신경계의 관한 모든것!!! 신경 물질의 전달과 작동 원리 총정리!!!

신경계의 관한 모든것을 알아보자!!!!

 

 

 

1. Membrane potential

 

세포막 내부와 외부의 이온 농도 차이

세포의 내부와 외부 이온 농도는 다르다. 휴지 상태의 농도는 아래의 표와 같아.(단위 ,mmol/L)

이온	ECF	ICF
Na+	150	15
K+	5	150

다른 이온들(칼슘, 마그네슘 등)은 체내에 다른 역할을 하고 세포막전위 생성에는 직접적으로 관여하지 않는다. Cl-은 ECF에 고농도로 존재하고 능동수송 기전을 가지고 있지 않다. Cl-은 수동적 확산으로 분배되어 평형 상태에 도달한다. 이때, Cl-은 세포 밖으로 밀려나가서 K+와 Na+의 이동에 의해 생긴 밖을 향하는 전기적 경사를 정확히 상쇄시킬 안쪽을 향하는 농도 경사를 형성한다. Cl-이 막전위에 영향을 끼치는 것이 아니라 막전위가 Cl-의 분포에 영향을 끼친다.

 

세포는 이온을 위한 선택적 투과성 막을 가진다.

이온은 이온채널이라는 통로를 통해 세포막을 지날 수 있다. 세포가 특정 이온에 대한 이온채널을 가지고 있으면 그 세포는 그 특정 이온에 대해 투과성을 가진다고 말한다. 그 세포에 특정 이온에 대한 채널이 없으면 그 이온은 세포막을 지날 수 없다. 그리고 모든 세포가 모든 이온들의 채널을 가지지 않는다. 어떤 이온에 대한 채널은 가지고 어떤 이온에 대한 채널은 가지지 않는다. 이것을 선택적 투과성이라고 한다. 대부분의 세포가 K+에 대한 투과성을 가지는데 흥분을 잘 하는 세포는 K+에 대한 채널이 풍부하고 약간의 Na+에 대한 채널을 가진다. 세포에 자극이 닿으면 활동전위가 일어나서 K+이 ICF에서 ECF로 많이 이동해야 하기 때문이다. 신경세포는 Na+,K+, Cl-에 대해 투과성이 있지만 세포 내부에 있는 A-(단백질 분자)는 너무 커서 채널을 통해서도 세포막을 지나가지 못하기 때문에 불투과성이다. 각각의 이온에 대한 채널은 다른 이온을 통과시키지 않으므로 다른 이온의 투과성과 관련이 없다. 세포는 이온을 받아들이기 위해 채널을 열고 닫고 하는데, 신경세포의 경우 자극을 받으면 기존 열려있는 Na+통로보다 많은 통로가 열려서 휴지상태보다 많은 Na+를 받아들인다.

 

K+의 평형전위

A-(단백질분자)와 K+대한 농도 차가 세포막 사이에 존재하고 K+는 세포막을 투과 할 수 있고 A-는 투과할 수 없고, 아직 막전위가 없다면 농도경사에 따라 K+가 이동할 것이다. K+가 ECF로 이동하면서 양전하도 함께 이동하므로 ECF는 더욱 양전하를 띄게 된다.

 

A-(단백질분자)는 세포막을 지나지 못하므로 막전위가 생긴다. 전기적 경사가 농도 경사보다 커지면 ICF는 음전하고 ECF는 양전하이므로 ICF는 K+를 끌어들이고 ECF에서는 K+를 밀어내는 힘이 작용해서 K+는 세포안으로 들어가게 된다. 하지만 농도경사가 더 클 때는 순확산하며 세포 밖으로 K+가 나간다. 이때, 신기하게도 농도경사는 일정하게 유지가 된다. 그 이유는 K+이 세포 밖으로 극소량 이동해도 꽤 큰 막전위의 변화를 유도하기 때문이다. 따라서 K+농도는 세포 내외에서 큰 변화가 없는 상태로 남아있다. K+이 거의 일정한 농도 경사를 따라 세포 외로 이동하는 동안 세포 안으로 향하는 전기적 경사는 점점 증가해서 농도 경사와 같아진다. 그렇게 K+의 순확산은 점차 감소하게 되고 이 두 가지 힘이 평형을 이루면 K+의 순이동은 일어나지 않는다. 이런 전위를 K+평형전위라고 한다.

 

Na+과 K+이 안정 막전위를 결정한다.

