Action Potential
차례
Ion Channels
- 막 단백질 (Transmembrane Protein)
- 이온의 수동적 확산(passive diffusion)의 통로 ➔ 이온의 이동을 유발하지는 않음
- Ion Selectivity: 특정 이온만 선택적으로 통과시킴
- Permeability: 이온의 투과도 (이온이 얼마나 쉽게 통과하나)
- Gating: 특정 조건에서 permeability가 달라짐 (channel이 열리고 닫히는 조건 있음)
이온의 이동
Ion channel이 열려도 (=permeability가 증가해도), 이온이 이동할지 말지는 이온이 정한다. 이 때 이온은 두 가지를 고려해서 거취를 정한다.
- 확산(diffusion): 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하려고 한다 (=확산의 정의)
- "농도경사(concentration gradient)에 따라 이동한다"라고 한다.
- 전하의 종류: 같은 종류의 전하끼리를 배척하고, 다른 종류의 전하끼리는 붙는다.
- "전기적 경사(electrical gradient)에 따라 이동한다"라고 한다.
Nernst Equation
Gate가 열렸고, 다음 조건이 맞으면 이온은 이동한다.
- 농도경사와 전기적 경사의 방향이 같다면 그 방향으로 이동한다.
- 농도경사와 전기적 경사를 한꺼번에 편의상 electrochemical gradient라고 부른다.
- 이온의 이동(ionic current)은 편의상 전류(電流, electric current)와 동의어로 취급한다.
- 농도경사와 전기적 경사의 방향이 다르다면, 그 둘 사이에서 평형점으로 이동한다.
- 이동의 결과 농도가 달라지면 새로운 평형점이 생긴다.
Electrochemical gradient의 평형점은 1887년 23살의 Walther Nernst가 찾음 (후에 노벨상 받음).
- 현재 세포 안팎의 전압차가 equilibrium potential과 같다면 이온이 이동할 이유가 없다 (딱 그 농도가 좋은 상태)
- 현재 세포 안팎의 전압차가 equilibrium potential과 다르다면 이온의 전하에 따라 이동의 방향이 결정된다.
Nernst Equation Simulator for Mac/Windows/Web(Flash 필요, Chrome 안됨)
연습문제: 가상의 양이온 X+의 세포내 농도가 150 mM, 세포외 농도가 5 mM 이라면 X+의 equilibrium potential(EX)는?
답은 여기에 (온도는 310°K 라고 가정)
Goldman-Hodgkin-Katz Equation
- Nernst Eq.는 한가지 이온의 농도차와 그 이온의 equilibrium potential과의 관계를 보여주는데, 실제 상황에서 한가지 이온만 존재하는 경우는 없다.
여러가지 이온이 혼재할 때 equilibrium potential은 1943년 David E. Goldman이 박사학위 논문으로 발표함
Nernst Eq.과 다른점: 그 이온의 농도에 permeability를 곱함. 예를 들어 Na+, K+, Cl-가 있다면,
Goldman-Hodgkin-Katz Equation의 다른 두명은 Alan Lloyd Hodgkin(1963 노벨상)과 Bernard Katz(1970 노벨상).
Goldman Equation Simulator for Mac/Windows/Web(Flash 필요, Chrome 안됨)
Resting Membrane Potential
세포막 안팎의 전압차:
- 신경세포라면 -70 mV ~ -60 mV 가량 (신경세포가 아니라면 -90 mV ~ -20 mV 다양함)
- 이온의 permeability 차이 때문에 발생
at Steady State
Imembrane = INa + IK = 0
Imembrane = (Vmembrane - ENa) / RNa + (Vmembrane - EK) / RK = 0 (Ohm's law )
Vmembrane = (ENa⋅RK + EK⋅RNa) / (RK + RNa)
RNa >>> RK 인 경우, Vmembrane = EK에 근접
RNa <<< RK 인 경우, Vmembrane = ENa에 근접
Vmembrane = (EK⋅GK + ENa⋅GNa) / (GK + GNa)
혹은, Conductance G = 1 / R (저항의 역수) 개념으로 식을 다시 써도 마찬가지,
GNa <<< GK 인 경우, Vmembrane = EK에 근접
GNa >>> GK 인 경우, Vmembrane = ENa에 근접
則, Vmembrane ∝ GNa / GK
at Resting Neuron
일부 K+ channel은 열려 있고 Na+ channel은 닫혀 있다.
