안녕하세요 닥터부입니다.
오늘은 근육이 수축하는 과정중 이온의 활동전위에 대해 알아보겠습니다.
활동전위
활동전위는 근육과 신경이 흥분하게 되면 세포막에서 일시적으로 이온이 교환되면서 전위변화를 일으킵니다.
세포막에 존재하는 Na+, K+ 이온들이 펌프의 활동에 의해 세포 안과 밖으로 이온 조성 차이가 납니다.
이 조성차로 인해 세포막 안쪽을 전압계로 측정하면 -60 ~-90mV의 전위 즉 휴지전위를 나타냅니다.
그러다가 신경과 근육에서 세포가 흥분하면 세포막 안팎의 극성이 바뀌면서 세포내 전위가 +30~+40mV로 양전위로 바뀝니다.
밑에 보시는 그림이 일반적인 세포막 활동전위 그래프입니다.
이제 이온채널들이 자극이 될때 어떻게 변하는지 알아보겠습니다.
1단계: 충분한 크기의 자극에 의한 탈분극(depolarization)이 세포막 전압을 역치(threshold) 이상으로 끌어올립니다.
2단계: 역치 이상의 막전압에서 전압의존성나트륨통로(voltage-gated Na+ channel)가 열리고 이 통로를 통하여 나트륨(Na+)이 세포 안으로 들어와 내향전류(inward current)가 생성되는데, 이 때문에 빠른 탈분극(depolarization)이 일어납니다. 전압의존성나트륨 통로(voltage-gated Na+ channel)는 역치 이상의 자극에 의해 매우 빠른 속도로 열려 활동전압에서 볼 수 있는 빠른 탈분극을 만듭니다.
3단계: 활동전압이 피크에 도달할 때 쯤 전압의존성나트륨통로(voltage-gated Na+ channel)가 비활성화(inactivation)되고 전압의존성칼륨통로(voltage-gated K+ channel)가 서서히 열려 외향전류(outward current)가 생성되면서 재분극(repolarization)이 일어납니다.
4단계: 재분극에 의해 막전압이 안정막전압으로 돌아오면서 전압의존성나트륨통로와 전압의존성칼륨통로가 모두 닫히고 세포막을 경계로 한 이온 분포가 원래대로 돌아옵니다.
즉, 활동전압은 기본적으로 자극에 의한 막전압의 변화에 따라 전압의존성나트륨통로(voltage-gated Na+ channel)와 전압의존성칼륨통로(voltage-gated K+ channel)가 열리고 닫히면서 나타나는 현상이다. 어떤 종류의 세포에서는 탈분극을 일으키는 자극에 의하여 전압의존성칼슘통로(voltage-gated Ca2+ channel)가 열려 내향전류를 생성하면서 활동전압이 시작되기도 합니다.
불응기
안정 상태에서는 활동전압을 일으킬 수 있는 자극에 세포가 반응하지 않는데, 이 기간을 불응기(refractory period)라고 합니다. 안정막전압보다 양의 값을 가지는 전압에서 전압의존성나트륨통로(voltage-gated Na+ channel)가 비활성화(inactivation)되어 있기 때문이며, 절대불응기에서 자극에 전혀 반응이 없고 상대불응기에서는 같은 자극에 대해 원래보다 작은 크기의 반응이 나타납니다.
문제
A medical student is studying human physiology. She learns that there is a membrane potential across cell membranes in excitable cells. The differential distribution of anions and cations both inside and outside the cells significantly contributes to the genesis of the membrane potential. Which of the following distributions of anions and cations best explains the above phenomenon?
A. High concentration of Na+ outside the cell and high concentration of K+ inside the cell
B. High concentration of K+ outside the cell and low concentration of K+ inside the cell
C. High concentration of Ca2+ outside the cell and high concentration of Cl- inside the cell
D. Low concentration of Cl- outside the cell and high concentration of Cl- inside the cell
E. Low concentration of K+ outside the cell and high concentration of Ca2+ inside the cell
Explanation:
Correct answer A: A high concentration of Na+ outside the cell and a high concentration of K+ inside the cell play an important role in the genesis of the membrane potential.
In a typical excitable cell, the intracellular concentrations of Na+, Ca2+, and Cl- ions are low while the intracellular concentration of K+ ions is high. On the other side of the membrane, the concentration of K+ ions outside the cell is low while the concentrations of Na+, Ca2+, and Cl- ions outside the cell are high.
Intracellular K+ ions tend to move outside along the concentration gradient while extracellular K+ ions tend to move into the cell along the electrical gradient. Therefore, an equilibrium is reached, where the tendency of K+ ions to move outside is balanced by the tendency of K+ ions to move into the cell. At this equilibrium, there is a slight excess of cations and anions outside and inside the cells, respectively.
This condition is also maintained by the Na+/K+ ATPase pump in the cell membrane which utilizes the energy of ATP to move 3 Na+ ions outside the cell and 2 K+ ions inside their cell, against the concentration gradient. The activity of the Na+/K+-ATPase pump contributes to the genesis of the membrane potential.
Option B: In excitable tissues, there is a high concentration of K+ ions inside the cell and a low concentration of K+ ions outside the cell.
Option C: Although it is true that the concentration of Ca2+ ions is high outside the cell and the concentration of Cl- ions is low inside the cell, this is not the main reason for a membrane potential.
Option D: Normally, the concentration of Cl- ions is low inside the cell, while the concentration of Cl- ions is high outside the cell.
Option E: Normally, there is a low concentration of K+ ions outside the cell but there is a low concentration of Ca2+ ions inside the cell.
Learning objective: In a typical excitable cell, the intracellular concentrations of Na+, Ca2+, and Cl- ions are low, while the intracellular concentration of K+ ions is high. However, outside the cell, the concentration of K+ ions is low while the concentrations of Na+, Ca2+, and Cl- ions are high. The Na+/K+-ATPase pump contributes to the genesis of the membrane potential by moving Na+ and K+ ions against their concentration gradients.
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참고자료
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=1165804&cid=40942&categoryId=32323
https://terms.naver.com/entry.naver?docId=5568874&cid=61233&categoryId=61233
https://en.wikipedia.org/wiki/Action_potential
이상 활정전위에 대해 간략히 정리해보았습니다!
원래는 이보다 더 복잡한데 다음에 다시한번 정리해보겟습니다!
감사합니다!
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