뉴런의 이온채널이 전위차를 조절하는 방법을 이미지와 함께 설명

뇌를 구성하는 세포인 뉴런(신경 세포)의 신호 전달에 관련된 '이온채널'의 구조에 대해, 신경과학을 배우기 시작한 사람을 위한 도표와 함께 해설을, 재무회계 소프트웨어 'Vena Solutions' 기술팀 이오우리 쿠라무초후 씨가 공개하고 있습니다.

The magic of ion channels in the neurons | Iouri Khramtsov
https://i-kh.net/2020/08/26/the-magic-of-ion-channels/

The magic of ion channels in the neurons

쿠라무초후 씨는 뉴런의 이온채널의 구조를 아래와 같이 설명하고 있습니다. 쿠라무초후 씨의 설명은 주로 책 'Fundamental Neuroscience (신경과학의 기초)'에서 인용하고 있는 것.

우선, 신경은 세포체 · 돌기(Dendrites) · 축삭(Axon)로 구성되어 있습니다. 세포체에서 분기된 복수의 돌기는 다른 세포로부터 신호를 수신하는 역할을 담당하고 있으며 축삭은 다른 세포에 신호를 보내는 역할을 가지고 있습니다.

뉴런의 세포체는 칼슘 · 칼륨 · 나트륨 · 염소 등의 이온에 덮여 있습니다. 뉴런의 표면에 존재하는 이온채널은 특정 조건이 충족된 경우에 이온을 통과시키는 작은 밸브와 같은 것입니다. 이온채널은 신경전달물질 등의 특정 화학물질과 결합하여 열리는 것과 세포의 전위차가 높아지면 열리는 것이 있습니다. 전위차가 높아지면 열리는 이온채널을 "전위의존성 이온채널"이라고 하며, 나트륨 · 칼륨 · 칼슘 등 각 이온에 대응하는 채널이 존재합니다.

다음 그림은 안정 시의 이온채널의 활동을 나타냅니다. 파란색 점은 나트륨, 파란색 선은 전위의존성 나트륨 채널, 빨간색 점은 칼륨, 빨간색 선은 전위 의존성 칼륨 채널입니다. 중앙의 검은색 라인의 상단이 뉴런의 바깥, 아래쪽이 뉴런 내부를 나타냅니다. 왼쪽에 있는 것은 세포의 전위차를 나타내는 그래프. 안정시의 전위차는 -70mV 전후로 채널은 모두 닫힌 상태.

그러나 무엇인가의 이유로 뉴런 내외의 전위차가 -55mV를 넘으면 나트륨 채널이 열리고, 많은 나트륨 이온이 뉴런에 유입됩니다. 유입된 나트륨 이온은 양의 전하를 가지고 있어서 뉴런의 전압은 + 30mV까지 상승합니다. 그 후 칼륨 채널을 열고, 나트륨의 양전하에 맞서 칼륨 이온을 방출하여 전위차의 상승을 완만하게 합니다.

나트륨 채널이 닫힌 후, 칼륨 이온을 방출시킴으로써 전위차가 저하 전위차가 -70mV의 안정 상태에 가까워지자 칼륨 채널이 서서히 닫히기 시작합니다. 각 채널의 개폐는 몇 밀리 초 범위에서 이루어지고 있으며, 각 과정을 통해 캡처하거나 방출하는 이온의 수는 미량이기 때문에 신경 내외의 이온의 전체적인 농도는 거의 영향을 받지 않습니다.

축삭의 이온채널은 일정한 간격으로 배치되어 있습니다. 이온채널이 존재하는 것은, 뉴런의 미엘린 층(Myelin layers)이라는 축삭 간의 신호 전달을 차단하는 절연체와 같은 물질로 덮여있지 않은 부분.

미엘린 층은 중앙에 슈반세포(Schwann cell)를 가지고 있고 수십 μm 간격으로 축삭을 덮고 있습니다. 미엘린 층이 없는 node of Ranvier라는 부분에 이온채널이 집중되어 있으며, 다음 청색으로 쓰여진 부분이 이온채널(Ion channels)입니다. 미엘린 층에 의해 이온채널이 같은 간격으로 배치되어, 전위차 조절을 효율적으로 할 수 있습니다.