[신경과학] 4.2 : 활동전위에 대한 물리화학적 이해

 

 

이번 포스트에서는 물리화학적 관점에서 활동전위를 자세히 이해해보도록 하자.

 

 

 

 

 

일단 이에 대한 이해를 위해 크게 두 가지 수식을 이해해야 함. 이전 포스트들에서 V=IR=1/g임을 배웠고, 이로부터 I=Vg라는 것을 알 수 있었음. 한편 특정 이온, 위 그림의 경우 K+ ion인데, 이 ion 하나에 대한 V는 Vm-Ek임.

 

 

이 수식들을 염두에 둔 상태에서 위 그림을 살펴보자. 일단 맨 처음 경우에서는 Ek가 -80mV이며, 외부전압 Vm은 0mV인 상황임. 이 경우 Vk는 80mV가 될텐데, 이 말인즉슨 I=Vg에서 g만 있다면 K+ ion은 세포 안에서 밖으로 엄청나게 많이 빠져나갈 것임. 그러나 위 그림 (a)에서는 g=0이므로 결국 K+가 하나도 빠져나가지 못함.

 

 

한편 동일한 상황에서 g가 0보다 커진다면, 즉 channel의 open에 의해 K+의 세포막을 통한 통과가 가능해진다면 비로소 K+는 세포 밖으로 나갈 수 있을 것임.

 

 

 

이 때 K^+의 외부 방출로 인해 내부 전위 Vm은 점점 낮아질 것임. 그러다가 만약 Vm이 -80mV가 되어버리면, 이 때는 VK가 0이 되어버리므로 channel을 통한 K+의 순이동은 없게 됨.

 

 

+) 참고로 이 때 g는 ion channel의 발현양과 open된 정도에 따라 달라질 수 있음.

 

 

 

 

한편, 방금 봤던 것처럼 우리는 neuron에서의 ion 이동과정을 위와 같은 일종의 회로처럼 볼 수 있음.

 

 

 

 

이제 본격적으로 AP가 어떻게 생성되는지에 대해 알아보자.

 

 

 

 

AP의 생성 과정에서의 ion 이동 양상이 위 그림에 나타나 있음.

 

 

우선 휴지전위 상태에서 항상 열려있는 leak type의 K+ channel이 있음. 앞서 논의했던 것처럼 이 녀석에 의해 바깥쪽으로 K+가 빠져나가는 과정에서 휴지전위가 형성됨.

 

 

한편 외부에서 전기자극이 오게 되면, 이 자극에 의해서 voltage gated Na+ channel이 열리게 됨. 이 때 외부 Vm을 -80mV으로 생각해보자. 이럴 경우 E_Na는 60mV 정도이므로 V_Na가 대략 -140mV 정도가 됨. 이 말인즉슨 g만 0이 아니면 Na+는 대거 세포 밖에서 안으로 이동하려고 할 것임. 이런 상황에서 voltage gated Na+ channel이 열리게 되면 Na+가 엄청나게 세포 안으로 들어오면서 탈분극이 발생함.

 

 

이런 과정에 의해 Vm이 40mV까지 올라갔다 해보자. 이 때도 사실 V_Na를 계산해보면 -20mV 정도로 여전히 세포 안으로 들어오고자 함. 그러나 뒤이어 배우게 되겠지만 voltage gated Na+ channel의 경우 아주 빠른 시간동안 잠시 열렸다가 다시 닫히는 특성을 가지고 있기 때문에 g가 0이 되고 Na+의 유입은 중단되게 됨.

 

 

한편 Vm이 40mV일 때 VK는 120mV가 됨. 따라서 이 경우 voltage gated K+ channel의 open에 의해 g가 0이상의 값이 되면서 K+가 세포 외로 이동하게 됨. 이 과정에서 막전위는 다시 지속적으로 감소함.

 

 

이후 Na+/K+ pump (kind of ATPase)에 의해 세포 밖의 K+, 세포 안의 Na+가 다시금 세포 안, 세포 밖으로 수송되어 balance가 맞춰지게 됨.

 

 

 

 

 

정리하자면 막전위의 rising phase에는 inward sodium current가 관여하며, 막전위의 falling phase에는 outward potassium current가 관여함.

 

 

 

 

 

한편, Hodgkin과 Huxley는 과거 electrode를 이용해 전위를 측정하거나, 혹은 전위를 가해주고자 할 때 neuron의 diameter가 너무 얇아서 애를 먹었었음. 그래서 이들은 squid giant의 axon을 사용했는데, 이 axon은 diameter가 거의 1mm여서 매우 용이하게 electrode를 삽입할 수 있었음.

 

 

 

 

그 결과 실제로 위와 같은 개형의 AP를 측정할 수 있었음.

 

 

 

 

 

참고로 Cole, Marmont는 위 그림에 나와있는 것과 같이 recording electrode와 current passing electrode를 따로 둔 채로 neuron에 자극을 가하고, 이 자극에 의한 막전위 변화를 측정하는 system을 개발했는데, Hodgkin, Huxley는 이 방법을 이용해 위와 같은 AP를 측정한 것임.

 

 

사실 위 그림의 경우 electrode를 이용해 current를 고정시켜준 상태에서 막전위 V가 어떻게 변하는지를 본 current clamp 방법이 나타나 있는데, 이 외에 electrode로 voltage를 고정시켜준 상태에서 막 전류 C가 어떻게 변하는지를 보는 voltage clamp도 있음.

 

 

 

 

 

위 그림에 나타나 있는 data는 voltage clamp의 결과 얻어진 것임. 보면 voltage clamp를 통해 외부에서 일정한 V를 걸어줬을 때, 초반부에는 안으로 + charge가 확 몰렸다가, 시간이 지나면 이번에는 밖으로 + charge가 확 몰리는 것을 알 수 있음. 이 때 각각 안팎에 생기는 + charge의 정체가 무엇인지를 알기 위해, 위 그림에서와 같이 K+, Na+ channel 각각을 따로따로 block한 다음 동일한 실험을 수행해봄. 그 결과 위와 같이 초반에 세포 안쪽으로 들어오는 + ion의 정체는 Na+이고, 후반에 세포 밖으로 나가는 + ion의 정체는 K+라는 것을 알게 됨.

 

 

 

다음 포스트에서는 voltage-gated channel들의 특징에 대해 조금 더 상세히 알아보도록 하자.