Aparat Golgiego - Golgi apparatus

Komórka biologiczna
Schemat komórki zwierzęcej
Animal Cell.svg
Składniki typowej komórki zwierzęcej:
  1. Jądro
  2. Jądro
  3. Rybosom (kropki jako część 5)
  4. Pęcherzyk
  5. Szorstka siateczka śródplazmatyczna
  6. Aparat Golgiego (lub ciało Golgiego)
  7. Cytoszkielet
  8. Retikulum endoplazmatyczne gładkie
  9. Mitochondrium
  10. Vacuole
  11. Cytozol (płyn zawierający organelle ; z którym zawiera cytoplazmę )
  12. Lizosom
  13. Centrosom
  14. Błona komórkowa
Zdjęcie aparatu Golgiego, widoczne jako stos półkolistych czarnych pierścieni u dołu. W pobliżu organelli widoczne są liczne okrągłe pęcherzyki .

Aparatu Golgiego ( / ɡ ɒ l I / ), znany również jako kompleksu Golgiego , Golgiego ciała , lub po prostu w aparacie Golgiego , jest organelli w większości eukariotycznych komórek . Jako część systemu endomembranowego w cytoplazmie , pakuje białka do pęcherzyków związanych z błoną wewnątrz komórki, zanim pęcherzyki zostaną wysłane do miejsca przeznaczenia. Znajduje się na przecięciu szlaków wydzielniczych, lizosomalnych i endocytarnych . Ma to szczególne znaczenie w przetwarzaniu białek do sekrecji , zawierających zestaw enzymów glikozylacji , które wiążą różne monomery cukrów z białkami, gdy białka przemieszczają się przez aparat.

Został zidentyfikowany w 1897 roku przez włoskiego naukowca Camillo Golgiego i został nazwany jego imieniem w 1898 roku.

Odkrycie

Dzięki swoim dużym rozmiarom i charakterystycznej budowie aparat Golgiego był jednym z pierwszych odkrytych i szczegółowo obserwowanych organelli . Został odkryty w 1898 roku przez włoskiego lekarza Camilla Golgiego podczas badania układu nerwowego . Po pierwszym obserwowaniu jej pod mikroskopem nazwał tę strukturę apparato reticolare interno ("wewnętrzny aparat siatkowy"). Niektórzy początkowo wątpili w to odkrycie, argumentując, że wygląd konstrukcji był jedynie iluzją optyczną stworzoną przez technikę obserwacyjną stosowaną przez Golgiego. Wraz z rozwojem nowoczesnych mikroskopów w XX wieku odkrycie to zostało potwierdzone. Wczesne odniesienia do aparatu Golgiego odnosiły się do niego pod różnymi nazwami, w tym „aparat Golgiego-Holmgrena”, „przewody Golgiego-Holmgrena” i „aparat Golgiego-Kopscha”. Termin „aparat Golgiego” został użyty w 1910 roku i po raz pierwszy pojawił się w literaturze naukowej w 1913 roku, natomiast „kompleks Golgiego” został wprowadzony w 1956 roku.

Lokalizacja subkomórkowa

Subkomórkowa lokalizacja aparatu Golgiego jest różna wśród eukariontów . U ssaków pojedynczy aparat Golgiego znajduje się zwykle w pobliżu jądra komórkowego , blisko centrosomu . Połączenia rurowe są odpowiedzialne za łączenie ze sobą stosów. Lokalizacja i połączenia rurowe aparatu Golgiego są zależne od mikrotubul . W eksperymentach widać, że gdy mikrotubule ulegają depolimeryzacji, aparaty Golgiego tracą wzajemne połączenia i stają się pojedynczymi stosami w całej cytoplazmie . U drożdży wiele aparatów Golgiego jest rozproszonych w cytoplazmie (jak zaobserwowano w Saccharomyces cerevisiae ). W roślinach stosy Golgiego nie są skoncentrowane w regionie centrosomalnym i nie tworzą wstęg Golgiego. Organizacja zakładu Golgi zależy od kabli aktynowych, a nie od mikrotubul. Wspólną cechą aparatów Golgiego jest to, że sąsiadują one z miejscami wyjścia retikulum endoplazmatycznego (ER).

