Aparato de Golgi

El aparato de Golgi, 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. 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 su 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 científico italiano Camillo Golgi y recibió su nombre en 1898.

Descubrimiento

Debido a su gran tamaño y estructura distintiva, el aparato de Golgi fue uno de los primeros orgánulos en ser descubierto y observado en detalle. Fue descubierto en 1898 por el médico italiano Camillo Golgi durante una investigación del sistema nervioso. Después de observarlo por primera vez bajo su microscopio, denominó a la estructura apparato reticolare interno ("aparato reticular interno"). Algunos dudaron del descubrimiento al principio, 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, se confirmó el descubrimiento.Las primeras referencias al aparato de Golgi se refieren a él con varios nombres, incluidos "aparato de Golgi-Holmgren", "conductos de Golgi-Holmgren" y "aparato de Golgi-Kopsch". 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.

Localización subcelular

La localización subcelular del aparato de Golgi varía entre los eucariotas. En los mamíferos, un solo aparato de Golgi generalmente se encuentra 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 los 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. 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 centrosomal y no forman cintas de Golgi.La organización del Golgi vegetal depende de los cables de actina y no de los microtúbulos. La característica común entre Golgi es que están adyacentes a los sitios de salida del retículo endoplásmico (RE).

Estructura

En la mayoría de los eucariotas, el aparato de Golgi se compone de una serie de compartimentos y es una colección de discos encerrados en una membrana aplanados y fusionados conocidos como cisternas (singular: cisterna, también llamados "dictiosomas"), que se originan de grupos vesiculares que brotan del retículo endoplásmico. Una célula de mamífero normalmente contiene de 40 a 100 pilas de cisternas. Suelen estar presentes entre cuatro y ocho cisternas en una pila; sin embargo, en algunos protistas se han observado hasta sesenta cisternas. Esta colección de cisternas se divide en compartimentos cis, medial y trans, formando dos redes principales: la red cis Golgi (CGN) y la red trans Golgi.(TGN). La CGN es la primera estructura cisternal y la TGN la final, a partir de la cual las proteínas se empaquetan en vesículas destinadas a los lisosomas, las vesículas secretoras o la superficie celular. El TGN generalmente se coloca junto a la pila, pero también puede estar separado de ella. El TGN puede actuar como un endosoma temprano en levaduras y plantas.

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. En las plantas, las pilas individuales del aparato de Golgi parecen funcionar de forma independiente.

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

En todos los eucariotas, cada pila cisternal tiene una cara de entrada cis y una cara de salida trans. Estos rostros se caracterizan por una morfología y bioquímica únicas. 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 modificaciones tempranas se acumulan en las cisternas de la cara cis, y las enzimas que catalizan modificaciones posteriores se encuentran en las cisternas de la cara trans de las pilas de Golgi.

Función

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 a través de la exocitosis o para su uso en la célula. En este sentido, el aparato de Golgi se puede considerar 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 está involucrado en el transporte de lípidos y la formación de lisosomas.

La estructura y función del aparato de Golgi están íntimamente ligadas. 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 Golgi. 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 ER, que tiene proteínas solubles y enzimas en su luz. Gran parte del procesamiento enzimático es la modificación postraduccional de las proteínas. Por ejemplo, la fosforilación de oligosacáridos en proteínas lisosomales ocurre en la CGN temprana. Cis cisterna están asociados con la eliminación de residuos de manosa. La eliminación de residuos de manosa y la adición de N-acetilglucosamina ocurren en las cisternas mediales. La adición de galactosa y ácido siálico se produce en las cisternas trans. La sulfatación de tirosinas y carbohidratos ocurre dentro del TGN. Otras modificaciones postraduccionales generales de las proteínas incluyen la adición de carbohidratos (glicosilación) 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 marca 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 aparato de Golgi agregan proteínas a los glicosaminoglicanos, creando así proteoglicanos.Los glicosaminoglicanos son moléculas largas de polisacáridos no ramificados presentes en la matriz extracelular de los animales.

Transporte vesicular

Las vesículas que salen del retículo endoplásmico 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 transportarlas a sus próximos destinos.

Aquellas proteínas destinadas a áreas de la célula que no sean el retículo endoplásmico o el 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 aparato de 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, según la secuencia de señal que lleven.

Tipos	Descripción	Ejemplo
Vesículas exocitóticas (constitutivas)	La vesícula contiene proteínas destinadas a la liberación extracelular. Luego del empaquetamiento, las vesículas brotan e inmediatamente se mueven hacia la membrana plasmática, donde se fusionan y liberan el contenido al espacio extracelular en un proceso conocido como secreción constitutiva.	Liberación de anticuerpos por células B plasmáticas activadas
Vesículas secretoras (reguladas)	Las vesículas contienen proteínas destinadas a la liberación extracelular. Después del empaque, las vesículas brotan y se almacenan en la celda hasta que se da una señal para su liberación. Cuando se recibe la señal adecuada, se mueven hacia la membrana y se fusionan para liberar su contenido. Este proceso se conoce como secreción regulada.	Liberación de neurotransmisores de las neuronas
Vesículas lisosomales	Las vesículas contienen proteínas y ribosomas destinados al lisosoma, un orgánulo degradante que contiene muchas hidrolasas ácidas, oa orgánulos de almacenamiento similares a los lisosomas. Estas proteínas incluyen enzimas digestivas y proteínas de membrana. La vesícula primero se fusiona con el endosoma tardío y luego el contenido se transfiere al lisosoma a través de mecanismos desconocidos.	Proteasas digestivas destinadas al lisosoma

