Canal iónico controlado por voltaje
Los estudios estructurales cristalográficos de un canal de potasio han demostrado que, cuando se introduce una diferencia de potencial sobre la membrana, el campo eléctrico asociado induce un cambio conformacional en el canal de potasio. El cambio conformacional distorsiona la forma de las proteínas del canal lo suficiente como para que la cavidad, o el canal, se abra y permita la entrada o salida a través de la membrana. Este movimiento de iones por sus gradientes de concentración genera posteriormente una corriente eléctrica suficiente para despolarizar la membrana celular.
Los canales de sodio y los canales de calcio activados por voltaje están formados por un único polipéptido con cuatro dominios homólogos. Cada dominio contiene 6 hélices alfa que abarcan la membrana. Una de estas hélices, la S4, es la hélice de detección de voltaje. El segmento S4 contiene muchas cargas positivas de tal manera que una carga positiva alta fuera de la célula repele la hélice, manteniendo el canal en su estado cerrado.
En general, la porción de detección de voltaje del canal iónico es responsable de la detección de cambios en el potencial transmembrana que desencadenan la apertura o el cierre del canal. En general, se cree que las hélices alfa S1-4 cumplen esta función. En los canales de potasio y sodio, las hélices S4 que detectan el voltaje contienen residuos de lisina o arginina cargados positivamente en motivos repetidos. En su estado de reposo, la mitad de cada hélice S4 está en contacto con el citosol celular. Tras la despolarización, los residuos cargados positivamente en los dominios S4 se mueven hacia la superficie exoplásmica de la membrana. Se cree que las primeras 4 argininas son las responsables de la corriente de puerta, moviéndose hacia el disolvente extracelular al activarse el canal en respuesta a la despolarización de la membrana. El movimiento de 10-12 de estas cargas positivas unidas a la proteína desencadena un cambio conformacional que abre el canal. El mecanismo exacto por el que se produce este movimiento no está actualmente consensuado, sin embargo los modelos canónico, del transportador, de la paleta y de la torsión son ejemplos de las teorías actuales.
El movimiento del voltaje-sensor desencadena un cambio conformacional de la puerta de la vía conductora, controlando el flujo de iones a través del canal.
La parte funcional principal del dominio de la proteína sensible al voltaje de estos canales contiene generalmente una región compuesta por hélices S3b y S4, conocida como «paleta» debido a su forma, que parece ser una secuencia conservada, intercambiable a través de una amplia variedad de células y especies. También se ha encontrado una paleta sensora de voltaje similar en una familia de fosfatasas sensibles al voltaje en varias especies. La ingeniería genética de la región de la paleta de una especie de archaebacterias volcánicas en los canales de potasio del cerebro de rata da como resultado un canal iónico totalmente funcional, siempre que se sustituya la paleta intacta en su totalidad. Esta «modularidad» permite utilizar sistemas modelo sencillos y baratos para estudiar la función de esta región, su papel en la enfermedad y el control farmacéutico de su comportamiento, en lugar de limitarse a preparaciones mal caracterizadas, caras y/o difíciles de estudiar.
Aunque los canales iónicos activados por voltaje se activan típicamente por despolarización de la membrana, algunos canales, como los canales iónicos de potasio rectificadores hacia dentro, se activan en cambio por hiperpolarización.
Se cree que la puerta está acoplada a las regiones sensoras de voltaje de los canales y parece contener una obstrucción mecánica al flujo de iones. Aunque se ha acordado que el dominio S6 es el segmento que actúa como esta obstrucción, se desconoce su mecanismo exacto. Las posibles explicaciones incluyen: el segmento S6 realiza un movimiento de tijera que permite el paso de los iones, el segmento S6 se rompe en dos segmentos que permiten el paso de los iones a través del canal, o el propio canal S6 actúa como puerta. El mecanismo por el que el movimiento del segmento S4 afecta al de S6 es aún desconocido, sin embargo se teoriza que existe un enlazador S4-S5 cuyo movimiento permite la apertura de S6.
La inactivación de los canales iónicos se produce en milisegundos tras su apertura. Se cree que la inactivación está mediada por una puerta intracelular que controla la apertura del poro en el interior de la célula. Esta puerta se modela como una bola unida a una cadena flexible. Durante la inactivación, la cadena se pliega sobre sí misma y la bola bloquea el flujo de iones a través del canal. La inactivación rápida está directamente vinculada a la activación causada por los movimientos intramembrana de los segmentos S4, aunque se desconoce el mecanismo que vincula el movimiento de S4 y el compromiso de la puerta de inactivación.