電位依存性イオンチャネル
カリウムチャネルの結晶学的構造研究からは、膜に電位差が生じると、それに伴う電場によってカリウムチャネルのコンフォメーション変化が誘導される。このコンフォメーション変化によってチャネルが開き、膜を越えたイオンの流入や流出に十分なほどチャネルタンパク質の形状が変化する。この濃度勾配に従ったイオンの移動によって、細胞膜の脱分極に十分な電流が発生する。
電位依存性ナトリウムチャネルとカルシウムチャネルは、4つの相同なドメインを持つ1つのポリペプチドから構成される。各ドメインには6本の膜貫通αヘリックスが存在する。これらのヘリックスのうち、S4が電位センサーヘリックスである。S4セグメントには多くの正電荷が存在し、細胞外の高い正電荷と反発してチャネルの閉状態が維持される。
一般的に、イオンチャネルの電位センサー領域は膜を挟んだ電位の変化の検知を担い、チャネルの開閉を開始する。S1からS4のαヘリックスが一般的にこの役割を担っている。カリウムチャネルとナトリウムチャネルでは、電位センサーであるS4ヘリックスの反復モチーフには正に帯電したリジンやアルギニンが含まれている。静止状態では、各S4ヘリックスの半分は細胞質と接触している。脱分極が起こると、S4ドメインの正に帯電した残基は、膜の細胞外表面に向かって移動する。最初の4つのアルギニンがゲート電流を担っていると考えられており、膜の脱分極に応答したチャネルの活性化に伴って、細胞外の溶媒に向かって移動する。