탈분극

탈분극(depolarization)은 세포의 막전압(membrane potential)에 변화가 일어나 더 작은 음의 절대값(less negative)을 가지게 되는 것을 말한다. 이는 세포막 내부에 양전하의 양이 증가하거나 음전하의 양이 감소함으로써 일어나며, 과분극(hyperpolarization)과 정반대의 개념이다.

목차

안정된 상태에서는 세포막의 안쪽이 바깥 쪽에 비해서 음의 전하를 띠고 있다. 세포막전압(membrane potential)을 측정할 때에는 세포막 바깥쪽을 기준으로 안쪽의 상대적인 전압을 읽기 때문에, 안정막전압(resting membrane potential, RMP)은 모든 건강한 세포에서 음의 값을 가진다. 안정막전압 값은 세포의 종류에 따라 차이가 나며 일반적으로 신경세포는 -70 mV에서 -50 mV 사이의 안정막전압을 가지고 있다.

세포막에 있는 어떤 이온통로가 열리면 그 이온통로를 통과할 수 있는 이온은 평형상태(equilibrium)에 이를 때까지 계속 이동하게 된다. 이온은 전하를 띠고 있기 때문에 세포막을 사이로 한 이온의 평형상태에서는 이온 농도의 평형(화학적 평형, chemical equilibrium)과 전하량의 평형(전기적 평형, electrical equilibrium)을 모두 만족시켜야 하며, 이러한 상태를 전기화학적 평형(electrochemical equilibrium)이라고 한다. 이온이 전기화학적 평형 상태에 도달했을 때 막전압을 사이로 이온 분포의 차이 때문에 생기는 전압차를 평형전압(equilibrium potential)이라고 한다. 안정된 상태에서 세포막이 한 종류의 이온만 통과시킬 수 있다면, 그 이온의 평형전압이 바로 안정막전압이 될 것이다.

실제로, 안정 상태에서 세포막은 몇 종류의 이온을 통과시키는데 이 때 각 이온의 평형전압을 평균내면 안정막전압이 된다. 어떤 이온이 다른 이온보다 더 잘 통과한다면 그 이온의 평형전압이 안정막전압을 결정하는 데 더 크게 기여하게 되고, 결국 안정막전압은 통과할 수 있는 이온들의 평형전압의 가중평균(weighted sum)이 된다.

안정막전압이 음의 값을 가지는 이유는 안정된 상태에서 세포막을 통과할 수 있는 이온들이 음의 막전압에서 더 이상 농도를 변화시키는 이동을 하지 않는 전기화학적 평형(electrochemical equilibrium)에 도달하기 때문이다.

그림 1. 막전압의 변화 ()

활동전압에서 세포막이 탈분극(depolarization)되는 동안 막전압은 음의 값에서 굉장히 빠른 속도로 양의 값으로 전환된다(그림 1). 이는 전압의존성나트륨통로(voltage-gated Na⁺ channel)이 열려서 나트륨 이온이 빠른 속도로 세포 안으로 들어오면서 세포막의 내부가 외부에 비하여 양전하를 많이 가지기 때문이다. 생리적 상황에서 나트륨의 평형전압은 비교적 큰 양의 값을 가지므로, 음의 값인 안정막전압에서 나트륨 통로가 열리면 나트륨 이온이 전기화학적 평형을 달성하기 위해 내향전류(inward current)를 발생시켜 나트륨의 평형전압에 가까운 값에 도달할 때까지 세포막전압을 탈분극시키는 것이다.

탈분극은 활동전압에서의 나트륨 이온의 경우와 같이 양이온이 내향전류를 발생시킬 때 뿐만 아니라 음이온이 외향전류를 발생시킬 때에도 나타날 수 있다. 예를 들어 미성숙한 해마 신경세포에서 염화이온통로(Cl^- channel)가 열리면 염화이온(Cl^-)의 이동은 안쪽에서 바깥쪽으로 나가는 방향으로 일어나는데, 세포 내부 음전하의 양이 감소하므로 결국 양전하의 양이 증가하는 효과를 가져와 세포막전압이 탈분극된다.

세포막전압이 탈분극된 후 다시 원래 안정막전압으로 돌아가는 것을 재분극(repolarization)이라고 한다. 활동전압에서의 재분극은 1) 전압의존성나트륨통로의 비활성화(inactivation)와 2) 전압의존성칼륨통로(voltage-gated K⁺ channel)의 활성화 두 가지 기전에 의해 일어난다. 전압의존성나트륨통로는 안정막전압보다 탈분극된 상태에서는 자극이 계속되는 동안에도 닫히게 되며 이를 비활성화라고 한다. 또한, 전압의존성칼륨통로는 자극에 의해 빠르게 열리는 나트륨통로에 비하여 보다 천천히 열리게 되는데, 이 때문에 활동전압이 피크에 도달했을 때 쯤 재분극이 시작되는 것이다. 생리적 상황에서 칼륨의 평형 전압은 매우 큰 음의 값을 가지므로, 활동전압의 피크에서 칼륨통로가 열리면 칼륨 이온이 전기화학적 평형을 달성하기 위해 외향전류(outward current)를 발생시켜 칼륨의 평형전압에 가까운 값에 도달할 때가지 세포막전압을 재분극시키며, 때에 따라서는 안정막전압보다 과분극(hyperpolarization)되기도 한다(그림 1).

안정막전압(resting membrane potential), 재분극(repolarization), 과분극(hyperpolarization)