뉴런 세포막을 통과하는 이온

신호를 전달하는 활동 전위, 그렇지 않을 때의 휴지 막전위의 차이를 보이며

뉴런 세포막을 기준으로 어떻게 작용하는지 개략적인 방식을 알 수 있었다.

 

뉴런이 신호를 전달하는 방법

 

채널 단백질, 이온 펌프와 같은 막 관통 단백질을 통해 이온이 이동하며

각 전위를 만들어냄을 알 수 있었는데,

본 글에서는 이온의 이동에 집중하여 알아볼 예정이다.

 

막의 채널이 열려 있다고 반드시 이온이 막을 통과하는 것이 아니다.

외부의 힘이 이온에 작용하여야 이온이 이동한다.

채널을 통한 이온의 이동은 두 가지 요소에 의해 영향을 받는데, 확산과 전기이다.

 

확산

초등학교 때 배웠던 확산과 삼투압에서, 그 확산의 개념과 같다.

핵심은 고농도에서 저농도로 이동이 일어난다는 것이다.

 

인지질의 막을 통과하는 이온들에서도 이와 같은 확산 현상이 발생하고,

이를 통해 이동하여 전위차를 만들어낸다.

이온펌프와 채널단백질 / 출처: 서울대학교

 

이러한 농도의 차이를 농도 기울기 (concentration gradient)라고 한다.

그래서 이온은 농도 기울기를 따라 흐르는데,

확산에 의해 이온이 막을 이동하기 위해서는 2가지 조건이 따른다.

(1) 막에 이온 채널(통로)이 존재하여야 하고,

(2) 막을 가로질러 이온의 농도 기울기가 형성되어야 한다.

 

전기

이온은 전하를 띠고 있다. 그러므로 전기장의 영향을 받는다.

반대 전하는 서로 끌리고, 같은 전하는 서로 배척하는 성질을 기반으로 이동하는 것이다.

 

NaCl 용액이 담긴 상자에 한 쪽에는 양극, 나머지 한 쪽에는 음극을 위치시킨다면,

Na+ 양이온은 음극으로, Cl- 음이온은 양극을 향해 이동할 것이다.

전기장의 영향을 받는 이온의 흐름 / 출처: 나눔 과학 자료실

이처럼, 세포막을 가로질러 이온의 농도차가 발생하면서

세포막 내부와 세포막 외부가 각각 음전하를 띄거나 양전하를 띄게 된다.

 

그러므로 채널 단백질(통로)가 있을 때

전기적 힘을 받아 이온은 반대 전하를 띄는 쪽으로 이동하게 되는 것이다.

이때 중요한 요소 2가지는, 전위차(전압, V)과 전기전도도(g)이다.

옴의 법칙 I=gV

 

전기의 힘을 받을 때도 이온이 이동할 수 있는 조건 2가지가 있는데,

(1) 이온 채널이 있어야 하고,

(2) 막을 가로질러 전위차가 형성되어야 한다.

 

휴지 막전위에서 이온의 이동

지금까지 이러한 이온 이동의 기초를 알아보았다.

뉴런에서 이온의 이동에 따라 휴지 막전위, 그리고 활동 전위로의 변화가 이루어지기 때문이다.

본 글에서는 우선 휴지 막전위를 기준으로 이온적 기초의 내용을 알아볼 예정이다.

개념 미리보기

- 휴지 막전위: 휴지 상태의 뉴런의 막전위 (Vm = -65mV)
- 평형 전위: 확산력과 전기적 힘이 크기는 같고 방향은 반대 상태가 되어 특정 이온의 순이동이 멈추게 되는 시점의 전위 (E(ion))

 

휴지 막전위

우선, 막전위 (membrane potential)는 뉴런 세포막을 가로질러 형성된 전압을 말하며,

기호로는 Vm(아래첨자 m)로 표기한다.

 

이때 휴지 막전위는 뉴런 세포막의 내부가 바깥에 비해 전기적으로 (-)인 상태인데,

뉴런의 휴지 막전위는 약 -65mV이다.

 

전기, 확산 / 출처: KOCw

평형전위

이온 채널(통로)이 있을 때 이온이 받는 힘은 앞서 소개했던 것처럼 확산과 전기이다.

예를 들어, K+를 선택적으로 투과시키는 이온 채널이 있다고 가정해보자.

 

# Sequence 1

이때 세포 안과 밖에는 K+와 A-(음전하를 띠는 어떤 이온)가 모두 존재하는데,

안에는 K+와 A- 모두 농도가 높고, 바깥은 두 이온 모두 농도가 낮다.

하지만 채널 단백질이 없기 때문에 이온의 이동은 일어나지 못하는 상태이다.

 

# Sequence 2

그런데 K+를 선택적으로 투과시키는 이온 채널이 없다가 생겼다면,

K+ 이온이 확산에 힘을 받아 고농도인 세포 안에서 저농도인 세포 밖으로 이동할 것이다.

그러면 K+가 내부에서 빠져나감으로 인해, 내부는 음전하를 띄게 된다.

 

# Sequence 3

음전하를 띄게 된 세포 내부.

그러므로 K+는 전기적 힘을 받아 내부인 음전하를 향해 도로 내부로 당기는 힘을 받게 된다.

 

# Sequence 4

어느 정도 전위차에 도달하게 되면,

K+를 안으로 당기는 전기적 힘 = 확산에 의해 K+를 세포 밖으로 미는 힘

이 두 힘이 균형을 이룬다.

 

확산력과 전기적 힘이 크기는 같고 방향은 반대 상태가 되어

K+의 순이동이 멈추게 되는 것이다.

 

이처럼 전기적 전위차가 이온의 농도기울기와 균형을 이룰 때,

이를 이온의 평형전위 (ionic equilibrium potential)라고 한다.

기호로는 E(ion)이라고 표기한다. (괄호 내 ion은 아래 첨자)

 

막을 가로지르는 이온 투과와 관련된 4가지 특징

마지막으로, 지금까지 알아본 이온 투과와 관련하여

중요한 4가지 특징을 짚어보고 마무리하고자 한다.

 

1. 이온농도의 아주 작은 변화가 큰 막전위의 변화를 가져온다. (ex. 0.00001mM의 농도 변화가 -80mV의 막전위 변화를 일으킴)

2. 전기 전하의 순차이는 세포막의 '표면', 그러니까 안과 밖의 표면에서 일어난다. (내부의 (-) 전하와 바깥의 (+) 전하는 세포막을 통해 당겨짐)

3. 막전위와 평형전위 차(Vm-E ion)는 이온의 구동력이며, 이에 비례하여 막을 통과한다.

4. 특정 이온의 막 사이 농도 차이를 알면 네른스트 공식을 사용하여 평형 전위를 계산할 수 있다.

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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)