Struktura

Renderowanie 3D aparatu Golgiego
Schemat pojedynczego „stosu” Golgiego

U większości organizmów eukariotycznych aparat Golgiego składa się z szeregu przedziałów i jest zbiorem połączonych, spłaszczonych, otoczonych błoną dysków, znanych jako cisternae (liczba pojedyncza: cisterna , zwana także „dictyosomami”), pochodzących z skupisk pęcherzykowych, które wyrastają z retikulum endoplazmatyczne . Komórka ssaka zazwyczaj zawiera od 40 do 100 stosów cystern. W stosie znajduje się zwykle od czterech do ośmiu cystern; jednak u niektórych protistów zaobserwowano aż sześćdziesiąt cystern. Ten zbiór cystern jest podzielony na przedziały cis , przyśrodkowe i trans , tworząc dwie główne sieci: sieć cis Golgiego (CGN) i sieć trans Golgiego (TGN). CGN jest pierwszą strukturą cysterny, a TGN ostatnią, z której białka są pakowane do pęcherzyków przeznaczonych do lizosomów , pęcherzyków wydzielniczych lub powierzchni komórki. TGN jest zwykle umieszczany obok stosu, ale może być również od niego oddzielony. TGN może działać jako wczesny endosom w drożdżach i roślinach .

Istnieją strukturalne i organizacyjne różnice w aparacie Golgiego wśród eukariontów. W niektórych drożdżach nie obserwuje się układania aparatu Golgiego. Pichia pastoris ułożyła aparat Golgiego, podczas gdy Saccharomyces cerevisiae nie. W roślinach poszczególne stosy aparatu Golgiego wydają się działać niezależnie.

Aparat Golgiego jest zwykle większy i liczniejszy w komórkach, które syntetyzują i wydzielają duże ilości substancji; na przykład, komórki plazmatyczne B układu odpornościowego wydzielające przeciwciała mają wyraźne kompleksy Golgiego.

U wszystkich eukariontów każdy stos cisternal ma ścianę wejściową cis i ścianę wyjściową trans . Twarze te charakteryzują się wyjątkową morfologią i biochemią . W obrębie poszczególnych stacków znajdują się asortymenty enzymów odpowiedzialnych za selektywną modyfikację ładunku białkowego. Te modyfikacje wpływają na los białka. Kompartmentalizacja aparatu Golgiego jest korzystna dla rozdzielania enzymów, utrzymując w ten sposób kolejne i selektywne etapy przetwarzania: enzymy katalizujące wczesne modyfikacje gromadzą się w cysternach typu cis face, a enzymy katalizujące późniejsze modyfikacje znajdują się w cysternach typu trans face stosów Golgiego.

Funkcjonować

Aparat Golgiego (łososiowy) w kontekście drogi wydzielniczej

Aparat Golgiego jest główną stacją odbioru i wysyłki produktów białkowych otrzymywanych z retikulum endoplazmatycznego (ER). Białka syntetyzowane w ER są pakowane do pęcherzyków , które następnie łączą się z aparatem Golgiego. Te białka cargo są modyfikowane i przeznaczone do wydzielania przez egzocytozę lub do wykorzystania w komórce. Pod tym względem Golgiego można uznać za podobnego do urzędu pocztowego: pakuje i etykietuje przedmioty, które następnie wysyła do różnych części komórki lub do przestrzeni pozakomórkowej . Aparat Golgiego bierze również udział w transporcie lipidów i tworzeniu lizosomów .

