У 1898 році італійський вчений К. Гольджі виявив в нервових клітинах сітчасті освіти, які він назвав "внутрішнім сітчастим апаратом" (рис. 174). Сітчасті структури (апарат Гольджі) зустрічаються у всіх клітинах будь-яких еукаріотних організмів. Зазвичай апарат Гольджі розташовується близько ядра, поблизу клітинного центру (центриоли).
Тонке будова апарату Гольджі. Апарат Гольджі складається з мембранних структур, зібраних разом в невеликій зоні (рис. 176, 177). Окрема зона скупчення цих мембран називається діктіосоми (рис. 178). У діктіосоме щільно один до одного (на відстані 20-25 нм) розташовані у вигляді стопки плоскі мембранні мішки, або цистерни, між якими розташовуються тонкі прошарки гіалоплазми. Кожна окрема цистерна має діаметр близько 1 мкм і змінну товщину; в центрі її мембрани можуть бути зближені (25 нм), а на периферії мати розширення, ампули, ширина яких непостійна. Кількість таких мішків в стосі зазвичай не перевищує 5-10. У деяких одноклітинних їх число може досягати 20 штук. Крім щільно розташованих плоских цистерн в зоні АГ спостерігається безліч вакуолей. Дрібні вакуолі зустрічаються головним чином в периферичних ділянках зони АГ; іноді видно, як вони отшнуровиваются від ампулярних розширень на краях плоских цистерн. Прийнято розрізняти в зоні діктіосоми проксимальний або формується, цис-ділянку, і дистальний або зрілий, транс-ділянку (рис. 178). Між ними розташовується середній або проміжний ділянку АГ.
Під час поділу клітин сітчасті форми АГ розпадаються до диктиосом, які пасивно і випадково розподіляються по дочірнім клітинам. При зростанні клітин загальна кількість диктиосом збільшується.
У секреторних клітинах зазвичай АГ поляризований: його проксимальна частина звернена до цитоплазми і ядра, а дистальна - до поверхні клітини. У проксимальній ділянці до стопках зближених цистерн примикає сетевидная або Губкообразная система мембранних порожнин. Вважається, що ця система являє собою зону переходу елементів ЕР в зону апарату Гольджі (рис. 179).
У середній частині діктіосоми периферія кожної цистерни також супроводжується масою дрібних вакуолей близько 50 нм в діаметрі.
У дистальному або транс-ділянці диктиосом до останньої мембранної плоскою цистерні примикає ділянка, що складається з трубчастих елементів і маси дрібних вакуолей, часто мають фибриллярную опушенность по поверхні з боку цитоплазми - це опушені або облямовані пухирці такого ж типу, як і облямовані пухирці при Піноцитоз. Це - так звана транс-мережу апарату Гольджі (TGN), де відбувається поділ і сортування секретується продуктів. Ще дистальніше розташовується група більших вакуолей - це вже продукт злиття дрібних вакуолей і освіти секреторних вакуолей.
За допомогою мегавольтної електронного мікроскопа було встановлено, що в клітинах окремі діктіосоми можуть бути пов'язані один з одним системою вакуолей і цистерн і утворювати пухку тривимірну мережу, яка спостерігається в світловому мікроскопі. У разі дифузної форми АГ кожен окремий його ділянку представлений діктіосоми. У клітин рослин переважає дифузний тип організації АГ, зазвичай в середньому на клітину припадає близько 20 диктиосом. У клітинах тварин часто з зоною мембран апарату Гольджі асоційовані центриоли; між радіально відходять від них пучків мікротрубочок лежать групи стопок мембран і вакуолей, які концентрично оточують клітинний центр. Цей зв'язок, свідчить про участь мікротрубочок в русі вакуолей.
Секреторна функція апарату Гольджі. Основні функції АГ полягають в накопиченні продуктів, синтезованих в ЕР, забезпечення їх хімічних перебудов, дозрівання.
У цистернах АГ відбувається синтез полісахаридів, їх взаємозв'язок з білками. і освіту мукопротеїдів. Але головною функцією апарату Гольджі є виведення готових секретів за межі клітини. Крім того, АГ є джерелом клітинних лізосом.
Синтезований на рибосомах експортований білок відокремлюється і накопичується всередині цистерн ЕР, за якими він транспортується до зони мембран АГ. Тут від гладких ділянок ЕР отщепляются дрібні вакуолі, що містять синтезований білок, які надходять в зону вакуолей в проксимальної частини діктіосоми. У цьому місці вакуолі зливаються один з одним і з плоскими цис-цистернами діктіосоми. Таким чином відбувається перенесення білкового продукту вже всередині порожнин цистерн АГ.
