과분극이 일어나는 이유 - gwabungeug-i il-eonaneun iyu

< meet 인체생리학 >

5-1. 신경계의 전기적 신호전달 - 휴지막 전위, 활동전위, 탈분극, 재분극, 과분극, 불응기

 오늘은 신경계의 전기적 신호 전달에 대해서 알아보겠습니다. 우리 몸의 신경계는 전기적 신호가 없다면 그 기능을 제대로 수행할 수가 없습니다. 그렇다면 전기적 신호는 어떻게 전달될까요? 몇 가지 이온 채널이 열리고 닫히면서 한 곳에서 다른 곳으로 신호를 전달하게 됩니다. 그 과정을 자세히 알아봅시다.

1. 휴지막 전위(resting membrane potential)

 신경세포를 포함한 모든 세포는 그 자신의 막 전위를 가지고 있습니다. 그 중에서도 평소에 가지고 있는 전위를 '휴지막 전위'라고 하는데 이 휴지막 전위는 다음과 같은 2가지 요소를 통해서 결정됩니다.

① 막 안쪽과 바깥쪽 이온의 농도차이 : 양이온, 음이온이 각각 막 내부와 외부 중 어느 곳에 많이 있는지가 중요합니다. Na+, Cl-, Ca2+는 주로 막 외부에 많이 있고, K+는 막 내부에 많이 있습니다.

② 막에 대한 이온의 투과성 차이 : 세포는 K+에 대한 투과성이 가장 큽니다. 따라서 K+가 휴지막 전위를 결정하는데 가장 중요한 이온입니다.

 K+의 투과성이 다른 이온에 비해 훨씬 크므로 휴지막 전위가 어떻게 결정되는지 살펴볼 때 가장 중요한 것은 K+입니다. 그런데 K+는 막 내부에서의 농도가 더 높으므로 K+가 바깥쪽으로 나가는 움직임이 활발할 것이며, 이는 막 내부의 전위를 휴지막 전위를 -로 만들게 됩니다.

(+가 자꾸 밖으로 나가므로 안쪽은 -가 됩니다)

(그림출처 - http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9847/figure/A1996/?report=objectonly)

▲ 이것은 사람이 아닌 다른 동물에 대한 그림이므로 수치는 주의깊게 보지 않으셔도 됩니다.

다만 Na+는 주로 밖에, K+는 주로 안에 있으며, K+의 투과성이 다른 것보다 크므로 휴지막 전위를 유지시킨다는 것을 알아둡시다.

그리고 세포 외부는 Na+가, 세포 내부는 K+가 많게 유지시켜 주는 것은 Na+/K+ pump의 작용입니다.

 막의 내부의 휴지막 전위가 -라는 것은 이것으로 충분히 설명이 되었습니다. 더 자세히 아실 분은 아래의 글을 보시고, 머리가 아프시다면 넘기셔도 될 것 같습니다.

* 휴지막 전위의 결정

1. 각 이온이 만드는 휴지막 전위를 측정하는 식 - 네른스트 방정식(Nernst Equation)

→ E = (61/z) * log([외부의 이온농도]/[내부의 이온농도])

→ z는 전하수(K+일 경우 1, Cl-일 경우 -1, Ca2+일 경우 +2)

☞ K+는 세포 내부에 150mM, 세포 외부에 5mM있으므로 네른스트 방정식에 대입하면 -90mV

☞ Na+는 세포 내부에 15mM, 세포 외부에 145mM있으므로 네른스트 방정식에 대입하면 +60mv

☞ Cl-는 세포 내부에 10mM, 세포 외부에 108mM있으므로 네른스트 방정식에 대입하면 -63mV

☞ Ca2+는 세포 내부에 0.0001mM, 세포 외부에 1mM있으므로 네른스트 방정식에 대입하면 +122mv

 이렇게 해보면 각 이온이 형성하는 휴지막 전위를 알 수 있다.

 그런데 이들을 종합한 휴지막 전위가 -70mv가 되는 이유는 무엇일까? 투과성을 고려해야 하기 때문이다.

2. 휴지막전위의 종합 - GHK equation 

 위의 방정식을 사용해서 휴지막 전위를 측정할 수가 있다. 식을 보면 투과성이라는 요소를 각 이온에 곱해주기 때문에, 투과성이 높은 이온이 휴지막전위에 미치는 영향이 크다. 따라서 투과성이 가장 큰 K+가 휴지막 전위를 결정하는데 가장 큰 역할을 하게 되는 것이다. 각 이온의 투과성을 고려한 휴지막 전위는 -70mV가 된다.

2. 전위의 변화를 위해서는 투과성이 변화해야 한다

 위에서 살펴본 것처럼 휴지막 전위는 -70mV인데, 이것은 각 이온의 투과성이 일정할 때의 전위입니다. 그렇다면 이온의 투과성이 변할 때는 전위도 변하게 됩니다. 예를 들어 갑자기 Na+의 투과성이 증가하여 Na+가 세포 내부로 들어오게 된다면 세포 내부의 전위는 -70mV보다 더 커질 것(+방향으로 커지는 것)입니다.