Struktura i funkcja aparatu Golgiego są ściśle powiązane. Poszczególne stosy mają różne asortymenty enzymów, co pozwala na stopniowe przetwarzanie białek cargo w miarę ich przemieszczania się od cysterny do ściany trans Golgiego. Reakcje enzymatyczne w stosach Golgiego zachodzą wyłącznie w pobliżu jego powierzchni błony, gdzie zakotwiczone są enzymy. Ta cecha jest w przeciwieństwie do ER, który ma w swoim świetle rozpuszczalne białka i enzymy . Duża część przetwarzania enzymatycznego to potranslacyjna modyfikacja białek. Na przykład fosforylacja oligosacharydów na białkach lizosomalnych występuje we wczesnym CGN. Cis cisterna są związane z usuwaniem pozostałości mannozy . W cysternach przyśrodkowych dochodzi do usunięcia resztek mannozy i dodania N-acetyloglukozaminy . Dodatek galaktozy i kwasu sialowego występuje w cysternach trans . Sulfation z tyrozynach i węglowodanów występuje w TGN. Inne ogólne potranslacyjne modyfikacje białek obejmują dodanie węglowodanów ( glikozylacja ) i fosforanów ( fosforylacja ). Modyfikacje białka mogą tworzyć sekwencję sygnałową, która określa ostateczne przeznaczenie białka. Na przykład aparat Golgiego dodaje znacznik mannozo-6-fosforanowy do białek przeznaczonych do lizosomów . Inną ważną funkcją aparatu Golgiego jest tworzenie proteoglikanów . Enzymy w aparatach Golgiego dołączają białka do glikozaminoglikanów , tworząc w ten sposób proteoglikany. Glikozaminoglikany są długimi nierozgałęzionymi cząsteczkami polisacharydowymi obecnymi w macierzy zewnątrzkomórkowej zwierząt.

Transport pęcherzykowy

Schemat procesu wydzielniczego od retikulum endoplazmatycznego (pomarańczowy) do aparatu Golgiego (magenta). 1. Membrana jądrowa ; 2. Por jądrowy ; 3. Szorstka retikulum endoplazmatyczne (RER); 4. Gładka retikulum endoplazmatyczne (SER); 5. Rybosom związany z RER; 6. Makrocząsteczki ; 7. Pęcherzyki transportowe ; 8. Aparat Golgiego; 9. Cis twarz aparatu Golgiego; 10. Trans twarz aparatu Golgiego; 11. Cysterny aparatu Golgiego.

Te pęcherzyki wychodzące z grubsza retikulum endoplazmatycznego są transportowane do cis powierzchni aparatu Golgiego, gdzie łączą się z błoną Golgiego i opróżnienia ich zawartość do prześwitu . Po wejściu do światła molekuły są modyfikowane, a następnie sortowane w celu przetransportowania do kolejnych miejsc docelowych.

Białka przeznaczone do obszarów komórki innych niż retikulum endoplazmatyczne lub aparat Golgiego są przemieszczane przez cysterny aparatu Golgiego w kierunku ściany trans , do złożonej sieci błon i związanych z nią pęcherzyków, znanej jako sieć trans aparatu Golgiego (TGN). Ten obszar aparatu Golgiego to punkt, w którym białka są sortowane i wysyłane do zamierzonych miejsc przeznaczenia poprzez umieszczenie ich w jednym z co najmniej trzech różnych typów pęcherzyków, w zależności od sekwencji sygnałowej, którą niosą.

Rodzaje Opis Przykład
Pęcherzyki egzocytotyczne (konstytucyjne) Pęcherzyk zawiera białka przeznaczone do uwolnienia pozakomórkowego . Po zapakowaniu pęcherzyki pączkują i natychmiast przemieszczają się w kierunku błony komórkowej , gdzie łączą się i uwalniają zawartość do przestrzeni zewnątrzkomórkowej w procesie zwanym wydzielaniem konstytutywnym . Uwalnianie przeciwciał przez aktywowane komórki B osocza
Pęcherzyki wydzielnicze (regulowane) Pęcherzyki zawierają białka przeznaczone do uwolnienia pozakomórkowego. Po zapakowaniu pęcherzyki pączkują i są przechowywane w komórce do momentu otrzymania sygnału do ich uwolnienia. Po otrzymaniu odpowiedniego sygnału poruszają się w kierunku membrany i łączą się, aby uwolnić swoją zawartość. Proces ten znany jest jako sekrecja regulowana . Uwalnianie neuroprzekaźników z neuronów
Pęcherzyki lizosomalne Pęcherzyki zawierają białka i rybosomy przeznaczone dla lizosomów , rozkładających się organelli zawierających wiele kwaśnych hydrolaz lub podobnych do lizosomów organelli magazynujących. Białka te obejmują zarówno enzymy trawienne, jak i białka błonowe. Pęcherzyk najpierw łączy się z późnym endosomem , a następnie zawartość jest przenoszona do lizosomu za pomocą nieznanych mechanizmów. Proteazy trawienne przeznaczone dla lizosomu

