CHAPTER 3

(1)

CHAPTER 3 The Neuronal Membrane at Rest

(2)

신경전도와 활동전위

• 뉴론은 전기적인 신호의 형태로 정보를 전달한다.

• 뉴론이 사용하는 전기신호의 특징

- 전자가 아니라, 이온을 이용(속도가 느림)

- 단순한 이온의 흐름이 아니라 활동전위(action potential)의 형태로 전달

- 활동전위는 크기와 존속시간이 일정 → 정보의 내용은 활동전위 빈도에 의해 결정

• 흥분성 세포막: 활동전위를 만들어 낼 수 있는 세포막 (뉴론, 근육세포)

• 휴지 막전위(resting membrane potential): 흥분되지 않았을 때의 평상시 막전위. 일반적으로 세 포 속이 바깥에 비해 상대적으로 음전하를 띰 → 활동전위는 순간적으로 이런 전하의 배치가 역전 되는 현상. 즉, 세포내부가 순간적으로 외부에 비해 더 양전하를 많이 띠게 되는 현상.

A simple reflex

① 압정을 밟음

② 감각뉴론이 감각정보를 척수로 전달

③ 감각정보의 일부는 뇌로 전달되어 통증을 느낌

④ 감각정보의 일부는 운동성 뉴론으로 전달되어 근수축을 유발함으로써 발 을 들어올리게 함

(3)

막전위를 만드는 세가지 요소

• 세포내외의 액체들

• 세포막

• 세포막에 있는 단백질들

세포내외의 액체들

• 물: 전기적으로 극성을 가짐. 전자가 물 원자 쪽으로 더 끌림. 전하를 띠거나 극성 을 가진 물질들을 쉽게 녹임.

• 이온들: 전하를 띤 원자 또는 분자. 이온 결합을 통해서 분자를 이룸. 물에 쉽게 녹 음.

- cation: 양전하를 띄는 이온 - anion: 음전하를 띄는 이온

- 신경생리에서 중요한 이온들: Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Cl^-

(4)

인지질 막 (phospholipid membrane)

• 친수성(hydrophilic): 전하나 극성을 띰으로써 물에 쉽게 녹는 성질.

• 소수성(hydrophobic): 극성이 없어서 물에 쉽게 녹지 않는 성질 (기름, 지질)

• 소수성 물질인 지질(lipid)은 물에 잘 녹는 이온들을 세포 내외로 격리시키는 장막역할을 함.

• 세포막은 인지질 이중막 (phopholipid bilaryer)구조.

• 세포막의 바깥부위는 인 (phosphate)부위가 노출된

“polar head”가 있고, 세포막 의 중간부위는 지질들로 이루 어진 “nonpolor tail”들이 위 치함.

(5)

단백질 (Protein)

• 개별 세포의 특성을 결정짓는 중심요소.

• 활동전위의 생성에는 막단백질인 이온채널의 역할이 가장 중요.

(6)

• 일차구조(primary structure): 단백질을 이루는 기본단위의 아미노산의 배열 순서. 개별 아미노산들은 크기 및 특성이 다르므로, 어떤 아미노산으로 이루어져 있느냐에 따라 그 단백질의 성질이 다름

• 이차구조(secondary structure): 단백질이 합성되면서 각 아미노산들 상호작용을 통해 고유하게 만들어 지는 구조 (예, a-helix, b-sheet)

• 3차 구조(tertiary structure): 2차 구조를 이루는 아미노산들끼리 다시 상호작용을 해서 접히거나 말리면서 이루는 입체적인 구조

• 4차 구조(quaternary structure): 서로 다른 단백질 들이 모여서 하나의 기능을 이루는 단백질을 이루는 구조. 이때 개별 단백질들을 서브 유닛(subunit)이라고 부름

단백질 구조 (Protein Structure)

(7)

채널 단백질 (Channel Proteins)

