Aparato de Golgi

Organelo celular que empaqueta proteínas para su exportación.

Diagrama de una única "pila" de Golgi

El aparato de Golgi ( / ˈɡɒldʒi / ) , también conocido como complejo de Golgi , cuerpo de Golgi o simplemente Golgi , es un orgánulo que se encuentra en la mayoría de las células eucariotas . ^[1] Parte del sistema de endomembranas en el citoplasma , empaqueta proteínas en vesículas unidas a la membrana dentro de la célula antes de que las vesículas se envíen a su destino. Reside en la intersección de las vías secretora, lisosomal y endocítica . Es de particular importancia en el procesamiento de proteínas para la secreción , ya que contiene un conjunto de enzimas de glicosilación que unen varios monómeros de azúcar a las proteínas a medida que las proteínas se mueven a través del aparato.

El aparato de Golgi fue identificado en 1898 por el biólogo y patólogo italiano Camillo Golgi . ^[2] El orgánulo recibió su nombre más tarde en la década de 1910. ^[2]

Descubrimiento

Debido a su gran tamaño y estructura distintiva, el aparato de Golgi fue uno de los primeros orgánulos en ser descubiertos y observados en detalle. Fue descubierto en 1898 por el médico italiano Camillo Golgi durante una investigación del sistema nervioso . ^{[3] [2]} Después de observarlo por primera vez bajo su microscopio , denominó la estructura como apparato reticolare interno ("aparato reticular interno"). Algunos dudaron del descubrimiento al principio, argumentando que la apariencia de la estructura era meramente una ilusión óptica creada por la técnica de observación utilizada por Golgi. Con el desarrollo de los microscopios modernos en el siglo XX, el descubrimiento se confirmó. ^[4] Las primeras referencias al aparato de Golgi se referían a él con varios nombres, incluidos "aparato de Golgi-Holmgren", "conductos de Golgi-Holmgren" y "aparato de Golgi-Kopsch". ^[2] El término "aparato de Golgi" se utilizó en 1910 y apareció por primera vez en la literatura científica en 1913, mientras que "complejo de Golgi" se introdujo en 1956. ^[2]

Localización subcelular

La localización subcelular del aparato de Golgi varía entre eucariotas . En los mamíferos, un solo aparato de Golgi suele estar ubicado cerca del núcleo celular , cerca del centrosoma . Las conexiones tubulares son responsables de unir las pilas entre sí. La localización y las conexiones tubulares del aparato de Golgi dependen de los microtúbulos . En experimentos se ve que a medida que los microtúbulos se despolimerizan, los aparatos de Golgi pierden conexiones mutuas y se convierten en pilas individuales en todo el citoplasma . ^[5] En la levadura , múltiples aparatos de Golgi están dispersos por todo el citoplasma (como se observa en Saccharomyces cerevisiae ). En las plantas , las pilas de Golgi no se concentran en la región centrosómica y no forman cintas de Golgi. ^[6] La organización del Golgi de las plantas depende de los cables de actina y no de los microtúbulos. ^[6] La característica común entre los aparatos de Golgi es que están adyacentes a los sitios de salida del retículo endoplasmático (RE). ^[7]

Estructura

Representación 3D del aparato de Golgi

En la mayoría de los eucariotas, el aparato de Golgi está formado por una serie de compartimentos y es una colección de discos fusionados, aplanados y encerrados en membranas, conocidos como cisternas (singular: cisterna , también llamados "dictiosomas"), que se originan a partir de cúmulos vesiculares que brotan del retículo endoplasmático . Una célula de mamífero contiene típicamente de 40 a 100 pilas de cisternas. ^[8] Entre cuatro y ocho cisternas suelen estar presentes en una pila; sin embargo, en algunos protistos se han observado hasta sesenta cisternas. ^[4] Esta colección de cisternas se divide en compartimentos cis , medial y trans , que forman dos redes principales: la red cis de Golgi (CGN) y la red trans de Golgi (TGN). El CGN es la primera estructura cisternal y el TGN es la última, desde donde se empaquetan las proteínas en vesículas destinadas a los lisosomas , vesículas secretoras o la superficie celular. El TGN suele estar ubicado adyacente a la pila, pero también puede estar separado de ella. El TGN puede actuar como un endosoma temprano en levaduras y plantas . ^{[6] [9]}

Existen diferencias estructurales y organizativas en el aparato de Golgi entre eucariotas. En algunas levaduras, no se observa apilamiento de Golgi. Pichia pastoris sí tiene Golgi apilado, mientras que Saccharomyces cerevisiae no. ^[6] En las plantas, las pilas individuales del aparato de Golgi parecen funcionar de forma independiente. ^[6]

El aparato de Golgi tiende a ser más grande y más numeroso en las células que sintetizan y secretan grandes cantidades de sustancias; por ejemplo, las células B plasmáticas secretoras de anticuerpos del sistema inmune tienen complejos de Golgi prominentes.