Aktualne modele transportu i handlu pęcherzykowego

Model 1: Pęcherzykowy transport postępowy między stabilnymi przedziałami

  • W tym modelu Golgi jest postrzegany jako zestaw stabilnych przegródek, które współpracują ze sobą. Każda komora ma unikalny zbiór enzymów, które modyfikują ładunek białkowy . Białka są dostarczane z ER na powierzchnię cis za pomocą pęcherzyków pokrytych COPII . Ładunek następnie przesuwa się w kierunku powierzchni trans w pęcherzykach pokrytych COPI . Model ten proponuje, że pęcherzyki COPI poruszać się w dwóch kierunkach: anterograde pęcherzyki nosić wydzielnicze białka , natomiast wstecznych pęcherzyki recykling Golgiego specyficznych białek przemytu.
    • Mocne strony: Model wyjaśnia obserwacje kompartmentów, spolaryzowanego rozkładu enzymów i fal poruszających się pęcherzyków. Próbuje również wyjaśnić, w jaki sposób enzymy specyficzne dla aparatu Golgiego są poddawane recyklingowi.
    • Słabe strony: Ponieważ ilość pęcherzyków COPI różni się drastycznie w zależności od rodzaju komórek, ten model nie może łatwo wyjaśnić wysokiej aktywności przemytniczej w Golgim ​​zarówno dla małych, jak i dużych ładunków. Ponadto nie ma przekonujących dowodów na to, że pęcherzyki COPI poruszają się zarówno w kierunku wstecznym, jak i wstecznym.
  • Model ten był powszechnie akceptowany od początku lat 80. do końca lat 90. XX wieku.

Model 2: Progresja/dojrzewanie cysterny

  • W tym modelu fuzja pęcherzyków COPII z ER rozpoczyna tworzenie pierwszej cis - cysterny stosu Golgiego, która później postępuje, by stać się dojrzałymi cysternami TGN. Po osiągnięciu dojrzałości cysterny TGN rozpuszczają się, stając się pęcherzykami wydzielniczymi. Podczas tego postępu pęcherzyki COPI nieustannie przetwarzają białka specyficzne dla aparatu Golgiego, dostarczając je ze starszych do młodszych cystern. Różne wzorce recyklingu mogą odpowiadać za różną biochemię w stosie Golgiego. Zatem przedziały wewnątrz aparatu Golgiego są postrzegane jako dyskretne etapy kinetyczne dojrzewającego aparatu Golgiego.
    • Mocne strony: Model odnosi się do istnienia przedziałów aparatu Golgiego, a także różnej biochemii w cysternach, transportu dużych białek, przejściowego tworzenia i rozpadu cystern oraz ruchliwości wstecznej natywnych białek aparatu Golgiego i może wyjaśniać zmienność obserwowaną w struktury Golgiego.
    • Słabe strony: Model ten nie może łatwo wyjaśnić obserwacji połączonych sieci Golgiego, połączeń rurowych między cysternami i różnej kinetyki wyjścia ładunku wydzielniczego.

Model 3: Progresja/dojrzewanie cysterny z heterotypowym transportem kanalikowym

  • Model ten jest rozszerzeniem modelu progresji/dojrzewania cysterny. Uwzględnia istnienie rurowych połączeń między cysternami, które tworzą wstęgę Golgiego, w których cysterny w stosie są połączone. Model ten zakłada, że ​​kanaliki są ważne dla ruchu dwukierunkowego w systemie ER-Golgi: umożliwiają szybki ruch wsteczny małych ładunków i/lub ruch wsteczny natywnych białek Golgiego.
    • Mocne strony: Ten model obejmuje mocne strony modelu progresji/dojrzewania cysterny, który wyjaśnia również szybki transport ładunku oraz sposób, w jaki natywne białka Golgiego mogą podlegać recyklingowi niezależnie od pęcherzyków COPI.
    • Słabe strony: Ten model nie może wyjaśnić kinetyki transportu dużego ładunku białkowego, takiego jak kolagen . Ponadto połączenia rurkowe nie są powszechne w komórkach roślinnych. Role, jakie pełnią te połączenia, można przypisać specjalizacji specyficznej dla komórki, a nie uniwersalnej cesze. Jeśli błony są ciągłe, sugeruje to istnienie mechanizmów, które zachowują unikalne gradienty biochemiczne obserwowane w całym aparacie Golgiego.

