뉴런의 구조 및 신경 전달(활동전위 등)

1. 뉴런이란?

뉴런은 신경계에 있어 가장 기본적인 기능단위를 말하며 정보를 한쪽에서 다른 쪽으로 전달하는 역할을 수행한다. 

- 수입(구심성)뉴런(Afferent neuron) : 말단에서 정보를 받아서 중추신경게(CNS)로 전달

- 수출성 뉴런(Efferent neuron) : CNS로부터 신호를 근육이나 분비세포 또는 사이신경세포(interneurons)로 전달한다. 사이신경세포는 뉴런간의 정보를 전달하는 역할을 한다.

 

* 분극(Polarization) : 원형질막(Plasma membrane)을 사이에 두고 전위차가 나 있는 상태. 즉, 막 안쪽은 (-)이고 바깥쪽은 (+)인 상태이다. 휴지전위로서, 언제든지 탈분극해서 일할 준비가 되어있는 상태라고 할 수 있다. 막의 전위는 0인 경우는 없다.

자극을 받지 않은 상태의 막전위는 약 -70mV 정도이다. 나트륨-칼륨 펌프에 의해서, 각 이온에 대한 막투과도를 달리 함으로써 평소에 이 상태를 유지하고 있는 것이다.

휴지상태에서는 나트륨 이온보다 칼륨 이온에 대한 투과도가 훨씬 높다. 그래서 칼륨의 농도에 따라 휴지전위가 좌지우지된다.

 

*탈분극(Depolarization) : 역치 이상의 자극이 주어졌을 때, 나트륨이온에 대한 투과성이 증가하며 막전위가 덜 음극이 된다. 휴지전위보다 덜 분극상태가 되는 것이다.

 

*활동전위(Action potential) : 활동전위란 짧고 빠르며 강력한 막전위의 변화를 말한다, 세포 안쪽이 점차적으로 바깥쪽보다 더 양극화 된다. 역치 전위를 넘지 않는 낮은 자극에서는 활동전위가 일어나지 않는다.

 

*재분극(Repolarization) : 탈분극 이후 다시 휴지전위로 돌아가는 단계

*과분극(Hyperpolarization) : 막을 더 분극화시키는 것을 말한다. 그래서 휴지 전위보다 더 음극 상태가 된다. 

 

탈분극, 과분극과 같이 막의 전위 변화는 막을 건너는 이온들의 움직임에 변화에 따라 발생한다. 이러한 이온들의 움직임은 막 이온 투과성과 관련되며 이러한 변화를 촉발시키는 자극에 대한 반응으로 일어나는 것이다.

이러한 자극들에는, 음파(소리)가 특정 신경 말단을 자극해서 일어난다던지, 신경이나 근육세포막에 있는 리셉터의 화학적 메신저들 끼리의 교류로 인해서 발생하는 등이 예가 될 수 있다.

 

이러한 이온들의 경우는 인지질 이중층 막을 통과할 수 없으므로 특정한 이온 채널을 통해서만 막을 건널 수 있다.

 

1. Voltage-gated ion channels

막전위 변화에 따라 반응해서 채널이 열렸다 닫혔다하며 활동전위에 중요한 이온채널이다.

 

2. ligand gated channels

특정한 화학메신저가 수용체에 결합하면 그 결과로 막의 입체 구조가 형태학적으로 변한다. 

 

3. Mechanically gated channels

감각 전도에서 볼 수 있는 형태로, 터치와 같이 늘어짐이나 기계적 변형에 반응해 채널이 열림.

 

4. Thermally gated channels

추위나 더움과 같이 국소적으로 일어나는 온도 변화에 반응하며 역시 감각전도에 중요한 역할을 한다.

 

활동전위(action potential)의 경우는, 거리가 멀어질 수록 금방 사그라 들고 짧은 거리 밖에 가지 못하는 원시적인 형태의 전위(Graded Potential)보다 훨씬 먼 거리를 소멸없이 전달 가능하다.

 

미엘린 수초: 주로 지질로 이루어져 있으며 수용성 이온들이 지질막을 뚫고 막을 건널 수가 없으므로, 전기줄에 감긴 고무처럼 이 미엘린이 절연체 역할을 한다.

이러한 미엘린을 구성하는 세포는 중추신경계에서는 올리고덴드라이트(Oligodendrocytes) 그리고 말초신경계에서는 슈완세포(Schwann cells)이다.

이렇게 미엘린으로 감싸진 부분외에, ECF(Extracellular fluid)에 노출되어 있는 부분이 있는데 이 곳들을 랑비에 결절이라고 한다.

이 부분에서만 도약전도(Saltatory conduction)가 일어나며 막을 따라 전류가 흐를 수 있다.

Voltage gated Na+ 채널이 이 곳에 집약되어 있다. 

미엘린은 도약전도를 일으킬 뿐만 아니라, 에너지 또한 저장하는 역할을 가지고 있다.

 

*곤충의 경우는 미엘린 자체가 존재하지는 않는다. 그대신 느슨하게 nerve sheath로 엑손이 감싸져 있다.

 

미엘린 말고도, 신경 섬유 다발의 굵기 역시 전도 속도에 영향을 미친다.

신경 섬유의 굵기가 굵어지면, 국소 부위의 전류 흐름의 저항이 감소하고, 두 구간 사이의 전하의 흐름의 저항이 약하다. 그래서 활동전위가 빠르게 전파될 수 있다. 빠른 전도는 느린 전도보다 에너지 소비가 크다.

 

 

 

참고문헌

Sherwood L., Klandorf H., Yancey H.P. Animal Physiology From Genes to Organisms second edition, Brooks/Cole, Cengage Learning, 2013