[생물 임용 노트]막전위 - 2) 막전위의 변화 : 활동 전위

활동 전위(action potential)

개요

뉴런이 자극되면 수상돌기와 세포체는 전기 신호를 축삭 둔덕까지 전달한다. 여기서는 짧고 빠르며 매우 큰 막전위 변화가 생성되어 축삭말단까지 전파되는데 이를 활동 전위라고 한다.

특성

1. 실무율(all-or-none)
   • 중요한 자극과 중요하지 않은 자극을 구분하는 기작 중 하나이다.
   • 축삭은 활동 전위를 생성하기 위한 역치전위(대부분 -50mv)를 가지며, 이보다 작은 경우에는 활동전위를 일으키지 못하고 소멸한다.
   • 역치 전위에 도달 시 활동 전위는 축삭 전 길이에 걸쳐 같은 크기로 전도되어 나간다.
2. 탈분극-재분극-과분극의 전기적 파동
   • 처음 탈분극은 -50mv ~ -55mv 정도까지 천천히 진행되다가 역치 전위 도달 시, 탈분극이 폭발적으로 일어나 +30mv까지 증가한다.
   • 이후 재분극으로 매우 빠르게 휴지전위로 돌아가며, 이 경향이 지나치면 과분극을 생성한다.
3. 강한 자극과 약한 자극
   • 활동전위는 일단 발생이 될 경우 자극의 세기와 상관없이 일정한 크기를 갖는다.
   • 시간 당 전파 되는 활동전위 수는 강한 자극일수록 증가한다.
4. 축삭 둔덕 : 뉴런에서 역치 전위가 가장 낮은 부위로, 더 작은 탈분극으로 전압의존성 Na⁺ 채널이 열릴 수 있다. 이 부위는 전압 의존성 Na⁺ 채널의 밀도가 가장 높다.
5. 발생 이유 : Na⁺에 대한 투과성의 급격한 증가로 인한 탈분극과 이로 인해 주변 세포막의 탈분극으로 인한 전파 때문이다.

발생 과정 및 이온과 막전위의 변화

활동전위 발생과 이온의 투과도 그래프

① 휴지막 전위

이온 변화 : 없음

 

② 주의 막전도로 막 탈분극 시작

이온 변화 : 미미한 변화

 

③ 역치까지 탈분극

이온 변화 :  전압 의존성 Na⁺ 채널 열림(빠르게) → Na⁺의 빠른 유입과 증가, 전압 의존적 K⁺ 채널이 느리게 열리기 시작

 

④ 활동 전위 형성

이온 변화 : Na⁺ 빠른 유입

 

⑤ 최고점

이온 변화 : 전압 의존적 Na⁺ 채널 닫힘 → 불활성 차단부 닫힘, 전압 의존적 K⁺ 채널이 열림

 

⑥ 재분극

이온 변화 : Na⁺ 유입 감소, K⁺ 유출 증가

 

⑦ 과분극

이온 변화 : Na⁺ 채널 닫힘, K⁺ 채널은 여전히 열려서 K⁺ 유출 지속

 

⑧ 휴지막 전위

이온 변화 : K⁺ 채널 닫힘

 

세포 내 변화한 이온 농도는 Na⁺ - K⁺ ATPase에 의해 회복된다.

불응기

신경세포는 바로 활동전위가 일어난 지역에서는 새로운 활동전위가 생겨나지 않도록 불응기가 존재한다. 이로 인해 활동전위가 왕복되는 현상을 방지한다.

 

절대적 불응기와 상대적 불응기

 

절대적 불응기

전압 의존성 Na+ 채널이 재분극에 의해 다시 준비 되기 전까지의 기간이다. 활동 전위가 일어나고 있는 시간 중에는 두 번째 자극에 의한 반응이 없다. 

 

상대적 불응기

K+채널이 열려 있어 정상 보다 더 큰 유발 용인에 의해서만 활동전위가 생겨나는 기간이다.

 

차등전위와 활동전위의 비교

	차등성 전위	활동 전위
생성 부위	수상 돌기, 신경 세포체, 감각 수용체	축삭 전반
크기	비교적 작음, 자극의 세기에 비례, 멀어지면 사라짐	항상 동일한 크기, 실무율 법칙 적용
가중	시간적, 공간적 가중	가중 없음
불응기	없음	절대적, 상대적 불응기
막전위 변화	전압 의존적, 자극 의존적, 리간드 의존적 채널에 의한 변화	전압 의존적 채널
관련 이온	Na+, K+, Cl-	Na+, K+
지속시간	수ms ~ 수s	1~2ms