Q: 활동전위 부분에서 세포막에서 펑상시에는 K+ 이온은 세포 밖으로 이동하는데, 자극을 받으면 K+ 채널이 닫히고 과분극이 되고, Na+ 가 세포내로 들어와 감분극 상태가 되는 것가요? 그 사이에 활동전위가 생기는 것인가요? 알듯 말듯 정확하게 모르겠네요. 과분극, 감분극 등등의 표현들까지 섞이니까 ^^;; 어렵네요.
A:
이 부분을 설명하기가 힘들기도 하거니와
설명하더라도 대다수가 이해못해서 (전문 용어가 굉장히 낯설지요.)
제가
수업 시간에는 이 부분을 생략하고 그냥 넘어갔었습니다.
물론, 생물심리학에서는 중요한 부분이지요.
제 바램으로는 실험실에서 이런 활동전위의 과정을 현미경으로 관찰할 수만 있다면
얼마나 좋을까 하는 생각을 가지고 있습니다.
교육학에서 이야기하는 관찰학습이 큰 도움이 될 수 있을 것으로 생각됩니다.
암튼
활동전위에 대해서 설명하겠습니다.
먼저 [전위(potential)]입니다.
질문 : 목포가톨릭대학교는 얼마큼 떨어져 있습니까?
대답 : 잉??????????????
어떤 대답도 할 수 없습니다.
다시 질문 : 목포가톨릭대학교는 목포역으로부터 얼마만큼 떨어져 있습니까?
대답 : 택시로 15분 거리요~~ 등등...
여러가지 대답이 나올 수 있습니다.
이렇듯
학교가 얼마나 떨어져 있는지에 대한 상대적인 기준이 있어야지
우리는
상대적 비교를 할 수 있습니다.
기준이 필요하다는 것입니다.
전위라는 것도 어떤 것이냐하면 전압차를 이야기합니다.
차이(difference)를 이야기하지요.
어디에서부터 어디까지 얼마나 떨어져 있느냐?에 관한 내용입니다.
그렇다면,
전위를 측정하기 위해서는
두 개의 지점이 필요하다는 사실을 알 수 있습니다.
그래서,
전위를 측정하기 위해
두 개의 전극을 삽입합니다.
하나는 신경세포 바깥쪽에,
또 하나는 신경세포 안 쪽에 삽입합니다.
두 개의 지점에 전극을 삽입하는데,
기준이 되는
신경세포의 바깥쪽의 전극은 "0"입니다.
즉
여기서 우리가 알고자 하는 것은 신경세포(뉴런)의 내부이기 때문에
전위는 신경세포 안이 됩니다.
결국
안과 밖의 차이를 살펴보았더니
-70mV입니다. (1mV라고 한다면 1000/1V를 말합니다.)
이 말은 안과 밖의 거리가 70mV(절대값)라는 뜻입니다.
이 상태를 보고 안정전위 상태라고 말합니다. 쉬고 있다(resting)는 뜻이지요.
그리고, 또 다른 말로 분극화(polarization)되어 있다라는 말로 표현하기도 합니다.
서로 떨어져 있다라는 말이지요.
그런데,
이 뉴런 안과 밖이 플러스(+)인지, 마이너스(-)인지 보니까
안은 마이너스(-), 밖은 플러스(+)인 것입니다.
그래서,
신경세포 안에다가 마이너스 전하를 흘려줍니다.
그랬더니
그래프가 아래와 같이 나왔습니다.
아래로 그래프가 내려가는 것을 볼 수 있지요.
즉, 마이너스 방향으로 전압이 내려가는 것을 볼 수 있습니다.
잠깐 마이너스 전하를 주었더니 그 때만
신경세포 안에 음전하(-)가 증가되어 그래프상 잠깐 내려간 것을 볼 수 있습니다.
이를 보고,
과분극화(hyperpolarization)라고 합니다.
기준점인 "0"과 가까워지지 않고 점점 더 멀어지고 있잖아요. 그래서, 과(hyper)란 말을 씁니다.
이번엔 반대로
양전하(+)를 뉴런안에 넣어줍니다.
