#acl +All:read #format wiki #language ko #pragma description MCB; = Transmembrane Transport of Ions and Small Molecules = <> == 확산 == {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/ko/thumb/a/a7/Fick_law_01.png/220px-Fick_law_01.png||width=150}} [[https://ko.wikipedia.org/wiki/픽의_확산_법칙|픽의 확산법칙]]: 확산 J는 확산계수 D와 밀도 차 ∂n에 비례, 거리 차 ∂x에 반비례 {{https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/f7686fa789286940651b862b24dda1dcc13250e6}} * 세포막을 사이에 둔 확산의 경우, 확산계수, 밀도차, 지질 용해도에 비례, 거리(세포막두께)에 반비례 === 통로(Channel) === {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/2/2f/Ion_channel.png/435px-Ion_channel.png||width=150}} 세포막단백질의 종류. 수용성 물질을 통과시킨다. * [[WikiPedia:Ion channel]], [[WikiPedia:Aquaporin]], [[WikiPedia:Gap junction]] 등 * Voltage-gated, Ligand-gated, Mechanically-gated 등 === 촉진확산(Facilitated diffusion) === {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/6/6b/Blausen_0394_Facilitated_Diffusion.png/525px-Blausen_0394_Facilitated_Diffusion.png||width=400}} 운반체 역할을 하는 세포막단백질에 붙어서 확산 이동 * Channel과 다른점 * 운반체에 binding을 한다는 점에서 channel과 다름 * 확산 속도가 Saturation 됨. (채널을 통한 확산은 오로지 농도차에 비례) * 예: glucose ([[https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/b2/Figure_07_07_01.jpg|Glut4]]), amino acid 등 * 동의어: facilitated transport, passive-mediated transport == 능동수송 == [[WikiPedia:Active transport]]: 농도 경사에 따라 이동하는 확산과 달리, 농도 경사를 거꾸로 이동함. 에너지(ATP) 필요함. * 1차 능동수송: Na^+^-K^+^ pump (Na^+^/K^+^-ATPase), Ca^2+^ pump (Ca^2+^-ATPase), H^+^ pump (H^+^-ATPase) * 예시: ATP 한 분자를 hydrolysis 하여 3 Na^+^를 세포 밖으로 퍼내고, 2 K^+^를 세포 안으로 들여온다 (Na^+^-K^+^ pump) {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/89/0308_Sodium_Potassium_Pump.jpg/640px-0308_Sodium_Potassium_Pump.jpg}} * 2차 능동수송: 1차 능동수송에 의해 생긴 농도 경사를 이용하여 물질을 이동 시킨다. * Symport (같은 방향): Na^+^-K^+^-2Cl^-^ co-transporter, [[WikiPedia:Sodium-glucose transport proteins]] {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d7/Na_glu_transport.png}} * Antiport (역방향): Na^+^-Ca^2+^ exchanger {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a4/Ca_Storage.png/616px-Ca_Storage.png||width=500}} == Ion Channels == {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/91/1218_Voltage-gated_Channels.jpg|Ion Channel|width=600}} 1. 막 단백질 (Transmembrane Protein) 1. 이온의 수동적 확산(passive diffusion)의 통로 ➔ 이온의 이동을 유발하지는 않음 1. Ion Selectivity: 특정 이온만 선택적으로 통과시킴 1. Permeability: 이온의 투과도 (이온이 얼마나 쉽게 통과하나) 1. 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. 1. 확산(diffusion): 농도가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하려고 한다 (=확산의 정의) * "농도경사(concentration gradient)에 따라 이동한다"라고 한다. 1. 전하의 종류: 같은 종류의 전하끼리를 배척하고, 다른 종류의 전하끼리는 붙는다. * "전기적 경사(electrical gradient)에 따라 이동한다"라고 한다. === 깁스-도난 평형 === {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/32/Gibbs-donnan-en.svg/330px-Gibbs-donnan-en.svg.png}} 1. 세포 안에는 단백질이 많은데, 단백질은 크기가 커서 세포막을 통과 못 한다. 1. 단백질은 음전하를 띄고 있어서 양이온을 끌어모으고, 1. 양이온의 이동은 음이온의 이동을 유발하여, 1. 세포안에는 세포밖보다 더 많은 particle이 있게 된다. ➔ 이 상태를 [[WikiPedia:Gibbs–Donnan effect]]라 부른다. || 양이온 X^+^, 음이온 Y^-^ || 세포외액 || 세포내액 || || 초기값 || 9 X^+^, 9 Y^-^ || 9 X^+^, 3 Protein^3-^ || || 평형상태 || 6 X^+^, 6 Y^-^ || 12 X^+^, 3 Y^-^, 3 Protein^3-^ || || Particle 수 (삼투압 발생) || 12 particles || 18 particles || 1. 세포막 안팎의 삼투압 평형이 맞을 때까지 물이 세포 안으로 계속 들어오면 세포막이 터질 것이나, * 세포안의 초과 X^+^를 세포외로 꾸준히 내보냄(Na^+^-K^+^ pump)으로써 삼투압 불균형과 물의 이동을 제한하여 * 실제로는 터지지 않는다. === Nernst Equation === Gate가 열렸고, 다음 조건이 맞으면 이온은 이동한다. 1. 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. 1. 