체액에는 Na+과 K+가 동시에 존재한다. 안정막은 Na+에 비해 Na+과 K+에 대해 50~75배정도 막 투과성이 높다. 그래서 K+이 Na+보다 안정 막전위에 미치는 영향이 크다. 하지만 막은 Na+에 대한 투과성도 가지기 때문에, Na+평형전위에 도달하려는 성격이 있다. -90mV가 세포내막에서의 K+만의 평형전위다. 평형 전위에 도달하려는 Na+이 세포내부로 유입해서 -90mV보다 양전하로 만들어 -70mV에 근접한 안정 막전위을 만든다. 안정 막전위가(-70mV)가 K+만의 평형전위(-90mV)와 큰 차이가 없는 이유는 세포 내부로 들어온 Na+에 의한 전위를 K+가 일부 중화하기 때문이다.

 

Na+-K+pump가 안정 막전위를 유지한다.

안정 전압상태에서는 Na+과 K+모두평형상태에도달하지못한다. -70mV의 막전압은 K+에 대한 농도경사를 정확히 상쇄시키지 못한다. 정확히 상괘시키기 위해선 -90mV가 필요하므로 K+은 계속 채널을 통해 수동적으로 세포외부로 나간다. Na+도 평형전위가 아니기 때문에 Na+도 세포 내부로 들어올려는 경향이 있다. Na+의 막투과도가 낮아서 속도는 느린 편이다. 이렇게 수동적이동이 계속 되는데도 두 이온의 농도가 유지되는 이유는 Na+-K+pump덕분이다. Na+-K+pump의 능동수송의 이온 이동속도가 수동수송의 이동속도와 같아서 수동수송으로 인한 세포막내외로 움직이는 두 이온의 수를 상쇄시킨다. 그래서 세포막내외의 두 이온농도를 유지하는 것이다. 따라서 막을 사이로 농도 경사도 유지된다. 이렇게 Na+-K+pump는 휴지기에 안정 막전위를 유지하는데 기여하기도 하고 활동전위때는 농도차이를 만들기도 한다.

 

 

 

2. Action potential

 

 

투과성이 급격한 변화가 활동전위를 생성한다.

활동전위는 막전위를 크게 변화시킨다. -70mV에서 30mV까지 올라가고 다시 -70mV로 돌아온다. 활동전위는 신경세포 막의 Na+와K+에 대한 투과성을 변화시켜서 일어난다. 투과성 변화는 전압 의존성 이온채널가 열리고 닫히냐에 따라 변한다. 뉴런의 세포체에서 축색이 뻗어나온 곳으로 전압의존 Na+이온채널이 가장 밀집되있는 축삭둔덕(Axon hillock)에서 활동전위가 발생한다. 수상돌기(dendrite)와 세포체의 신호가 축삭말단에 도달하고 이것이 막전위가 전기적 양성으로 변해서 활동전위가 발생하는 것이다. 그것을 탈분극이라 한다. 축삭돌기에 탈분극이 일어나면 Na+에 대한 전압 의존성 이온채널이 열려서 Na+에 대한 투과성이 급격히 높아지고 전기화학적 농도 경사에 따라 세포 안으로 Na+가 들어온다. -55mV에 달하는 역치에 도달해야 활동전위가 일어난다. 역치에 도달하면 positive feedback loop가 형성된다. positive feedback loop가 전압 의존성 이온채널을 열어서 활동전위의 올라가는 단계를 제공한다. 양성 되먹임 고리란 탈분극, 일부 전압 의존성 Na+채널 열림, Na+의 유입(막전위 감소를 심화) 순서대로 일어나는 회로를 말한다.

 

변이하는 전압 의존성 이온채널이 투과성을 바꾼다.

전압에 의해 조절되는 Na+와K+채널은 활동전위와 관련이 있다. 이 채널은 많은 전하 그룹을 가지는 단백질로 구성된다. 세포막을 둘러싸는 액상 물질의 전하에 의해 이온채널을 구성하는 단백질의 전하를 띤 부분이 전기적으로 끌리면서, 이온채널의 구조를 변형 시킬 수 있는 힘이 가해진다. 전압 의존성 Na+채널은 2개의 문을 가진다. 하나는 활성문이고 다른 하나는 비활성문이다. 활성문은 열리고 닫히면서 채널의 입구는 막고, 비활성문은 공과 사슬같이 늘어선 아미노산들로 구성 된다. 비활성문은 채널이 열린 상태 일 때, 공이 사슬에 매달린 채로 자유롭게 움직이고, 닫힌 상태일 때는 이온채널 입구에 있는 수용체에 결합해 있다. 전압 의존성 Na+채널은 아래와 같은 세 가지 상태가 있다.

