생리학에 관하여 - 막전위

 세포막을 경계로 한 이온의 이동은 이온채널을 통해 전하 차이나 이온의 농도 차이에 의하여 유발된다. 세포막을 중심으로 안과 밖의 이런 이온농도의 차이를 농도경사라고 하며, 그 결과 나타나는 전기적 전하의 불균형을 막전위라고 한다.

 

1. 신경세포막의 이온채널

뉴런의 축삭 막은 다른 세포막과 같이 인지질 이중막으로 되어 있으며, 막의 이온채널을 통해 이온의 이동을 조절한다. 모든 신경세포의 세포막에서 발견되는 수동적 이온채널은 소디움 이온 채널, 포타슘 이온 채널, 염소 이온 채널, 칼슘 이온 채널 등이 있다. 화학 활성화 이온채널은 주로 수상돌기와 세포체에 존재하는 이온채널로 평소에는 닫혀 있다가 화학전달물질이 수용기에 결합하면 화학적으로 활성화되어 문이 열리고 이온의 흐름이 가능하도록 한다. 전압 활성화 이온채널은 축삭과 세포체의 세포막에 존재하는 통로로 일정한 전압을 감지할 때 열리며, 활동전위를 생성하거나 전도하는 데 관여한다.

 

2. 안정막전위

 휴식 상태에서 세포가 안정되어 있을 때 세포막을 경계로 하여 나타나는 전압의 차이를 안정막전위라고 한다. 안정막전위는 세포 내에는 음이온이, 세포 외에는 양이온이 각각 과다하게 있어서 생성된다. 세포 내부의 과잉 음전하와 외부의 과잉 양전하는 서로 전기적으로 끌리게 되어 과잉의 전하(이온)들이 세포막의 내부와 외부의 표면에 얇은 막을 형성하며 모이게 되고, 세포내액과 세포외액의 나머지 부분은 전기적으로 중성을 유지한다. 이때 세포막을 경계로 세포 내외의 전위차는 70mV이며 편의상 세포외액의 전위를 0으로 하여 세포외액에 대한 세포내액의 전위로 표시해서 안정막전위는 약 -70mV이다. 

 이와 같이 휴식 상태에서 세포 내외에 분극이 생기고 세포막 외부는 양전하, 내부는 음전하를 띠는 안정막전위가 발달하는 것을 세 단계로 나누어 설명하면 다음과 같다.

 (1) 뉴런의 세포막을 경계로 이온의 농도경사가 생긴다. 세포내액의 K+ 농도는 외액에 비해 약 30배 정도 높으며 세포외액의 Na+농도는 내액보다 10배 정도 높다.

 (2) 농도 차에 의해 K+은 세포 내에서 세포 외로, Na+은 세포 외에서 세포 내로 확산하려는 힘이 작용한다. 그런데 안정 시의 세포막은 Na+채널보다  K+채널이 더 많이 열려 있어 K+은 비교적 쉽게 투과하지만 Na+은 거의 투과하지 못한다. 따라서 전체적으로 세포막을 통한 양이온의 유입보다 유출이 더 많아지고 K+평형전위에 근접한 수준으로 음의 막전위가 발달된다.

 (3) 평형 상태의 뉴런은 막을 통한 이온의 이동이 역동적 균형에 도달한다. 막전위가 각 이온의 평형전위가 같지 않으므로 약간의 Na+은 세포 내로, K+은 세포 외로 새어 나간다. 그러나 Na+/K+ -ATPase펌프에 의한 이온의 이동과 이온이 새어 나가는 속도가 정확하게 균형을 이루므로 농도경사가 깨어지지 않는다.

 

3. 차등전위와 활동전위

 안정 상태로부터 막전위의 일시적 변화는 전기적 신호를 만드는데 이러한 변화는 신경세포가 정보를 전달하는 중요한 수단이다. 전기적 신호는 차등전위와 활동전위의 두 가지 형태로 나타난다. 차등전위는 신경이나 근육세포막에서 짧은 거리에 신호를 보내는 데 작용하고, 활동전위는 장거리에 걸친 신호로 작용한다.

 3-1. 차등전위

 차등전위는 국소적인 세포막전위의 변화로 다양한 크기를 갖는다. 차등전위는 흥분성 세포막에 존재하는 이온채널이 열림으로써 발생된다. 차등전위 변화가 신경이나 근육 세포막에서 국소적으로 일어났을 때, 세포막의 나머지 부위는 여전히 안정막전위 상태이다. 세포 내부에서는 일시적으로 탈분극된 활성구역이 인접한 비활성구역에 비해 더 양성을 띠며 세포 외부에서는 양성을 덜 띤다. 이러한 전위 차이 때문에 세포막의 안팎 및 활성 구역과 인접 비활성 구역 간에 국소적으로 전류의 흐름이 발생한다. 즉, 활성 구역의 세포 내 양전하는 양성을 덜 띤 인접 비활성 구역으로 세포내액을 통해 흘러가고 동시에 세포 외에서는 더 양전하를 띤 비활성 구역에서 활성 구역으로 흘러간다.

 차등전위 변화의 크기는 자극의 크기와 관련이 있다. 이온채널이 더 많이 열릴수록 더 많은 양전하가 세포 내로 들어오기 때문에 근원지의 탈분극성 차등전위는 더 커지게 된다. 또한 자극의 지속시간이 길수록 차등전위의 지속시간도 길어진다.

 세포막의 열린 이온채널 등과 같은 비절연체 부위를 통해 전하를 운반하는 이온이 새어 나오면 전류가 감소될 수 있다. 이러한 전하의 손실 때문에 처음 시작 부위에서 멀어질수록 국소전류의 크기는 점차 줄어들게 된다. 즉, 국소전류는 처음 전위 변화가 발생한 부위에서 몇 밀리미터 정도 진행된 후 사라지므로 세포는 매우 짧은 거리에만 신호를 보낼 수 있게 된다. 이렇게 차등전위는 신호전달 거리에 한계가 있으나 신체의 기능 수행에 매우 중요하다. 시냅스후 전위, 수용체 전위, 심박조율기 전위 등이 차등전위에 속한다.

 3-2. 활동전위

 안정 상태의 뉴런에 역치 이상의 자극을 주면 이온에 대한 막 투과도 일시적인 변화로 세포막 내외의 전압에 빠르고 큰 변화가 일어난다. 즉, 안정 상태에서 -70mV의 막전위가 일시적으로 +30mV로 변한 후 다시 안정막전위로 재분극되는데 이러한 막전위의 변화를 활동전위라고 한다. 활동전위를 일으킬 수 있는 능력을 흥분성이라고 하며 이러한 능력을 가진 세포막을 흥분성 막이라고 한다. 이때 자극에 대한 정보가 신경섬유를 따라 신속하게 전달되어 근육수축이나 분비 등의 활동이 나타나게 된다.