Kanał jonowy bramkowany napięciem
Krystalograficzne badania strukturalne kanału potasowego wykazały, że kiedy różnica potencjałów jest wprowadzona nad membranę, związane z nią pole elektryczne indukuje zmianę konformacyjną w kanale potasowym. Zmiana konformacyjna zniekształca kształt białek kanału na tyle, że wnęka lub kanał otwiera się, umożliwiając napływ lub odpływ jonów przez błonę. Ten ruch jonów w dół ich gradientu stężeń generuje prąd elektryczny wystarczający do depolaryzacji błony komórkowej.
Kanały sodowe i wapniowe bramkowane napięciem składają się z pojedynczego polipeptydu z czterema homologicznymi domenami. Każda domena zawiera 6 heliksów alfa obejmujących błonę. Jedna z tych heliksów, S4, jest helisą wyczuwającą napięcie. Segment S4 zawiera wiele ładunków dodatnich, tak że wysoki ładunek dodatni na zewnątrz komórki odpycha helisę, utrzymując kanał w stanie zamkniętym.
Ogólnie, część napięciowa kanału jonowego jest odpowiedzialna za wykrywanie zmian w potencjale transmembranowym, które powodują otwarcie lub zamknięcie kanału. Uważa się, że rolę tę pełnią heliksy S1-4 alfa. W kanałach potasowych i sodowych, wrażliwe na napięcie heliksy S4 zawieraj± dodatnio naładowane reszty lizynowe lub argininowe w powtarzaj±cych się motywach. W stanie spoczynku połowa każdej helisy S4 pozostaje w kontakcie z cytozolem komórki. Po depolaryzacji, dodatnio naładowane reszty w domenach S4 przesuwają się w kierunku egzoplazmatycznej powierzchni błony. Uważa się, że pierwsze 4 argininy odpowiadają za prąd bramkujący, przemieszczając się w kierunku rozpuszczalnika zewnątrzkomórkowego po aktywacji kanału w odpowiedzi na depolaryzację błony. Przemieszczenie się 10-12 z tych związanych z białkiem ładunków dodatnich wyzwala zmianę konformacyjną, która otwiera kanał. Dokładny mechanizm, dzięki któremu następuje ten ruch, nie jest obecnie uzgodniony, jednak modele kanoniczny, transporterowy, łopatkowy i skręcony są przykładami aktualnych teorii.
Ruch czujnika napięcia wyzwala zmianę konformacyjną bramki ścieżki przewodzącej, kontrolując przepływ jonów przez kanał.
Główna funkcjonalna część domeny białka wrażliwego na napięcie tych kanałów zawiera na ogół region złożony z helikali S3b i S4, znany jako „wiosło” ze względu na swój kształt, który wydaje się być konserwowaną sekwencją, wymienną w szerokiej gamie komórek i gatunków. Podobne łopatki czujnika napięcia znaleziono również w rodzinie fosfataz wrażliwych na napięcie u różnych gatunków. Inżynieria genetyczna regionu łopatkowego z gatunku archaebakterii zamieszkuj±cych wulkany do kanałów potasowych mózgu szczura prowadzi do powstania w pełni funkcjonalnego kanału jonowego, pod warunkiem, że cała nienaruszona łopatka zostanie zast±piona. Ta „modularność” pozwala na wykorzystanie prostych i niedrogich systemów modelowych do badania funkcji tego regionu, jego roli w chorobach i farmaceutycznej kontroli jego zachowania, zamiast ograniczania się do słabo scharakteryzowanych, drogich i/lub trudnych do zbadania preparatów.
Pomimo, że kanały jonowe bramkowane napięciem są zwykle aktywowane przez depolaryzację błony, niektóre kanały, takie jak kanały potasowe typu inward-rectifier, są aktywowane przez hiperpolaryzację.
Pomyślano, że bramka jest sprzężona z regionami kanałów wyczuwającymi napięcie i wydaje się zawierać mechaniczną przeszkodę dla przepływu jonów. Podczas gdy domena S6 została uznana za segment działający jako ta przeszkoda, jej dokładny mechanizm nie jest znany. Możliwe wyjaśnienia obejmują: ruch nożycowy segmentu S6 umożliwiający przepływ jonów, rozszczepienie segmentu S6 na dwa segmenty umożliwiające przepływ jonów przez kanał lub sam kanał S6 pełniący rolę bramki. Mechanizm, w którym ruch segmentu S4 wpływa na ruch segmentu S6 jest nadal nieznany, jednak przypuszcza się, że istnieje łącznik S4-S5, którego ruch umożliwia otwarcie S6.
Inaktywacja kanałów jonowych następuje w ciągu milisekund po ich otwarciu. Uważa się, że w dezaktywacji pośredniczy bramka wewnątrzkomórkowa, która kontroluje otwarcie porów we wnętrzu komórki. Bramka ta jest modelowana jako kulka przywiązana do elastycznego łańcucha. Podczas dezaktywacji łańcuch zagina się na siebie, a kulka blokuje przepływ jonów przez kanał. Szybka inaktywacja jest bezpośrednio związana z aktywacją spowodowaną przez wewnątrzbłonowe ruchy segmentów S4, choć mechanizm łączący ruch S4 i zaangażowanie bramki inaktywacyjnej jest nieznany.