농도경사와 전기적 경사의 방향이 다르다면, 그 둘 사이에서 평형점으로 이동한다. * 이동의 결과 농도가 달라지면 새로운 평형점이 생긴다. 1. Electrochemical gradient의 평형점은 1887년 23살의 [[WikiPedia:Walther Nernst]]가 찾음 (후에 노벨상 받음). {{https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/18b6879b93f105e3024fdc947bf84fc7c70657d9}} * 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. * [[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/|Nernst Equation Simulator]] for [[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/download/ngsmac.zip|Mac]]/[[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/download/ngswin.zip|Windows]]/[[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/launch/|Web]](Flash 필요, Chrome 안됨) 연습문제: 가상의 양이온 X^+^의 세포내 농도가 150 mM, 세포외 농도가 5 mM 이라면 X^+^의 equilibrium potential(''E'',,X,,)는? * [[http://www.physiologyweb.com/calculators/nernst_potential_calculator.html|답은 여기에]] (온도는 310°K 라고 가정) === Goldman-Hodgkin-Katz Equation === 1. Nernst Eq.는 한가지 이온의 농도차와 그 이온의 equilibrium potential과의 관계를 보여주는데, 실제 상황에서 한가지 이온만 존재하는 경우는 없다. 1. 여러가지 이온이 혼재할 때 equilibrium potential은 1943년 [[WikiPedia:David E. Goldman]]이 박사학위 논문으로 발표함 * Nernst Eq.과 다른점: 그 이온의 농도에 permeability를 곱함. 예를 들어 Na^+^, K^+^, Cl^-^가 있다면, {{https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/acc6125fa94136c1129f1916983a111125d2cec0}} * Goldman-Hodgkin-Katz Equation의 다른 두명은 [[WikiPedia:Alan Lloyd Hodgkin]](1963 노벨상)과 [[WikiPedia:Bernard Katz]](1970 노벨상). * [[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/|Goldman Equation Simulator]] for [[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/download/ngsmac.zip|Mac]]/[[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/download/ngswin.zip|Windows]]/[[http://www.nernstgoldman.physiology.arizona.edu/launch/|Web]](Flash 필요, Chrome 안됨) * [[http://www.physiologyweb.com/calculators/ghk_equation_calculator.html|샘플 데이타와 함께 하려면 여기 클릭]] == Resting Membrane Potential == {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/de/1220_Resting_Membrane_Potential.jpg|Membrane Potential|width=600}} 세포막 안팎의 전압차: * 신경세포라면 -70 mV ~ -60 mV 가량 (신경세포가 아니라면 -90 mV ~ -20 mV 다양함) * 이온의 permeability 차이 때문에 발생 === at Steady State === * ''I'',,membrane,, = ''I'',,Na,, + ''I'',,K,, = 0 * ''I'',,membrane,, = (''V'',,membrane,, - ''E'',,Na,,) / ''R'',,Na,, + (''V'',,membrane,, - ''E'',,K,,) / ''R'',,K,, = 0 ([[WikiPedia:Ohm's law]] {{https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/ccb6636ea16861f62089604333e92855888f0db2}}) * ''V'',,membrane,, = (''E'',,Na,,⋅''R'',,K,, + ''E'',,K,,⋅''R'',,Na,,) / (''R'',,K,, + ''R'',,Na,,) * ''R'',,Na,, >>> ''R'',,K,, 인 경우, ''V'',,membrane,, = ''E'',,K,,에 근접 * ''R'',,Na,, <<< ''R'',,K,, 인 경우, ''V'',,membrane,, = ''E'',,Na,,에 근접 * ''V'',,membrane,, = (''E'',,K,,⋅''G'',,K,, + ''E'',,Na,,⋅''G'',,Na,,) / (''G'',,K,, + ''G'',,Na,,) * 혹은, Conductance ''G'' = 1 / ''R'' (저항의 역수) 개념으로 식을 다시 써도 마찬가지, * ''G'',,Na,, <<< ''G'',,K,, 인 경우, ''V'',,membrane,, = ''E'',,K,,에 근접 * ''G'',,Na,, >>> ''G'',,K,, 인 경우, ''V'',,membrane,, = ''E'',,Na,,에 근접 {{attachment:Class/Physiology/AP/Vm_GnaGk.png|Gna/Gk vs. Vm|width=350}} * 則, ''V'',,membrane,, ∝ ''G'',,Na,, / ''G'',,K,, === at Resting Neuron === * 일부 K^+^ channel은 열려 있고 Na^+^ channel은 닫혀 있다. * ''G'',,Na,, <<< ''G'',,K,, 하다 (''R'',,Na,, >>> ''R'',,K,,) * 則, ''V'',,restingMembrane,, = ''E'',,K,,에 근접하다. * ''E'',,K,, = -90 mV * [K^+^],,OUT,, / [K^+^],,IN,, = 5 mM / 150 mM 가정시, [[http://www.physiologyweb.com/calculators/nernst_potential_calculator.html|Nernst Eq.]] * 왜 [K^+^] 농도는 세포 내부에 더 높은가? 답: Cytosol에 Anions가 많다. * 그러나 실제로 Resting Membrane Potential은 -70 mV ~ -60 mV 가량 * ''I'',,Na,, = (''V'',,membrane,, - ''E'',,Na,,)⋅''G'',,Na,, 에서 * ''V'',,membrane,,과 ''E'',,Na,,의 차이가 워낙 크다 (''E'',,Na,, = 대략 +63 mV). * 아주 작은 ''G'',,Na,, 라도 의미 있는 ''I'',,Na,,가 발생한다. * 이렇게 세포내로 유입되는 ''I'',,Na,,는 Na^+^/K^+^ pump가 상쇄시킨다. * 1 ATP를 사용하여 3 Na^+^를 세포 외로 보내고 2 K^+^를 세포 내로 유입시키면서 ''V'',,membrane,,을 -5 mV 가량 더 낮춘다. == 세포막을 통과하지 않는 물질이동 == {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/1a/Endocytosis_types.svg/640px-Endocytosis_types.svg.png}} {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/16/Exocytosis_types.svg/549px-Exocytosis_types.svg.png}} <>