Aparato de Golgi. Rocio Perez Gomez.

Aparato de Golgi.

El aparato de Golgi fue observado por primera vez por Camilo Golgi en el año de 1989 utilizando un microscopio óptico. Dado que el aparato de golgi fue descubierto por Camilo Golgi, se decidió darle ese nombre en reconocimiento a ese investigador. Otros investigadores no quisieron reconocer la existencia del aparato de golgi durante muchos años. Sin embargo, cuando los científicos Dalto y Félix observaron las membranas del aparato de golgi por primera vez con el microscopio electrónico, cesaron los cuestionamientos acerca de su existencia.

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La técnica de tinci&oaute;n del reactivo de Schiff-ácido peryódico marca los glúcidos presentes en el aparato de Golgi y lo resalta cuando se observa con el microscopio óptico.

El aparato de Golgi es un orgánulo presente en todas las células eucariotas excepto los glóbulos rojos y las células epidérmicas.

Pertenece al sistema de endomembranas del citoplasma celular. Está formado por unos 4-8 dictiosomas (dictiosoma en plantas, y el complejo de Golgi en los animales).

Los dictiosomas son sáculos aplanados rodeados de membrana y apilados unos encima de otros con su cara convexa (externa) orientada hacia el retículo endoplasmático, cuya función es completar la fabricación de algunas proteínas. Funciona como una planta empaquetadora, modificando vesículas del retículo endoplasmático rugoso.

El material nuevo de las membranas se forma en varias cisternas del Golgi.

Dentro de las funciones que posee el aparato de Golgi se encuentran la glicosilación de proteínas, selección, destinación, glicosilación de lípidos, almacenamiento y distribución de lisosomas y la síntesis de polisacáridos de la matriz extracelular.

Normalmente se observan entre 4 y 8, pero se han llegado a observar hasta 60 dictiosomas. Alrededor de la cisterna principal se disponen las vesículas esféricas recién exocitadas.

El aparato de Golgi se puede dividir en tres regiones funcionales:

• Región Cis-Golgi: es la más interna y próxima al retículo. De él recibe las vesículas de transición, que son sáculos con proteínas que han sido sintetizadas en la membrana del retículo endoplasmático rugoso (RER), introducidas dentro de sus cavidades y transportadas por el lumen hasta la parte más externa del retículo. Estas vesículas de transición son el vehículo de dichas proteínas que serán transportadas a la cara externa del aparato de Golgi

• Región medial: es una zona de transición.

• Región Trans-Golgi: es la que se encuentra más cerca de la membrana citoplasmática. De hecho, sus membranas, ambas unitarias, tienen una composición similar.

Las vesículas provenientes del retículo endoplásmico se fusionan con el cis-Golgi, atravesando todos los dictiosomas hasta el trans-Golgi, donde son empaquetadas y enviadas al lugar que les corresponda. Cada región contiene diferentes enzimas que modifican selectivamente las vesículas según donde estén destinadas.

Sin embargo, aún no se han logrado determinar en detalle todas las funciones y estructuras del aparato de Golgi.

Funciones generales.

La célula sintetiza un gran número de diversas macromoléculas necesarias para la vida. El aparato de Golgi se encarga de la modificación, distribución y envío de dichas macromoléculas en la célula. Modifica proteínas y lípidos (grasas) que han sido sintetizados previamente tanto en el retículo endoplasmático rugoso como en el liso y los etiqueta para enviarlos a donde corresponda, fuera o dentro de la célula. Las principales funciones del aparato de Golgi vienen a ser las siguientes:

• Modificación de sustancias sintetizadas en el RER: En el aparato de Golgi se transforman las sustancias procedentes del RER. Estas transformaciones pueden ser agregaciones de restos de carbohidratos para conseguir la estructura definitiva o para ser proteolizados y así adquirir su conformación activa.

Por ejemplo, en el RER de las células acinosas del páncreas se sintetiza la proinsulina que debido a las transformaciones que sufre en el aparato de Golgi, adquirirá la forma o conformación definitiva de la insulina. Las enzimas que se encuentran en el interior de los dictiosomas son capaces de modificar las macromoléculas mediante glicosilación (adición de carbohidratos) y fosforilación (adición de fosfatos).