 (그런데 여기서 하나 기억할 것이 있다면, 아주 작은 숫자의 이온이 이동하더라도 막 전위는 변할 수 있다는 것입니다. 예를 들자면 휴지막 전위가 100mv만큼 변하기 위해서는 K+이온 10만개 중 1개만 이동해도 됩니다.)

 어쨌거나 휴지막 전위에서 전위가 변하기 위해서는 이온의 투과성이 변화해야 할텐데, 그렇다면 투과성은 어떻게 변화할까요? 그에 대한 설명을 해야겠습니다.

3. 나트륨-칼륨 펌프와 이온채널들

 위에서 휴지막 전위 상태에서 세포 외부는 Na+가 많고, 세포 내부는 K+가 많다고 했습니다. 이러한 농도 차이를 유지할 수 있게 해주는 것은 무엇일까요? 그것은 Na-K pump인데, 이 펌프는 ATP를 사용하여 나트륨은 세포 외부로, 칼륨은 세포 내부로 이동시킵니다.

 그렇다면 이온들의 투과성을 변화시키는 것은 어떻게 할까요? 세포 내에 있는 이온 채널들이 열리거나 혹은 닫히면서 투과성을 변화시키게 됩니다. 예를 들어 Na+채널이 열려서 Na+가 세포 내부로 유입된다면 세포 내부는 +전위로 다가갈 것이고, K+채널이 열려서 K+가 세포 외부로 유출된다면 세포 내부는 -전위로 다가갈 것입니다.

4. 활동전위(Action potential)와 탈분극(Depolariztion), 재분극(Repolarization), 과분극(Hyperpolarization)

 세포의 휴지막 전위와 그 전위가 어떻게 바뀔 수 있는지를 알아봤습니다. 이제 활동전위가 어떻게 유발되는지 알아봅시다. -70mV인 휴지막 전위 상태에서, 어떠한 자극을 받아 세포막 전위가 -50mV부근까지 올라가는 경우가 있습니다. 세포에 있는 Na+채널과 K+ 채널의 역치에 해당하는 전위가 -50mV 부근이며, 따라서 이 때 Na+채널과 K+채널이 같이 열리게 됩니다. 참고로 전기 자극을 받아서 열리는 채널이므로 이 채널들을 voltage gated Na+ channel, voltage gated K+ channel이라고 부릅니다.

 어쨌거나 이 채널들이 열리게 되면 Na+은 농도차이에 의해 밖에서 안으로, K+는 안에서 밖으로 이동할 것입니다. 그렇다면 Na+의 이동에 의해서는 막 내부가 +로, K+의 이동에 의해서는 막 내부가 -로 변해야 할텐데 어떤 것의 영향을 더 크게 받을까요? 답은 Na+입니다. 그 이유는 Na+채널이 열리는 속도가 K+채널이 열리는 속도보다 훨씬 빠르기 때문에 일단은 Na+의 유입이 major한 작용으로 먼저 일어나게 됩니다. 이로 인해 -50mV부근의 전위는 급격히 증가하여 +30mV정도까지 증가하게 됩니다. 이러한 전위를 활동전위(action potential)라고 하며, 이렇게 만드는 작용을 탈분극(depolariztion)이라고 합니다.

 그렇다면 탈분극 이후에는 어떤 작용이 벌어질까요? +30mV일 때 Na+채널은 최대한 열린 상태였다가 이후에는 서서히 닫히기 시작합니다. 그리고 서서히 열리고 있던 K+채널에 의한 K+의 유출이 주 작용이 됩니다. 따라서 전위는 +30mV에서는 점점 내려가기 시작하고 원래 휴지막 전위인 -70mV까지 내려갑니다. 이것을 재분극(repolarization)이라고 합니다.

 그런데 재분극이 될 때 열려있던 K+채널이 휴지막 전위에서 닫히는 것이 아닙니다. 휴지막 전위에서도 계속 닫히지 않고 열려있어서 K+의 유출이 계속되고 결국 전위는 휴지막 전위보다 더 낮아지게 되는데, 이것을 과분극(Hyperpolarization)이라고 합니다. K+채널이 닫힌 이후에야 휴지막 전위로 서서히 돌아오게 되고, 이온 간의 이동으로 변화된 세포 내외부의 농도차이는 Na+-K+ pump에 의해 원상복귀되면서 끝이 납니다.

(그림출처 - http://kvhs.nbed.nb.ca/gallant/biology/action_potential_generation.html)

▲ 위의 설명을 종합한 그림입니다.

