과분극

과분극(hyperpolarization)은 세포의 막전압(membrane potential)에 변화가 일어나 더욱 큰 음의 값(more negative)을 가지게 되는 것을 말한다. 이는 세포막 내부에 양전하의 양이 감소하거나 음전하의 양이 증가함으로써 일어나며, 탈분극(depolarization)과 정반대의 개념이다.

목차

세포막에 있는 한 종류의 이온통로가 열리면 그 이온통로를 통과할 수 있는 이온은 전기화학적평형(electrochemical equilibrium)에 이르러서야 순이동(net movement)을 멈추며, 이온이 전기화학적 평형 상태에 도달했을 때 막전압을 사이로 한 이온 분포의 차이 때문에 생기는 전압차를 평형전압(equilibrium potential)이라고 한다. 막전압이 어떤 이온의 평형전압보다 음의 값을 가지면, 열린 이온통로를 통해 내향전류(inward current)가 발생하여 막전압이 탈분극되겠지만, 막전압이 어떤 이온의 평형전압보다 양의 값을 가지면 열린 이온통로를 통해 외향전류(outward current)가 발생하여 막전압이 과분극될 것이다. 이는 이온이 열린 통로를 통해 전기화학적 평형에 도달하려고 하기 때문에 벌어지는 현상이다.

그림 1. 패치클램프기법(출처: 위키피디아, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2890011v)

위에서 살펴보았듯이 과분극(hyperpolarization)은 막전압이 원래 상태보다 더 음의 값을 가지는 현상을 말한다. 막전압은 패치클램프 기법(patch clamp technique)을 이용하여 측정할 수 있다(그림 1). 패치클램프 기법은 막전압이나 막전류를 측정하기 위해 흔히 이용되는 전기생리학의 실험기법이다. 패치클램프 기법에서는 유리전극을 이용하여 세포의 전기적 신호를 기록하기도 하지만, 세포에 자극을 주기 위한 전류를 주입할 수도 있다. 예를 들어, 양의 전류(positive current)를 주입하면 세포막을 탈분극시킬 수 있고 음의 전류(negative current)를 주입하면 세포막을 과분극시킬 수 있다.

세포막를 기준으로 생각해 보면 외향전류(inward current)가 발생할 때 과분극이 일어난다. 활동전압(action potential)이 피크에 도달한 후 전압의존성칼륨통로(voltage-gated K⁺ channel)의 활성에 의해 재분극(repolarization)이 시작되는데, 이는 칼륨의 평형전압이 활동전압의 피크 전압값보다 더 음의 값을 가지고 있어 외향전류를 발생시키기 때문이다. 활동전압이 재분극되는 과정에서 종종 안정막전압보다 더 음의 값을 가지는 과분극이 나타나기도 한다. 이는, 칼륨 이온의 평형전압이 보통 안정막전압에 비하여 더 음의 값이기 때문에 발생하는 현상이다.

활동전압이 생기지 않은 경우에도 세포막이 안정된 상태에서 칼륨 이온 통로가 열려서 과분극이 되는 경우가 있다. G 단백 결합 수용체(G protein-coupled receptor)가 활성화되는 경우 G 단백의 베타감마 서브유닛(βγ subunit)이 직접 결합하여 G 단백 의존성 칼륨 통로(G protein-gated inwardly rectifying K⁺ channel)를 열 수 있다. 예를 들면, 신경 세포에서 억제성 신경전달물질인 가바(GABA)가 대사성 수용체(metabotropic receptor)인 GABA_B 수용체에 결합하면 이러한 과정이 시작된다. 다른 세포와 마찬가지로 신경세포에서도 생리적 조건에서 칼륨 이온의 평형전압은 안정막전압에 비하여 음의 값을 가지므로, 가바에 의한 G 단백 의존성 칼륨 통로의 활성화는 외향전류를 생성하여 막전압을 과분극시킨다. 이것이 가바가 천천히 세포 활성을 억제하는 기전(slow inhibition)이다.

과분극을 일으킬 수 있는 또 다른 전류는 염화 이온(Cl^-) 전류이다. 염화 이온은 음이온이므로 세포 안으로 이동할 때 외향전류를, 세포 밖으로 이동할 때 내향전류를 발생시킨다. 양이온과 반대라고 생각하면 되겠다. 염화 이온의 평형전압은 생리적 상태에서 신경세포의 안정막전압보다 더 음의 값을 가지므로 염화이온 통로가 열리면 외향전류가 발생되고 세포막전압이 과분극된다. 염화이온통로의 좋은 예 중 하나가 억제성 신경전달물질 가바의 이온성 수용체(ionotropic receptor)인 GABA_A 수용체이다. GABA_A 수용체는 리간드의존성 염화이온통로(ligand-gated Cl^- channel)이므로 GABA가 결합하면 빠르게 활성화되는 일시적인 외향전류를 발생시키고 세포막을 빠르게 과분극시킨다. 이것이 가바가 빠르게 세포 활성을 억제하는 기전(fast inhibition)이다.

탈분극(depoarization)