El aparato de Golgi fue descubierto por Camilo Golgi en 1989 cuando observaba neuronas y fue cuestionado durante décadas. La técnica del reactivo de Schiff-ácido peryódico marca los glúcidos del Golgi y esto hace que se pueda ver con el microscopio óptico. Su estructura membranosa fue descrita en detalle por primera vez al microscopio electrónico por Dalton y Felix (1954), quienes introdujeron el concepto de complejo del Golgi.
1. Morfología
En las células animales es un orgánulo que se localiza generalmente próximo al centrosoma, el cual suele estar en las cercanías del núcleo. Esta posición central del aparato de Golgi en la células animales depende de la organización del sistema de microtúbulos, los cuales parten en su mayoría del centrosoma de forma radial. El aparato de Golgi está formado por cisternas aplanadas que se disponen regularmente formando varias pilas o dictiosomas (Figura 1). Generalmente las cisternas están ensanchadas en los bordes (como una pizza) y curvadas, teniendo las pilas de cisternas una parte cóncava y una convexa. En una célula suele haber varios de estos dictiosomas y algunas cisternas localizadas en dictiosomas próximos están conectadas lateralmente (Figura 2). El número (normalmente de 3 a 20) y el tamaño de las cisternas en cada dictiosoma es variable y depende del tipo celular, así como del estado fisiológico de la célula. Una cisterna típica tiene un grosor de unos 20 a 50 nm, con 1 µm aproximadamente de diámetro, y están separadas entre sí por una distancia de unos 15 nm. A todo el conjunto de dictiosomas y sus conexiones se le denomina complejo o aparato de Golgi.
En las células animales parece que hay diversos factores que permiten esta organización en cisternas apiladas. Así, entre las cisternas, dentro de cada dictiosoma, existen numerosas proteínas fibrosas en las que se encuentran embebidas las cisternas. Este entramado, denominado matriz, podría ayudar en el mantenimiento de la estructura del orgánulo. Las proteínas GRASP (Golgi ReAssembly Stacking Proteins) forman parte de esta matriz. Son proteínas asociadas a la cara citosólica de las membranas de las cisternas que pueden formar oligómeros cuando interaccionan entre sí proteínas que se encuentran en cisternas próximas, actuando a modo de pegamento que mantiene unidas cisternas contiguas. Entre las cisternas también se han encontrado elementos del citoesqueleto como los microtúbulos y los filamentos de actina. Muchas de las proteínas de la matriz sirven también para mantener la morfología del aparato de Golgi y para mantenerlo cerca del centrosoma, al igual que los microtúbulos y los filamentos de actina que se encuentran entre las cisternas.
Se ha observado que la posición e integridad del aparato de Golgi en las células animales depende de la organización de los microtúbulos. Por ejemplo, durante la mitosis, cuando los microtúbulos de la interfase se desorganizan, desaparece la organización en pilas de cisternas del aparato de Golgi. Durante la mitosis el aparato de Golgi se deshace en cisternas y estas a su vez en vesículas, las cuales son repartidas durante la citocitocinesis entre las células hijas. Completada la división celular, las vesículas se reagrupan en cisternas y estas, gracias al centrosoma, se asocian de nuevo para formar el complejo del Golgi. La posición del complejo de Golgi parece depender de los microtúbulos nucleados desde el centroma (Figura 3), mientras que la integridad de cada dictiosoma se cree que depende de microtúbulos generados desde las propias cisternas, gracias a la asociación de anillos de gamma tubulina con ellas (estos anillos son los encargados de nuclear microtúbulos allí donde se encuentren). La actina y la miosina ayudarían también de una manera más fina en la organización de los dictiosomas. Además, el aparato de Golgi depende del tráfico vesicular desde el retículo endoplasmático. Si éste se detiene el aparato de Golgi también desaparece.