• 막단백질(membrane protein): 세포막에 박혀있는 단백질들. 소수성 아미노산

(hydrophobic a.a)들로 이루어진 부분들은 막속에 박혀있고, 친수성 아미노산들로 이 루어진 부위는 세포내외에 노출되어 있음

⇒ transmembrane domain: 막을 통과하는 단백질 부위

• 채널을 구성하는 써브유닛 단백질 들은 막 단백질의 일종인데, 일반적으로 활성을 가 진 채널은 4-6개의 써브유닛으로 구성되어 있음

• 채널의 특징을 결정짓는 두 요소 - 이온 선택성(ion selectivity) - 선택적 여닫힘(gating)

• 이런 특성은 이온들이 통과하는 통로인 채 널포아(channel pore)를 이루는 아미노산 들의 특성에 의해 결정

** 신경세포막의 이온채널들을 이해하는 것은 신경생리현상을 이해하는 열쇠 **

(8)

이온 펌프 (Ion Pumps)

• 채널과 더불어 중요한 막단백질

• ATP를 분해하여 생긴 에너지를 이용해서 강제적으로 이온들을 막을 가로질러 퍼 옮기 는 역할

• K⁺을 세포내부로 Na⁺ 또는 Ca⁺⁺ 이온을 세포외부로 퍼 내는 것은 신경전달에서 결정적 인 역할

(9)

이온의 이동

• 이온의 이동을 유도하는 두 가지 힘: 확산(diffusion), 전기(electricity). 즉 전기화학적 기울기(electrochemical gradient)

확산 (Diffusion)

• 물속에 녹아있는 이온들을 지속적으로 움직이는데, 그 움직임 은 온도에 의해 영향을 받고 임의적이며, 용액 속에 골고루 퍼 지려는 경향이 있음. 이를 확산(diffusion)이라고 부름.

• 이온들은 직접 세포막을 통과하지는 못하지만, 그 이온을 통과 시키는 채널이 있다면 농도가 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 채널을 통해 퍼져나감.

• 농도 기울기(concentration gradient): 이온들이 특정방향으로 확산되도록 유도하는 농도의 차이.

• 이온들이 확산을 통해 세포막을 가로질러 움직일 수 있는 조건 1) 통로(이온 채널)가 있어야 됨

2) 막을 가로질러 그 이온의 농도 기울기(concentration gradient)가 있어야 됨

(10)

이온의 이동 2

전기 (Electricity)

• 이온들은 전하를 띠고 있으므로 전기장을 이용하면 이 온들의 이동을 유도할 수 있음.

• 음전하를 띤 이온들(anion)은 양극(anode)으로 움직이 고, 양전하를 띤 이온들(cation)은 음극(cathode)으로 움직임. 이때 방향성을 가진 양전하의 흐름을 전류 (electrical current)라고 부름 (기호 = I, 단위 = amps)

• 전류의 크기에 영향을 미치는 두 요소

- 전위 또는 전압(electrical potential, voltage): 전 하를 띤 물질로부터 나오는 힘. 양극과 음극의 전 하의 차이를 보통 말함 (기호=V, 단위= volts) - 전도력(conductance): 어떤 위치에서 다른 위치

로 움직일 수 있는 전하의 상대적 능력 (기호=g, 단위=S). * 저항(resistance)은 전도력의 역수 (기 호=R, 단위=ohms(Ω)).

• 옴의 법칙(Ohm’s law): I = gV

(11)

이온의 전기적 움직임

• 이온들이 전기적 인력에 의해 세포막을 가로질러 움직일 수 있는 조건

- 그 이온이 통과할 수 있는 채널이 있어야 됨 - 세포막을 가로질러 전위차가 있어야 됨

• 이온들의 움직임을 결정하는 두 힘:

electrochemical gradient - 농도의 차이

- 전위차

(12)

막전위 (membrane potential)

• 막전위(membrane potential: V_m): 막을 가로질러 발생하는 전위차. 미세전극 (microelectrode)을 세포질에 꽂아서 측 정. 일반적으로 미세전극은 얇은 유리관 (0.5 ㎛)속에 전해질을 채워 사용.

• 뉴론의 안쪽이 바깥에 비해 전기적으로 음전하를 띰.

• 일반적인 뉴론의 휴지막전위(resting membrane potential) = -65 mV

• 안정상태에서 이런 세포내외의 전위차는 이온들의 불균등한 분포에 의해서 생김.

