I canali per il sodio, collegati al voltaggio, giocano un ruolo centrale nell’innesco del potenziale d’azione in tutto il sistema cardiovascolare e nervoso, e il loro gating è squisitamente sensibile ai cambiamenti del potenziale di transmembrana. La regolazione negativa della conduttanza dei canali del sodio avviene attraverso un processo noto come inattivazione, che può procedere dagli stati aperti o chiusi, chiamati rispettivamente inattivazione “veloce” o “steady-state” (SSI). Quando la conduttanza del canale del sodio è mal regolata, succedono cose molto brutte. Per esempio, difetti ereditati o acquisiti nella conduttanza dei canali del sodio sono associati a uno spettro di disturbi di segnalazione elettrica tra cui aritmie cardiache (Wang et al., 1995; Valdivia et al., 2005), epilessia ed eritermia primaria (un disturbo del dolore periferico) (Yang et al., 2004), disturbo parossistico del dolore estremo (Fertleman et al, 2006), paralisi periodica ipocalemica (Ptácek et al., 1991; Rojas et al., 1991), paramiotonia congenita (McClatchey et al., 1992), oltre a ruoli inaspettati nell’emicrania (Kahlig et al., 2008), autismo (Weiss et al., 2003; Han et al., 2012a), sonno (Han et al., 2012b), e sclerosi multipla (Craner et al., 2004). Inoltre, la SSI influenza fortemente la stabilità elettrica nelle cellule eccitabili perché il punto medio della relazione inattivazione-tensione è spesso vicino al potenziale di membrana a riposo della cellula; quindi, spostamenti apparentemente modesti nel punto medio della relazione SSI contro tensione, causati da (dis)modulazione o mutazioni puntiformi, possono avere un effetto potente sul numero di canali che sono disponibili per contribuire al potenziale d’azione. Così, il gating dei canali del sodio, e l’inattivazione in particolare, è un fenomeno biofisico che trascende senza sforzo il patch rig per l’impostazione clinica, ma un quadro dettagliato della base molecolare che sottende l’inattivazione rimane ostinatamente irrisolto. In questo numero di The Journal of General Physiology, Capes et al. hanno utilizzato un approccio di disabilitazione del sensore di tensione per indagare sistematicamente l’identità dell’innesco molecolare per l’inattivazione e confermare il ruolo del sensore di tensione del dominio quattro (DIV S4) in questo processo fisiologico chiave (Capes et al., 2013).

L’attivazione rapida del canale del sodio guida la salita del potenziale d’azione, ma la rapida e completa inattivazione della conduttanza del sodio è essenziale per la ripolarizzazione tempestiva della membrana e l’intervallo refrattario tra potenziali d’azione. Hodgkin e Huxley hanno preveggentemente descritto un meccanismo per cui quattro particelle cariche sulla membrana, tre associate all’attivazione (m-gate) e una all’inattivazione (h-gate), danno origine alla conduttanza del sodio dipendente dal voltaggio nell’assone del calamaro (Hodgkin e Huxley, 1952). Questa idea è coerente con la struttura del gene del canale del sodio che contiene quattro domini non identici (DI-DIV), ciascuno con segmenti S5-p-loop-S6 che rivestono i pori e un dominio voltaggio-sensibile (VSD) composto dai segmenti S1-S4, con i segmenti S4 che contengono da tre a sette residui caricati positivamente, a seconda del dominio. Le mutazioni in tutto il canale possono influenzare il gating; tuttavia, quelle introdotte nel DIV tendono a influenzare più fortemente l’inattivazione (Chahine et al., 1994; McPhee et al., 1994, 1998; Chen et al., 1996; Yang et al., 1996; Lerche et al., 1997). La cinetica veloce del movimento di DI-III S4, come visualizzato dalla fluorometria del voltage-clamp, è strettamente correlata all’attivazione della conduttanza del sodio, mentre il movimento relativamente lento di DIV S4 si allinea con lo sviluppo dell’inattivazione e con l’immobilizzazione della carica di gating (Cha et al., 1999; Chanda e Bezanilla, 2002). Inoltre, le tossine che interagiscono preferenzialmente con il DIV VSD modulano potentemente l’inattivazione del canale (Hanck e Sheets, 2007; Bosmans et al., 2008; Wang et al., 2011). Così, una pletora di prove supporta l’idea che DI-III contribuiscono all’attivazione del canale e DIV S4 è associato con l’inattivazione. Tuttavia, non è noto se l’attivazione DIV S4 da sola sia sufficiente per avviare l’inattivazione, e se questo singolo trigger è responsabile per consentire l’inattivazione di procedere da canali aperti e chiusi.

