압정을 밟았다.
발에서의 피부 손상이 신호로 전환되어 감각 뉴런 축삭을 통해 전달된다.
이 신호가 척수에서 뇌까지 전달되고,
운동 뉴런(운동 뉴런 축삭)에 시냅스를 형성하여 허벅지 근육에 운동 명령이 담긴 신호를 보낸다.
그 신호를 받아 허벅지 근육이 수축하고 발을 떼게 된다.
활동전위 (action potential)은 신호를 전달하는 성질을 가진다.
전위라는 것은 막을 사이에 두고 전하가 분리되어 있는 것을 말한다.
활동전위를 만들고 전도할 수 있는 세포들은 흥분성 세포막 (excitable membrane)을 가지고 있다.
활동전위에서 이 '활동'은 세포막에서 일어난다.
반면 흥분하는 세포막을 갖는 세포가 전기 충격을 만들지 않을 때 휴지 상태에 있다고 한다.
휴지 상태의 뉴런에서는 세포막 표면 안쪽의 세포질은 바깥과 비교하여 (-) 전하를 가지고 있다.
이러한 세포막 안팎의 전기 전하 차이를 휴지 막전위 (resting membrane potential)이라고 한다.
활동전위는 이러한 상황이 순간적으로 역전된 것이다.
휴지 막전위 (resting membrane potential): 세포막의 안쪽이 바깥쪽보다 (-) 전하를 띤다.
활동전위 (action potential): 세포막의 안쪽이 바깥쪽보다 (+) 전하를 띈다.
그러니까, 신호(정보)가 전달될 때에는 세포막의 안쪽이 바깥보다 (+) 전하를 띠는 활동전위의 형태인 것이다.
반대로 신호가 전달되지 않을 때, 그러니까 전기 충격을 만들지 않는 휴지 상태에서는
반대로 (-) 전하를 띠며 이 전하 차이가 휴지 막전위이다.
위와 같은 활동 전위, 휴지 막전위에서의 주된 작동인자 3개가 있다.
세포막 안팎의 염수용액, 세포막 자체, 세포막을 관통하는 단백질이다.
1. 세포막 안팎의 염수용액
뉴런 내부 액체인 세포 기질, 그리고 뉴런이 담겨있는 용액인 세포 외 용액 모두 주된 성분은 물이다.
전기적으로 전하를 띠는 원자인 이온은 물에 잘 녹고, 물에 녹은 이온들이 휴지 막전위 및 활동전위와 관련있다.
물 H2O. 수소 원자 두 개와 산소 원자는 전자를 서로 공유하는 공유결합으로 연결되어 있다.
그런데 이때 산소 원자는 수소 원자보다 전자에 대한 친화도가 더 크다.
그러므로 수소 원자, 산소 원자가 공유하는 전자는 산소 원자와 더 많은 시간을 보낸다.
그래서 산소 원자는 순 음전하를, 수소 원자는 순 양전하를 띠게 된다.
결국, 물은 극성 공유결합에 의해 연결되어 있다.
순 전기 전하를 갖는 원자나 분자들을 이온이라고 한다.
예를 들어 소금, NaCl. 나트륨과 염소의 이온 결합이라는 인력에 의해 결합된 결정이다.
물 분자의 전하를 띠는 부위가 다른 물 분자보다 이온에 대해 더 강한 인력을 보이기 때문에,
결국 소금은 물에 잘 녹는 것이다.
소금이 물에 녹을 때에는, 소금 결정으로부터 이온들이 떨어져 나가면서,
각 이온들이 물 분자에 둘러쌓인다.
2. 세포막 자체
물에 대해 친수성, 소수성으로 나뉜다.
물을 좋아하고, 싫어할 경우이다.
친수성은 이온과 극성 분자를 포함하는 물질들의 경우이고,
소수성은 비극성 공유결합으로 연결된 원자들의 경우이다.
친수성과 소수성으로 구분되는 것은 세포막의 주요 성분에도 있다.
물에 잘 녹지 않는 생체 분자인 지질 (lipid)은 소수성이다.
세포막의 주요 구성요소는 인지질 (phospholipids)인데,
이는 비극성 탄소사슬구조로 구성되어 있다.
인지질은 인산 원자가 산소 원자 3개와 결합되어 있는 극성 인산기를 가지고 있다.
이 극성 인산기는, 인산염을 포함한 머리 부분(극성)은 친수성, 탄화수소를 포함한 꼬리 부분(비극성)을 갖는다.
이러한 구조는 총 두 겹의 인지질 분자의 층으로 구성되어 있는데,
친수성의 머리가 막의 바깥쪽, 소수성 꼬리는 내부에서 서로 접하고 있다.
이것이 바로 인지질 이중층이다.
이러한 구조를 통해 뉴런의 세포질을 세포 밖 용액으로부터 효과적으로 격리한다.
3. 세포막을 관통하는 단백질
휴지 막전위와 활동전위 모두 인지질 이중층을 관통하는 특수한 단백질에 의존한다.
바로 이 막 관통 단백질들이 채널 혹은 펌프를 이루어 이온들이 뉴런의 세포막을 통과하는 통로로 구성된다. (채널 단백질, 이온 펌프)
단백질은 아미노산의 다양한 조합으로 구성된다.
아미노산은 펩타이드 결합으로 연결되어 사슬이 되고,
아미노산 사슬 한 개로 되어 있는 단백질을 폴리펩타이드라고 한다.
채널 혹은 펌프로 구성되기 위해서는 4단계를 거친다.
우선 아미노산들이 펩타이드 결합으로 연결되어 사슬이 되고 (1차 구조)
폴리펩타이드 사슬이 알파나선 구조로 꼬이고 (2차 구조)
이들이 구부러지고, 접히며 복잡한 3차원적 모양을 갖게 된다. (3차 구조)
마지막으로, 여러 개의 폴리페타이드 사슬들이 모여 더 큰 분자를 이룬다. (4차 구조)
채널 단백질
이온 채널은 막 관통 단백질 분자이다.
유사한 단밸질 분자 4~6개 정도가 모여 중앙에 채널을 형성한다.
이러한 이온 채널에서 중요한 것은 통로의 직경, 이온 선택성, 개폐이다.
이온 선택성이란 예를 들어, K+ 채널은 K+만을 선택적으로 통과시키는 것이다.
개폐는 막의 국지적 환경 변화로 열리고 닫힌다.
이온 펌프
이온 펌프는 ATP 가수분해 시 발생하는 에너지를 이용하여 이온들을 막을 통과하여 운송한다.
이온 펌프는 Na+와 Ca2+을 뉴런의 내부에서 밖으로 운송하는 뉴런의 신호 전달에 중요하다.
출처
Bear, M. F., Connors, B. W., & Paradiso, M. A. (2018). Neuroscience: Exploring the brain (K. Bong-Kiun et al., Trans.; 4th ed.). BioMedBooks. (Original work published 2016)
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