이번 포스트에서는 신경세포(neuron)에서 ion channel들이 어떻게 활용되는지에 대해 알아보고, 그 이후에 ligand-gated ion channel의 예시들에 대해 알아볼게요.
신경세포, 즉 neuron은 위와 같이 생겼어요.
보면 일반적인 세포의 모양이랑 많이 다르게 생겼죠?
그렇기는 하지만 이 녀석도 세포막으로 둘러싸인 세포라는 것은 동일해요.
신경세포의 막에는 이전 포스트에서 언급했던 다양한 종류의 ion channel들이 있는데, 이 녀석들에 의해서 이온이 한쪽 방향으로만 이동한 결과 소위 말하는 막전위(membrane potential)라는게 생겨요. 이런 막전위는 신경세포, 그 중에서도 위 그림에 길쭉하게 나와있는것과 같은 axon 부위를 통해 정보가 전달되는데 있어서 상당히 중요한 역할을 수행해요.
외부로부터 아무런 자극이 없을 때 axon 막에 기본적으로 형성되어 있는 전위를 휴지전위(rest potential)이라고 해요.
그런데 만약 외부에서 어떤 식으로든 특정 수준 이상의 자극이 가해지게 된다면 이 자극에 의해 axon 막에 분포하고 있던 각종 ion channel들이 추가적으로 열려서 활동전위(action potential)을 형성해요.
그 결과 이 활동전위가 위 그림과 같이 axon을 따라 전달되게 되면 말 그대로 신경세포를 통해 전기자극이 전달되어 다음 신경세포로 전파될 수 있게 되는거죠.
사실 활동전위(action potential)의 형성 과정은 꽤나 설명할 게 많은 부분인데요.
자세한 내용은 생리학, 혹은 신경과학에서 다루어져야지 세포생물학에서 자세히 다룰만한 내용은 아닌 것 같아서 이 포스트에서는 아주 simple한 컨셉만 소개할게요.
일단 아무런 자극이 주어지지 않은 상태의 쉬고 있는 신경세포는 기본적으로 세포막 안이 (-)전하를, 세포막 밖이 (+) 전하를 띄고 있어요.
그런데 외부에서 자극이 가해지게 되면 이 자극에 의해서 axon 막에 분포하고 있던(하지만 닫혀 있던) Na+ channel이 열리고 이를 통해서 Na+가 세포 밖에서 안으로 이동해요.
그런데 이 때 Na+의 전하가 +죠? 그래서 Na+의 세포내로의 유입은 신경세포 안쪽 방향의 막전위를 점점 +로 바꿔줘요. 그 결과 발생하는 현상이 바로 '탈분극'인거죠.
다음 토픽으로 넘어가기 전에...
위 그림에 나와있는 것처럼 많은 수의 신경세포들은 axon 부위가 그냥 벌거벗고 있는게 아니라 미엘린 수초(myelin sheath)로 감싸져 있어요.
그럼 왜 이런게 감싸져 있느냐...
미엘린 수초들은 지질을 비롯한 여러 성분들로 구성되어 있고 그 자체로 절연체 역할을 할 수 있어요.
앞서 axon을 통해 활동전위가 쭉 전파된다고 말씀드렸었죠?
그런데 만약 axon 부위가 벌거벗고 있다면 전파 과정에서 전기가 axon 바깥쪽으로 다 누출되어버릴 거에요.
이 누출을 막아주는 절연체가 바로 미엘린 수초인거죠.
이제 다음으로 저번 포스트에서 잠깐 어떤 녀석인지만 언급했었던 ligand-gated ion channel의 실제 예시를 하나 살펴보도록 할게요.
이번에 살펴볼 예시는 바로 아세틸콜린 수용체(acetylcholine receptor)에요.
자.. 일단 아세틸콜린 수용체라는 이름만 들어도 알 수 있듯이 아세틸콜린 수용체는 아세틸콜린이라는 녀석을 인지하는 단백질이에요. 그리고 아세틸콜린은 신경세포가 근육세포에 자극을 전달할 때 주로 분비되는 대표적인 신경전달물질(neurotransmitter)이에요.
지금부터 신경-근육 접합부에서 신경세포로부터 분비된 아세틸콜린이 어떤 식으로 근육세포를 자극시키는지에 대해 알아볼게요.
(이 과정은 시냅스(synapse)에 대해 잘 모르고 계신 분들은 이해하기 매우 어려우실수도 있을듯해요. 따라서 이 내용이 이해되지 않으신다면 시냅스와 관련된 간단한 생리학적 지식을 복습하고 다시 오시기를 추천드려요)
일단 맨 처음에 presynaptic cell의 terminal로 전기적인 신호가 전달되어오면 presynaptic cell의 막에 있는 Ca2+ channel이 열리면서 presynaptic cell 내부로 Ca2+가 유입되어서 들어와요. (위 그림 1)
이렇게 들어온 Ca2+는 presynaptic cell 안에 있는 synaptic vesicle(세포 내를 떠다니는, 일종의 비누방울 비슷한 녀석이에요..ㅋㅋ)이 내부에 저장하고 있었던 acetylcholine이 세포외로 유출돼요.