En todos los eucariotas, cada pila cisternal tiene una cara de entrada cis y una cara de salida trans . Estas caras se caracterizan por una morfología y bioquímica únicas . ^[10] Dentro de las pilas individuales hay surtidos de enzimas responsables de modificar selectivamente la carga proteica. Estas modificaciones influyen en el destino de la proteína. La compartimentación del aparato de Golgi es ventajosa para separar las enzimas, manteniendo así los pasos de procesamiento consecutivos y selectivos: las enzimas que catalizan las modificaciones tempranas se reúnen en las cisternas de la cara cis , y las enzimas que catalizan las modificaciones posteriores se encuentran en las cisternas de la cara trans de las pilas de Golgi. ^{[5] [10]}

Función

El aparato de Golgi (rosa salmón) en el contexto de la vía secretora

El aparato de Golgi es una importante estación de recolección y envío de productos proteínicos recibidos desde el retículo endoplasmático (RE). Las proteínas sintetizadas en el RE se empaquetan en vesículas , que luego se fusionan con el aparato de Golgi. Estas proteínas de carga se modifican y se destinan a la secreción mediante exocitosis o para su uso en la célula. En este sentido, el Golgi puede considerarse similar a una oficina de correos: empaqueta y etiqueta elementos que luego envía a diferentes partes de la célula o al espacio extracelular . El aparato de Golgi también participa en el transporte de lípidos y la formación de lisosomas . ^[11]

La estructura y la función del aparato de Golgi están íntimamente relacionadas. Las pilas individuales tienen diferentes surtidos de enzimas, lo que permite el procesamiento progresivo de las proteínas de carga a medida que viajan desde las cisternas hasta la cara trans del Golgi. ^{[5] [10]} Las reacciones enzimáticas dentro de las pilas de Golgi ocurren exclusivamente cerca de las superficies de su membrana, donde se anclan las enzimas. Esta característica contrasta con el RE, que tiene proteínas solubles y enzimas en su lumen . Gran parte del procesamiento enzimático es modificación postraduccional de proteínas. Por ejemplo, la fosforilación de oligosacáridos en proteínas lisosomales ocurre en el CGN temprano. ^[5] Las cis cisternas están asociadas con la eliminación de residuos de manosa . ^{[5] [10]} La eliminación de residuos de manosa y la adición de N-acetilglucosamina ocurren en las cisternas mediales. ^[5] La adición de galactosa y ácido siálico ocurre en las cisternas trans . ^[5] La sulfatación de tirosinas y carbohidratos ocurre dentro del TGN. ^[5] Otras modificaciones postraduccionales generales de las proteínas incluyen la adición de carbohidratos ( glucosilación ) ^[12] y fosfatos ( fosforilación ). Las modificaciones de proteínas pueden formar una secuencia señal que determina el destino final de la proteína. Por ejemplo, el aparato de Golgi agrega una etiqueta de manosa-6-fosfato a las proteínas destinadas a los lisosomas . Otra función importante del aparato de Golgi es la formación de proteoglicanos . Las enzimas en el Golgi agregan proteínas a los glicosaminoglicanos , creando así proteoglicanos. ^[13] Los glicosaminoglicanos son moléculas largas de polisacáridos no ramificados presentes en la matriz extracelular de los animales.

Transporte vesicular

Diagrama del proceso secretor desde el retículo endoplasmático (naranja) hasta el aparato de Golgi (magenta). 1. Membrana nuclear ; 2. Poro nuclear ; 3. Retículo endoplasmático rugoso (RER); 4. Retículo endoplasmático liso (REL); 5. Ribosoma unido al RER; 6. Macromoléculas ; 7. Vesículas de transporte ; 8. Aparato de Golgi; 9. Cara cis del aparato de Golgi; 10. Cara trans del aparato de Golgi; 11. Cisternas del aparato de Golgi.

Las vesículas que salen del retículo endoplasmático rugoso son transportadas a la cara cis del aparato de Golgi, donde se fusionan con la membrana de Golgi y vacían su contenido en el lumen . Una vez dentro del lumen, las moléculas son modificadas y luego clasificadas para su transporte a sus próximos destinos.

