Aparatul Golgi
Morfologie și dinamică a aparatului Golgi
Aparatul Golgi din multe celule animale apare ca o structură sub formă de panglică adiacentă nucleului și aproape de centrosom, principalul centru de organizare a microtubulilor din celulă (Fig. 21.18A). Micrografiile electronice ale secțiunilor subțiri arată că aparatul Golgi este format din cisterne suprapuse, aplatizate, închise în membrană, care seamănă cu un teanc de clătite (Fig. 21.18B). Reticularea cisternelor de către factorii de fixare asociați cu Golgi are ca rezultat alinierea lor strânsă și paralelă în cadrul stivei. Tubulele și veziculele de la marginile stivei interconectează mai multe stive într-o singură structură asemănătoare unei panglici printr-un proces dependent de microtubuli. Dacă microtubulii sunt depolimerizați în mod experimental, structura Golgi în formă de panglică se reorganizează în stive unice care se găsesc la locurile de ieșire din ER (fig. 21.19). Această distribuție se aseamănă cu distribuția grămezilor Golgi în celulele vegetale, unde, sute de grămezi unice sunt localizate adiacente la siturile de ieșire din RE, mai degrabă decât să fie unite ca o singură panglică.
Grămezile de cisterne Golgi din celulele animale și vegetale prezintă toate o polaritate cis-trans care reflectă trecerea încărcăturii prin organit. Proteinele și lipidele din ER intră pe fața cis (fața de intrare) a stivei. După ce trec prin stiva de cisterne, încărcătura iese prin fața trans din partea opusă a stivei. Se consideră că activitățile de sortare și transport membranar ale Golgi sunt deosebit de ridicate la fețele cis și trans și în cadrul elementelor tubulare-veziculare (zona necompactă) care interconectează stivele (Fig. 21.18B).
Trei mecanisme propuse explică transportul proteinelor de încărcătură secretorie prin aparatul Golgi (Fig. 21.20). Într-un model, cisternele care alcătuiesc stiva Golgi sunt structuri relativ stabile, iar încărcătura secretorie tranzitează de la o cisternă la alta de-a lungul stivei în tubuli sau vezicule care se desprind dintr-o cisternă și fuzionează cu următoarea. Fluxul direcțional se realizează prin faptul că proteinele de încărcătură care au afinitate preferențială pentru membranele care cuprind intermediarii de transport tubular/vezicular ies din Golgi spre membrana plasmatică. Într-un al doilea mecanism, numit progresie cisternală, încărcătura secretorie este transportată de-a lungul stivei în cisterne care progresează continuu. Noi cisterne se formează la fața cis a stivei prin coalescența VTC-urilor și apoi progresează de-a lungul stivei spre partea trans. Moleculele de încărcătură secretorie sunt limitate într-o anumită cisternă până când trec de pe fața cis pe fața trans și ies din aparatul Golgi în purtători de transport. Susținerea progresiei cisternelor provine din studiile efectuate pe drojdie care arată că markerii din cisternele Golgi individuale se maturizează în timp, trecând de la forme timpurii la forme tardive. Măsurătorile cinetice pe celule de mamifere arată că încărcătura iese din Golgi în timp exponențial, fără întârziere. Această constatare, împreună cu observația că enzimele rezidente și încărcătura se împart în domenii distincte în cadrul aparatului Golgi, pe lângă faptul că au distribuții suprapuse, au condus la un al treilea model de trafic Golgi. În acest model, împărțirea proteinelor de încărcătură în domenii lipidice sărăcite de enzimele Golgi oferă un mecanism pentru exportul lor în afara Golgi (Fig. 21.20).
Dimensiunea, aspectul și chiar existența aparatului Golgi depind de cantitatea și viteza de deplasare a încărcăturii prin calea secretorie. Drojdia Saccharomyces cerevisiae, de exemplu, are un aparat Golgi slab dezvoltat, deoarece transportul secretor este în mod normal prea rapid pentru ca structurile Golgi elaborate să se acumuleze. Cu toate acestea, condițiile care încetinesc transportul încărcăturii în afara aparatului Golgi în celulele de drojdie conduc la mărirea și rearanjarea aparatului Golgi în stive compacte, similare cu cele observate în majoritatea celulelor animale și vegetale.
Aparatul Golgi este o structură celulară dinamică mai degrabă decât permanentă, deoarece atât proteinele cât și lipidele sale se deplasează continuu de-a lungul diferitelor căi. Nici o clasă de proteine Golgi nu este asociată în mod stabil în cadrul acestui organit. Proteinele membranare integrale, inclusiv enzimele de procesare și SNARE, ies și reintră continuu în aparatul Golgi prin căile de trafic membranar care duc spre și dinspre ER. Proteinele membranare periferice asociate cu aparatul Golgi (inclusiv Arf1, coatomer, proteinele Rab, proteinele matriciale, factorii de fixare și GEF-urile) fac schimb constant între membranele Golgi și bazinele citoplasmatice.
Asociația tranzitorie și dinamică a moleculelor cu aparatul Golgi face ca acest organit să fie sensibil la funcțiile multor sisteme celulare. De exemplu, în absența microtubulilor, aparatul Golgi din celulele de mamifere se relochează adiacent la locurile de export ale ER (Fig. 21.19). Acest lucru apare deoarece enzimele Golgi care reciclează continuu înapoi la ER nu se pot întoarce la o locație centrosomală în absența microtubulilor. În schimb, acestea se acumulează împreună cu scheletul Golgi, cu proteinele de legare și cu proteinele de înveliș structural la siturile de ieșire din ER distribuite pe ER, formând ministack-uri Golgi.
BFA dispersează aparatul Golgi printr-un mecanism diferit. Medicamentul împiedică Arf1 să schimbe GDP cu GTP (Fig. 21.5), împiedicând astfel membrana să recruteze efectorii Arf1 din citoplasmă. În câteva minute, proteinele transmembranare rezidente ale Golgi sunt reciclate în ER, unde sunt reținute, iar aparatul Golgi dispare. Dacă BFA este îndepărtat, aparatul Golgi se reformează prin ieșirea membranei din ER.
Aparatul Golgi se dezasamblează în timpul mitozei în multe celule eucariote și apoi se reasamblează în interfază (Fig. 21.21). Acest proces se aseamănă în mod superficial cu efectele aplicării și spălării BFA, deoarece multe enzime Golgi se întorc în ER sau în locurile de ieșire din ER în timpul mitozei și reapar din ER la sfârșitul mitozei. Acest proces este declanșat atât de inactivarea lui Arf1, cât și de fosforilarea factorilor de legare/proteinele matriciale ale aparatului Golgi de către kinazele mitotice (a se vedea capitolul 40) în timpul mitozei.
Deși aparatul Golgi este foarte dinamic și își schimbă în mod continuu componentele proteice și lipidice cu alte compartimente celulare, acesta își păstrează o identitate biochimică și morfologică unică. Acest lucru permite aparatului Golgi să participe la mai multe căi majore de biosinteză și de procesare în celulă, așa cum este discutat în continuare.