Canal ionique dépendant de la tension
Les études structurales cristallographiques d’un canal potassique ont montré que, lorsqu’une différence de potentiel est introduite sur la membrane, le champ électrique associé induit un changement de conformation du canal potassique. Ce changement de conformation déforme suffisamment la forme des protéines du canal pour que la cavité, ou canal, s’ouvre et permette l’entrée ou la sortie d’ions à travers la membrane. Ce mouvement des ions le long de leurs gradients de concentration génère par la suite un courant électrique suffisant pour dépolariser la membrane cellulaire.
Les canaux sodiques et calciques voltage-dépendants sont constitués d’un seul polypeptide avec quatre domaines homologues. Chaque domaine contient 6 hélices alpha couvrant la membrane. L’une de ces hélices, S4, est l’hélice de détection du voltage. Le segment S4 contient de nombreuses charges positives, de sorte qu’une charge positive élevée à l’extérieur de la cellule repousse l’hélice, maintenant le canal dans son état fermé.
En général, la partie de détection de tension du canal ionique est responsable de la détection des changements de potentiel transmembranaire qui déclenchent l’ouverture ou la fermeture du canal. On pense généralement que les hélices alpha S1-4 remplissent ce rôle. Dans les canaux potassiques et sodiques, les hélices S4 de détection du voltage contiennent des résidus de lysine ou d’arginine chargés positivement dans des motifs répétés. Au repos, la moitié de chaque hélice S4 est en contact avec le cytosol de la cellule. Lors de la dépolarisation, les résidus chargés positivement sur les domaines S4 se déplacent vers la surface exoplasmique de la membrane. On pense que les 4 premières arginines sont responsables du courant de glissement, se déplaçant vers le solvant extracellulaire lors de l’activation du canal en réponse à la dépolarisation de la membrane. Le déplacement de 10 à 12 de ces charges positives liées à la protéine déclenche un changement de conformation qui ouvre le canal. Le mécanisme exact par lequel ce mouvement se produit ne fait pas l’objet d’un consensus à l’heure actuelle, cependant les modèles canonique, du transporteur, de la palette et de la torsion sont des exemples de théories actuelles.
Le mouvement du détecteur de tension déclenche un changement conformationnel de la porte de la voie conductrice, contrôlant le flux d’ions à travers le canal.
La principale partie fonctionnelle du domaine protéique sensible au voltage de ces canaux contient généralement une région composée d’hélices S3b et S4, connue sous le nom de « palette » en raison de sa forme, qui semble être une séquence conservée, interchangeable dans une grande variété de cellules et d’espèces. Une palette similaire de capteur de tension a également été trouvée dans une famille de phosphatases sensibles à la tension dans diverses espèces. Le génie génétique de la région de la palette d’une espèce d’archéobactérie vivant dans les volcans dans les canaux de potassium du cerveau de rat donne un canal ionique entièrement fonctionnel, à condition que la palette entière intacte soit remplacée. Cette « modularité » permet d’utiliser des systèmes modèles simples et peu coûteux pour étudier la fonction de cette région, son rôle dans la maladie et le contrôle pharmaceutique de son comportement, plutôt que de se limiter à des préparations mal caractérisées, coûteuses et/ou difficiles à étudier.
Bien que les canaux ioniques dépendant du voltage soient typiquement activés par la dépolarisation de la membrane, certains canaux, tels que les canaux ioniques potassiques à redressement vers l’intérieur, sont plutôt activés par l’hyperpolarisation.
On pense que la porte est couplée aux régions de détection du voltage des canaux et semble contenir une obstruction mécanique au flux ionique. Alors que le domaine S6 a été convenu comme le segment agissant comme cette obstruction, son mécanisme exact est inconnu. Les explications possibles sont les suivantes : le segment S6 effectue un mouvement de ciseaux permettant aux ions de passer, le segment S6 se divise en deux segments permettant le passage des ions à travers le canal, ou le canal S6 sert de porte lui-même. Le mécanisme par lequel le mouvement du segment S4 affecte celui de S6 est encore inconnu, cependant il est théorisé qu’il existe un lieur S4-S5 dont le mouvement permet l’ouverture de S6.
L’inactivation des canaux ioniques se produit dans les millisecondes après l’ouverture. On pense que l’inactivation est médiée par une porte intracellulaire qui contrôle l’ouverture du pore à l’intérieur de la cellule. Cette porte est modélisée comme une boule attachée à une chaîne flexible. Pendant l’inactivation, la chaîne se replie sur elle-même et la boule bloque le flux d’ions à travers le canal. L’inactivation rapide est directement liée à l’activation provoquée par les mouvements intramembranaires des segments S4, bien que le mécanisme reliant le mouvement de S4 et l’engagement de la porte d’inactivation soit inconnu.