En las células de las plantas, que no tienen centrosoma, hay numerosas estructuras similares a dictiosomas del aparato de Golgi poco desarrolladas, o incluso cisternas individuales dispersas por el citoplasma (Figura 3). Cada una de estas pilas de cisternas actúan de manera independiente y no se sabe si funcionalmente son diferentes o no. Es como si el complejo de Golgi estuviera distribuido por toda la célula. En las células vegetales las cisternas del aparato de Golgi son más pequeñas que en las células animales, aunque el número de cisternas dispersas puede variar entre decenas y más de cien. Hay otras diferencias en las plantas respecto a los animales: no se ha observado compartimento ERGIC y el dominio trans o TGN (ver más abajo) está muy desarrollado, tanto que algunos autores lo consideran como un orgánulo con entidad propia (que incluso recibe vesículas de endocitosis). Las cisternas o grupos de cisternas son móviles gracias a los filamentos de actina y parecen moverse por zonas de producción de vesículas del retículo endoplasmático, como si fueran recolectándolas. Estos movimientos no alteran la morfología de las pilas de cisternas. Los filamentos de actina son también los que dirigirán las vesículas que salen del aparato de Golgi hacia las vacuolas. En las plantas, ni estos grupos dispersos, ni las cisternas, desaparecen durante la división celular puesto que son necesarios para crear la pared celular nueva que separará a las dos células hijas.
Hay variaciones morfológicas en el aparato de Golgi dependiendo del tipo celular y de la especie. Por ejemplo, en las células de la mosca del vinagre, aunque tienen centrosoma, poseen una organización similar de cisternas al aparato de Golgi de las plantas. En algunas levaduras, células eucariotas, ni siquiera existen pilas de cisternas parecidas a las que se observan en células animales o vegetales, sino que se cree que las cisternas están dispersas individualmente por el citoplasma. Por último, las conexiones laterales de las pilas de cisternas sólo se han observado en células de mamíferos.
2. Organización
El aparato de Golgi es un orgánulo polarizado y cada dictiosoma contiene dos dominios, un lado cis y un lado trans (Figura 4). Entre ambos se encuentran las cisternas intermedias. En el lado cis existe un proceso continuo de formación de cisternas con material procedente de la fusión de compartimentos túbulo vesiculares denominados ERGIC (endoplasmic reticulum Golgi intermediate compartment), los cuales se forman con material proveniente del retículo endoplasmático. El lado trans también posee una organización túbulo-vesicular denominada TGN (entramado trans del aparato de Golgi o trans Golgi network), donde las cisternas con las moléculas procesadas se deshacen en vesículas que se dirigen a otros compartimentos celulares. Por tanto se da un trasiego constante de moléculas desde el lado cis al trans, pasando por el dominio intermedio, pero también hay un flujo de reciclado en sentido contrario mediado por vesículas recubiertas con proteínas COPI que parten de las zonas laterales de las cisternas y se dirigen hacia otras cisternas más próximas al lado cis. Es un orgánulo en constante renovación y el flujo de moléculas afecta a su organización y a su tamaño. Este orgánulo está especialmente desarrollado en células con fuerte secreción.
La dirección del flujo de sustancias determina una polarización de la distribución de las enzimas en las cisternas que están próximas al lado cis o al trans. Esto es más evidente en los procesos de síntesis de carbohidratos puesto que, a diferencia de otros polímeros de la célula, necesitan multitud de enzimas trabajando secuencialmente para sintetizar una molécula compleja. Por ejemplo, las cisternas del lado cis contienen una mayor concentración de la enzima transferasa de la N-acetilgalactosamina, las cisternas intermedias contienen la transferasa I de la N-acetilglucosamina, las cisternas del lado trans a la galactosiltransferasa y a la sialiltransferasa. Esta distribución asimétrica de enzimas también es clara en el proceso de síntesis de algunas moléculas de la pared celular de las plantas donde las enzimas encargadas de sintetizar el eje central de la moléculas de hemicelulosa o pectina se realiza en el lado cis, mientras que las enzimas encargadas de añadir las ramificaciones se encuentran en cisternas más próximas al dominio trans. Esta distribución secuencial no quiere decir que cada reacción deba darse en un lugar concreto de la pila de cisternas de Golgi. Se han encontrado también complejos enzimáticos que viajan dentro de una cisterna y que son capaces de realizar múltiples reacciones de síntesis en cadena. Se sugiere que la capacidad de estar juntos y actuar secuencialmente en el tiempo es un mecanismo muy eficiente de síntesis de moléculas complejas como los carbohidratos.