У міру модифікації білки в цистернах апарату Гольджі, за допомогою дрібних вакуолей переносяться від цистерн до цистерні в дистальну частину діктіосоми, поки не досягнуть трубчастої мембранної мережі в транс-ділянці діктіосоми. У цій ділянці відбувається відщеплення дрібних бульбашок, що містять вже зрілий продукт. Цитоплазматическая поверхню таких бульбашок буває схожа із поверхнею облямованих бульбашок, які спостерігаються при рецепторном Піноцитоз. Відокремилися дрібні бульбашки зливаються один з одним, утворюють секреторні вакуолі. Після цього секреторні вакуолі починають рухатися до поверхні клітини, плазматична мембрана і мембрани вакуолей зливаються, і, таким чином, вміст вакуолей виявляється за межами клітини. Морфологічно цей процес екструзії (викидання) нагадує пиноцитоз, тільки зі зворотним послідовністю стадій. Він носить назву екзоцитоз.
Модифікація білків в апараті Гольджі. У цис-зону апарату Гольджі синтезовані в ЕР білки потрапляють після первинного гликозилирования і редукції декількох Сахарідний залишків. Після чого всі білки отримують однакові олігосахаридні ланцюги, що складаються з двох молекул N-ацетилглюкозамін, шести молекул манози (рис. 182). У цис-цистернах відбувається вторинна модифікація олігосахаридних ланцюгів і їх сортування на два класи. В результаті сортування виходить один клас фосфорилюються олигосахаридов (багаті манози) для гідролітичних ферментів, призначених для лізосом, і інший клас олигосахаридов для білків, що спрямовуються в секреторні гранули або до плазматичної мембрани
Перетворення олигосахаридов здійснюються за допомогою ферментів - глікозилтрансфераз, що входять до складу мембран цистерн апарату Гольджі. Так як кожна зона в діктіосоми має свій набір ферментів глікозилювання, то глікопротеїди як би по естафеті переносяться з одного мембранного відсіку ( "поверху" в стосі цистерн діктіосоми) в інший і в кожному піддаються специфічного впливу ферментів. Так в цис-ділянці відбувається фосфорилювання манози в лізосомних ферментах і утворюється особлива манозу-6-угруповання, характерна для всіх гідролітичних ферментів, які потім потраплять в лізосоми.
У середній частині диктиосом протікає вторинне глікозилювання секреторних білків: додаткове видалення манози і приєднання N-ацетилглюкозамін. У транс-ділянці до олігосахарідним ланцюга приєднуються галактоза і сіалові кислоти (рис. 183).
У ряді спеціалізованих клітин в апараті Гольджі відбувається синтез власне полісахаридів.
В апараті Гольджі рослинних клітин синтезуються полісахариди матриксу клітинної стінки (геміцелюлози, пектини). Діктіосоми рослинних клітин беруть участь у синтезі і виділенні слизу і муцинов, до складу яких входять також полісахариди. Синтез ж основного каркасного полісахариду рослинних клітинних стінок, целюлози, відбувається на поверхні плазматичної мембрани.
В апараті Гольджі клітин тварин синтезуються довгі нерозгалужені полісахаридні ланцюги глюкозаміногліканів. Глюкозаміноглікани ковалентно зв'язуються з білками і утворюють протеоглікани (мукопротеіни). Такі полісахаридні ланцюги модифікуються в апараті Гольджі і зв'язуються з білками, які у вигляді протеогліканів секретируются клітинами. В апараті Гольджі відбувається також сульфатами глюкозаміногліканів і деяких білків.
Сортування білків в апараті Гольджі. В кінцевому підсумку через апарат Гольджі проходить три потоку синтезованих клітиною нецітозольних білків: потік гидролитических ферментів для лізосом, потік виділяються білків, які накопичуються в секреторних вакуолях, і виділяються з клітини тільки після отримання спеціальних сигналів, потік постійно виділяються секреторних білків. Отже, в клітці існує механізм просторового поділу різних білків і їх шляхів слідування.
У цис- і середніх зонах диктиосом всі ці білки йдуть разом без поділу, вони тільки окремо модифікуються залежно від їх олігосахаридних маркерів.