Las proteínas destinadas a zonas de la célula distintas del retículo endoplasmático o del aparato de Golgi se desplazan a través de las cisternas de Golgi hacia la cara trans , hasta una red compleja de membranas y vesículas asociadas conocida como red trans-Golgi (TGN). Esta zona del Golgi es el punto en el que las proteínas se clasifican y se envían a sus destinos previstos mediante su colocación en uno de al menos tres tipos diferentes de vesículas, dependiendo de la secuencia señal que porten.

Modelos actuales de transporte y tráfico vesicular

Modelo 1: Transporte vesicular anterógrado entre compartimentos estables

• En este modelo, el Golgi se considera un conjunto de compartimentos estables que trabajan juntos. Cada compartimento tiene una colección única de enzimas que trabajan para modificar la carga proteica . Las proteínas se envían desde el RE a la cara cis mediante vesículas recubiertas de COPII . Luego, la carga avanza hacia la cara trans en vesículas recubiertas de COPI . Este modelo propone que las vesículas COPI se mueven en dos direcciones: las vesículas anterógradas transportan proteínas secretoras , mientras que las vesículas retrógradas reciclan proteínas de tráfico específicas del Golgi. ^[14]
  • Puntos fuertes: El modelo explica las observaciones de compartimentos, la distribución polarizada de enzimas y las ondas de vesículas en movimiento. También intenta explicar cómo se reciclan las enzimas específicas del aparato de Golgi. ^[14]
  • Debilidades: Dado que la cantidad de vesículas COPI varía drásticamente entre los tipos de células, este modelo no puede explicar fácilmente la alta actividad de tráfico dentro del Golgi tanto para cargas pequeñas como grandes. Además, no hay evidencia convincente de que las vesículas COPI se muevan tanto en dirección anterógrada como retrógrada. ^[14]
• Este modelo fue ampliamente aceptado desde principios de la década de 1980 hasta finales de la década de 1990. ^[14]

Modelo 2: Progresión/maduración cisternal

• En este modelo, la fusión de vesículas COPII del RE inicia la formación de la primera ciscisterna del aparato de Golgi, que progresa más tarde hasta convertirse en cisternas maduras del TGN. Una vez maduras, las cisternas del TGN se disuelven para convertirse en vesículas secretoras. Mientras se produce esta progresión, las vesículas COPI reciclan continuamente proteínas específicas del aparato de Golgi mediante su entrega desde cisternas más antiguas a cisternas más jóvenes. Diferentes patrones de reciclaje pueden explicar la bioquímica diferente en todo el aparato de Golgi. Por lo tanto, los compartimentos dentro del Golgi se ven como etapas cinéticas discretas del aparato de Golgi en maduración. ^[14]
  • Puntos fuertes: El modelo aborda la existencia de compartimentos de Golgi, así como la bioquímica diferente dentro de las cisternas, el transporte de proteínas grandes, la formación y desintegración transitoria de las cisternas y la movilidad retrógrada de las proteínas nativas de Golgi, y puede explicar la variabilidad observada en las estructuras de Golgi. ^[14]
  • Debilidades: Este modelo no puede explicar fácilmente la observación de redes de Golgi fusionadas, conexiones tubulares entre cisternas y diferentes cinéticas de salida de carga secretora. ^[14]

Modelo 3: Progresión/maduración cisternal con transporte tubular heterotípico

• Este modelo es una extensión del modelo de progresión/maduración cisternal. Incorpora la existencia de conexiones tubulares entre las cisternas que forman la cinta de Golgi, en la que se unen las cisternas dentro de una pila. Este modelo postula que los túbulos son importantes para el tráfico bidireccional en el sistema RE-Golgi: permiten el tráfico anterógrado rápido de carga pequeña y/o el tráfico retrógrado de proteínas nativas de Golgi. ^{[14] [15]}
  • Puntos fuertes: Este modelo abarca los puntos fuertes del modelo de progresión/maduración cisternal que también explica el tráfico rápido de carga y cómo las proteínas nativas del Golgi pueden reciclarse independientemente de las vesículas COPI. ^[14]
  • Debilidades: Este modelo no puede explicar la cinética de transporte de cargas proteicas de gran tamaño, como el colágeno . Además, las conexiones tubulares no son frecuentes en las células vegetales. Las funciones que desempeñan estas conexiones pueden atribuirse a una especialización específica de la célula en lugar de a un rasgo universal. Si las membranas son continuas, eso sugiere la existencia de mecanismos que preservan los gradientes bioquímicos únicos observados en todo el aparato de Golgi. ^[14]

