Mecanismo de ativação de canais iônicos dependentes de voltagem, Kv e Nav, e a interação com anestésicos gerais

Abstract

O papel fundamental dos canais catiônicos dependentes de voltagem (VGCC) nos mais diversos organismos baseia-se no seu complexo mecanismo de ativação, i.e a transição entre dois estado fisiológicos funcionais desses canais: ativado/aberto (AT) e desativado/fechado (RT). Logo após a publicação da primeira estrutura cristalográfica do canal de mamífero Kv1.2 na conformação AT, alguns modelos do estado RT tem sido propostos na literatura para este canal. Para todos esses modelos, análises estruturais tem sugerido um consenso com os dados experimentais, destacando portanto a natureza inequívoca dessas estruturas RT. Tomados em conjunto, os estudos estruturais sobre o Kv1.2 são até agora o único conjunto de dados disponível, no nível das interações atômicas, para o entendimento sobre o mecanismo de ativação da superfamília VGCC. Recentemente, a estrutura cristalográfica de um canal de sódio de procarioto, dependente de voltagem (NavAb), foi resolvida numa conformação interpretada como estado pré-ativado do canal. Como um possível ancestral da superfamília dos canais de sódio e cálcio dependentes de voltagem de vertebrados, o surgimento da estrutura atomística do NavAb nos proporciona a primeira, e até então a única, estrutura de alta resolução para estender nossa compreensão sobre outros membros da superfamília VGCC. Dessa forma, de modo a contribuir com o referido tema, consideramos as estruturas AT e RT do Kv1.2, equilibradas na membrana, como guias estruturais em uma série de simulações de dinâmica molecular no intuito de investigar o processo de ativação do canal NavAb. Além de identificar a estrutura cristalográfica do NavAb como um estado intermediário dentro do caminho de ativação, nosso trabalho permitiu determinar conformações relacionadas aos estados fisiológicos funcionais estruturalmente relacionados às estruturas AT e RT. De maneira geral, os resultados suportam a ideia de um mecanismo de ativação altamente conservado ao longo de toda a superfamília de VGCC. ______________________________________________________________________________ ABSTRACT

The critical role of voltage-gated cation channels (VGCCs) relies on a complex voltage-dependent activation mechanism linking two physiologically relevant channel states, activated- open (AT) and resting-closed (RT) states. Following the early publication of the x-ray crystal structure of the mammalian Kv1.2 channel in the AT conformation, atomistic models for the RT state of the channel have been proposed. For all of these models, structural analyses demonstrated a consensual explanation of experimental data, thereby highlighting the unambiguous nature of these RT structures. Taken together, these structural studies on Kv1.2 have contributed so far with most of our atomic-level knowledge on the activation mechanism of VGCCs. More recently, the x-ray structure of a prokaryotic voltage-gated sodium channel, NavAb, was resolved in a conformation that was interpreted as representative of the pre-open state of the channel. As one of the possible ancestors of the large family of vertebrate voltage- + ++gated Na and Ca channels, the appearance of the NavAb structure has provided us with a first, and so far unique, template to extend our knowledge towards other members of the large family of VGCCs. Accordingly, in this contribution, we have considered the well-understood AT and RT structures of Kv1.2, equilibrated in a lipid bilayer, as guide structural models to drive a series of molecular dynamics (MD) simulations aimed at to study the activation process of NavAb. While identifying the reported NavAb structure as an intermediate conformation, not fully-activated, our work has enabled us to determine channel conformations likely related to the RT and AT states of the channel. Overall, the structural results support an activation mechanism highly conserved across the entire family of VGCCs.