengono trattenute, e l’apparato del Golgi scompare. Se il BFA viene rimosso, l’apparato di Golgi si riforma per escrescenza di membrana dall’ER.
L’apparato di Golgi si smonta durante la mitosi in molte cellule eucariotiche e poi si riassembla nell’interfase (Fig. 21.21). Questo processo assomiglia superficialmente agli effetti dell’applicazione e del lavaggio del BFA, poiché molti enzimi del Golgi ritornano all’ER o ai siti di uscita dell’ER durante la mitosi e riemergono dall’ER alla fine della mitosi. Questo è innescato sia dall’inattivazione di Arf1 sia dalla fosforilazione di fattori di collegamento/proteine di matrice dell’apparato del Golgi da parte di chinasi mitotiche (vedi capitolo 40) durante la mitosi.
Anche se l’apparato del Golgi è altamente dinamico e scambia continuamente i suoi componenti proteici e lipidici con altri compartimenti cellulari, esso mantiene un’identità biochimica e morfologica unica. Questo permette all’apparato di Golgi di partecipare a diverse importanti vie biosintetiche e di elaborazione nella cellula, come viene discusso in seguito.