[Computational Neuroscience] 활동 전위 (Action potential)

활동 전위 (Action potential)

 

활동전위란 자극을 받으면 막전위가 계속 감소되어서 0 전위가 되었다가 이번에는 막 안이 +로 하전되어 overshoot가 일어나서 정점에 도달하고 다시 막전위가 증가하여 자극 받기 전의 전위로 돌아오는 것이다. 신경섬유가 자극을 받은 다음 막전위가 감소되어 정점까지 도달하는 과정을 탈분극 (depolarization)이라 하고 정점에서 막전위가 증가해서 자극 받기 전의 막전위로 돌아오는 과정을 재분극 (repolarization)이라고 한다.

Hodgkin과 Huxley는 섬유막에는 Na+ channel과 K+ channel이 있어 Na+ channel이 급격히 열려서 Na+이 막 안으로 들어오고 곧 닫히면 Na+는 들어가지 못하고, 서서히 열린 K+ channel을 통해 K+이 밖으로 나온다는 가설을 세웠다. 이 Hodgkin-Huxley model로 action potential을 설명하면 squid의 giant axon이 자극으로 막전위 (-65mV)가 탈분극 되어서 -50 mV)에 도달하면 Na+ channel이 열려 Na+ 이온이 급격히 섬유 내로 들어간다. Na+ 이온이 들어가면 막전위는 더욱 탈분극 되어 더 많은 Na+ 이온이 섬유 내로 들어가서 더욱 탈분극 시키는 과정이 계속 일어난다. Na+ conductance가 정점에 도달하면 Na+ inactivation의 작용으로 Na+ 이온은 더 들어가지 못하고, 서서히 열린 K+ channel을 통해 K+ 이온이 섬유 밖으로 흘러 나오면 막전위는 재분극이 일어나게 되고 – 30 mV에 이르면 K+ conductance는 서서히 감소하게 되어 막전위는 안정시의 값까지 재분극하게 된다.

 

일반적인 활동 전위

전압 개폐 나트륨 [상부] 및 칼륨 [하부] 채널의 특성

특정 채널을 통한 이온의 흐름을 연구하기 위한 전압 클램프 방법

 

Gates

 

Na+ channels은 2개의 문 (gate)으로 구성되어있는데, Na+ channels의 세포안쪽에는 h gates가 있고 세포바깥쪽에는 m gates가 있다. K+ channels은 세포바깥에 n gates 하나만 갖고 있다. m, h, n gates의 개폐는 막전위에 의하여 조절된다.

 

① 막이 안정 막전위 상태 (resting membrane potential), 즉 세포안쪽이 음전하를 띄게 될 때 m과 n gates는 닫히게 되고 h gate는 열려있게 된다. ② 세포막이 탈분극 (depolarization)되면 m gates가 열리고 Na+ 투과도가 증가되어 Na+이 세포 내로 들어가게 된다. 그 결과 막전위는 더욱 탈분극되고 막전위의 탈분극에 의하여 더욱 많은 m gates가 열려 Na+ 투과도가 더욱 증가되는데 이것이 positive feedback mechanism이다. 이 positive feedback mechanism에 의하여 활동 전위 (action potential)의 upstroke가 나타난다. ③ h gates가 닫힘으로써 Na+ channels가 inactivate되고 n gates가 열림으로써 K+ channels이 열려 이 upstroke는 끝나게 된다. ④ Na+ channels의 inactivation과 K+ channels이 열려 K+ 의 세포 밖으로의 투과도가 증가함으로써 downstroke가 나타난다 (repolarization).

막전위 의존성 Na+ channel과 K+ channel의 구조