Las proteínas también son marcadas con secuencias señal que determinan su destino final, como por ejemplo, la manosa-6-fosfato que se añade a las proteínas destinadas a los lisosomas. Para llevar a cabo el proceso de fosforilación el aparato de Golgi importa moléculas de ATP al interior del lumen, donde las kinasas catalizan la reacción. Algunas de las moléculas fosforiladas en el aparato de Golgi son las apolipoproteínas que dan lugar a las conocidas VLDL que se encuentran en el plasma sanguíneo. Parece ser que la fosforilación de estas moléculas es necesaria para favorecer la secreción de las mismas al torrente sanguíneo.

• Secreción celular: las sustancias atraviesan todos los sáculos del aparato de Golgi y cuando llegan a la cara trans del dictiosoma, en forma de vesículas de secreción, son transportadas a su destino fuera de la célula, atravesando la membrana citoplasmática por exocitosis. Un ejemplo de esto son los proteoglicanos que conforman la matriz extracelular de los animales. El aparato de Golgi es el orgánulo de mayor síntesis de carbohidratos. Esto incluye la producción de glicosaminoglicanos (GAGs)
• Producción de membrana citoplasmática: los gránulos de secreción cuando se unen a la membrana en la exocitosis pasan a formar parte de esta, aumentando el volumen y la superficie de la célula.
• Formación de los lisosomas primarios.

• Formación del acrosoma de los espermios.

Vesículas de transporte.

Las vesículas formadas en el retículo endoplasmático liso forman, uniendose entre ellas, agregados tubulo-vesiculares, los cuales son transportados hasta la región cis del aparato de Golgi por proteinas motoras guiadas por microtúbulos donde se fusionan con la membrana de éste, vaciando su contenido en el interior del lumen. Una vez dentro, las moléculas son modificadas, marcadas y dirigidas hacia su destino final. El aparato de Golgi tiende a ser mayor y más numeroso en aquellas células que sintetizan y secretan continuamente sustancias, como pueden ser los linfocitos B y las células secretoras de anticuerpos.

Aquellas proteínas destinadas a zonas alejadas del aparato de Golgi son desplazadas hacia la región trans, internándose en una compleja red de membranas y vesículas asociadas denominadas región trans-Golgi. Esta región es donde muchas proteínas son marcadas y enviadas hacia sus correspondientes destinos por medio de alguno de estos 3 tipos diferentes de vesículas, según el marcador que presenten:

Tipo	Descripción	Ejemplo
Vesículas de exocitosis (constitutivas)	Este tipo de vesículas contienen proteínas que deben ser liberadas al medio extracelular. Después de internalizarse las proteínas, la vesícula se cierra y se dirige inmediatamente hacia la membrana plasmática, con la que se fusiona, liberando así su contenido al medio extracelular. Este proceso es denominado secreción constitutiva.	Los anticuerpos liberados por linfocitos B activados.
Vesículas de secreción (reguladas)	Este tipo de vesículas contienen también proteínas destinadas a ser liberadas al medio extracelular. Sin embargo, en este caso, la formación de las vesículas va seguida de su almacenamiento en la célula, donde se mantendrán a la espera de su correspondiente señal para activarse. Cuando esto ocurre, se dirigen hacia la membrana plasmática y liberan su contenido como en el caso anterior. Este proceso es denominado secreción regulada.	Liberación de neurotransmisores desde las neuronas.
Vesículas lisosomales	Este tipo de vesículas transportan proteínas destinadas a los lisosomas, unos pequeños orgánulos de degradación en cuyo interior albergan multitud de hidrolasas ácidas, lisosomas de almacenamiento. Estas proteínas pueden ser tanto enzimas digestivas como proteínas de membrana. La vesícula se fusiona con un endosoma tardío y transfiere así su contenido al lisosoma por mecanismos aún desconocidos.	Proteasas digestivas destinadas a los lisosomas.

Mecanismo de transporte.

Microfotografía donde se puede observar el aparato de Golgi como una serie de anillos negros semicirculares apilados cerca de la base. También se pueden observar numerosas vesículas circulares en las proximidades del orgánulo.

