ซิสเทอร์นา ( พหูพจน์ : ซิสเทอร์นา ) คือ ถุงเม มเบรน แบน ที่พบในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมและกอลจิแอพพาราตัส [ ^{1 ] ซิ}สเทอร์นาเป็นส่วนสำคัญของกระบวนการบรรจุและดัดแปลงโปรตีนที่เกิดขึ้นในกอลจิ^{[ 2 ]}

โปรตีนเริ่มต้นที่ด้านซิสของกอลจิ (ด้านที่หันเข้าหา ER) และออกทางด้านทรานส์ (ด้านที่หันเข้าหาเยื่อหุ้มเซลล์) ^{[ 2 ]}ตลอดการเดินทางในซิสเทอร์นา โปรตีนจะถูกบรรจุและดัดแปลงเพื่อการขนส่งไปทั่วเซลล์^{[ 2 ]}จำนวนซิสเทอร์นาในกองกอลจิขึ้นอยู่กับสิ่งมีชีวิตและชนิดของเซลล์^{[ 3 ]}โครงสร้าง องค์ประกอบ และหน้าที่ของซิสเทอร์นาแต่ละอันอาจแตกต่างกันภายในกองกอลจิ ซิสเทอร์นาของกอลจิที่แตกต่างกันเหล่านี้ถูกจัดประเภทเป็นสามกลุ่ม ได้แก่ เครือข่ายกอลจิซิส เครือข่ายกอลจิกลาง และเครือข่ายกอลจิทรานส์^{[ 2 ]}เครือ ข่ายกอลจิ ซิสเป็นขั้นตอนแรกในโครงสร้างซิสเทอร์นาของโปรตีนที่กำลังถูกบรรจุ ในขณะที่ เครือข่ายกอลจิ ทรานส์เป็นขั้นตอนสุดท้ายในโครงสร้างซิสเทอร์นาเมื่อเวสิเคิลถูกถ่ายโอนไปยังไลโซโซมผิวเซลล์ หรือเวสิเคิลหลั่ง ซิสเทอร์นาถูกสร้างขึ้นโดยโครงร่างของเซลล์ผ่านเยื่อไขมันสองชั้น^{[ 4 ]}การดัดแปลงหลังการแปลเช่น การไกลโคซิเลชัน การฟอสโฟรีเลชัน และการแตกตัว เกิดขึ้นในกอลจิ และเมื่อโปรตีนเคลื่อนที่ผ่านกอลจิ โปรตีนจะผ่านซิสเทอร์นา ซึ่งช่วยให้สามารถสร้างช่องไอออนที่ใช้งานได้เนื่องจากการดัดแปลงเหล่านี้^{[ 5 ]}ซิสเทอร์นาแต่ละประเภทประกอบด้วยเอนไซม์ต่างๆ ที่ใช้ในการดัดแปลงโปรตีน^{[ 2 ]}เอนไซม์เหล่านี้ช่วยกอลจิในการไกลโคซิเลชันและการฟอสโฟรีเลชันของโปรตีน รวมถึงการเป็นตัวกลางในการดัดแปลงสัญญาณเพื่อนำโปรตีนไปยังปลายทางสุดท้าย^{[ 2 ]}ความบกพร่องในเอนไซม์ซิสเทอร์นาสามารถทำให้เกิดความบกพร่องแต่กำเนิด รวมถึงโรคกล้ามเนื้อเสื่อมบางชนิด โรคซิสติกไฟโบรซิส มะเร็ง และเบาหวาน^{[ 2 ]}

เครือข่ายทรานส์-กอลจิเป็นส่วนสำคัญของกอลจิ ตั้งอยู่บนด้านทรานส์ของเครื่องมือกอลจิและประกอบด้วยซิสเทอร์นา ซิสเทอร์นามีบทบาทสำคัญในการบรรจุ ปรับเปลี่ยน และขนส่งสารต่างๆ ทั่วเซลล์โปรตีนและพอลิแซ็กคาไรด์ที่ได้รับการประมวลผลภายในซิสเทอร์นาจะถูกส่งไปยังตำแหน่งที่กำหนด^{[ 3 ]}