그러면 신경세포 말단과 근육 사이의 빈 공간을 acetylcholine이 둥둥 떠다니다가, postsynaptic target cell(여기서는 근육세포겠죠?)에 존재하고 있는 acetylcholine-gated cation channel에 이 acetylcholine이 딱 결합해요.
그러면 이 결합에 의해서 acetylcholine-gated cation channel이 열리면서 근육세포 내부로 Na+가 유입되게 되는거죠. (위 그림 2)
이렇게 근육세포내 Na+ 농도가 높아시게 되면 근육세포내 전위가 바뀌겠죠? 그러다가 일정 수준 이상이 되면 voltage-gated Na+ channel(특정 전위 이상이 되었을 때 열려서 Na+를 수송하는 channel)이 열려서 근육세포 내로 더더욱 많은 양의 Na+가 유입돼요. (위 그림 3)
그러면 근육세포막을 따라서 (앞서의 신경세포 axon과 유사하게) 전기신호가 쭉 전달되게 되고, 이렇게 전달된 전기신호에 의해 결국 voltage-gated Ca2+ channel(특정 전위 이상이 되었을 때 열려서 Ca2+를 수송하는 channel)도 열려요.
그런데 위 그림 4번쪽을 자세히 보시면 voltage-gated Ca2+ channel(파란색)이 근육세포 내의 sarcoplasmic reticulum이라는 주머니 막에 존재하는 Ca2+-release channel과 물리적으로 연결되어 있어요.
이 때문에 결과적으로 sarcoplasmic reticulum 막의 Ca2+-release channel이 열리게 되고, sarcoplasmic reticulum으로부터 세포질로 Ca2+가 확산되게 되는거죠.
여기서 sarcoplasmic reticulum이 도대체 뭔지를 물으시는 분들이 많으실텐데요.
일반생물학 때 세포 소기관 중 ER이라는 녀석에 대해 배운 것을 기억하시나요?
이 sarcoplasmic reticulum도 ER의 일종이에요. 다만 이 녀석은 내부에 Ca2+를 저장하는 독특한 기능을 가지고 있으며 근육에서 발견되기 때문에 sarcoplasmic reticulum이라는 다른 이름으로 불러주는 것 뿐이에요.
자, 그럼 이제 결과적으로 아세틸콜린에 의해서 근육세포 내로 ER 내부의 Ca2+가 근육세포의 세포질로 전파되는 과정을 이해하셨을 거에요.
이렇게 해서 세포질로 전파된 Ca2+는 복잡한 과정을 거쳐 근육세포가 수축할 수 있도록 도와줘요.
(이에 대한 더 자세한 기작은 차후 세포골격에 대해 다룰 때 더 알아볼 기회가 있을거에요)
지금까지는 ligand-gated channel에 대해 알아봤는데요.
이 외에 '빛(light)'에 의해 열리는 light-gated ion channel도 있어요.
이런 channel은 물속에 사는 조류들이 가지고 있는데, 이 channel을 가지고 있는 조류들은 빛(특히 파란빛)을 받을 시 channel에 의해 전기자극이 발생하고, 그 결과 빛이 있는 방향으로 이동할 수 있어요.
아니, 이게 뭐 크게 의미가 있나요?
사실 light-gated ion channel의 대표적인 예가 바로 channelrhodopsin인데요.
과학자들은 빛을 인지하는 조류로부터 chanelrhodopsin을 분리하고, 이 녀석을 열심히 연구했어요.
그 결과 channelrhodopsin을 발현시킬 수 있는 유전자를 알아낼 수 있었고, 이 유전자를 사람의 세포에 넣는 것도 가능해졌어요.
그러면 도대체 이걸 사람 세포에 넣어서 어디에 쓰느냐...
실제로 channelrhodopsin으로 발현될 수 있는 gene(유전자)을 우리가 관심있는 신경세포에 삽입한 뒤에, 특정 시점에 신경세포에 빛을 가해주게 되면 신경세포 막에 발현되어 있는 channelrhodopsin에 의해서 ion이 신경세포 내부로 들어온 결과 신경의 흥분이 발생해요.
이런 식으로 빛을 이용해서 특정한 신경을 우리가 원하는 시점에 딱 활성화시킬 수 있는 기법을 사용해 유전적 현상들을 연구하는 분야가 있는데, 그게 바로 그 유명한 광유전학(optogenetics)이에요.
이번 포스트에서는 신경세포에서 발생하는 활동전위의 개념, ligand-gated channel의 예시인 acetylcholine receptor, 그 밖에 light-gated channel에 대해 알아봤어요.
사실 ligand-gated channel은 acetylcholine receptor 이외에도 상당히 많은데요. 보통 세포생물학 책에서 많이 언급되는 예시로 NMDA-receptor channel 같은게 있어요.
이런 녀석들에 대해서는 차후에 다시 살펴볼 기회가 있을 것 같아요!
그럼 다음 포스트부터는 세포 내에서 합성된 단백질들이 어떻게 자신의 자리를 찾아가는지에 대해 알아보도록 할게요.
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