Los mecanismos de transporte que utilizan las proteínas para trasladarse a través del aparato de Golgi no están muy claros aún, por lo que existen diversas hipótesis para explicar dicho desplazamiento. Actualmente, existen dos modelos predominantes que no son excluyentes entre sí, hasta el punto de ser referidos a veces como el modelo combinado.

• Modelo de maduración de las cisternas: las cisternas del aparato de Golgi llevan cabo un movimiento unidireccional desde la región cis, donde se forman, hasta la región trans, donde son destruidas. Las vesículas del retículo endoplasmático se fusionan con los dictiosomas de la región cis para dar lugar a nuevas cisternas, lo que podría generar el movimiento de las cisternas a través del aparato de Golgi a medida que se van formando nuevas cisternas en la región cis. Este modelo se apoya en el hecho de que se han observado al microscopio estructuras mayores que las vesículas de transporte, tales como las fibras de colágeno, desplazándose a través del aparato de Golgi. Inicialmente, esta hipótesis tuvo una gran acogida y fue la más aceptada hasta los años 80. Los últimos estudios realizados al respecto por la Universidad de Tokio y la Universidad de Chicago con tecnología más avanzada han permitido observar con mayor detalle los compartimentos y el proceso de maduración del aparato de Golgi. Además, existen evidencias de movimientos retrógrados (en dirección cis) de cierto tipo de vesículas (COP1), que transportan proteínas del retículo endoplasmático mediante el reconocimiento de péptidos señales.

Esquema del transporte en un dictiosoma. 1: Vesículas del retículo endoplasmático. 2: Vesículas de exocitosis. 3: Cisterna. 4: Membrana plasmática de la célula. 5: Vesícula de secreción.

• Modelo del transporte vesicular: el transporte vesicular asume que el aparato de Golgi es un orgánulo muy estable y estático, dividido en compartimentos que se disponen en dirección cis → trans. Las vesículas son las encargadas de transportar el material entre el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi y entre los diferentes compartimentos de este. Las evidencias experimentales que apoyan esta hipótesis se basan en la gran abundancia de vesículas pequeñas (conocidas técnicamente como vesículas lanzadera) localizadas en las proximidades del aparato de Golgi. La direccionalidad vendría dada por las proteínas trasportadas en el interior de las vesículas, cuyo destino determinaría el movimiento de avance o de retroceso a través del aparato de Golgi, aunque también podría suceder que la direccionalidad no fuera necesaria y el destino de las proteínas viniera ya determinado desde el retículo endoplasmático. Al margen de esto, es probable que el transporte de vesículas se encuentre asociado al citoesqueleto por medio de filamentos de actina, encargados de asegurar la fusión de las vesículas con sus correspondientes compartimentos.

Modelos de transporte de moléculas (color naranja) a través del aparato de Golgi. En el modelo de maduración de cisternas (arriba) las cisternas se crean en el lado cis y se desplazan, mientras van madurando, hacia el lado trans donde se transforman en vesículas. En el modelo de cisternas permanentes (abajo) las moléculas viajan de una cisterna a la cisterna contigua, en dirección hacia el lado trans, englobadas en vesículas (vesículas de color naranja). Las vesículas celestes representan el proceso de reciclaje hacia el lado cis, que es incluido por los dos modelos.

Los estudios realizados hasta ahora hacen pensar que la función del aparato de golgi es la de intervenir en los procesos secretores de la célula y la de servir de almacenamiento temporal para proteínas y otros compuestos sintetizados en el retículo endoplasmático.

¿CUÁNTOS APARATOS de GOLGI HAY en una CÉLULA y DÓNDE ESTÁN?

El Aparato de Golgi (AG) es un sistema mixto de cisternas apiladas (compartimentos rodeados de membrana, flechas rojas) y de vesículas (flechas azules) que se localiza en el citoplasma de las células.

Una célula contiene más de un AG y puede llegar ha haber hasta 50. En la imagen inferior se muestra solo una sección del citoplasma de una célula, a la izquierda está el núcleo (N), en esta sección hay hasta 3 Aparatos de Golgi distintos (flechas).

¿CÓMO SE DIFERENCIA el APARATO DE GOLGI del RETÍCULO ENDOPLÁSMICO?