La polaridad del aparato de Golgi condiciona no sólo dónde se forman las vesículas sino también dónde se fusionan las que vienen de otros compartimentos. Así, como se ha mencionado, en el dominio trans del aparato de Golgi se originan vesículas que irán a la membrana plasmática (exocitosis) y a los endosomas tardíos (camino de los lisosomas). Aparentemente, todos los dominios del aparato de Golgi forman vesículas COPI que irán a otras cisternas del propio orgánulo en un transporte retrógrado, y algunas de ellas se dirigirán al retículo endoplasmático. Se ha sugerido que hay dos tipos de vesículas COPI, las que funcionan intra-Golgi y las que irán al retículo endoplasmático. Por otra parte, el aparato de Golgi recibe vesículas COPII del retículo endoplasmático que han de fusionarse para formar el compartimento ERGIC o con el dominio cis del aparato de Golgi, las propias COPI generadas por él mismo, y las vesículas de reciclado provenientes de los endosomas tardíos que se fusionan en el dominio trans. Esta segregación en dominios de atraque de los diferentes tipos de vesículas se debe a una segregación diferencial también por dominios de las proteínas que reconocen y capturan a dichas vesículas. El primer paso en este reconocimiento lo llevan a cabo unas proteínas denominadas golginas (Figura 5).
Además de la diferente distribución de moléculas en el eje cis-trans, se sabe que puede haber una segregación molecular dentro de cada cisternas. Se ha proppuesto que la enzimas residentes, es decir, aquellas que realizan sus función en al aparato de Golgi, se localizan sobre todo en el centro de las cisternas, mientras que las proteínas procesadas que se secretarán o viajarán a los endosomas se distribuyen más hacia los bordes de las cisternas.
3. Modelos de transporte a través del Golgi
El mecanismo por el cual las moléculas, que llegan desde el retículo, cruzan los dominios del aparato de Golgi (del cis al trans) mientras son modificadas por enzimas, no se conoce endetalle todavía. Por ejemplo, se desconoce si el transporte anterográdo es activo o pasivo, es decir, si las moléculas que llegan al lado trans lo hacen porque son seleccionadas activamente, o simplemente porque no son reconocidas por el mecanismo de reciclado hacia el retículo endoplasmático. Para explicar este trasiego molecular constante entre dominios del aparato de Golgi se han propuesto varios modelos, algunos excluyentes, otros complementarios. De cualquier manera, por sí solo, ninguno explica todo lo que actualmente se sabe. a) El flujo de moléculas no debe desorganizar los dominios que forman el Golgi: cis, medial y trans, cada uno con diferente morfología, composición química y actividad química. b) La glicosilación muestra una asimetría que permite una construcción secuencial de los árboles de glúcidos. Esto significa que hay diferentes enzimas segregadas por dominios. c) Las proteínas en el Golgi se pueden mover entre cisternas y su distribución asimétrica se basa más en un movimiento rápido de posición que un confinamiento. d) En las células animales algunas cisternas están conectadas por túbulos de membrana. e) Pequeñas moléculas solubles cruzan el Golgi muy rápido (menos de 2 minutos), mientras que otras más grandes como el procolágeno pueden tardar 15 min.
