안정막전압

안정막전압(resting membrane potential)이란 안정 상태에서 세포막을 경계로 한 내부와 외부의 상대적인 전압의 차이를 나타내는 말이다. 세포가 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, 모든 건강한 세포에서 안정막전압은 음의 값을 가진다. 안정막전압 값은 세포의 종류에 따라 차이가 나는데, 일반적으로 신경세포는 -70 mV에서 -50 mV 사이의 안정막전압을 가진다.

목차

세포막을 기준으로 하여 양쪽의 전압차가 생기는 것에는 다음 두 가지 사실(factor)이 크게 기여하고 있다.

1. 세포내외의 이온 분포의 차이: 세포 안과 밖의 양이온과 음이온의 분포와 농도는 서로 다르다.

2. 세포막의 선택적 투과성: 세포막은 이온의 종류에 따라 투과성이 다르다.

즉, 세포 내외의 이온 분포는 균일하지 않아서 세포막에 있는 이온 통로가 열리면 이온이 한 쪽에서 다른 쪽으로 이동하게 되는데, 이온마다 세포막 투과성이 차이가 나므로 어떤 이온은 세포막을 잘 통과하고 다른 이온은 그렇지 않은 선택적 투과성이 나타나는 것이다. 만약 세포막을 경계로 이온 분포가 균일하고 세포막이 모든 이온에 동일한 투과성을 보인다면 세포막을 기준으로 한 전압차는 0 mV가 될 것이다.

하지만, 실제로는 그렇지 않기 때문에 이 상태에서 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. 어떤 이온 X의 평형전압은 아래의 네른스트식(Nernst equation)을 이용하여 계산할 수 있다(표 1).

20°C에서 Na⁺이나 K⁺과 같은 전하수가 +1인 이온에 대해서 위의 네른스트식은 아래와 같이 단순화할 수 있다.

• 전하수가 +1인 이온 X의 평형전압(E_X) = 58 log [X]_o/[X]_i

따라서, 어떤 이온의 세포내외 농도를 알 수 있다면 그 이온의 평형전압을 계산할 수 있다.

안정된 상태에서 세포막이 한 종류의 이온만 통과시킬 수 있다면, 그 이온의 평형전압이 바로 안정막전압이 될 것이다. 그러나, 안정 상태에서 세포막은 몇 종류의 이온을 통과시키며 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. 예를 들어, 어떤 세포막이 Na⁺과 K⁺에만 투과성을 보이고 안정 상태에서 나트륨 통로와 칼륨 통로가 모두 열려 있다면 이 세포의 안정막전압은 아래 식으로 간단하게 계산할 수 있다.

안정막전압(RMP) = (G_Na X E_Na + G_K X E_K ) / (G_Na + G_K)

(단, G_Na: 나트륨의 투과도, E_Na: 나트륨의 평형전압, G_K: 칼륨의 투과도, E_K: 칼륨의 평형전압)

실제로, 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.

세포막전압(membrane potential), 전기화학적평형(electrochemical equilibrium), 평형전압(equilibrium potential), 네른스트식(Nernst equation)