Canal iónico de tensão
Estudos estruturais cristalográficos de um canal de potássio mostraram que, quando uma diferença potencial é introduzida sobre a membrana, o campo eléctrico associado induz uma mudança conformacional no canal de potássio. A mudança conformacional distorce suficientemente a forma das proteínas do canal de forma a que a cavidade, ou canal, se abra para permitir que o influxo ou efluxo ocorra através da membrana. Este movimento de iões para baixo nos seus gradientes de concentração gera subsequentemente uma corrente eléctrica suficiente para despolarizar a membrana celular.
Canais de sódio e canais de cálcio em tensão são constituídos por um único polipéptido com quatro domínios homólogos. Cada domínio contém 6 hélices alfa de membrana. Uma destas hélices, S4, é a hélice de detecção de voltagem. O segmento S4 contém muitas cargas positivas tais que uma carga positiva elevada fora da célula repele a hélice, mantendo o canal no seu estado fechado.
Em geral, a porção de detecção de voltagem do canal iónico é responsável pela detecção de alterações no potencial transmembrana que desencadeiam a abertura ou o fecho do canal. Pensa-se geralmente que as hélices alfa S1-4 servem para este papel. Nos canais de potássio e sódio, as hélices S4 com sensibilidade de tensão contêm lisina ou resíduos de arginina com carga positiva em motivos repetidos. No seu estado de repouso, metade de cada hélice S4 está em contacto com o citosol da célula. Após a despolarização, os resíduos positivelmente carregados nos domínios S4 deslocam-se para a superfície exoplásmica da membrana. Pensa-se que as primeiras 4 argininas são responsáveis pela corrente portadora, movendo-se em direcção ao solvente extracelular na activação do canal, em resposta à despolarização da membrana. O movimento de 10-12 destas cargas positivas ligadas a proteínas desencadeia uma mudança conformacional que abre o canal. O mecanismo exacto pelo qual este movimento ocorre não está actualmente acordado, contudo os modelos canónico, transportador, pá, e torcido são exemplos de teorias actuais.
Movimento do sensor de tensão desencadeia uma mudança conformacional da porta do caminho condutor, controlando o fluxo de iões através do canal.
A parte funcional principal do domínio proteico sensível à tensão destes canais contém geralmente uma região composta de helices S3b e S4, conhecida como a “pá” devido à sua forma, que parece ser uma sequência conservada, intercambiável através de uma grande variedade de células e espécies. Uma pá de sensor de voltagem semelhante foi também encontrada numa família de fosfatases sensíveis à voltagem em várias espécies. A engenharia genética da região das palhetas de uma espécie de arquebactérias de origem vulcânica para os canais de potássio do cérebro do rato resulta num canal iónico totalmente funcional, desde que a palheta inteira intacta seja substituída. Esta “modularidade” permite o uso de sistemas modelo simples e baratos para estudar a função desta região, o seu papel na doença, e o controlo farmacêutico do seu comportamento, em vez de se limitar a preparações mal caracterizadas, caras e/ou difíceis de estudar.
Embora os canais de iões de tensão sejam tipicamente activados pela despolarização por membrana, alguns canais, tais como os canais de iões de potássio rectificadores interiores, são activados em vez disso pela hiperpolarização.
Pensa-se que a porta é acoplada às regiões de detecção de tensão dos canais e parece conter uma obstrução mecânica ao fluxo de iões. Embora o domínio S6 tenha sido acordado como sendo o segmento que actua como esta obstrução, o seu mecanismo exacto é desconhecido. Possíveis explicações incluem: o segmento S6 faz um movimento em forma de tesoura permitindo a passagem de iões, o segmento S6 quebra-se em dois segmentos permitindo a passagem de iões através do canal, ou o canal S6 servindo como a própria porta. O mecanismo pelo qual o movimento do segmento S4 afecta o de S6 é ainda desconhecido, no entanto, teoriza-se que existe um ligador S4-S5 cujo movimento permite a abertura de S6.
Inactivação dos canais de iões ocorre dentro de milissegundos após a abertura. Pensa-se que a inactivação é mediada por uma porta intracelular que controla a abertura do poro no interior da célula. Esta porta é modelada como uma bola amarrada a uma corrente flexível. Durante a inactivação, a corrente dobra-se sobre si mesma e a bola bloqueia o fluxo de iões através do canal. A inactivação rápida está directamente ligada à activação causada por movimentos intramembrana dos segmentos S4, embora o mecanismo que liga o movimento de S4 e a activação da porta de inactivação seja desconhecido.