aparato de Golgi

Organelo celular que empaqueta proteínas para su exportación.

Micrografía del aparato de Golgi, visible como una pila de anillos negros semicirculares cerca de la parte inferior. En las proximidades del orgánulo se pueden observar numerosas vesículas circulares .

El aparato de Golgi ( / ˈ ɡ ɒ l dʒ i / ), 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 endomembrana en el citoplasma , empaqueta proteínas en vesículas unidas a membranas 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.

Fue identificado en 1897 por el biólogo y patólogo italiano Camillo Golgi y recibió su nombre en 1898. ^[2]

Descubrimiento

Debido a su gran tamaño y estructura distintiva, el aparato de Golgi fue uno de los primeros orgánulos 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 apparato reticolare interno ("aparato reticular interno"). Al principio algunos dudaron del descubrimiento, argumentando que la apariencia de la estructura era simplemente 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 quedó confirmado. ^[4] Las primeras referencias al aparato de Golgi se referían a él con varios nombres, incluido "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 único aparato de Golgi suele estar situado cerca del núcleo celular , cerca del centrosoma . Las conexiones tubulares son responsables de unir las pilas. 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 , los apilamientos de Golgi no se concentran en la región centrosomal y no forman cintas de Golgi. ^[6] La organización de la planta de Golgi 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

Diagrama de una única "pila" 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 rodeados de membranas, conocidos como cisternas (singular: cisterna , también llamados "dictiosomas"), que se originan a partir de grupos de vesículas que brotan del retículo endoplásmico . Una célula de mamífero normalmente contiene de 40 a 100 pilas de cisternas. ^[8] Generalmente hay entre cuatro y ocho cisternas en una pila; sin embargo, en algunos protistas se han observado hasta sesenta cisternas. ^[4] Esta colección de cisternas se divide en compartimentos cis , medial y trans , formando dos redes principales: la red cis de Golgi (CGN) y la red trans de Golgi (TGN). La CGN es la primera estructura cisternal, y la TGN es la final, a partir de las cuales se empaquetan las proteínas en vesículas con destino a los lisosomas , vesículas secretoras o la superficie celular. El TGN normalmente se coloca 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 los eucariotas. En algunas levaduras no se observa apilamiento de Golgi. Pichia pastoris 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 numeroso en las células que sintetizan y secretan grandes cantidades de sustancias; por ejemplo, las células B plasmáticas secretoras de anticuerpos del sistema inmunológico tienen complejos de Golgi prominentes.

En todos los eucariotas, cada pila cisterna tiene una cara de entrada cis y una cara de salida trans . Estos rostros se caracterizan por una morfología y bioquímica únicas . ^[10] Dentro de las pilas individuales hay una variedad de enzimas responsables de modificar selectivamente la carga de proteínas. Estas modificaciones influyen en el destino de la proteína. La compartimentación del aparato de Golgi es ventajosa para separar enzimas, manteniendo así 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 proteicos recibidos del retículo endoplásmico (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 al uso en la célula. En este sentido, se puede considerar que el Golgi es similar a una oficina de correos: empaqueta y etiqueta artículos 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 función del aparato de Golgi están íntimamente ligadas. Las pilas individuales tienen diferentes variedades de enzimas, lo que permite el procesamiento progresivo de las proteínas de carga a medida que viajan desde las cisternas hasta la cara trans de Golgi. ^{[5] [10]} Las reacciones enzimáticas dentro de las pilas de Golgi ocurren exclusivamente cerca de las superficies de sus membranas, donde están ancladas las enzimas. Esta característica contrasta con el RE, que tiene proteínas y enzimas solubles en su luz . Gran parte del procesamiento enzimático es una modificación postraduccional de proteínas. Por ejemplo, la fosforilación de oligosacáridos en proteínas lisosomales ocurre en la CGN temprana. ^[5] Las cis cisterna están asociadas con la eliminación de residuos de manosa . ^{[5] [10]} La eliminación de los residuos de manosa y la adición de N-acetilglucosamina se producen en las cisternas mediales. ^[5] La adición de galactosa y ácido siálico se produce 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 añade una etiqueta manosa-6-fosfato a las proteínas destinadas a los lisosomas . Otra función importante del aparato de Golgi es en la formación de proteoglicanos . Las enzimas del Golgi añaden proteínas a los glicosaminoglicanos , creando así proteoglicanos. ^[13] Los glucosaminoglicanos 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 endoplásmico rugoso (RER); 4. Retículo endoplásmico liso (SER); 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 la luz . Una vez dentro de la luz, las moléculas se modifican y luego se clasifican para su transporte a sus siguientes destinos.

Aquellas proteínas destinadas a áreas de la célula distintas al retículo endoplásmico o al aparato de Golgi se mueven a través de las cisternas de Golgi hacia la cara trans , a una red compleja de membranas y vesículas asociadas conocida como red trans-Golgi (TGN). Esta área del Golgi es el punto en el que las proteínas se clasifican y envían a sus destinos previstos mediante su colocación en uno de al menos tres tipos diferentes de vesículas, dependiendo de la secuencia de señales que transportan.