มีซิสเทอร์นาหลายประเภทที่สามารถจำแนกได้จากความแตกต่างทางสัณฐานวิทยา ความแตกต่างเหล่านี้รวมถึงเอนไซม์ที่เกี่ยวข้องกับไกลโคซิเลชันซึ่งได้รับการระบุในซิสเทอร์นาที่ตั้งอยู่ในบริเวณต่างๆ ของกอลจิ ความแตกต่างในตำแหน่งของเอนไซม์ทั่วทั้งซิสเทอร์นาสามารถช่วยให้กอลจิทำงานได้โดยการควบคุมค่า pH ความเข้มข้นของไอออน และปริมาณของสารตั้งต้นที่จำเป็น นอกจากนี้ยังช่วยให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาเกิดขึ้นในตำแหน่งที่ถูกต้องภายในกอลจิ และโปรตีนจะไม่ได้รับการดัดแปลงที่ผิดพลาดหากอยู่ในตำแหน่งที่ไม่ถูกต้อง^{[ 3 ]}

เครือข่ายซิสโกลจิเป็นขั้นตอนแรกในโครงสร้างซิสเทอร์นัลของโปรตีนที่กำลังถูกบรรจุ ในขณะที่เครือข่ายทรานส์โกลจิเป็นขั้นตอนสุดท้ายในโครงสร้างซิสเทอร์นัลเมื่อเวสิเคิลถูกส่งไปยังไลโซโซม ผิวเซลล์ หรือเวสิเคิลหลั่ง ซิสเทอร์นาตรงกลางเป็นที่ที่สารตกค้างของแมนโนสและเอ็น-อะเซทิลกลูโคซามีนส่วนเกินถูกกำจัดออกไป

เครื่องมือ Golgi มีบทบาทสำคัญในการดัดแปลงโปรตีนผ่านกระบวนการไกลโคซิเลชันโดยเฉพาะอย่างยิ่ง ไกลโคซิเลชันแบบ N -linkedซึ่งเป็นกระบวนการสำคัญสำหรับการพับตัว ความเสถียร และการทำงานที่เหมาะสมของโปรตีนที่หลั่งออกมาและโปรตีนที่ยึดติดกับเยื่อหุ้มเซลล์จำนวนมาก^{[ 6 ]} ไกลโคซิเลชันแบบ N -linked เกี่ยวข้องกับการยึดติดของโอลิโกแซ็กคาไรด์กับอะตอมไนโตรเจนของสารตกค้างแอสปาราจีนในโปรตีน โอลิโกแซ็กคาไรด์เหล่านี้ประกอบด้วยหน่วยน้ำตาลต่างๆ รวมถึง N-acetylglucosamine (GlcNAc), mannose (Man), galactose (Gal) และ N-acetylneuraminate (NANA หรือที่รู้จักกันในชื่อกรดไซอะลิก) โครงสร้างไกลโคซิเลชันเหล่านี้เป็นส่วนสำคัญสำหรับการทำงานของโปรตีนที่เหมาะสม มีอิทธิพลต่อปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ การขนส่งโปรตีน และการจดจำภูมิคุ้มกัน^{[ 7 ]}

การไกลโคซิเลชันแบบ N -linked เริ่มต้นในเอนโดพลาสมิกเรติคูลัมแบบหยาบ (ER) ซึ่งมีการสังเคราะห์โอลิโกแซ็กคาไรด์ตั้งต้นบนตัวพาไขมันที่เรียกว่าโดลิโคล โอลิโกแซ็กคาไรด์ตั้งต้นประกอบด้วยโครงสร้างหลักที่ประกอบด้วยหน่วย N-acetylglucosamine (GlcNAc) สองหน่วย หน่วยแมนโนส (Man) เก้าหน่วย และหน่วยกลูโคส (Glc) สามหน่วย^{[ 7 ]}จากนั้นโอลิโกแซ็กคาไรด์ตั้งต้นจะถูกถ่ายโอนไปยังหน่วยแอสปาราจีนของโปรตีนทันทีที่โปรตีนเข้าสู่ลูเมนของ ER การยึดติดของโอลิโกแซ็กคาไรด์กับแอสปาราจีนนั้นถูกเร่งปฏิกิริยาโดยเอนไซม์โอลิโกแซ็กคาริลทรานสเฟอเรส^{[ 8 ]}