Hay varias diferencias entre el Aparato de Golgi y el retículo endoplásmico rugoso:
Las cisternas del AG (flechas rojas, abajo) están muy próximas entres si, las del RER están más separadas.
Las cisternas del RER forman complejos que se extienden por gran parte del citoplasma, mientras que las cisternas del AG ocupan un espacio discreto del citoplasma
El AG contiene vesículas asociadas (flechas azules abajo), el RER no.
Las membranas de las cisternas del AG no se asocian a ribosomas por lo que presentan un aspecto menos granuloso y oscuro que las de las cisternas del RER.
Las cisternas del AG no están comunicadas entre sí.

EL AG ES UNA ESTRUCTURA DINÁMICA

Observa las caras cis y trans del AG ¿Es el AG una estructura que se forma, se mantiene y se renueva gracias a un mecanismo continuo de fusión y gemación de vesículas?

Es una estructura polarizada: el lado cis, por donde entran las moléculas provenientes del retículo endoplasmático, cisternas intermedias, donde se procesan dichas moléculas, y el lado trans, desde donde se reparten a otros compartimentos.

Las moléculas viajan en las cisternas que se desplazan desde el lado cis al lado trans y durante este viaje se van procesando.

Funciones: principal centro de glucosidación, tambiéen se produce síntesis de esfingolípidos, sulfatación, fosforilación, etcétera. Es un centro de reparto de moléculas.

b) Modelo de los compartimentos estables. En este modelo los cuerpos túbulo-vesiculares (ERGIC) formados a partir del retículo endoplasmático se unen a una cisterna del lado cis y desde esa cisterna 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.

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. Podrían ser conductos por los que ciertas moléculas viajan entre cisternas próximas.

Curiosidades.

En un reciente artículo aparecido en el Journal of the American Chemical Society un equipo del Instituto Politécnico Rensselaer (EE.UU.) dirigido por Robert Linhart, anuncia que han dado un paso de gigante en la fabricación de un aparato de Golgi artificial. Este logro puede ser de una enorme importancia en el tratamiento de distintas enfermedades, aparte de contribuir a la construcción de la primera célula artificial.

La necesidad de estas moléculas de azúcar es una de las razones por las que la fabricación de fármacos basados en proteínas no es tan sencilla como pudiera parecer. La biotecnología ha conseguido tomar los genes de un organismo (un humano, por ejemplo) y ponerlo en otro (una levadura) con objeto de conseguir grandes cantidades de una determinada proteína. Pero si el aparato de Golgi de la levadura aplica sus criterios de levadura a la hora de terminar la proteína en vez de aplicar criterios humanos, el resultado puede que no sea un fármaco eficaz. Algunas enfermedades, además, son el resultado de una glicosilación (que es como se llama el proceso de añadir azúcares a la proteína) incorrecta. Debido a la importancia que tiene comprender la glicosilación es por lo que es tan interesante este trabajo.

Aunque el aparato de Golgi artificial que el equipo de Linhart ha diseñado es mucho más grande que una célula, todavía es pequeño para los estándares de la ingeniería humana.

La primera molécula que el equipo de Linhart pasó por el dispositivo fue el sulfato de heparán (también llamado heparán sulfato). Esta molécula es un precursor de la heparina, un importante anticoagulante que, a la presente, tiene que extraerse de la sangre por que no se puede sintetizar industrialmente. El sulfato de heparán no es una proteína, sino un glucosaminoglucano, es decir, una molécula parecida a un azúcar muy rica en azufre de las que participan en el proceso de glicosilación. Los investigadores unieron moléculas de sulfato de heparán a pequeñas partículas magnéticas (el ser magnéticas hace que sea más fácil extraerlas al final del proceso), y las hicieron pasar por el aparato de Golgi artificial que habían preparado para que imitase la ruta bioquímica que se piensa que convierte el sulfato de heparán en heparina.

Lo que salió se parecía mucho a la heparina. No sólo eso, también presentaba las propiedades anticoagulantes de la heparina, por lo que el aparato de Golgi parecía funcionar. Los próximos pasos son investigar como el proceso puede adaptarse a escalas mayores, y empezar a jugar con la ruta bioquímica para ver si se puede conseguir algo aún mejor que la heparina.