Per affrontare direttamente questa domanda, Capes et al. (2013) hanno utilizzato una strategia di neutralizzazione della carica in cui le prime tre cariche S4, che portano la maggior parte del movimento di carica (Sheets et al., 1999), sono state mutate in glutammina (Q), con conseguente carica-neutro (CN) sensori di tensione. Oltre a compromettere la sensibilità al voltaggio S4 e il movimento, tali CN VSDs sono probabilmente in una conformazione attiva, che di solito è visitata solo a potenziali positivi (Bao et al., 1999; Gagnon e Bezanilla, 2009; Capes et al., 2012). Nel presente caso, queste mutazioni sono state fatte individualmente in ciascuno dei quattro segmenti S4 dei canali del sodio del muscolo scheletrico, e i canali risultanti sono stati interrogati elettrofisiologicamente per le caratteristiche di attivazione e inattivazione. Tutti e quattro i canali del sodio CN erano funzionali e avevano un robusto gating di attivazione voltaggio-dipendente, che a prima vista è sorprendente, dato che i segmenti S4 erano stati neutralizzati elettrostaticamente. Tuttavia, se la neutralizzazione S4 promuove il movimento del segmento S4 nella conformazione attivata, si è infatti rimossa una barriera energetica all’attivazione, spiegando le “normali” relazioni conduttanza-tensione dei canali VSD-disabilitati. In termini di inattivazione, i canali DI-III CN erano di nuovo abbastanza tolleranti dal punto di vista funzionale, mentre i canali DIV CN hanno proprietà di inattivazione alterate dagli stati chiuso, aperto e inattivato. In primo luogo, i canali DIV CN visualizzato un grande spostamento iperpolarizzante nel punto medio SSI, suggerendo che erano “preinattivati” a potenziali negativi, coerente con l’ipotesi che l’attivazione DIV S4 è sufficiente per SSI e che la mutazione “preattiva” il segmento DIV S4. In secondo luogo, i canali DIV CN hanno anche mostrato un ingresso accelerato e quasi istantaneo in stati di attivazione rapida, come determinato da un protocollo a due impulsi per evitare il contributo delle latenze di attivazione (Aldrich et al., 1983). In terzo luogo, una volta inattivati, i canali DIV CN ritardavano l’uscita dagli stati di non conduzione, e una volta iniziati, il recupero dall’inattivazione era significativamente rallentato. In quarto luogo, tutti e tre questi risultati sperimentali potrebbero essere ricapitolati da un modello di gating del canale del sodio in cui l’inattivazione, sia da stati aperti o chiusi, è iniziata dal movimento DIV S4, dopo di che una particella di inattivazione può legarsi attraverso un passo debolmente dipendente dalla tensione. Nonostante la ruga che la mutazione tripletta QQQ può funzionalmente influenzare ogni segmento S4 in modo diverso, i dati hanno prodotto un risultato chiaro e, insieme con il lavoro precedente, sostenere la nozione che, anche se tutti e quattro i sensori di tensione attivare in apertura del canale, DIV S4 attivazione da solo è sufficiente per l’avvio di entrambi veloce e SSI, come raffigurato in Fig. 1. Per semplicità, l’attivazione stocastica dei DI-DIII VDS sono combinati come un unico passo che termina con l’apertura del canale, come mostrato nel percorso a destra. La successiva attivazione di DIV VSD si traduce in ulteriori conformazioni del poro (Goldschen-Ohm et al., 2013), e l’eventuale attivazione di inattivazione veloce, in basso a destra. Contributi di dominio speculativi coinvolti con SSI ritratto a sinistra sono descritti nella leggenda e scorrono attraverso una serie di conformazioni elettricamente silenziose (Horn et al., 1981). L’inattivazione da stati aperti o chiusi produce una conformazione non conduttiva comune? Una possibilità non testata ma convincente è che l’attivazione di DIV S4 promuova una conformazione del poro che è permissiva all’inattivazione attraverso il legame di regioni del canale, come la tripletta di linker DIII-IV dei residui IFM, che hanno dimostrato di interrompere l’inattivazione quando mutati (West et al., 1992). Nel caso di inattivazione in stato chiuso, l’attivazione del DIV S4 e le successive conformazioni sarebbero elettricamente silenziose, ma potrebbero comunque condividere una conformazione inattiva simile a quella dei canali ad attivazione rapida. Tuttavia, è anche possibile che, come nei canali del potassio voltaggio-gettati, regioni distinte del poro siano usate per diversi tipi di inattivazione (Choi et al., 1991). Anche se i dati sono coerenti con la nozione che DIV S4 rappresenta un singolo interruttore molecolare per l’inattivazione in stato chiuso e aperto, pochi dettagli molecolari sono disponibili sui complessi transitori formati tra il movimento DIV S4 e lo sviluppo di inattivazione o la posizione (s) di regioni poro putativo che potrebbe servire come un recettore per una particella di inattivazione. In effetti, date le molte incognite meccanicistiche riguardo all’inattivazione del canale del sodio, l’articolo di Capes et al. (2013), come l’attivazione DIV S4, è solo l’inizio della storia.