เมื่อโปรตีนที่ถูกไกลโคซิเลตเข้าสู่ ER แล้ว กระบวนการแปรรูปโอลิโกแซ็กคาไรด์จะเกิดขึ้นต่อไป เอนไซม์เฉพาะ 3 ชนิดมีบทบาทสำคัญในขั้นตอนเริ่มต้นของการไกลโคซิเลชันนี้ ประการแรก กลูโคซิเดส Iจะกำจัดกลูโคส 1 โมเลกุลออกจากโอลิโกแซ็กคาไรด์ จากนั้น กลูโคซิเดส IIจะกำจัดกลูโคสอีก 2 โมเลกุล เหลือไว้เพียงโอลิโกแซ็กคาไรด์หลักที่ติดอยู่กับโปรตีน สุดท้าย เอนไซม์แมนโนซิเดสจะกำจัดแมนโนส 1 โมเลกุล^{[ 7 ]}หลังจากการตัดแต่งเบื้องต้นนี้ โอลิโกแซ็กคาไรด์ก็พร้อมที่จะเคลื่อนจาก ER ไปยังเครื่องมือ Golgi เพื่อการดัดแปลงที่ซับซ้อนยิ่งขึ้น

ใน Golgi จะมีการตัดแต่งและเพิ่มหมู่ของน้ำตาลเพิ่มเติม โดยเฉพาะอย่างยิ่งการกำจัดแมนโนสและการเพิ่มน้ำตาลต่างๆ เช่นGlcNAc , กาแลคโตส (Gal) และกรดไซอะลิก (NANA) Golgi mannosidase Iและmannosidase IIจะกำจัดหมู่แมนโนสเพิ่มเติมออกจากโอลิโกแซ็กคาไรด์ ทำให้โครงสร้างมีความละเอียดมากขึ้น จากนั้น GlcNAc transferase จะเพิ่มหมู่ GlcNAc เข้าไปในสายโอลิโกแซ็กคาไรด์ที่กำลังเติบโตโดยการถ่ายโอน GlcNAc จาก UDP-GlcNAc ใน medial-Golgi โอลิโกแซ็กคาไรด์จะได้รับการดัดแปลงเพิ่มเติม รวมถึงการเพิ่มหน่วย GlcNAc สองหน่วย หมู่ Gal สามหน่วย และสุดท้ายคือหมู่กรดไซอะลิก (NANA) สามหน่วยในเครือข่าย trans-Golgi ^{[ 7 ]}

แต่ละส่วนของกอลจิมีบทบาทที่แตกต่างกันในการไกลโคซิเลชันและการประมวลผลโปรตีน เครือข่ายซิส-กอลจิเกี่ยวข้องกับการฟอสโฟรีเลชันของโอลิโกแซ็กคาไรด์บนโปรตีนไลโซโซม ซึ่งเป็นการดัดแปลงที่ช่วยกำหนดเป้าหมายโปรตีนไปยังไลโซโซม กอลจิส่วนกลางเป็นแหล่งที่เกิดปฏิกิริยาสำคัญ เช่น การตัดแต่งแมนโนสและการเพิ่ม GlcNAc ซึ่งจำเป็นสำหรับการสร้างโครงสร้างไกลแคนที่ซับซ้อน ในทรานส์-กอลจิ จะมีการเพิ่มกาแลคโตสลงในโอลิโกแซ็กคาไรด์ ทำให้โครงสร้างไกลแคนมีความละเอียดมากขึ้น เครือข่ายทรานส์-กอลจิมีหน้าที่ในการเพิ่มกรดไซอะลิก (NANA) และคัดแยกโปรตีนลงในเวสิเคิลที่มุ่งไปยังไลโซโซมหรือการหลั่ง^{[ 7 ]}การดัดแปลงและการคัดแยกเฉพาะเหล่านี้มีความสำคัญต่อการทำงานของโปรตีนและปลายทางของเซลล์ในภายหลัง