 

1)은 닫혀 있지만 열릴 수 있는 상태

2)는 열린 활성화 상태

3)은 최대 전위에서 막전위까지 상태이다.

 

	1)안정 막전위(-70mV)	2)탈분극(-50~+30mV)	3)재분극(+30~-70mV)
활성문	닫힘	열림	열림
비활성문	열림	열림	닫힘

 

전압 의존성 K+채널은 문이 하나밖에 없으므로 열려 있거나 닫혀있는 두 가지 상태로만 존재한다. 닫힌 상태(-70mV~+30mV)에는 안정 막전위와 정점 전위까지 도달할 때까지 닫혀 있다. 최대 전위에서 과분극 상태(+30mV~-80mV)까지 열려있다.

 

 

활동전위동안 Na+와 K+의 움직임

1) 휴지기(-70mV)

안정 막전위기에 모든 전압 의존성 Na+과 K+채널은 닫혀 있다. 따라서 두 이온의 움직임은 없다. 세포내막은 음전하 세포외막은 양전하를 띈다.

 

2) 역치 도달(-70mV~-50mV)

탈분극 촉진 사건이 역치인 ~-50mV에 도달하면 전압 의존성 Na+채널 활성문이 열린다. Na+은 세포내부로 유입되기 시작한다.

 

3) 활동전위의 시작(-50mV~+30mV)

계속 Na+이 세포내부로 유입되면서 세포 안의 음전하를 중화시킨다. 안쪽으로의 Na+의 움직임은 Na+와 짝짓고 있었던 음전하(주로Cl-)를 바깥쪽에 남긴다. 이런 음전하들은 막전위에 기여하고 있던 양전하를 중화시켜 세포의 바깥쪽이 양전하를 점점 덜 띄게 만든다.

 

4) 활동전위의 정점(+30mV)

Na+의 세포 안쪽으로의 이동이 증가하면서 활동전위가 최대일 때, 세포 안쪽은 양성으로 바깥쪽은 음성으로 바뀌어 전위가 역전된다. 최대 활동전위에서 전압 의존 Na+채널의 비활성 문이 닫히기 시작하고 K+의 문은 열린다. 따라서 Na+은 세포안으로 유입이 중지되고, K+은 세포 내부에서 밖으로 떠난다.

 

5) 재분극 시작(+30mV~-70mV)

세포 밖으로 K+의 움직임은 K+와 짝짓고 있었던 음전하를 세포 안쪽에 남기고 바깥쪽 음전하들을 중화한다. 결과적으로, 세포의 안쪽은 양전하를 점점 덜 띄게 되고 바깥쪽은 점점 음전하를 덜 띄게 된다.

 

6) 활동전위 완성: 후 과분극 시작(-70mV~~-80mV)

계속된 바깥쪽으로의 K+dml움직임은 전위를 다시 역전시켜 안정 막전위를 회복하게 하여, 세포 안쪽은 다시 음전하를 띄고 바깥쪽은 가시 양전하를 띄게 된다. 안정 막전위에서 전압 의존 Na+채널의 비활성문이 열리고 활성문이 닫혀 또 다른 자극에 반응하기 위한 준비를 한다. 계속 열려있는 전압 의존 K+채널의 문은 여전히 열려서 바깥쪽으로의 K+이동은 잠시 동안 과분극시킨다.

 

7) 후 과분극 완성 후: 안정 막전위로 돌아간다.(-80mV~-70mV)

전압 의존 K+채널이 닫히면서 막은 안정막전위로 돌아간다.

 

 

 

 

불응기란?

활동전위는 처음 활성화 된 부위에서 한 방향으로만 전파된다, 활동전위가 새로운 인접 부위에서 유도되고 원래의 활성 부위는 휴지기로 돌아가면, 아직 비활성 상태인 인접 부위로 정방향의 전류가 생기면서 동시에 역방향으로도 국소적 전류가 생기게 된다. 그와 같은 역방향 전류도 인접 부위를 역치에 도달하게 만들 수 있다면, 여기에서 또 다른 활동전위가 시작되어 정방향과 역방향 으로 모두 활동전위가 생기게 될 것이다. 그러나 그렇게 되면 다양한 활동전위가 축삭을 따라 앞뒤로 움직이게 되어 복잡해지고, 신경세포를 지치게 만들 것이다. 그래서 이런 상황을 맏는 불응기(refactory period)가 있다. 불응기는 활동전위가 방금 생성된 부위에서 새로운 활동전위가 사작하지 않게 한다. 불응기는 완전 불응기와 상대불응기가 있다.