①은 휴지막 전위 상태에서 채널들이 모두 닫혀있는 것을 표현하고 있고,

②는 점점 Na+이 유입되면서 탈분극이 되는 것을 나타내고 있으며,

③은 세포막 내부가 +전위로 된 것을 나타냅니다.

④는 이후 Na+채널이 닫히고 K+채널이 열리면서 전위가 떨어지고 있는 것을 나타내고,

⑤는 휴지막전위가 되었음에도 K+채널이 계속 열려있는 것을 나타냅니다.

5. 불응기(Refractory period)

 위에서 활동전위가 어떤 식으로 발생하는지를 알아봤습니다. 그런데 활동전위가 하나 발생했을 때 다른 활동전위가 발생하지 못하는 시기가 있는데 이를 불응기(Refractory period)라고 합니다. 불응기가 있는 원인은 Na+채널의 특수성 때문입니다. Na+채널의 경우 입구가 두 곳이 있는데 평소에는 아래가 열려있고 위는 닫혀있는 상태입니다. 이 상태에서 전위가 역치를 넘어서면 위의 입구가 열리면서 Na+의 이동이 시작됩니다. 그런데 활동전위가 정점(+30mV)을 찍은 이후에는 열렸던 입구(위쪽 입구)가 그대로 닫히는 것이 아니라 아래쪽 입구가 닫히게 됩니다. 그런데 이 아래쪽 입구는 전위가 역치가 넘더라도 끄덕하지 않기 때문에, 아래쪽 입구가 닫힌 시기는 다른 자극이 와도 활동전위를 만들어낼 수가 없습니다. 그래서 이 시기를 절대적 불응기(absolute Refractory period)라고 합니다.

 그런데 한 세포 내에 Na+채널이 하나만 있는 것은 아닙니다. 아주 무수히 많은 채널이 있고 그들의 아래쪽 입구가 열리는 시기는 채널마다 조금씩 다릅니다. 그래서 어느 시점에서 살펴보면 아래쪽 입구가 열린 채널이 있고, 닫힌 채널이 있을텐데 이 시기를 상대적 불응기(Relative Refractory period)라고 합니다. 이 시기에는 활동전위가 생길 수 없는 것은 아니지만, 휴지막 전위 때의 역치보다 더 높은 전위의 자극이 있어야만 반응이 생길 수 있습니다.

(그림출처 - http://kvhs.nbed.nb.ca/gallant/biology/action_potential_generation.html)

▲ 위에서 썼던 그림을 다시 활용합니다.

아래쪽 입구는 전기적 자극이 있어도 열리지 않습니다.

반면 위쪽 입구는 전기적 자극이 있으면 열립니다.

평소에는 아래쪽 입구가 열려있으므로 전기적 자극에 위쪽 입구가 열리면서 활동전위를 만드는데,

일단 활동전위를 만들고 재분극을 할 때부터는 아래쪽 입구가 닫혀있게 됩니다.

이 시기가 바로 '불응기'입니다.

불응기가 있기 때문에 전기적 신호는 한 방향으로만 전도될 수가 있습니다.

(그림출처 - http://www.d.umn.edu/~jfitzake/Lectures/DMED/NeuralCommunication/MembranePotentials/RefractoryPeriods.html)

▲ 절대적 불응기에는 아무리 강한 자극을 보내도 활동전위가 발생되지 않습니다.

상대적 불응기에는 휴지기보다 강한 자극을 보내야 활동전위가 발생됩니다.

(이 때 활동전위의 세기도 더 작아지는데 그 이유는 K+채널이 열린 상태이기 때문입니다)

6. 자극의 강약은 어떤 식으로 전달될까?

 자극 중에서 강한 자극과 약한 자극이 있는데 이들을 어떻게 구별해서 전달할까요? 약한자극은 활동전위가 작고 강한 자극은 활동전위가 클까요? 그렇지 않고 활동전위는 30mV정도로 일정한 크기입니다. 다만 자극의 강약은 '활동전위의 빈도'로 나타내게 됩니다. 활동전위를 자주 보내는 것은 강자극, 그렇지 않은 것은 약한 자극이 됩니다.

* Hyperkalemia와 Hypokalemia

 신체 내 이온의 농도가 어느 정도인지에 따라 신경 전도가 달라질 수 있음을 위에서 알아봤습니다. 그런데 세포 내에 칼륨이 너무 많거나, 너무 부족한 병이 있는데 그것이 Hyperkalemia와 Hypokalemia입니다.

 세포 외부에 칼륨이 너무 많은 Hyperkalemia의 경우, 휴지막 전위가 -70mV보다 높은 상태이므로 조그만 자극에도 활동전위가 발생될 것입니다. 반면 세포 외부에 칼륨이 너무 적은 Hyporkalemia의 경우에는 휴지막 전위가 -70mV보다 낮은 상태이므로 어지간한 자극으로는 활동전위가 발생되지 않을 것입니다. 따라서 둘 다 신경 쪽에 문제를 일으킬 것입니다.