a) Modelo de la maduración de cisternas (Figura 6). Se postula que los cuerpos túbulo vesiculares (ERGIC) provenientes del retículo endoplasmático se fusionan formando una cisterna en el lado cis. Esta cisterna se mueve progresivamente y madura (se procesa su contenido) hasta llegar al lado trans donde se descompone en vesículas para su reparto a otros compartimentos celulares. Hoy en día se tiende a aceptar este modelo porque hay observaciones que son explicadas por él pero no por otros modelos. Por ejemplo, las moléculas de procolágeno miden unos 300 nm de longitud y no caben físicamente en vesículas, pero sí pueden viajar dentro de las cisternas. Además, las vesículas COPI que están entre las cisternas del aparato de Golgi contienen mayoritariamente proteínas que deben reciclarse al retículo endoplasmático y no moléculas que están procesándose, luego sólo actúan como una vía de reciclado. Otra manera de segregar proteínas, en este caso proteínas transmembrana, es por el espesor de la membrana de las cisternas. Como se dijo antes el espesor de las membranas se incrementa a medida que nos movemos desde el lado cis al trans. Esto implica que algunas proteínas transmembrana pueden sentirse más cómodas en cisternas más próximas al dominio cis o al trans dependiente de la longitud de sus dominios intramembrana. El modelo de maduración de cisternas se ha demostrado en las levaduras.
Una pila de Golgi en una célula animal puede estar rodeada por más de mil vesículas COPI. Estas vesículas transportan retrógradamente (dirección trans a cis) entre cisternas del Golgi y desde el Golgi al retículo. Se han encontrado dos tipos de COPI, que se diferencian en composición y apariencia. Podrían funcionar un tipo transportando entre cisternas del Golgi y otra transportando desde el aparato de Golgi al retículo endoplasmático. Habría una diferente eficiencia en el transporte retrógrado intra Golgi para diferentes moléculas, lo que produce la segregación de estas en sus dominios correspondientes. Se han encontrado proteínas residentes del Golgi en las vesículas COPI.
b) Modelo de los compartimentos estables (Figura 6). En este modelo los cuerpos túbulo vesiculares (ERGIC) provenientes del retículo endoplasmático se unen al lado cis y desde esas cisternas salen vesículas que transportan material a la siguiente cisterna, y así sucesivamente hasta llegar al lado trans donde son empaquetadas en vesículas para su reparto. Este modelo no tiene actualmente muchos seguidores, aunque algunos experimentos sugieren que en mamíferos podría ser relevante en el tránsito de moléculas a través del aparato de Golgi.
c) Modelo de la conexión de túbulos. Se ha visto con el microscopio electrónico que en ocasiones existen conexiones tubulares entre cisternas no adyacentes. Estas conexiones parecen pasajeras y dependientes del tipo de material a secretar. Este modelo no es incompatible con el de maduración de cisternas y ambos procesos podrían ocurrir simultáneamente.
El modelo de maduración de cisternas no explica cómo las proteínas pequeñas cruzan más rápido que las grandes, como el colágeno, puesto que todas tendrían que viajar a la misma velocidad. Las conexiones tubulares entre cisternas resolverían estas discrepancias, pero sólo se han encontrado en mamíferos, no en plantas o levaduras. Además, éstos tubos podrían romper la polaridad del Golgi. Podría ser que hubiera distintos modos de transporte que depende de la especie, tipo celular y estado fisiológico de esta.
4. Funciones
El aparato de Golgi está al principio de la vía secretora y esencial para modificar proteínas y dirigirlas a sus localizaciones finales. La mayoría de las proteínas transmembrana pasan por el aparato de Golgi, pero también aquellas que se secretan como los componentes de la matriz extracelular, los anticuerpos, enzimas hepáticas o moléculas liberadas por el páncreas. En el aparato de Golgi se realizan muchas reacciones químicas tales como glicosidación, fosforilación, sulfatación y procesos proteolíticos. Además, es un centro de reparto de moléculas y en el se seleccionan aquellas que van a las secreción (exterior celular) o a otros compartimentos celulares como los endosomas y los lisosomas.