(13)

휴지막전위를 만드는 이온들

균형전위 (Equilibrium Potential)

• 상황 (a): 불투과성 막을 사이에 두고 안쪽과 바깥쪽에 포 타슘염을 녹이고 안쪽이 바깥쪽에 비해 20배 정도 농도가 높을 때: V_m = 0

• 상황(b, c): K⁺ 이온에 특이적인 채널이 있을 경우 (selective permeability to K⁺)

- 처음에는 K⁺ 이온이 농도경사에 의해 채널을 통해서 외부로 이동(b)

- 시간이 지남에 따라 세포 안쪽이 더 많은 음전하를 띄 게 됨 → K⁺ 이온이 농도경사를 거슬러 세포 안쪽으로 이동

- 농도차이와 전위의 차이가 균형을 이루는 지점에서 전하(net current)의 흐름이 0 이됨(c)

- 이때의 전위차를 균형전위(equilibrium potential)이 라고 함(기호=E_ion). 이 경우 E_K= -80 mV

(14)

뉴론과 막전위

• 막전위를 만드는 두 가지 요인: 이온의 전기화 학적 기울기, 선택적 투과성

• 실제 뉴론 막전위의 특징

1) 아주 미세한 이온농도의 변화가 막전위의 큰 변 화를 유도할 수 있음 (K⁺ 이온의 경우 100 mM → 99.99999 mM로의 변화가 막전위를 0 → -80 mV 로 바꿈)

2) 총 움직인 전하의 차이는 세포막 내외의 표면에 서 일어난다. 세포막이 축전지 역할

3) 이온들을 세포막을 가로질러 움직이게 하는 힘 은 막전위와 균형전위의 차에 비례 (ionic

driving force = V_m- E_ion)

4) 특정이온에 대해 세포막 내외의 농도의 차이를 안다면 E_ion을 계산할 수 있음

(15)

The Nernst Equation

• 세포막이 특정 이온만 투과시킬 때 , 그 이온의 전하량과 세포 내외의 농도만 안다면, 그 이온 에 대한 균형전위(equilibrium potential)를 계산할 수 있음:

Nernst Equation

• 온도, 농도차에 비례, 전하량에 반비례

mV ]

[ ] log[

54 . 61 ]

[ ] log[

303 . 2 E^ion

i o i

o

ion ion z

ion ion zF

RT 



(16)

세포막을 가로질러 이온들의 분포

• K

⁺

이온의 경우 세포 내가 농도가 높고 , Na

⁺

, Ca

⁺⁺

, Cl

^-

이온의 경우 세포 외 농도가 높음

• 이온 펌프의 역할: 뇌에서 사용되는 ATP의 70%는 ‘sodium-potassium pump’가 사용.

• 캘슘의 경우 이온펌프 이외에 세포 내에서

캘슘 결합 단백질들이나 캘슘 저장공간 등

(ER)의 역할이 중요.

(17)

The Goldman Equation

• 균형전위(equilibrium potential)는 세포막이 특정 이온 하나에 대해서만 선택적으로 투과시킬 때의 막전위 → 실제 뉴론은 그 렇지 않음 . 즉, 상대적인 투과도(permeability)의 차이는 있으나 여러 이온들이 통과할 수 있음.

• 서로 다른 여러 이온들에 대해서 세포막이 서로 다른 투과도

(permeability)를 보여줄 때, 막전위를 계산하는 공식: Goldman equation

• 실제 생체내에서는 K

⁺

채널이 비활동 상태에서 투과도가 가장 큼 → 막전위가 E

_K

에 가까운 이유

mV ]

Na [ ]

K [

] Na [ ]

K log [

61.54 )

(E V

^m ^NA,^K

i Na

i K

o Na

o K

P P



 

세포막의 상대적 투과도

(18)

The potassium channels

• 휴지막전위(resting membrane potential)을 결정하는데 가장 중요 한 채널은 포타슘 채널

• 최초의 클로닝된 포타슘 채널: 초파 리 shaker 유전자

• 네개의 써브유닛으로 이루어짐.

• 이온 특이성을 결정하는 부위를

“pore”라고 부름.