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 funcionan juntos. Cada compartimento tiene una colección única de enzimas que actúan para modificar la carga de proteínas . Las proteínas se transportan desde el ER 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 de 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 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 pruebas convincentes de que las vesículas COPI se muevan tanto en dirección anterógrada como retrógrada. ^[14]
• Este modelo fue ampliamente aceptado desde principios de los años 1980 hasta finales de los años 1990. ^[14]

Modelo 2: Progresión/maduración cisternal

• En este modelo, la fusión de vesículas COPII del RE inicia la formación de la primera cisterna del apilamiento de Golgi, que progresa posteriormente hasta convertirse en cisternas TGN maduras . Una vez maduradas, las cisternas de TGN se disuelven para convertirse en vesículas secretoras. Mientras se produce esta progresión, las vesículas COPI reciclan continuamente proteínas específicas de Golgi entregándolas desde las cisternas más antiguas a las más jóvenes. Diferentes patrones de reciclaje pueden explicar la diferente bioquímica en todo el aparato de Golgi. Por tanto, los compartimentos dentro del Golgi se consideran etapas cinéticas discretas del aparato de Golgi en maduración. ^[14]
  • Fortalezas: 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 transitoria y la desintegración de las cisternas y la movilidad retrógrada de las proteínas nativas de Golgi, y puede explicar la variabilidad observada en las estructuras del 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 las que se unen las cisternas dentro de un apilamiento. Este modelo postula que los túbulos son importantes para el tráfico bidireccional en el sistema ER-Golgi: permiten un tráfico anterógrado rápido de carga pequeña y/o el tráfico retrógrado de proteínas nativas de Golgi. ^{[14] [15]}
  • Fortalezas: Este modelo abarca las fortalezas del modelo de progresión/maduración cisternal que también explica el tráfico rápido de carga y cómo las proteínas nativas de Golgi pueden reciclarse independientemente de las vesículas COPI. ^[14]
  • Debilidades: Este modelo no puede explicar la cinética de transporte de grandes cargas de proteínas, como el colágeno . Además, las conexiones tubulares no prevalecen en las células vegetales. Las funciones que desempeñan estas conexiones pueden atribuirse a una especialización específica de cada célula más que 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 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 exportación de carga de proteínas. La carga del ER se mueve entre estos dos dominios y sale aleatoriamente desde 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 la cinética exponencial. La existencia de dominios está respaldada por datos de microscopía de fluorescencia. ^[14]
  • Fortalezas: En particular, este modelo explica la cinética exponencial de salida de carga de proteínas grandes y pequeñas, mientras que otros modelos no pueden. ^[14]
  • Debilidades: Este modelo no puede explicar la cinética de transporte de grandes cargas de proteínas, como el colágeno. Este modelo no logra explicar la observación de compartimentos discretos y la bioquímica polarizada de las cisternas de Golgi. Tampoco explica la formación y desintegración de la red de 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 ve como un conjunto de compartimentos estables definidos por GTPasas Rab (proteína G) . ^[14]
  • Fortalezas: Este modelo es consistente con numerosas observaciones y abarca algunas de las fortalezas del modelo de progresión/maduración cisternal. Además, lo que se sabe sobre las funciones de la Rab GTPasa en los endosomas de los mamíferos puede ayudar a predecir posibles funciones dentro del Golgi. Este modelo es único porque puede explicar la observación de intermediarios de transporte de "megavesículas". ^[14]
  • Debilidades: Este modelo no explica las variaciones morfológicas en el aparato de Golgi ni define el papel de 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 se transfieran dominios entre pilas). Además, no está establecido que las megavesículas sean transportadores intra-Golgi. ^[14]

Aunque existen múltiples modelos que intentan explicar el tráfico vesicular a lo largo del 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 admite muchas observaciones entre eucariotas . Los otros 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 Rab GTPasas en la modulación del tráfico de carga de proteínas. ^[14]

Brefeldin A

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

Galería

• Dinámica de Golgi de levaduras. Etiquetas verdes Golgi temprano, etiquetas rojas Golgi tardío. ^[18]
• Dos pilas de Golgi conectadas como una cinta en la celda de un ratón. Tomado de la película.
• 
  Proyección tridimensional de una pila de Golgi de mamífero obtenida mediante microscopía confocal y superficie de volumen renderizada con el software Imaris . Tomado de la película.

Referencias

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2. Fabene PF, Bentivoglio M (octubre de 1998). "1898-1998: Camillo Golgi y "el Golgi": cien años de clones terminológicos". Boletín de investigación del cerebro . 47 (3): 195–8. doi :10.1016/S0361-9230(98)00079-3. PMID  9865849. S2CID  208785591.
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4. Davidson MW (13 de diciembre de 2004). "El aparato de Golgi". Expresiones moleculares . Universidad Estatal de Florida. Archivado desde el original el 7 de noviembre de 2006 . Consultado el 20 de septiembre de 2010 .
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enlaces externos

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