Análise eletrostática de domínios proteicos sensíveis a voltagem

Abstract

Os domínios sensíveis à voltagem (DSV) são estruturas moleculares que, em resposta à variações do potencial elétrico transmembrânico, controlam o mecanismo de ativação e condução de íons dos canais iônicos dependentes de voltagem em células excitáveis. Os DSV são formados por quatro hélices transmembrânicas (S1 – S4). Variações do campo elétrico transmembrânico induzem forças motrizes nos resíduos positivamente carregados da hélice S4, deslocando-a ao longo da direção transmembrânica. Este processo pode ser modulado por diversos fatores, como toxinas, mutações pontuais e composição lipídica da membrana. A estrutura cristalográfica do canal de potássio Kv1.2 permitiu a caracterização da morfologia de hidratação peculiar dos seus DSV. Moléculas de água dos meios intracelular e extracelular penetram na cavidade central do domínio, sendo separadas por uma constrição hidrofóbica. Esse lúmen parcialmente hidratado altera drasticamente a morfologia do potencial eletrostático, favorecendo a focalização do campo elétrico na altura da constrição hidrofóbica. Especificamente, o campo elétrico está relacionado à grandeza física distância elétrica, que traduz o acoplamento de cada carga pontual da proteína com a diferença de potencial transmembrânico. O crescente número de estruturas cristalográficas de canais iônicos contendo DSV permitiu que o presente estudo investigasse se as propriedades de hidratação e do campo elétrico do Kv1.2 são ubíquas aos outros membros da família de canais catiônicos dependentes de voltagem. Tais propriedades mostraram-se preservadas entre os diferentes canais iônicos estudados, evidenciando a sua robustez diante de variações estruturais e de sequência, além de levantar a hipótese de que essas propriedades sejam alvo direto de pressão seletiva. Portanto, um DSV que não apresente esse conjunto de características provavelmente terá o seu funcionamento comprometido. Essa preservação também foi traduzida do ponto de vista da energética de ativação/desativação dos DSV. Foi mostrado que o componente elétrico da energia livre desse processo é, além de pouco alterado, pequeno, comparado com o provável custo energético do processo como um todo. Esta observação é válida tanto para diferentes canais iônicos quanto para estruturas mutantes do Kv1.2, e aumenta a relevância de novas metodologias experimentais que visam quantificar o componente químico da energia livre de ativação/desativação dos DSV ___________________________________________________________________________________________ ABSTRACT

Voltage sensing domains (VSD) are protein structures that control the opening of voltage-gated ion channel pores in response to membrane depolarization. VSDs contain four transmembrane helices (S1 – S4) of which S4 is responsible for the voltage sensibility. During depolarization events, electrical forces act on some basic residues and induces a translocation of the S4 helix towards the extracellular bulk. This process may be modulated by the presence of toxins, single point mutations and the lipid composition of plasma membrane. The report of Kv1.2 (a voltage-gated potassium channel) structure enabled a deeper investigation on the VSD machinery, including the characterization of its hydration profile. These domains feature a pore which allows the approximation of water molecules from both intra and extracellular bulks, being separated by a hydrophobic plug. This partially hydrated lumen reshapes and focuses the transmembrane electrical field. Here, by benefiting from an increasing number of atomistic structures of distinct VSD-containing ion channels made available recently, it was possible to investigate the electric properties of Kv1.2 when conditioned to a series of mutations known to affect the VS operation. These properties were found to be preserved among distinct VSD from many voltage-gated ion channels, revealing a intra-domain dielectric that is insensitive to sequence and local structural variations. This raises the intriguing hypothesis that the reshaped electrical field is directly subject to evolutionary pressure, being more conserved than the VSD sequence itself. Therefore, it was shown that the contribution of the electrical component to the VSD activation free energy is marginal when compared to the chemical component. Hence, the observed operational diversity of sensor domains are likely to arise primarily from modifications of their chemical free energies. Particularly useful, our result enhances relevance of recently devised median-voltage methods for determination of chemical free-energy variations as powerful strategies to estimate perturbations of VSDs.