운동 생리학-신경계(nervous system)-활동 전위(Action potential)

신경세포들(neuron)은 등급 전위(graded ptential)와 활동 전위(action potential)를 통해 전기화학적인 의사소통이 이루어진다. 등급 전위는 짧은 거리에서 발생하고 활동 전위는 보다 긴 거리의 신경전달에서 이루어진다.

 

활동 전위는 등급 전위에 의해 촉발되는데 근섬유에서 발생하는 근육 활동 전위(muscle action potentials), 신경세포의 축색돌기에서 이루어지는 신경 활동 전위(nerve action potential)가 있다. 등급 전위와 활동 전위의 형성은 안정 막 전위(resting membrane potential) 일 때 이온을 세포 내로 이동 가능하게 하는 이온 채널(ion channel)의 출현에 이해 생성된다.

 

안정 막 전위에서 전기적 전하가 다르면 세포막을 통과할 수 있게 된다. 전위가 다른 것을 전압이라고 할 수 있는데, 항상 두 개의 다른 지점에서 측정된다. 세포 안과 세포 밖의 전압이나 농도가 다를 때 세포막을 통해 이온이나 영양소, 가스들이 이동이 일어나게 된다.

 

이온채널(ion channels)

 

이온들은 다양한 이온 채널들을 통해 세포 혈장 막을 통해 전기화학적 농도가 다른 곳으로 흐르게 된다. 주로 집중도 또는 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르게 된다. 각각의 이온들은 다른 전하를 가지고 있기 때문에 이온의 흐름이 세포막을 통해 이루어질 때 전류를 생성하게 된다. 전류의 흐름은 신경세포, 즉 뉴런의 혈장 막 전위를 바꾸게 되는 것이다.

 

이온채널은 혈장 막의 단백질들로 구성되어 있고 혈장막 전체에 두루 분포되어 있다. 

 

leekage channel- 면 누수 채널이라고 하는데, 임의적으로 통로를 열었다 닫았다 하게 된다.  이 통로는 고유의 흐름을 통해 열었다 닫았다 하게 된다.  여기서도 집중도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하게 된다.

Ligand-gated channels- 리간드 개폐형 통로라고 하는데, 특정한 화화적 분자(신경전달물질, 호르몬)가 수용체에 결속하게 되면 통로가 열리게 되는 것이다. 이 통로는 특정한 이온들만 한쪽에서 한쪽으로 흐르게 한다.

Mechanically gated channel- 기계적 통로라고 할 수 있는데, 기계적 힘에 의해 통로가 열리게 되는 것을 말하는데, 진동(소리 진동), 촉감, 압력, 스트레칭 같은 외부의 작용에 의해 통로가 열리게 된다. 허락된 이온들만 이동할 수 있게 된다. 이러한 통로는 시네의 귀, 그리고 장기기관의 스트레칭 수용체, 촉감을 감각하는 피부의 수용체에서 찾아볼 수 있다. 

Voltage-gated channel- 전압의존성 채널로서, 주로 세포 내의 마이너스 전압을 나타내는데 , 이 전압이 줄어들게 되면 통로가 열리게 돼, 이온들이 지날 수 있게 된다.

 

안정 막 전위(resting membrane potential)

 

인간의 신체는 대부분의 신체 부위에서 플러스(+)와 마이너스(-)의  똑같은 비율을 가지고 분포해 있다. 하지만 하나의 전하가 더 많아질 경우 양극성의 특징 때문에 반대의 전하가 나누어지게 된다. 그러면서 전압이 발생하고 전기적 에너지가 생산되게 된다.

음이온(anion0으로 만들어진 세포 내질(Cytosol)과 양이온(Cation)으로 만들어진 세포외 기질을 사이에 혈장 막이 안정 막 전위를 갖게 되는 것이다. 안정 막 전위는 볼트 단위로 측정되게 된다. 전압계를 미소 전극과 연결해 세포 외기질과 세포 안기질에 두 지점을 측정한다. 신경안정 막 전위는 범위가 -40mv부터 -90mv까지 있고 주로-70mv라고 표현한다. 이 수치의 의미는 세포 안의 전압이 더 많은 마이너스 전하를 가지고 있다는 의미이다.

 

1. 양이온의 누수 채널(leekage channel)을 통한 이동

세포외 기질의 나트륨이 더 많이 분포해 있고 세포 내 기질에는 칼륨이온이 더 많이 분포해 있을 때  신경 세포막은 더 많은 칼륨 누수 채널을 포함하게 된다. 이 의미는 75배의 칼륨이온이 이동이 가능하다는 것이다. 더 많은 칼륨이온이 세포 밖으로 흐를 수 있게 되는 것이다. 이러한 결과로 인해 세포 내 기질은 더 적은 플러스 기질을 갖게 되고 세포 외기질은 더 많은 플러스 특성을 나타나게 된다. 