 

 

1) 완전 불응기(absolute refactory period)

완전 불응기란 활성화되어 있는 부위가 더 이상 자극에 대해 완전히 반응하지 않는 기간을 말한다. 전압 의존성 Na+채널이 활성화된 상태로 바뀌면 안정막전위가 회복되고 채널이 원래 위치로 돌아갈 때까지는 다른 탈분극 촉진 자극에 반응할 수가 없다. 완전 불응기는 전압 의존성 Na+채널이 역치에서 활성문이 열린 상태로 변했을 때부터 활동전위가 정점에 도달한 후 비활성문이 닫히고, 안정 막전위로 돌아갈 때까지의 기간을 말한다. 즉, 채널이 닫혔지만 자극에 의해 다시 열릴 수 있는 상태를 말한다. 완전불응기가 존재하기 위해서는 하나의 활동전위는 같은 부위에 또 다른 활동전위가 시작되기 전에 사라져야만 한다. 활동전위는 겹쳐지거나 하나의 전위가 다른 전위에 합하여질 수 없다.

 

2) 상대 불응기(relative refactory period)

상대 불응기는 완전 불응기를 거쳐 시작된다. 이 기간에는 평소보다 더 강한 촉진 사건에 의해서만 두 번째 활동전위가 만들어질 수 있다. 상대 불응기는 활동전위가 완료된 후 전압 의존성 Na+채널의 비활성화 상태가 길어지고, 활동전위의 정점에서 열린 전압 의존성 K+채널이 닫히는 작용이 늦어지는 두 가지 원인 때문에 존재한다. 이 기간에는 평소보다 더 적은 수의 전압 의존성 Na+채널이 탈분극 촉진 사건에 의해 열리게 된다. 동시에 K+는 후 과분극이 일어나는 동안 느리게 닫히는 채널을 통해 유출된다. 촉진 사건에 반응하여 평소보다 더 적은 Na+의 유입이 일어나고, 열린 채널을 통한 K+의 유출도 계속되므로, 세포막이 상대 불응기에 역치에 도달하기 위해서는 평소보다 강한 촉진 사건이 요구된다.

 

 

전도속도(conduction velocity)

축삭둔덕(Axon hillock)에서 발생한 활동전위는 축삭으로 전도된다. 양전하는 축삭을 통해 흐르고 역치에 도달한 막에 인접한 부분은 탈분극되고, 활동전위가 일어난다. 전도속도는 신경섬유가 수초로 덮여있는 지와 신경섬유의 지름에 의해 결정된다. 지름이 클수록 전하흐름에 대한 내부의 저항성이 낮아지고 활동전위가 더 빨라진다. 수초로 덮인 섬유에서는 빠른 전달 방법인 도약전도(salutatory conduction)가 일어난다. 수초로 덮인 섬유를 유수화 섬유(myelinated fiber)라고 한다. 수초는 어떤 틈을 두고 일정한 간격으로 수초로 덮여있다.

 

이 틈을 랑비에결절(node of Ranvier)라고 한다. 이 부위는 축삭 세포막이 아무 물질로도 덮여있지 않아 세포외액에 그대로 노출된다. 이 부위가 세포막을 통과하여 전하가 흐를 수 있고 활동전위를 만들 수 있는 부분이다. 랑비에결절에 전압 의존성 Na+채널이 집중되어 있고 랑비에 결절에는 존재하지 않는다. 반대로, 무수화 섬유에는 섬유 전체에 걸쳐 전압 의존성 Na+채널이 고밀도로 존재한다. 결절은 보통 1mm간격을 두고 위치한다. 활성 결절에서 생긴 국소 전류가 사라지기 전에 인접 결절 부위에 도달할 수 있을 정도의 간격이다.

 

활동전위가 하나의 결절에서 시작되면, 인접 비활성 결절에서 반대되는 전하를 끌어당기면서 전위를 역치까지 감소시켜서 활동전위가 시작된다. 따라서 유수화 섬유에서는 자극이 축삭의 유수화된 부위는 건너뛰고 다음 결절로 도약한다. 이것을 도약전도(salutatory conduction)이라고 부른다. 도약전도의 경우 무수화된 부위에 활동전위를 생산할 필요가 없기 때문에 일반 전도보다 50배정도 빠르게 전도한다.