생리학에 관하여 - 시냅스

 두 뉴런 간의 연접 부위를 시냅스라고 하며 시냅스전 뉴런의 일부와 시냅스후 뉴런의 일부, 그리고 두 세포 간의 세포 외 공간으로 구성된다. 시냅스전 뉴런의 전기적 흥분이 시냅스를 거쳐 시냅스후 뉴런으로 전달되어 전기적 또는 대사적 활동에 영향을 미친다.

 시냅스의 흥분전달은 전기시냅스(electrical synapse) 또는 화학시냅스(chemical synapse)에 의해 이루어진다. 전기시냅스는 세포와 세포 사이가 직접 통로로 연결되어 있어 이 통로를 이용하여 이온이나 다른 작은 분자를 직접 전달한다. 반면, 화학시냅스는 세포 사이에 이온의 직접적인 전달을 차단하는 시냅스 틈새(synaptic cleft)가 존재하므로, 세포 간에 이온이 흐르게 하기 위해서는 반드시 시냅스전 뉴런으로부터 신경전달 물질이 분비되어야 한다.

 

1. 전기시냅스

 전기시냅스의 시냅스 전, 후 세포 간 간격은 간극결합(gap junction)에 의해 직접 연결되어 있으며 이 간극결합의 통로를 통해 전해질 이온과 작은 펩티드 분자들이 한 세포에서 다른 세포로 직접 전달된다. 이러한 방식은 포유류의 신경계에서는 드문 편이나 세포 사이의 빠른 정보전달이 가능하여 다량의 인접 세포들이 동시에 흥분, 수축할 수 있다. 특히 심장근세포, 일부 평활근세포 등과 같이 세포 사이의 동조화(synchronization)가 필요한 세포들에서 전기시냅스를 관찰할 수 있다.

 

2. 화학시냅스

 신경계의 대부분 시냅스에서는 시냅스전 뉴런이 화학신호를 생성하고 시냅스후 뉴런은 그 신호를 받는 표적세포로 작용하는 화학시냅스를 형성하여 흥분을 전달한다. 시냅스전 뉴런의 축삭 종말의 팽대된 부분을 종말단추(terminal button) 또는 신경마디(synaptic knob)라고 하며 신경전달물질을 함유한 시냅스 소포(synaptic vesicles)가 들어 있다. 

 화학적 신경전달 기전은 신경전달물질의 합성, 저장 및 방출, 신경전달물질과 시냅스 수용기의 상호작용, 시냅스 전달의 종결 등 4단계로 구성된다. 시냅스전 뉴런의 축삭 종말에서 합성, 저장된 신경전달물질은 활동전위가 축삭 종말까지 오면 시냅스로 방출된다. 즉 활동전위가 전압에 민감한 칼슘 이온채널을 활성화시켜 칼슘 이온이 세포 내로 유입된다. 유입된 칼슘 이온은 시냅스 소포가 시냅스전 세포막과 융합하도록 하여 세포 외 유출에 의해 시냅스 틈새 안으로 신경전달물질을 방출하게 한다. 이때 방출되는 신경전달물질의 양은 유입된 칼슘 이온의 농도에 비례한다. 빈 소포는 뉴런의 세포질로 돌아가 다시 신경전달물질로 채워진다.

 2-1. 신경전달물질

 (1) 아세틸콜린

 가장 널리 작용하는 신경전달물질로 뇌와 말초신경계의 신경, 근 접합에서 중요한 신경전달물질이다. 중추신경계에서 아세틸콜린을 신경전달물질로 사용하는 콜린 작동성 뉴런은 대부분 아세틸콜린을 흥분성 신경전달물질로 사용한다.

 아세틸콜린 수용체에는 니코틴 수용체와 무스카린 수용체의 두 종류가 있다. 니코틴 수용체는 아세틸콜린만 아니라 니코틴에도 반응하는데, Na+와 K+에 대하여 투과성을 갖는 이온채널을 가진 대표적 예이다. 니코틴 수용체를 가진 콜린 작동성 신경계는 주의집중, 학습, 기억 등에 중요한 역할을 한다. 알츠하이머씨 질환은 콜린 작동성 뉴런의 퇴화로 뇌의 특정 부위의 아세틸콜린에 반응하는 시냅스후 뉴런이 상실되는데 이로 인해 언어 및 인지능력 저하, 혼돈, 기억상실 등의 증상을 보인다. 무스카린 수용체는 아세틸콜린 뿐 아니라 버섯의 독소인 무스카린에 의해서도 자극되며 G단백질과 결합하여 여러 효소나 이온채널의 활성을 변화시킨다. 이 수용체는 뇌, 분비샘 또는 기관(주로 심장)에 분포된 뉴런의 콜린 작동성 시냅스에 많다.

 아세틸콜린은 시냅스 주변의 아세틸콜린 에스터라제에 의해 콜린과 아세테이트로 분해된 후 콜린은 시냅스전 뉴런으로 다시 회수된다. AchE작용이 억제되면 아세틸콜린이 계속 작용하여 시냅스 기전이 지속된다. 

 

3. 수렴과 개도

 하나의 뉴런에 많은 뉴런의 축삭 종말이 접속되어 있다면 그 시냅스후 뉴런은 다수의 뉴런으로부터 보내지는 신호를 통합하게 된다. 이러한 접속 모양을 수렴이라고 하며, 수렴 입력을 통해 하나의 뉴런이 수천 개의 다른 뉴런에 의한 영향을 받게 된다. 반대로 하나의 뉴런 축삭이 갈라져서 다수의 뉴런에 접속되어 있다면 다수의 세포에 동시에 정보를 보낼 수 있다. 이러한 시냅스 접속을 개도라고 한다. 즉, 운동뉴런이 중추신경계의 여러 부위로부터 온 신경흥분을 받게 되는 경우가 수렴에 해당한다면, 감각수용기에서 받은 자극을 여러 개의 척수뉴런을 통해 중추로 전달하는 경우는 개도에 해당한다고 할 수 있다.

 

4. 시냅스 지연과 피로

 4-1. 시냅스 지연

 시냅스전 뉴런에서 활동전위가 신경전달물질과 수용체의 결합을 통해 시냅스후 뉴런에 EPSP 또는 IPSP와 같은 전기신호로 전환되는 데 소요되는 시간으로 적어도 0.2초 정도의 시간이 필요하다. 이렇게 흥분이 시냅스를 지나는 데 소요되는 시간을 시냅스 지연이라고 한다.

 4-2. 시냅스 피로

 뉴런이 충분한 산소를 공급받고 있고, 미토콘드리아가 충분한 양의 ATP를 생산할 수 있을 때는 신속하게 반복하여 활동전위를 나타낼 수 있다. 그러나 시냅스가 되풀이하여 흥분을 전달하게 되면 피로하여 결국은 흥분을 전달할 수 없게 되는데 이를 시냅스 피로라고 한다. 시냅스 피로는 축삭 종말에서 전달물질의 생산속도보다 더 빠른 빈도로 흥분이 반복하여 도달하는 경우에 일어난다.