 

2. 세포 내의 더 많은 음이온

마이너스 특성을 가진 인산염(phosphate) 은 큰 분자들에 붙어 있는데 단백질이나 ATP 같은 분자들이다. 큰 분자들은 확산(diffusion)을 통해 혈장 막을 갈 수 없기 때문에 혈장 막이 세포 내의 음이온을 만들어내게 한다.  그렇기 때문에 세포 내 혈장 막에 더 많은 음이온들이 확산시켜 안정 막 전위를 형성하게 된다.

 

등급 전위(graded potential)

 

탈분극(depolarization)과 과분극(hyperpolarization)은 안정 막 전위에서의 편차를 나타내는 말이다. 

 

탈분극(depolarization)

세포 안의 전위를 더 적은 마이너스 기질을 갖게 하는데, 이는 더 많은 양이온들이 세포 내로 들어오게 된다. 이때 전압은-70mv에서 -40mv로 바뀌게 된다.

 

과분극(Hyperpolarization)

과분극은 혈장 막 전위가 더 낮은 마이너스 기질을 갖게 되는 것이다. 전압은 -70mv에서 -75mv로 바뀌게 된다. 예를 들어, 염소 같은 마이너스 전하를 가진 물질이 세포 내로 흘러오게 되면 과분극이 일어나게 되는 것이다.

 

활동 전위(action potential)의 과정

활동 전위는 등급 전위에 의해 발생하게 되는데 자극에 의해 탈분극이 촉발시킨다고 말할 수 있다. 자극이 신경의 수상돌기 끝부분에서 발생하면 이온채널들이 이온들이 신경세포 혈장 막을 통해 신경세포 안으로 들어오게 된다. 이를 등급 전위가 생산하게 되는 것이다. 

 

이러한 등급 전위들이 -70mv 전압을 갖고 있는 안정 막 전위를 탈분 극화시키기 위한 자극 점은 -55mv인데, 활동 전위가 발생하게 된다.  그런 반면에 자극이 -55mv 만큼 되지 못한다면 활동 전위를 일어나지 않는다. 신경세포의 활동 전위가 일어나게 되면 축색돌기를 따라 자극이 전달되는데 축색돌기 막 또한 탈분극이 발생하게 되었다 다시 재분극이 되게 된다. 이렇게 전달되는 과정을 통해 자극은 화화적 시냅스를 통해 다른 신경세포나 조직으로 전달되게 된다.

활동 전위는 탈분극, 재분극, 과분극으로 나눌 수 있다.

 

안정단계(rest)

안정 막 전위에서 전압의존성 나트륨(sodium) 채널은 열리게 되고, 칼륨(potassium) 채널은 닫게 된다.

 

탈분극(depolarization phase)

탈분극이 발생하게 되면 나트륨 채널이 빨리 열리게 되고, 양이온의 나트륨이 세포 내로 들어오게 되면 더 많은 탈분극이 일어나게 된다.  나트륨 채널이 열리게 됨으로써, 양이온들이 세포 안쪽의 혈장 막을 형성하고 전위를 바꾸게 된다. 그렇게 됨으로써 +30mv까지 도달하게 된다.

 

재분극(repolarization)

전압+30mv에서 칼륨(potassium) 전압 채널이 열리게 되어 재분극이 일어날 수 있게 한다. 재분극 하는 과정에서 칼륨이온들이 세포 밖으로 흘러가게 되고 나트륨 이온들을 안으로 들어오는 것을 억제하게 된다. 그럼으로써 전위의 편차를 감소시킨다. 그래서 안정 막 전위 상태인 -70mv까지 되돌리게 된다.

 

과분극(After-hyperpolarization)

과분극을 하는 동안 칼륨이온의 과도한 세포 밖으로의 방출로 인해 전위가 달라지게 되어 -90mv까지 도달하게 된다. 이는 칼륨의 통로가 천천히 닫히게 됨으로써 과도하게 칼륨이온들이 밖으로 방출되게 된다.

불응기(refractory period) 

활동전위이가 시작되어 진행되는 동안에는 신경세포가 다른 활동 전위가 일어날 수 없게 된다. 이를 불응기라고 한다.

 

참조

opstax college. Anatomy & physiology