การจัดเรียงส่วนของกอลจิเป็นซิสเทอร์นา—โครงสร้างที่ล้อมรอบด้วยเยื่อหุ้มเซลล์—ทำให้มั่นใจได้ว่าเอนไซม์จะอยู่เฉพาะที่ในแต่ละบริเวณอย่างเหมาะสม ซึ่งอำนวยความสะดวกในการดัดแปลงโอลิโกแซ็กคาไรด์อย่างเป็นลำดับและมีการควบคุมอย่างเข้มงวด เครื่องมือของกอลจิมีบทบาทสำคัญใน กระบวนการไกลโคซิเลชันแบบ N -linked ซึ่งเริ่มต้นใน ER และดำเนินไปภายในกอลจิ โดยการตัดแต่งและเติมน้ำตาลอย่างต่อเนื่อง เช่น GlcNAc, แมนโนส, กาแลคโตส และกรดไซอะลิก กอลจิทำให้มั่นใจได้ว่าโปรตีนได้รับการดัดแปลงอย่างเหมาะสมสำหรับบทบาทหน้าที่สุดท้ายของมัน บริเวณต่างๆ ของกอลจิ ตั้งแต่ซิส-กอลจิ ไปจนถึงเครือข่ายทรานส์-กอลจิ ทำงานร่วมกันเพื่ออำนวยความสะดวกในการดัดแปลงและการคัดแยกไกลโคโปรตีนอย่างแม่นยำ ซึ่งจำเป็นต่อการทำงานของเซลล์ในหลายๆ ด้าน

เส้นทางการหลั่งสารมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการคัดแยก บรรจุ และส่งโปรตีนไปยังตำแหน่งที่ถูกต้องภายในเซลล์ เส้นทางนี้เริ่มต้นที่ร่างแหเอนโดพลาสมิกแบบหยาบ (ER) ซึ่งเป็นที่ที่โปรตีนถูกสังเคราะห์และคัดแยกเบื้องต้นลงในถุงเวสิเคิลเพื่อการขนส่ง จากนั้นเวสิเคิลเหล่านี้จะเคลื่อนไปยังเครื่องมือของกอลจิ ซึ่งพวกมันจะได้รับการประมวลผลเพิ่มเติมและถูกส่งไปยังปลายทางสุดท้าย เช่น เยื่อหุ้มเซลล์ เอนโดโซม หรือไลโซโซม

ขั้นตอนแรกในเส้นทางการหลั่งคือการสร้างถุงขนส่งที่ ER ถุงเหล่านี้ถูกเคลือบด้วยCOPIIซึ่งเป็นโปรตีนเชิงซ้อนที่จำเป็นสำหรับการแตกหน่อออกจาก ER โปรตีนเคลือบ COPII ประกอบด้วยโปรตีนจับ GTP ขนาดเล็ก Sar1 และโปรตีนเชิงซ้อนเพิ่มเติมอีกสองชนิด ได้แก่ Sec23/Sec24 และ Sec13/Sec31 โปรตีนเคลือบเหล่านี้มีปฏิสัมพันธ์กับโปรตีนขนส่งของเยื่อหุ้มเซลล์ ทำให้มั่นใจได้ว่าโปรตีนที่ถูกต้องจะถูกบรรจุลงในถุง จากนั้นถุงจะเคลื่อนไปยังเครือข่ายซิส-กอลจิ ซึ่งพวกมันจะเข้าไปโดยการขนส่งผ่าน COPII ^{[ 7 ]}

