우리는 뉴런이 휴지 상태에 있을 때에
막을 사이로 전위차를 형성한다는 걸 알게 되었습니다
그리고 이 그림에서 이 부분들이 바로
뉴런의 막이 되는 겁니다
막을 경계로 이쪽이 뉴런의 안쪽이 되고,
이쪽이 바깥쪽이 됩니다
마찬가지로 이쪽도 바깥쪽입니다
여기서, 우리가 전압계를 이용하여
막 양쪽의 전위차를 측정한다고 생각해 봅시다
전압계의 양쪽 극을 이곳들에 위치시키고,
이 두 부분의 전압을 측정해보면
음의 값을 얻게될 것입니다. 이에 대한 논의를 위해,
이렇게 얻어진 수치가
대략 -70mV라고 볼 수 있습니다
따라서 시작점이 -70mV에 위치하겠네요
다른 그래프에도 마찬가지로 그리도록 하죠
양쪽의 그래프를 이용해서 같은 상태에서
조금 다른 시나리오를 통한 변화를 설명할 것입니다
그리고 노란색으로 또 다른 전압계를 표시하면
파란색의 전압계와 거의 동일한 -70mV의 값을 나타낼 것입니다
이제, 흥미로운 일이 일어나도록 해봅시다
어떠한 이유를 통해서
뉴런의 막이 나트륨 이온에 대한 투과성을 갖게 된다고 합시다
그러면 나트륨 이온이 막을 넘어 이동하겠죠
나트륨 이온이 이동하는 이유로 두 가지가 있습니다
첫째, 이것이 양이온이기 때문입니다
바깥이 안보다 전위가 높으므로
양이온인 나트륨 이온은 내부로 들어오려고 하게 됩니다
이것이 이동하는 두 번째 이유는
바깥의 나트륨 이온이 안보다 더 밀집되어 분포하기 때문입니다
따라서 이온 농도의 균형을 맞추기 위해 안으로 들어가게 되겠죠
그리고 바깥의 나트륨 이온 농도가
안쪽보다 높은 이유는
우리가 이미 살펴봤었던 나트륨-칼륨 펌프에 의해서 입니다
어쨌건, 이렇게 나트륨 이온이 많아지게 되면
그 흐름에 의해 양의 전위가 급격하게 발생합니다
이제, 이러한 뉴런 내부의 원동력으로부터 어떤 일이 생기게 될까요?
여기에 밀집하게 된 양이온들과
뉴런에 존재하는 다른 양이온들은
이동하고 싶어질 것입니다
그리고 이러한 움직임은 오른쪽으로만 이뤄지지는 않습니다
양쪽 방향 모두로 움직이게 되죠
이러한 양이온들이 서로 반발력을 받아
모든 방향으로 움직여가기 시작합니다
이 이온은 이쪽으로 이동하게 되며
이에 따라 이 이온은 이쪽 방향으로 이동하게 될 것입니다
어느 정도의 시간이 지난 뒤에,
파란색 전압계로 측정한 전위차는 어떻게 될까요?
시간이 지남에 따라, 더 많은 양이온들이
앞부분에 존재했던 다른 양이온들로부터 멀어지기 위해 이동하면서
양전위가 확산되기 시작합니다
그리고 전압이 점점 커지는 것을 볼 수 있죠
전압이 점점 커지는 것을 볼 수 있죠
그리고 그들이 완전히 확산되고 난 뒤에
이들은 원래의 평형 상태로 돌아가게 될 것입니다
뉴런을 따라 조금 더 먼 위치에서 관찰해보면,
기존의 경우보다 약간의 시간이 더 흐른 뒤에
전압이 상승하는 것을 볼 수 있습니다
그런데 이러한 확산은 거리가 멀어질수록
그 효과가 줄어들게 됩니다.