Model 4: Szybkie partycjonowanie w mieszanym Golgi

  • Ten szybki model podziału jest najbardziej drastyczną zmianą tradycyjnego punktu widzenia handlu pęcherzykowego. Zwolennicy tego modelu stawiają hipotezę, że Golgi działa jako pojedyncza jednostka, zawierająca domeny, które funkcjonują oddzielnie w przetwarzaniu i eksporcie ładunku białkowego. Ładunki z ER przemieszczają się między tymi dwiema domenami i losowo opuszczają dowolny poziom Golgiego do ich ostatecznej lokalizacji. Model ten jest poparty obserwacją, że ładunek opuszcza aparat Golgiego w sposób najlepiej opisany przez kinetykę wykładniczą. Istnienie domen potwierdzają dane z mikroskopii fluorescencyjnej.
    • Mocne strony: Warto zauważyć, że model ten wyjaśnia wykładniczą kinetykę wyjścia ładunku zarówno dużych, jak i małych białek, podczas gdy inne modele nie.
    • Słabe strony: Ten model nie może wyjaśnić kinetyki transportu dużego ładunku białkowego, takiego jak kolagen. Model ten nie wyjaśnia obserwacji oddzielnych kompartmentów i spolaryzowanej biochemii zbiorników Golgiego. Nie wyjaśnia również powstawania i rozpadu sieci Golgiego ani roli pęcherzyków COPI.

Model 5: Stabilne przedziały jako prekursory modelu cysteralnego

  • To najnowszy model. W tym modelu aparat Golgiego jest postrzegany jako zbiór stabilnych kompartmentów określonych przez GTPazy Rab (białko G) .
    • Mocne strony: Ten model jest zgodny z licznymi obserwacjami i obejmuje niektóre mocne strony modelu progresji/dojrzewania cysterny. Dodatkowo, to, co wiadomo o rolach Rab GTPazy w endosomach ssaków, może pomóc przewidzieć przypuszczalne role w Golgim. Model ten jest wyjątkowy, ponieważ może wyjaśniać obserwację „megapęcherzykowych” produktów pośrednich transportu.
    • Słabe strony: Model ten nie wyjaśnia różnic morfologicznych w aparacie Golgiego ani nie definiuje roli pęcherzyków COPI. Model ten nie sprawdza się dobrze w przypadku roślin, alg i grzybów, w których obserwuje się pojedyncze stosy Golgiego (przenoszenie domen między stosami jest mało prawdopodobne). Ponadto megapęcherzyki nie są uznawane za transportery wewnątrz aparatu Golgiego.

Chociaż istnieje wiele modeli, które próbują wyjaśnić ruch pęcherzykowy w całym Golgim, żaden indywidualny model nie może niezależnie wyjaśnić wszystkich obserwacji aparatu Golgiego. Obecnie model progresji/dojrzewania cysterny jest najbardziej akceptowany przez naukowców i obejmuje wiele obserwacji u eukariontów . Pozostałe modele są nadal ważne w formułowaniu pytań i prowadzeniu przyszłych eksperymentów. Wśród podstawowych pytań, na które nie udzielono odpowiedzi, znajdują się: kierunkowość pęcherzyków COPI i rola GTPaz Rab w modulowaniu ruchu ładunków białkowych.

Brefeldin A

Brefeldyna A (BFA) jest metabolitem grzyba stosowanym eksperymentalnie do zakłócania szlaku sekrecyjnego jako metoda testowania funkcji aparatu Golgiego. BFA blokuje aktywację niektórych czynników rybozylacji ADP ( ARF ). ARF to małe GTPazy, które regulują ruch pęcherzykowy poprzez wiązanie COP do endosomów i aparatu Golgiego. BFA hamuje funkcję kilku czynników wymiany nukleotydów guaninowych (GEF), które pośredniczą w wiązaniu GTP w ARF. Traktowanie komórek BFA zaburza zatem szlak sekrecyjny, promując rozpad aparatu Golgiego i dystrybucję białek Golgiego do endosomów i ER.

Galeria

Bibliografia

Zewnętrzne linki