• weaver mutant mice: mutation in

GirK pore (G to S) → permeable to

Na

⁺

(19)

세포외 K ⁺ 이온 농도조절의 중요성

• 세포외 K⁺ 이온의 농도를 높임 으로서 탈분극(depolarization) 을 유도할 수 있음

• the blood-brain barrier : 뇌 부 위의 혈관조직은 “tight

junction’으로 되어 있고, 외부 는 기저막(basement membrain) 과 astrocyte로 싸여 있어서 고 분자나 이온들이 뇌 내부로 유 입되는 것을 차단하는 구조

• 근육의 경우 뇌세포와는 달리 혈장에 바로 노출되어 있으므로 KCl 혈관주입은 치명적

(20)

Potassium spatial buffering

Astrocyte

• 세포외부의 K⁺ 농도가 높을 때 이를 흡수하여 제거하 는 역할

• K⁺ 펌프와 채널이 세포막에 있음

• 세포외 K⁺ 증가 → K⁺채널 을 통해 세포내로 유입 → astrocyte 탈분극 → 증가 된 세포내 K⁺ 은 광범위하 게 분포되어 있는 세포 돌 기 네트웍을 통해 퍼져 없 어짐 ⇒ ‘potassium spatial buffering’

CHAPTER 3

CHAPTER 3

The Neuronal Membrane at Rest

신경전도와 활동전위

막전위를 만드는 세가지 요소

• 세포내외의 액체들

• 세포막

• 세포막에 있는 단백질들

세포내외의 액체들

인지질 막 (phospholipid membrane)

단백질 (Protein)

단백질 구조 (Protein Structure)

채널 단백질 (Channel Proteins)

이온 펌프 (Ion Pumps)

이온의 이동

확산 (Diffusion)

이온의 이동 2

전기 (Electricity)

이온의 전기적 움직임

막전위 (membrane potential)

휴지막전위를 만드는 이온들

균형전위 (Equilibrium Potential)

뉴론과 막전위

The Nernst Equation

• 세포막이 특정 이온만 투과시킬 때 , 그 이온의 전하량과 세포 내외의 농도만 안다면, 그 이온 에 대한 균형전위(equilibrium potential)를 계산할 수 있음:

Nernst Equation

• 온도, 농도차에 비례, 전하량에 반비례

세포막을 가로질러 이온들의 분포

• K

이온의 경우 세포 내가 농도가 높고 , Na

, Ca

, Cl

이온의 경우 세포 외 농도가 높음

• 이온 펌프의 역할: 뇌에서 사용되는 ATP의 70%는 ‘sodium-potassium pump’가 사용.

• 캘슘의 경우 이온펌프 이외에 세포 내에서

캘슘 결합 단백질들이나 캘슘 저장공간 등

(ER)의 역할이 중요.

The Goldman Equation

• 균형전위(equilibrium potential)는 세포막이 특정 이온 하나에 대해서만 선택적으로 투과시킬 때의 막전위 → 실제 뉴론은 그 렇지 않음 . 즉, 상대적인 투과도(permeability)의 차이는 있으나 여러 이온들이 통과할 수 있음.

• 서로 다른 여러 이온들에 대해서 세포막이 서로 다른 투과도

(permeability)를 보여줄 때, 막전위를 계산하는 공식: Goldman equation

• 실제 생체내에서는 K

채널이 비활동 상태에서 투과도가 가장 큼 → 막전위가 E

에 가까운 이유

mV ]

Na [ ]

K [

] Na [ ]

K log [

61.54 )

(E V

P P

P P



 

세포막의 상대적 투과도

The potassium channels

• 휴지막전위(resting membrane potential)을 결정하는데 가장 중요 한 채널은 포타슘 채널

• 최초의 클로닝된 포타슘 채널: 초파 리 shaker 유전자

• 네개의 써브유닛으로 이루어짐.

• 이온 특이성을 결정하는 부위를

“pore”라고 부름.

• weaver mutant mice: mutation in

GirK pore (G to S) → permeable to

Na

세포외 K + 이온 농도조절의 중요성

Potassium spatial buffering

Astrocyte

세포외 K ⁺ 이온 농도조절의 중요성