따라서 노란색에서의 효과는 파란색에서의 효과만큼 나타나지 않습니다
그리고 이러한 확산, 즉 신호를
'전기 긴장성 확산'이라고 합니다
한번 써보도록 하죠
전기 긴장성 확산
전기 긴장성 전위의 확산이라고도 불립니다
이것에는 두 가지의 특징이 있습니다
첫째, 이것은 수동적입니다
여기에 그려진 이런 흐름은
전기 긴장성 확산이 아닙니다
그것은 이 흐름이 이뤄진 다음을 의미합니다
이곳에 이런 많은 전하가 분포한 뒤,
어느 정도의 시간이 지나면
높은 농도의 양전하가
이곳에 위치하게 되고, 또 그 후엔
이곳에 위치하게 됩니다
이것은 지극히 수동적인 현상입니다
따라서 전기 긴장성 확산은 수동적입니다
둘째, 이는 소멸됩니다
신호가 도달하는 거리가 멀어짐에 따라
전기 긴장성 확산의 세기는 점점 약해지게 됩니다
따라서 이것은 수동적이며, 소멸적입니다
이 이야기를 계속 해보죠
그 전에 전압 의존성 이온 채널을 이곳에 그려보도록 하죠 (전압 의존성 이온 채널: 전압에 따라 개폐가 조절되는 채널-역자)
이곳에 빨간색으로 그린 이 채널이
바로 전압 의존성 나트륨이온 채널이 되는 것이죠
이 채널이 -55mV가 될 경우에 열린다고 합시다
그 값은 대략 이쯤을 의미하겠군요
따라서 이 채널은 -55mV일 때 열리는 채널입니다
역치 지점(한계치)을 그려놓도록 하죠
그리고 이 채널이 +40mV가 될때 닫힌다고 합시다
해당하는 한계치를 표시해보죠
그리고 이곳에 칼륨 이온 채널도 존재한다고 합시다
이것은 칼륨 채널, 즉 칼륨 이온 누수 채널이 되고
이는 막을 경계로 양쪽에 각기 다른 전위가 형성된 이유가 됩니다
그러나 이 칼륨 이온 채널이
위의 나트륨 이온 채널이 닫힐때만 열린다고 합시다
따라서, 칼륨 이온 채널이
확실한 수치는 아니지만 논의를 위해
+40mV에서 열린다고 볼 수 있습니다
그리고 이것이 -80mV에서 닫힌다고 해보죠
따라서 이 값에서 열리고, 이 값에서 닫히게 됩니다
이제 무슨 일이 이뤄질까요?
우리가 아까 살펴봤던 것처럼 양이온이 뉴런의 왼쪽 부분으로
흘러들어간 상황을 그려봅시다
우리는 말하길, 전기 긴장성 확산에 의해
조금 있다보면 이 지점에서
막을 가로지르는 전위차를 갖게 되고,
이 지점에서 음전위의 효과가 점차 줄어듭니다
전위차의 값이 앞에서처럼
점점 커지게 됩니다
전위차 값이 점차 커지게 됩니다
그러나 이 경우에는 앞에서처럼 약간 커졌다가
다시 줄어들게 되지 않습니다.
-55mV에 도달하고 난 뒤에 이뤄지는 일 때문이죠
-55mV에 도달하게 되면, 이 나트륨 채널을 자극하게 됩니다.
이처럼 충분한 전위차가 형성됨에 따라 나트륨 이온 채널이 열리게 되고,
나트륨 이온의 흐름이 채널을 통해 다시 생기기 시작합니다
이러한 흐름이 어떤 역할을 할까요?