Glicosilación
Es uno de los principales centros de glicosidación en la célula. Se añaden y modifican glúcidos que formarán parte de las glicoproteínas, proteoglicanos, glicolípidos y polisacáridos como la hemicelulosa de las plantas. Se estima que 85 % de las proteínas secretadas por la célula son glicosidadas. Muchas de las cadenas de glúcidos de las glucoproteínas que se modifican en el aparato de Golgi han sido añadidas previamente en el retículo endoplasmático. Entre los azúcares específicos que se añaden en el aparato de Golgi está el ácido siálico. La glucosidación en las proteínas puede ser de dos tipos. a) Los sacáridos ricos en manosa añadidos en el retículo endoplasmáctico (glucosidación tipo N) son posteriormente modificados en el aparato de Golgi mediante la adición de nuevos azúcares. b) En el aparato de Golgi se añade oligosacáridos con unión tipo O a los grupos hidroxilos de aminoácidos como la serina, la treonina y la hidroxilisina. Este tipo de glucosilación ocurre en los proteoglicanos. También en el Golgi se añaden los grupos sulfatos a los glicosaminoglucanos. En el aparato de Golgi también se producen otras modificaciones además de la glicosidación y sulfatación, como son fosforilación, palmitoilación, metilación y otras. En las plantas su papel es crucial, puesto que sintetiza los glicoconjugados que forman parte de la pared celular, menos la celulosa que se sintetiza en la membrana plasmática.
Todas las funciones relacionadas con los glúcidos las llevan a cabo las enzimas glicosiltransferasas (añaden glúcidos) y las glicosidasas (eliminan glúcidos). Pueden existir unos 200 tipos de estas enzimas en el aparato de Golgi. Las diferentes cisternas del aparato de Golgi tienen papeles específicos dentro del procesamiento de los glúcidos, que es una reacción secuencial. Hay evidencias de que existe un gradiente de enzimas relacionadas con la glicosidación desde el lado cis al trans, estando más concentradas cerca del lado cis aquellas enzimas implicadas en los primeros pasos del proceso de glicosidación. La síntesis de polímeros de sacáridos es muy diferente a la de las proteínas o a la de los ácidos nucleicos. Mientras que los dos últimos se sintetizan a partir de un molde y con la participación un solo tipo de enzima, los sacáridos necesitan un enzima para cada paso que deben realizar en un momento preciso dentro de una cadena de reacciones. Dado que es una vía extremadamente complicada y costosa es de suponer que las glicoproteínas y los glicolípidos son de extremada importancia.
Un ejemplo claro de esta distribución regional de enzimas se ha demostrado en la síntesis de los carbohidratos de proteoglicanos como los biglicanos y la decorina. Ambos tienen una cadena de péptidos a los que se les une una cadena (decorina) o dos cadenas (biglicano) de glicosaminoglicanos, que pueden ser dermatán sulfato o condroitín sulfato. Estos glicosaminoglicanos se añaden en el aparato de Golgi de una manera ordenada. Primero, en el dominio cis, se añade un tetrasacárido de xylosa que es el iniciador de la cadena. Posteriormente, en el dominio intermedio y trans se añaden más de 100 repeticiones de disacáridos, además de la sulfatación de dicha cadena.
Síntesis de esfingolípidos
En el aparato de Golgi se terminan de sintetizar los esfingolípidos como las esfingomielinas y los glicoesfingolípidos. La ceramida sintetizada en el retículo endoplasmático es la molécula sobre la que trabajan las enzimas del aparato de Golgi para formar dichos tipos de lípidos de membrana. A estos lípidos se les ha prestado recientemente mucha atención puesto que se les atribuye el papel de crear microdominios de membrana gracias a su asociación con el colesterol, las denominadas balsas de lípidos, las cuales pueden crear compartimentos en las membranas y por tanto se convierten en zonas con unas características fisiológicas diferentes. En el aparato de Golgi también se ensamblan las apoliproteínas como las VLDL.