Modelo 4: Partición rápida en un aparato de Golgi mixto

• Este modelo de partición rápida es la alteración más drástica del punto de vista tradicional del tráfico vesicular. Los defensores de este modelo plantean la hipótesis de que el Golgi funciona como una sola unidad, que contiene dominios que funcionan por separado en el procesamiento y la exportación de la carga proteica. La carga del RE se mueve entre estos dos dominios y sale aleatoriamente de cualquier nivel del Golgi hasta su ubicación final. Este modelo está respaldado por la observación de que la carga sale del Golgi en un patrón que se describe mejor mediante cinética exponencial. La existencia de dominios está respaldada por datos de microscopía de fluorescencia. ^[14]
  • Puntos fuertes: Cabe destacar que este modelo explica la cinética exponencial de la salida de carga de proteínas grandes y pequeñas, mientras que otros modelos no pueden hacerlo. ^[14]
  • Debilidades: Este modelo no puede explicar la cinética de transporte de cargas proteicas de gran tamaño, como el colágeno. Este modelo no logra explicar la observación de compartimentos discretos y la bioquímica polarizada de las cisternas del Golgi. Tampoco explica la formación y desintegración de la red del Golgi, ni el papel de las vesículas COPI. ^[14]

Modelo 5: Compartimentos estables como progenitores del modelo cisternal

• Este es el modelo más reciente. En este modelo, el Golgi se considera una colección de compartimentos estables definidos por las GTPasas Rab (proteína G) . ^[14]
  • Puntos fuertes: Este modelo es coherente con numerosas observaciones y engloba algunos de los puntos fuertes del modelo de progresión/maduración cisternal. Además, lo que se conoce sobre las funciones de la GTPasa Rab en los endosomas de los mamíferos puede ayudar a predecir posibles funciones dentro del aparato de Golgi. Este modelo es único en el sentido de que puede explicar la observación de intermediarios de transporte en forma de "megavesículas". ^[14]
  • Debilidades: Este modelo no explica las variaciones morfológicas en el aparato de Golgi ni define un papel para las vesículas COPI. Este modelo no se aplica bien a plantas, algas y hongos en los que se observan pilas de Golgi individuales (no es probable que haya transferencia de dominios entre pilas). Además, no se ha demostrado que las megavesículas sean transportadores intra-Golgi. ^[14]

Aunque existen múltiples modelos que intentan explicar el tráfico vesicular a lo largo del aparato de Golgi, ningún modelo individual puede explicar de forma independiente todas las observaciones del aparato de Golgi. Actualmente, el modelo de progresión/maduración cisternal es el más aceptado entre los científicos, y da cabida a muchas observaciones en eucariotas . Los demás modelos siguen siendo importantes para formular preguntas y guiar la experimentación futura. Entre las preguntas fundamentales sin respuesta se encuentran la direccionalidad de las vesículas COPI y el papel de las GTPasas Rab en la modulación del tráfico de carga proteica. ^[14]

Brefeldina A

Brefeldin A (BFA) es un metabolito fúngico utilizado experimentalmente para interrumpir la vía de secreción como un método para probar la función de Golgi. ^[16] BFA bloquea la activación de algunos factores de ADP-ribosilación ( ARF ). ^[17] Los ARF son pequeñas GTPasas que regulan el tráfico vesicular a través de la unión de COP a endosomas y Golgi. ^[17] BFA inhibe la función de varios factores de intercambio de nucleótidos de guanina (GEF) que median la unión de GTP de ARF. ^[17] El tratamiento de células con BFA altera así la vía de secreción, promoviendo el desmontaje del aparato de Golgi y distribuyendo proteínas de Golgi a los endosomas y ER. ^{[16] [17]}

Galería

• Dinámica del aparato de Golgi en levaduras. El verde indica el Golgi temprano y el rojo el Golgi tardío. ^[18]
• Dos pilas de Golgi conectadas como una cinta en una célula de ratón. Foto tomada de la película.
• 
  Proyección tridimensional de un aparato de Golgi de mamíferos captado mediante microscopía confocal y representación de la superficie volumétrica mediante el software Imaris . Tomado de la película.

Referencias

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Enlaces externos

• Medios relacionados con el aparato de Golgi en Wikimedia Commons