마찬가지로 이러한 나트륨 이온의 흐름은 전압을 급격하게 높이게 됩니다
이러한 형태를 띱니다
이온들이 계속해서 흘러 들어옵니다
그러면서 전압은 점점 양의 값에서 커지게 되는 거죠
기억하세요, 이렇게 나트륨 이온이 유입되는 데에는
두 가지 이유가 있습니다
첫째, 전하 균형의 이유입니다
바깥이 안보다 더 높은 전위를 갖기 때문에
전하적인 균형을 맞추기 위해
양이온인 나트륨 이온이 전위가 낮은 내부로 유입되는 것이죠
둘째, 나트륨의 농도에 의한 것입니다
나트륨-칼륨 펌프에 의해 바깥의 나트륨 이온 농도가 더 높아지게 되므로
농도 균형을 맞추기 위해서 안으로 유입되는 것이죠
따라서 이러한 이유들에 의해 더 이상의 전위차가 없더라도
농도차에 의한 힘으로 계속 유입되는 것이죠
그러나 그다음 전위가 +40mV에 도달하게 되면
이 채널이 닫히게 됩니다
나트륨이온이 더이상 유입되지 않게 되고,
칼륨 이온 채널이 열리게 되는 것이죠
그리고 지금 상태에서
안이 바깥보다 더 높은 전위값을 가집니다.
최소한 이 부분만큼은요
그리고 지금 양전하를 띠는 칼륨 이온이
안쪽의 양전위 환경으로부터 벗어나
밖으로 빠져나가고자 합니다
따라서 전압의 크기가 점차 줄어들게 되고
계속되는 칼륨 이온의 유출로 인해
다시 음의 전위차에까지 도달하게 됩니다
마찬가지로 더 이상의 전위차가 존재하지 않더라도
안의 칼륨 이온 농도가 바깥의 칼륨 이온 농도보다 훨씬 높기 때문에
이러한 농도 차이를 줄이려는 힘에 의해 계속해서 칼륨 이온이
바깥으로 빠져나가게 됩니다
안의 칼륨 이온 농도가 바깥의 칼륨이온 농도보다 높은 이유는 마찬가지로 나트륨-칼륨 펌프 때문입니다
따라서 칼륨 이온이 계속해서 유출되고
계속, 계속, 계속해서 유출됨으로써 전위차가 -80mV에 도달하게 되면
칼륨 이온 채널이 닫히게 되고, 우리는 다시 평형 상태로 되돌아오게 됩니다
이것이 왜 흥미로운 것일까요?
보자면, 이 지점에서 전기긴장성 확산이 생깁니다
이러한 신호가 이동함에 따라 계속해서 소멸하게 된다면
먼 거리에서 신호를 전달받을 경우에는
이를 인식하기가 매우 어려울 것입니다
따라서 효율적으로 이 신호를 다시 보강하는 것이죠
단지 보강한 것 뿐입니다, 그리고 조금 뒤에
이 지점에서의 전위차를 측정해 봅시다
양전하가 계속해서 서로 반발하기 때문에
이곳에서도 전기긴장성 확산이 생기게 됩니다
이 지점의 노란색 전압계를 통해 막 안팎의 전위차를 측정한다면,
기존에 신호의 소멸로 인해 전압이 매우 조금 상승했던것에 비해
지금은 신호가 보강됬으므로
노란색 전압계 위치에서의 전압이 충분히 많이 상승하게 될 것입니다
그리고 이 지점에도 또다른 전압 의존성 채널이
존재한다면, 이는 위 신호를 다시 보강시킬 것입니다
이처럼 이러한 전위차들을 보강시켜주는 것을
'활동 전위' 라고 합니다
이것은 신호를 보강하는 역할을 하는 거죠
이러한 전기긴장성 신호가 확산됨에 따라
이는 채널, 즉 전압 개폐성 채널을 자극하게 되고
이는 또다시 이러한 신호를 보강하게 됩니다
보시다시피, 뉴런은 지금까지 우리가 살펴봤던 방식들을 조합해서 사용합니다
신호를 전달시킬 때, 왼쪽과 같은 방식의 수동적인 확산도 이용하지만
오른쪽에서 소개한 방식을 통해 신호를 강화함으로써 먼 거리로의 신호 전달이 가능하도록 합니다