아주
아주 아주
아주 아주 아주
살짝
넣어줍니다.
그러면,
그래프가 위로 올라갑니다.
그런데,
-55mV를 넘지 않게
아주
살짝 넣어주면
위 그림처럼 다시 원위치로 돌아가는 것을 볼 수 있습니다.
역치(threshold)수준을 넘지 못하는 것이지요.
그런데,
-55mV 이상으로 양전하를 흘려주면
이 그래프가
주체하지 못하고
엄청나게 위로 올라가 버립니다.
마치 관성의 법칙마냥 그 역치 수준을 넘어버리면 순간 50mV까지 올라가지도 합니다.
이 순간을 탈분극화, 감분극화(de-polarization)라고도 하지요.
즉, 분극상태를 벗어났다라는 말입니다.
그리고,
시간이 좀 흘렀습니다.
그러면,
그래프는 다시 전위가 줄어들기 때문에
원래의 상태로 되돌아갑니다.
되돌아가는데,
원래의 분극화 상태에서보다 약간
사~~알짝
밑으로 내려간다음에
다시 원위치를 회복합니다.
시내버스를 타고 가면 앉아 있는 것보다 서서 가는 것이 더 힘듭니다.
왜 그럴까요?
그건 관성의 법칙 때문에
운전기사가 급하게 출발하거나 급하게 멈췄을 때
몸이 움직이는 폭이 앉아서 가는 것보다 더 크기 때문입니다.
위의 그래프를
이런 현상을 가지고서 이해하시면 더 쉬울 듯 합니다.
버스가 달리고 있는데,
갑자기 멈추게 되면 몸은 앞으로 쏠리게 되지요.
멈춰있는데,
갑자기 달리게 되면 몸은 뒤로 쏠리게 됩니다.
이렇게 위의 그림처럼 원위치로 되돌아올 때
약간 밑으로 내려갔다가 원위치로 가는 현상을 버스의 예로 이해하시면 되겠습니다.
이렇게
전위가 안정전위 상태인 -75mV에서 +40mV이나 50mV까지 올라가는 것을 보고
활동전위라고 부릅니다.
전위, 즉 potential이라고 하면 잠재적으로 무엇인가를 할 수 있는 능력인데,
그 능력이 양전하(+)나 음전하(-)가 들어가게 되면 움직인다는 이야기이지요.
그런데,
여기서는 실험이니까 전극을 갖다 대었지만,
실제 장면에서는 전극이 없잖아요.
그러니까
어떻게 이렇게 전하의 차이가 나는지를 보니
신경세포 안과 밖에 있는 나트륨 이온과 칼륨이온이 왔다 갔다 하면서
이런 활동전위가 생긴다는 것을 알게 된 것입니다.
뉴런의 안과 밖은 서로 다른 전하를 띠고 있거든요.
신경세포의 밖에 있는 나트륨 이론은 양전하(+)를 가지고 있고요,
신경세포의 안은 음전하(-)를 가지고 있습니다.
양전하(+)와 음전하(-)는
마치 남자와 여자가 서로 좋아하듯이 서로 끌리잖아요.
그러니까
신경세포 안에서는 밖에 있는 나트륨을 끌어당기려 하겠지요.
마침 이 신경세포들 사이에는 이온들이 서로 다닐 수 있는 통로들이 있습니다.
마침 잘 되었죠.
이산가족 상봉하듯이
서로 만날 수 있는 통로가 있으니 말입니다.
그래서,
신경세포 밖에 있는 나트륨 이온은 안으로 들어오게 됩니다.
어떻게 들어오냐면,
하나가 전기적 기울기.
즉, 나트륨은 양전하(+)인데, 내부는 음전하(-)가 흐르기 때문에
그 쪽으로 가게 된다는 것이지요.
그리고, 또 하나가 농도의 기울기로 인해 나트륨은 안으로 들어가게 됩니다.
[농도의 기울기]라고 한다면,
이렇게 생각하시면 됩니다.
두 개의 방이 있습니다.
두 개의 방 크기는 서로 똑같습니다. 30평이에요.
