신경계 이온통로 (1)

신경세포의 막전위는 다양한 자극에 반응하여 변화한다. 전기적 세포내 기록법을 통해 하나의 신경세포에서 실시간으로 변화하는 막전위를 측정할 수 있다. 막전위의 변화는 신경세포가 자극에 의해 열림이 조절되는 개폐성 이온통로(gated ion channels)를 가지고 있기 때문이다. 개폐성 이온통로는 자극에 반응하여 열리고 닫힌다. 이온통로의 여닫힘은 특정 이온에 대한 막의 투과성을 변화시킴으로써 막전위를 변화시킬 수 있다.

포타슘 통로가 열리게 되면 막의 K+에 대한 투과성이 증가되고 더 많은 K+이 세포 밖으로 이동하게 된다. 막전위의 크기가 더 커지는 이러한 현상을 과분극(hyperpolarization)이라 하며 세포 안을 더욱 음전하를 띠게 만든다. 휴지 상태의 신경세포에서 양이온이 세포 밖으로 확산되어 나가거나 혹은 음이온이 세포 안으로 들어오면 막전위의 과분극이 초래된다.

포타슘통로가 열리면 막전위가 과분극 되지만 개폐성 이온통로가 열려서 막전위가 반대로 덜 음전하를 띠게 되기도 한다. 막전위의 크기가 작아지는 이러한 현상을 탈분극(depolarization)이라 한다. 신경세포의 탈분극 현상은 개폐성 소듐통로를 통해서 일어나는 경우가 많다. 자극에 의해 개폐성 소듐 통로가 열리면 Na+에 대한 막투과성이 증가함으로 인해서 탈분극이 유도된다.

과분극 및 탈분극과 같은 막전위의 변화는 단계적 전위(graded potential)라고 부르는데, 막전위의 변화 정도가 자극의 크기에 따라서 결정되기 때문이다. 즉, 큰 자극일수록 막 투과성에 큰 변화를 주게 되고 결과적으로 막전위도 크게 변화하게 된다. 단계적 전위에 의해 유도되는 작은 크기의 전류는 막을 따라 전달되는 과정 중에서 세포 밖으로 누전된다. 따라서 단계적 전위는 발생지점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 쉽게 소멸된다. 단계적 전위는 축삭을 따라서 이동하는 실질적인 신경신호의 형태는 아니지만, 신경신호의 생성에 큰 영향을 준다.

만일 탈분극에 의해 막전위가 충분히 변화될 경우 막전위가 급격하게 큰 폭으로 변화하는 활동전위(action potential)가 유도될 수 있다. 단계적 전위와는 달리 활동전위는 항상 일정한 크기를 가지며 이웃한 막상에서 재생된다. 따라서 활동전위는 는 축삭을 따라서 퍼져나감으로써 먼 거리까지 신호를 전달하기에 적합하다.

활동전위의 생성은 신경세포가 전압개폐성 이온통로(voltage-gated ion channel)를 가지고 있기 때문에 가능하다. 전압개폐성 이온통로는 막전위의 변화에 따라 열리고 닫힌다. 막전위가 탈분극되면 전압개폐성 소듐통로가 열려 신경세포 안으로 Na+이 유입되어 막전위를 더욱더 탈분극시킨다. 소듐통로는 전압의존적으로 열리기 때문에 더욱 탈분극된 막전위에 의해서 더 많은 소듐통로가 열려서 막을 통해 세포 안으로 훨씬 많은 전류가 흐르게 된다. 그 결과 모든 전압개폐성 소듐통로가 빠르게 동시에 열리게 된다. 이러한 양성되먹임(positive-feedback)현상에 의한 탈분극은 막전위의 큰 변화를 초래하는 활동전위를 유도하게 된다.

활동전위는 탈분극에 의해 막전위가 역치(threshold)라는 특정 값에 이르면 발생한다. 포유류 신경세포의 경우 이 역치는 약 -55 mV이다. 활동전위는 실무율(all-or-none)을 따르므로 활동전위가 일단 유도되면 그 크기는 자극의 크기에는 상관이 없게 된다. 활동 전위가 실무율에 따른다는 사실은 탈분극에 의해 전압개폐성 소듐통로가 일단 열리면 막전위를 더욱 탈분극시키게 됨을 의미한다. 막전위가 일단 역치값에 이르면 탈분극과 이온통로의 열림이 서로 양성되먹임하면서 활동전위를 촉발하게 된다.

막전위의 큰 변화는 전압개폐성 소듐통로와 포타슘 통로를 통한 이온 흐름의 결과이다. 이 두 유형의 이온통로는 모두 탈분극에 의해서 열리지만 소듐통로가 먼저 그리고 포타슘 통로가 나중에 열리는 순차적이면서도 독립된 반응을 한다. 먼저 열린 소듐통로는 활동전위를 개시한다. 활동전위가 진행됨에 따라서 소듐통로의 고리형태의 단백질의 일부가 통로를 막게 되고 이에 따라서 소듐통로는 불활성화된다. 불활성화된 소듐통로는 막전위가 휴지 상태로 돌아가기 전까지는 불활성화된 상태로 머물게 된다. 포타슘통로는 소듐통로보다 천천히 열리며 활동전위가 지속되는 동안 열린 상태로 존재한다.

축삭의 막전위가 휴지막전위에 있을 때 대부분의 전압개폐성 소듐통로는 닫혀 있다. 일부 포타슘통로는 열려있으나 대부분의 전압개폐성 포타슘통로는 닫혀 있다. 자극이 막을 탈분극시키게 되면 개폐성 소듐 통로가 열려서 Na+이 세포 내로 유입되어 막전위를 더욱 탈분극시키게 되고, 더욱 많은 Na+의 유입이 일어나게 된다. 역치 값을 넘게 되면 상승기(rising phase) 동안 이 양성되먹임(positive feedback) 순환은 빠르게 막전위를 ENa에 이르게 된다. 즉, 전압개폐성 소듐통로가 불활성화되어 Na+의 유입이 멈추며, 대부분의 전압개폐성 포타슘통로가 열려 K+의 유출이 일어난다. 이러한 두 작용은 막전위를 EK로 돌리는 하강기(falling phase)의 원인이 된다. 활동전위의 마지막 단계에서는 휴지막 전위보다도 더 낮은 막전위까지 내려가는 과분극기(undershoot)가 유발되기도 한다. 이는 K+의 막투과성이 휴지기보다 높아져서 막 전위가 EK에 가까워지게 되는 것이다. 결국 포타슘통로의 활성화 문도 닫히게 되고 막전위도 휴지전위로 되돌아간다.