Modelos actuales de transporte y tráfico vesicular

Modelo 1: Transporte vesicular anterógrado entre compartimentos estables

• En este modelo, el Golgi se ve como un conjunto de compartimentos estables que funcionan juntos. Cada compartimento tiene una colección única de enzimas que trabajan para modificar la carga de proteínas. Las proteínas se transportan desde el RE hasta la cara cis mediante vesículas recubiertas con 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.
  • Puntos fuertes: el modelo explica las observaciones de los compartimentos, la distribución polarizada de enzimas y las ondas de vesículas en movimiento. También intenta explicar cómo se reciclan las enzimas específicas de Golgi.
  • Debilidades: dado que la cantidad de vesículas de COPI varía drásticamente entre los tipos de células, este modelo no puede explicar fácilmente la alta actividad de tráfico dentro del Golgi para cargamentos pequeños y grandes. Además, no hay pruebas convincentes de que las vesículas COPI se muevan tanto en dirección anterógrada como retrógrada.
• Este modelo fue ampliamente aceptado desde principios de los 80 hasta finales de los 90.

Modelo 2: Progresión/maduración de la cisterna

• En este modelo, la fusión de vesículas de COPII del RE inicia la formación de la primera cis -cisterna de la pila de Golgi, que progresa más tarde para convertirse en cisternas TGN maduras. Una vez maduradas, las cisternas de TGN se disuelven para convertirse en vesículas secretoras. Mientras ocurre esta progresión, las vesículas de COPI reciclan continuamente proteínas específicas de Golgi al pasar de las cisternas más viejas a las más jóvenes. Los diferentes patrones de reciclaje pueden explicar las diferentes bioquímicas a lo largo de la pila de Golgi. Por lo tanto, los compartimentos dentro del Golgi se ven como etapas cinéticas discretas del aparato de Golgi en maduración.
  • Puntos fuertes: el modelo aborda la existencia de compartimentos de Golgi, así como las diferencias bioquímicas 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.
  • Debilidades: este modelo no puede explicar fácilmente la observación de redes de Golgi fusionadas, conexiones tubulares entre cisternas y diferentes cinéticas de salida de la carga secretora.

Modelo 3: Progresión/maduración cisternal con transporte tubular heterotípico

• Este modelo es una extensión del modelo de progresión/maduración de la cisterna. Incorpora la existencia de conexiones tubulares entre las cisternas que forman la cinta de Golgi, en las que se unen las cisternas dentro de una pila. Este modelo postula que los túbulos son importantes para el tráfico bidireccional en el sistema ER-Golgi: permiten el tráfico anterógrado rápido de carga pequeña y/o el tráfico retrógrado de proteínas de Golgi nativas.
  • Puntos fuertes: este modelo abarca los puntos fuertes del modelo de progresión/maduración de cisternas que también explica el tráfico rápido de carga y cómo las proteínas nativas de Golgi pueden reciclarse independientemente de las vesículas COPI.
  • Debilidades: este modelo no puede explicar la cinética de transporte de grandes cargamentos de proteínas, como el colágeno. Además, las conexiones tubulares no son frecuentes en las células vegetales. Los roles que tienen estas conexiones se pueden atribuir a una especialización específica de la célula en lugar de un rasgo universal. Si las membranas son continuas, eso sugiere la existencia de mecanismos que conservan los gradientes bioquímicos únicos observados en todo el aparato de Golgi.

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 aparato de 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 de cualquier nivel del Golgi a su ubicación final. Este modelo está respaldado por la observación de que la carga sale del Golgi en un patrón mejor descrito por la cinética exponencial. La existencia de dominios está respaldada por datos de microscopía de fluorescencia.
  • Fortalezas: en particular, este modelo explica la cinética exponencial de salida de carga de proteínas grandes y pequeñas, mientras que otros modelos no pueden.
  • Debilidades: este modelo no puede explicar la cinética de transporte de grandes cargamentos 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.

Modelo 5: Compartimentos estables como progenitores del modelo de cisterna

• Este es el modelo más reciente. En este modelo, el Golgi se ve como una colección de compartimentos estables definidos por GTPasas Rab (proteína G).
  • Fortalezas: Este modelo es consistente con numerosas observaciones y abarca algunas de las fortalezas del modelo de progresión/maduración de la cisterna. Además, lo que se sabe de los roles de Rab GTPase en los endosomas de los mamíferos puede ayudar a predecir roles putativos dentro del aparato de Golgi. Este modelo es único en el sentido de que puede explicar la observación de intermediarios de transporte de "megavesículas".
  • 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 la transferencia de dominios entre pilas). Además, no se establece que las megavesículas sean transportadores intra-Golgi.

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 de cisternas es el más aceptado entre los científicos y se adapta a muchas observaciones en 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.

Brefeldina A

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