Centro de reparto
Es un centro de reparto de moléculas que provienen del retículo endoplasmático o que se sintetizan en el propio aparato de Golgi. Unas vez procesadas en el aparato de Golgi, las diferentes moléculas son seleccionadas y empaquetadas en vesículas diferentes para dirigirse a sus respectivos destinos. El TGN es la plataforoma desde la cual salen las vesículas para los distintos compartimentos (ver figura).
a) Desde el lado trans saldrán vesículas con moléculas seleccionadas hacia la membrana plasmática en dos rutas: la exocitosis constitutiva y la excocitosis regulada. La polaridad celular depende en gran medida del tráfico vesicular. Las células que poseen una zona apical y otra basolateral, células polarizadas, tienen que repartir selectivamente sus cargas entre dichas membranas. El aparato de Golgi participa en el establecimiento de tal polaridad. La posición del Golgi en la célula es importante para establecer y mantener la polaridad.
b) También desde el TGN se envía vesículas hacia la ruta de los endosomas tardíos/cuerpos multivesiculares/lisosomas, o las vacuolas en el caso de las plantas.
c) Desde el TGN se envían vesículas de reciclado hacia cisternas del propio aparato de Golgi. Pero el TGN es también un compartimento que recibe vesículas de los endosomas y parece participar en los procesos de reciclado de moléculas entre la membrana y compartimentos internos como los endosomas. Como se dijo, en las plantas también puede recibir vesículas de endocitosis. Por tanto este dominio participa en las vías de exocitosis y endocitosis.
Selección de cargas
Las vesículas que se forman en el TGN no son típicamente redondeadas sino con forma diversa y surgen de expansiones tubulares membranosas. El reparto de moléculas para las diferentes rutas supone una selección de las cargas. Hay diversos mecanismos para seleccionar las cargas según sus destinos. Y a veces moléculas diferentes que van a un mismo destino tienen diferente manera de ser seleccionadas y empaquetadas. En el caso de las moléculas que van a los endosomas (y a membranas basolaterales) se seleccionan por una secuencia específica que poseen las proteínas transmembranas en su lado citosólico. Esta secuencia es reconocida por unas proteínas denominadas adaptadoras que provocan su concentración en zonas concretas de la membrana y sobre la cual se irá organizando una cubierta de clatrina. Sin embargo, las hidrolasas ácidas, moléculas solubles que van dirigidas a los endosomas y posteriormente a los lisosomas, se seleccionan por poseer una manosa 6-fosfato reconocida por un receptor y empaquetadas en vesículas.
Las moléculas que se dirigen hacia la membrana celular (o apical en las células polarizadas) son seleccionadas de distinta manera según el tipo de exocitosis y las moléculas onsideradas. Muchas son seleccionadas por selectinas, proteínas que reconocen los enlaces glucosídicos tipo O y N. Otras, como la lipoproteína lipasa son captadas porque se asocian con proteoglicanos, que a su vez son captados por dominios ricos en esfingomielinas. Hay vesículas de exocitosis enriquecidas en esfingomielinas y también en lipoproteína lipasas.
En los animales estas vesículas son conducidas a todos sus destinos por los microtúbulos, mientras que en las plantas son los filamentos de actina los que llevan las vesículas hasta las vacuolas, mientras que se desconoce lo que las conduce hasta la membrana plasmática.
En el aparato de Golgi hay un sistema de control de calidad del grado de plegamiento de las proteínas similar al que hay en el retículo. Estas proteínas no son sólo las residendes, sino también aquellas que van a otros orgánulos o ser secretadas. Las proteínas que se detectan como mal plegadas son reconocidas por el sistema de calidad y ubiquitinadas. Estas proteínas pueden tener dos destinos: ser transferidas a los endosomas e introducidas selectivamente en las vesículas de los cuerpos multivesiculares para ser degradas en los lisosomas o ser sacadas al citosol para ser degradadas por los proteosomas. En el primer caso son seleccionadas por las vesículas recubiertas por clatrina y que hacen el viaje desde el aparato de Golgi hasta los endosomas tardíos.
No convencionales
Hay otra serie de funciones no "convencionales" en las que recientemente se ha descubierto que participa el aparato de Golgi. Éstas incluyen ser centro de almacenamientos de calcio, actuar como una plataforma de señalización intracelular, participa en el control de los niveles de estéroles en la célula, en él se da parte de la respuesta de las células a la falta de alimentos, centro nucleador de microtúbulos en la células que se desplazan, y participar en la regulación de la expresión de ciertos genes.
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Bibliografía ↷
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Del retículo al Golgi 