Власне поділ білків, їх сортування, відбувається в транс-ділянці апарату Гольджі. Принцип відбору лізосомних гідролаз відбувається наступним чином (рис. 184).
Білки-попередники лізосомних гідролаз мають олігосахарідним, конкретніше маннозную групу. У цис-цистернах ці угруповання фосфорилюються і разом з іншими білками переносяться в транс-ділянку. Мембрани транс-мережі апарату Гольджі містять трансмембранний білок - рецептор (манноза-6-фосфатний рецептор або М-6-Ф-рецептор), який дізнається фосфорильовані маннозние угруповання олігосахарідним ланцюга лізосомних ферментів і зв'язується з ними. Отже М-6-Ф-рецептори, будучи трансмембранними білками, зв'язуючись з лізосомними гідролазами, відокремлюють їх, відсортовують, від інших білків (наприклад, секреторних, нелізосомних) і концентрують їх у облямованих бульбашках. Відірвавшись від транс-мережі ці бульбашки швидко втрачають облямівка, зливаються з ендосомамі, переносячи таким чином свої лізосомні ферменти, пов'язані з мембранними рецепторами, в цю вакуоль. Усередині ендосом через активність протонного переносника відбувається закислення середовища. Починаючи з рН 6 лізосомні ферменти диссоциируют від М-6-Ф-рецепторів, активуються і починають працювати в порожнині ендолізосоми. Ділянки ж мембран разом з М-6-Ф-рецепторами повертаються шляхом рециклізації мембранних бульбашок назад в транс-мережу апарату Гольджі.
Можливо, що частина білків, яка накопичується в секреторних вакуолях і виводиться з клітини після надходження сигналу (наприклад нервового або гормонального) проходить таку ж процедуру відбору, сортування на рецепторах транс-цистерн апарату Гольджі. Секреторні білки також спочатку потрапляють в дрібні вакуолі одягнені клатріном, а потім зливаються один з одним. У секреторних вакуолях білки накопичуються у вигляді щільних секреторних гранул, що призводить до підвищення концентрації білка в цих вакуолях приблизно в 200 разів, у порівнянні з його концентрацією в апараті Гольджі. У міру накопичення білків в секреторних вакуолях і після отримання клітиною відповідного сигналу вони шляхом екзоцитозу викидаються з клітки.
Від апарату Гольджі виходить і третій потік вакуолей, пов'язаний з постійною, конститувною секрецією. Наприклад, фібробласти виділяють велику кількість глікопротеїдів і муцинов, що входять в основну речовину сполучної тканини. Багато клітини постійно виділяють білки, які сприяють зв'язуванню їх з субстратами, постійно йде потік мембранних бульбашок до поверхні клітини, що несуть елементи гликокаликса і мембранних глікопротеїдів. Цей потік виділяються кліткою компонентів не підлягає сортуванню в рецепторной транс-системі апарату Гольджі. Первинні вакуолі цього потоку також отщепляются від мембран і відносяться за своєю структурою до облямованим вакуоль, що містить клатріна (рис. 185).
Закінчуючи розгляд будови і роботи такої складної мембранної органели, як апарат Гольджі, необхідно підкреслити, що незважаючи на уявну морфологічну однорідність його компонентів, вакуолі і цистерни, насправді, це не просто збіговисько бульбашок, а струнка, динамічна складно організована, поляризована система.
В АГ відбувається не тільки транспорт везикул від ЕР до плазматичної мембрани. Існує зворотний перенос везикул. Так от вторинних лізосом отщепляются вакуолі і повертаються разом з рецепторними білками в транс-АГ зону, існує потік вакуолей від транс-зони до цис-зоні АГ, а так само від цис-зони до ендоплазматичнийретикулум. У цих випадках вакуолі одягнені білками COP I-комплексу. Вважається, що таким шляхом повертаються різні ферменти вторинного гликозилирования і рецепторні білки в складі мембран.
Особливості поведінки транспортних везикул послужили підставою для гіпотези про існування двох типів транспорту компонентів АГ (рис. 186).
За першого типу в АГ є стабільні мембранні компоненти, до яких від ЕР транспортними вакуолями естафетно переносяться речовини. Інакше типу АГ є похідним ЕР: отщепа від перехідної зони ЕР мембранні вакуолі зливаються один з одним в нову цис-цистерну, яка потім просувається через всю зону АГ і в кінці розпадається на транспортні везикули. За цією моделлю ретроградні COP I везикули повертають постійні білки АГ в молодші цистерни.