เส้นทางการหลั่งยังต้องการการขนส่งย้อนกลับเพื่อรักษาการทำงานของเซลล์ โปรตีนที่อยู่ใน ER จำนวนมากมีสัญญาณการจัดเรียงเฉพาะที่สั่งให้โปรตีนเหล่านั้นถูกเก็บไว้ใน ER หรือส่งกลับจาก Golgi หากจัดเรียงผิดพลาด กระบวนการนี้เกิดขึ้นได้โดย เวสิเคิลที่เคลือบด้วย COPIซึ่งขนส่งโปรตีนเหล่านี้กลับไปยัง ER จาก Golgi ในกระบวนการที่เรียกว่าการขนส่งย้อนกลับ เวสิเคิล COPI ยังมีบทบาทสำคัญในการเคลื่อนย้ายเอนไซม์ที่อยู่ใน Golgi ระหว่างช่อง Golgi ต่างๆ เพื่อให้แน่ใจว่าแต่ละช่องยังคงมีเอนไซม์ที่จำเป็นสำหรับการดัดแปลงโปรตีนบรรทุกอย่างเหมาะสม^{[ 7 ]}

เมื่อเวสิเคิลไปถึงกอลจิ พวกมันจะได้รับการดัดแปลงเพิ่มเติม รวมถึงการเติมหมู่ไกลโคซิลและการประมวลผลด้วยโปรตีโอไลติก^{[ 7 ]}โปรตีนบรรทุกจะเคลื่อนที่ผ่านช่องกอลจิ (ซิส มีเดียล และทรานส์) โดยการขนส่งเวสิเคิลหรือการเจริญเติบโตของซิสเทอร์นา การขนส่งเวสิเคิลบ่งชี้ว่าซิสเทอร์นาของกอลจิยังคงอยู่กับที่ในขณะที่เวสิเคิลขนส่งโปรตีนบรรทุกระหว่างช่องต่างๆ ในทางตรงกันข้าม การเจริญเติบโตของซิสเทอร์นาบ่งชี้ว่าซิสเทอร์นาของกอลจิเองจะเจริญเติบโตเมื่อเอนไซม์และโปรตีนบรรทุกเคลื่อนที่ผ่านกองไปเรื่อยๆ ในขณะที่ซิสเทอร์นาแลกเปลี่ยนเอนไซม์แบบย้อนกลับโดยเวสิเคิล COPI ^{[ 6 ]}

ที่เครือข่ายทรานส์-กอลจิ โปรตีนขนส่งจะถูกคัดแยกไปยังเวสิเคิลต่างๆ เพื่อส่งไปยังปลายทางสุดท้าย สำหรับโปรตีนไลโซโซม จะมีการดัดแปลงที่สำคัญเกิดขึ้น นั่นคือ การเพิ่ม หมู่ แมนโนส-6-ฟอสเฟต (M6P) ในซิส-กอลจิ แท็ก M6P เหล่านี้จะถูกจดจำโดยตัวรับ M6Pในเยื่อหุ้มทรานส์-กอลจิ ซึ่งจะนำโปรตีนไปยังเอนโดโซมระยะท้าย ในเอนโดโซม ตัวรับ M6P จะแยกตัวออกจากโปรตีนขนส่ง และตัวรับจะถูกนำกลับไปยังกอลจิหรือเยื่อหุ้มพลาสมา จากนั้นเอนไซม์ไลโซโซมจะถูกส่งไปยังไลโซโซมเพื่อทำหน้าที่สุดท้ายในการย่อยสลายเซลล์^{[ 7 ]}

ดังนั้น เส้นทางการหลั่งสารจึงเป็นกระบวนการที่มีการประสานงานกันอย่างสูง โดยเกี่ยวข้องกับกลไกการขนส่งแบบเวสิเคิลและการดัดแปลงต่างๆ เพื่อให้แน่ใจว่าโปรตีนได้รับการคัดแยก ประมวลผล และส่งไปยังตำแหน่งที่เหมาะสมภายในเซลล์อย่างถูกต้อง