#acl +All:read #format wiki #language ko #pragma description 생리학 실습 소개; = Action Potential = <> == 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. === 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: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. == Action Potential == === 발생 과정 === 1. 자극이 역치(threshold)를 넘었는가? * if yes, Voltage-gated Na^+^ channel activation ➔ ''G'',,Na,, 증가 ➔ ''V'',,membrane,, = ''E'',,Na,,쪽으로 이동 * 이 과정을 탈분극(depolarization), Rising Phase라고 부른다. * 통상적인 [Na^+^],,OUT,, / [Na^+^],,IN,, 조건에서 ''E'',,Na,,는 거의 상수값이므로, AP = All or None response 1. Voltage-gated Na^+^ channel activation의 약 1 ms 후: * Voltage-gated Na^+^ channel inactivation 시작 ➔ ''G'',,Na,, 감소 ➔ ''V'',,membrane,,이 peak에 도달 후 ''E'',,K,,쪽으로 이동 * Inactivation이 워낙 빨리 시작하기 때문에 실제로 AP가 ''E'',,Na,,에 도달하지는 않는다. * 이 과정을 재분극(repolarization), Falling Phase라고 부른다. 1. Undershoot: * 뒤늦게 Voltage-gated K^+^ channel activation ➔ ''G'',,K,, 증가 ➔ ''V'',,membrane,, = ''E'',,K,,쪽으로 이동 * Leak K^+^ channel 뿐 아니라 평소에는 닫혀 있는 Voltage-gated K^+^ channel까지 열리면서 ''V'',,membrane,,이 실제 ''E'',,K,,에 상당히 근접해짐 * 이 과정을 과분극(hyperpolarization), Undershoot라고 부른다. 1. 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) {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4a/Action_potential.svg|Action Potential|width=350}} [[https://phet.colorado.edu/sims/html/neuron/latest/neuron_ko.html|Colorado 대학의 Simulator로 놀아보자]] === Graded Potential === 1. 자극이 역치를 넘기지 않은 경우: All or None response가 아니다. 딱 자극 받은 만큼만 자극이 된다. 1. 심지어 자극의 방향도 양방향(depolarization or hyperpolarization)으로 가능하다. 1. Spatial and Temporal Summation 1. 자극된 부위에서 멀어질수록 자극이 약해진다. vs. AP의 경우 항상 All or None으로 같은 크기로 전파된다. 1. 불응기가 없다. 1. Voltage-gated Na^+^ channel이 없는 대다수의 세포에서도 관찰된다. vs. AP는 neuron이나 근육등 특정 세포에서만 관찰된다. {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a7/Neuronactivity.jpeg|Graded Potential|width=600}} === AP의 전달 === 1. 한 방향으로만 전달된다 (이미 지나온 곳은 Na^+^ channel이 inactivated됨) 1. 전달속도: fiber diameter와 절연 정도에 따라 정해짐 (cable properties) {{http://www.zoology.ubc.ca/~gardner/F21-11.GIF|cable properties|width=550}} 1. [[WikiPedia:Node of Ranvier]] {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/53/Figure_35_02_05.jpg|Node of Ranvier|width=450}} 1. 도약전도([[WikiPedia:Saltatory conduction]]) 속도 비교 {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/48/Saltatory_Conduction.gif|Saltatory Conduction|width=268}}{{attachment:Conduction_velocity_and_myelination.png|Conduction_velocity_and_myelination|width=278}} === Frequency Coding === All or None AP가 자극의 세기를 전달하는 방법: Frequency Coding {{attachment:FrequencyCodingA.jpg|Frequency Coding|width=350}}{{attachment:FrequencyCodingB.png|Frequency Coding|width=350}} * pictures from [[http://slideplayer.com/slide/4623277/]] === Voltage-gated Sodium channel blocker === 1. Tetrodotoxin(TTX): {{https://d1yboe6750e2cu.cloudfront.net/i/419d953e852f601f7d129d8c5cc3473130a642a2|Puffer fish|width=250}} 1. Lidocaine {{https://imgcdn.mckesson.com/CumulusWeb/Images/High_Res/282840.jpg|Lidocaine|height=200}} {{http://www.mockmeds.com/v/vspfiles/photos/XL501-2T.jpg|Lidocaine|height=200}} == MetaNeuron AP simulator == [[http://www.metaneuron.org/|MetaNeuron]] for [[http://www.metaneuron.org/system/files/MetaNeuron_0.exe|Windows]]/[[http://www.metaneuron.org/system/files/MetaNeuron_0.dmg|Mac]]: 위의 모든 조건을 test해 볼 수 있다니!! * Retina Display Mac 사용자의 경우: 1. [[http://www.metaneuron.org/|MetaNeuron]] 선택 후 Command-i (Get Info) 메뉴 선택 1. "낮은 해상도로 열기" 체크 후 [[http://www.metaneuron.org/|MetaNeuron]] 재실행 {{https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/46/Ion_channel_activity_before_during_and_after_polarization.jpg|Action Potential|width=680}} ----- <>