이 두개의 방은 하나의 연결통로로 이어져 있습니다.
하지만, 이 연결통로 사이에는 문이 있어서
이 방에서 저 방으로 쉽게 넘어가지를 못하게 만들어 놓았네요.
A라는 30평의 방에는 사람들이 200명이 있습니다.
하지만, B라는 30평의 방에는 사람들이 10명 밖에 없네요.
그러면,
어느 방이 농도가 더 높다고 볼 수 있을까요?
그렇지요. A라는 방입니다.
그런데,
갑자기 연결통로 사이에 있는 문이 열렸습니다.
사람들은 어느 쪽으로 이동하게 될까요?
당연히 농도가 높은 데에서 낮은 데로 움직이게 되겠지요.
신경세포 밖에 있는 나트륨도 마찬가지입니다.
신경세포 밖에 있는 나트륨은 농도가 높거든요.
그러니까
서로 통할 수 있는 이온통로가 열리면
나트륨은 안으로 들어가게 되겠지요.
이것이 농도의 기울기로 인한 나트륨의 이동입니다.
하지만,
칼륨은 어떻게 될까요?
칼륨도 양전하(+)를 띠고 있습니다.
하지만, 신경세포 안은 음전하(-)가 띠고 있기 때문에
나갈 필요가 없겠지요.
하지만,
농도를 보면
칼륨은 신경세포 안에서 그 농도가 높습니다.
밖에는 낮고요.
그런데,
이 나트륨이란 놈들이 자꾸 몰려들어오네요.
어떻게 하겠어요?
마침 이온통로도 열려 있는데,
그나마
신경세포 안에서 비좁게 살던 칼륨이
다른 나트륨이란 놈들때문에
밀려나지 않겠어요?
그러니까
자연스럽게 농도의 기울기 차이로 인해
칼륨은 농도가 낮은
신경세포 밖으로 밀려나가게 됩니다.
농도의 기울기 때문에
이렇게 나트륨과 칼륨이 서로 자리를 바꿔치기 하는데요,
그렇게 되면,
나트륨(+)이 음전하(-)를 찾아 안으로 들어왔는데,
안은 (+)가 되고 밖은 (-)가 되는 거에요.
그러니까
이번에는 다시 전기적 기울기 차이로 인해
다시 나트륨이 또 밖으로 나가게 됩니다.
이렇게 농도 기울기와 전기적 기울기의 차이로 인해
두 이온은 서로 그 자리를 뒤바뀌면서
차지하게 되지요.
그러면서
전위차이는
탈분극화를 보이게 되는 것입니다.
평소에는 안정전위상태가 되지만,
다른 뉴런을 통해서 자극이 들어오게 되면
이렇게 두 이온은 자리를 바꾸면서
전위차를 보이게 되는데,
이를 보고 활동전위라고 합니다.
제가 올리기도 했던 자료인데요,
다음의 동영상을 확인해 보시기 바랍니다.
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Q: K+이동은 Na+ 이온의 증가로 인해 생성되는 것인가요? 이부분은 다시 설명해 주세요..
칼륨 통로들은 활짝 열려 있기 때문에
어떤 자극이든 나트륨 통로를 열어서 뉴런을 흥분시키기 시작하면
곧이어
칼륨이온이 나트륨 이온의 유입 속도와 비슷한 속도로 유출되지요.
그리고,
참고적으로
활동전위는 축색구에 모인 자극들이 축색을 통해 전달되기 때문에
이 활동전위는 축색에서 측정할 수 있고요,
이 활동전위가 중요한 이유는
이 활동전위를 인위적으로 막아버린다면
자극이 전달되지 못하는 것이거든요.
그러한 역할을
약물이 합니다.
예를 들어
마취제의 경우
축색의 나트륨 통로를 열지 못하게 만들어서 나트륨 이온의 유입을 막아버리지요.
그렇게 되면 활동전위가 생기지 않고요.
마취제가 통증 메시지를 전달해 주는 감각 신경에 투약되면
통증메시지가 뇌에 도달하지 못합니다.
약물은 이러한 원리를 가지고 투입을 하게 되지요.