이온펌프와 채널의 작동 방식

앞선 글에서 이온 펌프와 채널 단백질의 기초 지식을 공부했었다.

뉴런이 신호를 전달하는 방법

 

간단히 말하자면, 채널 단백질은 선택적으로 특정 이온을 이동시키는 통로이고,

이온 펌프는 에너지를 이용하여 뉴런 세포막 안팎의 이온 농도차를 형성하는 펌프이다.

 

이온 펌프의 작동

실제 세포 안팎의 이온 분포는 다음과 같다.

K+는 세포 안에 고농도로 존재하고, 

Na+와 Ca2+는 세포 밖에 고농도로 존재한다.

그렇다면 이러한 농도 기울기는 어떻게 생길까?

 

바로 이 역할을 하는 것이 이온 펌프이다.

두 가지 중요한 이온 펌프가 있는데, 다음과 같다.

두 가지 중요한 이온 펌프

1. Na+ - K+ 펌프 (sodium-potassium pump)
2. Ca2+ 펌프

소듐-포타슘 펌프 / 출처: https://blog.naver.com/wdfsy35/221041946445

Na+ - K+ 펌프

Na+ - K+ 펌프는 세포 내에 Na+가 존재하는 경우 ATP 가수분해를 하는 효소이다.

이 과정에서 화학 에너지를 방출하는데 이 에너지를 통해 세포 안의 Na+와 세포 밖의 K+를 교환한다.이온펌프는 농도기울기를 역행하는 방향으로 작동한다.

 

이 과정에서 에너지 소비가 큰데, 뇌가 소비하는 에너지의 70%가 본 펌프 작용에 쓰인다고도 한다.

 

Ca2+ 펌프

Ca2+ 펌프는 세포질의 Ca2+를 세포 밖으로 운반한다.

 

그러므로 이러한 이온 펌프의 작용으로 인해 세포 안에는 K+가 고농도로 존재하고, Na+, Ca2+는 세포 밖에 고농도로 존재하게 되는 것이다.

 

 

채널의 선택적 이온 투과도

이온의 평형 전위는 막이 특정 이온에 대해서만 선택적 투과도를 보일 때 생기게 된다.

각 채널마다 더 잘 투과시키는 이온이 있기 때문이다.

(채널을 구성하는 아미노산들의 특성인 R잔기에 따라 그 선택적 투과도가 결정된다.)

평형전위를 이루는 방식 / 출처: kocw

 

휴지 막전위는 -65mV, K+ 평형전위값은 - 80mV이다.

이러한 차이가 나는 이유는 뉴런의 세포막이 Na+도 계속 세포 내로 유입되기 때문이다.

만약 그렇지 않고 세포막이 K+만 투과시켰다면 막전위는 E(K)와 같은 값일 것이고,

반대로 Na+만 투과시켰다면 막전위는 E(Na)와 같은 값일 것이다.

실제로 세포막은 K+를 Na+보다 40배 더 잘 통과시킨다.

 

이온 채널과 펌프의 작동 방식 / 출처: For a better world 티스토리 블로그

K+ 채널의 이온 선택성

K+ 채널의 이온 선택성에 대해 좀 더 자세히 알아본다.

K+ 채널의 이온의 선택적 투과성 또한 아미노산 잔기들의 배열에 의해 결정된다.

 

하위단위체 4개가 통로를 형성하는데,

구조적으로 구멍고리라고 불리는 형태로 선택필터를 구성하게 된다.

 

만약, K+ 채널의 구멍고리를 구성하는 아미노산 한 개에서 돌연변이가 일어난다면,

K+만이 아니라 Na+도 K+ 채널을 통과한다.

이와 같은 Na+의 투과도 증가는 막전위를 비교적 덜 (-)하게 만들어 뉴런이 기능을 하지 못하게 만든다.

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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)