揭示钠通道动力学使用高速原子力显微镜对细胞生物学的新见解

离子进出细胞的运输由嵌入细胞膜中的成孔蛋白控制。特别是，电压门控钠通道(VGSC)控制钠(Na+)离子的转移，并在膜电位(细胞外部和内部之间的电压差)的调节中发挥重要作用。

在神经元和肌肉细胞等可电兴奋的细胞中，VGSC参与动作电位的产生;这些是膜​​电位的快速变化，使得神经信号等的传输成为可能。然而，VGSC中发生的精确结构变化尚不完全清楚。

现在，金泽大学WPI-NanoLSI的AyumiSumino和TakashiSumikama与和歌山医科大学的KatsumasaIrie及其同事合作，通过高速原子力显微镜(HS-AFM)成功观察了VGSC的结构动力学。能够对生物分子的纳米结构和亚秒动力学进行成像的方法。

VGSC可以处于三种不同的状态：休息、不活动和活动。在后一种状态下，Na+离子可以通过通道;在结构不同的静止状态和非活动状态下，离子无法通过。VGSC的基本结构由两个模块组成：电压传感器域和孔隙域。这些域形成方形排列，离子孔位于其中心。一个重要的悬而未决的问题是，当通道关闭时，电压传感器域是否与孔域分离。

Sumino和同事在三个VGSC上进行了实验。一个是特定细菌(布茨莱弧菌)的钠通道，另外两个是该细菌的突变体。这三个VGSC具有不同的电压依赖性，激活电压从-120mV、-50mV和0mV开始，因此在实验条件(0mV)下，VGSC处于不同的状态。

为了深入了解这三种VGSC的结构动力学，研究人员应用了HS-AFM，这是一种用于生成生化化合物图像序列的强大技术。通过横向移动样品表面上方的尖端来生成单个AFM图像。

在此xy扫描运动期间，尖端在垂直于xy平面(z坐标)的方向上的位置将遵循样本的高度轮廓。尖端z坐标的变化会产生高度图——样本的图像。快速连续生成此类AFM图像即可生成样品的视频记录。

HS-AFM结果表明，对于静息状态的突变体VGSC，电压传感器域确实与孔域分离。此外，研究人员发现相邻通道的分离电压传感器域连接形成对，这称为二聚化。

对电压传感器域的解离以及孔通道之间的二聚化的观察，这些发现将有助于更好地理解导致孔在静息状态下关闭的原因以及如何调节动作电位的发展。引用科学家的话说，二聚化提供了“在动作电位上升阶段促进通道活动正协同性的潜在解释”。

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