GNa <<< GK 하다 (RNa >>> RK)
則, VrestingMembrane = EK에 근접하다.
EK = -90 mV
[K+]OUT / [K+]IN = 5 mM / 150 mM 가정시, Nernst Eq.
왜 [K+] 농도는 세포 내부에 더 높은가? 답: Cytosol에 Anions가 많다.
- 그러나 실제로 Resting Membrane Potential은 -70 mV ~ -60 mV 가량
INa = (Vmembrane - ENa)⋅GNa 에서
Vmembrane과 ENa의 차이가 워낙 크다 (ENa = 대략 +63 mV).
아주 작은 GNa 라도 의미 있는 INa가 발생한다.
이렇게 세포내로 유입되는 INa는 Na+/K+ pump가 상쇄시킨다.
1 ATP를 사용하여 3 Na+를 세포 외로 보내고 2 K+를 세포 내로 유입시키면서 Vmembrane을 -5 mV 가량 더 낮춘다.
Action Potential
발생 과정
- 자극이 역치(threshold)를 넘었는가?
if yes, Voltage-gated Na+ channel activation ➔ GNa 증가 ➔ Vmembrane = ENa쪽으로 이동
- 이 과정을 탈분극(depolarization), Rising Phase라고 부른다.
통상적인 [Na+]OUT / [Na+]IN 조건에서 ENa는 거의 상수값이므로, AP = All or None response
Voltage-gated Na+ channel activation의 약 1 ms 후:
Voltage-gated Na+ channel inactivation 시작 ➔ GNa 감소 ➔ Vmembrane이 peak에 도달 후 EK쪽으로 이동
Inactivation이 워낙 빨리 시작하기 때문에 실제로 AP가 ENa에 도달하지는 않는다.
- 이 과정을 재분극(repolarization), Falling Phase라고 부른다.
- Undershoot:
뒤늦게 Voltage-gated K+ channel activation ➔ GK 증가 ➔ Vmembrane = EK쪽으로 이동
Leak K+ channel 뿐 아니라 평소에는 닫혀 있는 Voltage-gated K+ channel까지 열리면서 Vmembrane이 실제 EK에 상당히 근접해짐
- 이 과정을 과분극(hyperpolarization), Undershoot라고 부른다.
- 불응기(Refractory period)
Na+ channel이 inactivated 되어 있는 동안은 어떠한 자극이 와도 AP 발생이 안 된다 (Absolute Refractory Period)
Na+ channel inactivation이 일부 풀려가는 과정에서 매우 강한 자극이 오면 AP 발생이 가능하다 (Relative Refractory Period)
Graded Potential
- 자극이 역치를 넘기지 않은 경우: All or None response가 아니다. 딱 자극 받은 만큼만 자극이 된다.
- 심지어 자극의 방향도 양방향(depolarization or hyperpolarization)으로 가능하다.
- Spatial and Temporal Summation
- 자극된 부위에서 멀어질수록 자극이 약해진다. vs. AP의 경우 항상 All or None으로 같은 크기로 전파된다.
- 불응기가 없다.
Voltage-gated Na+ channel이 없는 대다수의 세포에서도 관찰된다. vs. AP는 neuron이나 근육등 특정 세포에서만 관찰된다.
AP의 전달
한 방향으로만 전달된다 (이미 지나온 곳은 Na+ channel이 inactivated됨)
- 전달속도: fiber diameter와 절연 정도에 따라 정해짐 (cable properties)
도약전도(Saltatory conduction) 속도 비교
Frequency Coding
All or None AP가 자극의 세기를 전달하는 방법: Frequency Coding
pictures from http://slideplayer.com/slide/4623277/
Voltage-gated Sodium channel blocker
- Tetrodotoxin(TTX):
- Lidocaine
MetaNeuron AP simulator
MetaNeuron for Windows/Mac: 위의 모든 조건을 test해 볼 수 있다니!!
- Retina Display Mac 사용자의 경우:
MetaNeuron 선택 후 Command-i (Get Info) 메뉴 선택
"낮은 해상도로 열기" 체크 후 MetaNeuron 재실행
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