신경세포와 근육세포

 

신경세포(뉴런, neuron): 신경계를 구성하는 세포

- neuron은 소듐(나트륨, sodium) 통로와 포타슘(칼륨, potassium) 통로 등의 이온 통로를 발현하여 다른 세포와 전기적으로 소통한다. ⇒ 이온통로는 세포막에 존재하며, 이 세포막에서 일어나는 변화는 전기화학적 임펄스(impulse)를 야기한다.

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근육세포(근세포, myoctye): 근육 조직을 구성하는 섬유상 세포

- 근육조직(muscular tissue): 골격근(skeletal muscle), 민무늬근(내장근, smooth muscle), 심장근(cardiac muscle)을 총칭하는 네 가지 조직 중 하나

- 근세포는 muscle tissue와 마찬가지로 골격근 섬유, 민무늬근 섬유, 심장근육 섬유로 나뉜다.

신경 및 근육세포의 공통 특성

그림 1. 신경세포의 일반적 구조

 

신경세포와 근육세포 모두 다른 세포와 전기적 소통을 하는 것이 큰 공통점으로, 이 impulse의 특성은 다음과 같다.

① 각각의 세포는 한 방향으로만 신호를 전달할 수 있다. ⇒ 신경세포의 단일 방향성은 수상돌기(dendrite)와 축삭말단의 구조 때문이다.

- 수상돌기(가지돌기): 다른 뉴런으로부터 보내는 전기화학적 신호를 받아들여 신경세포체에 전달하는 역할을 한다.

- 시냅스(synapse): 다른 뉴런으로 신호를 전달하는 연결지점(접합점)으로 신호전달 방식에 따라 (1)화학적 시냅스와 (2)전기적 시냅스로 구분된다.

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② 특정 수준을 초과하는 입력 신호(input)를 받을 때, 그 신경은 흥분하고 일정한 크기와 지속시간을 갖는 impulse가 축삭(axon)을 따라 진행한다.

- impulse는 활동 전위(action potential, AP)라고도 불린다.

- synapse의 성질에 따라 신호는 증폭 또는 억제된다. ⇒ synapse의 종류에 따라 신경세포는 증폭형 입력, 억제형 입력, 또는 혼합 입력이 발생한다.

그림 2. 시냅스

③ 전기적 AP의 발생에서 axon은 모양 변화 없이 자극을 전달한다.

축삭 Axon

두 세포에 공통적으로 존재하는 axon은 전기 케이블과 유사한 성질을 갖는다.

① axon이 지름은 인간을 기준으로 1-20μm이다.

② impulse의 전달속도는 축삭의 지름에 의존한다. 속도는 약 0.6-100[ms^-1]이다.

③ 축삭은 마이엘린 지질층(Myelin sheath)의 존재 유무에 따라, (1)무수 신경 또는 (2)유수 신경으로 분류된다.

그림 3. 뉴런의 구조

- Myelin은 전기 케이블의 절연 테이프와 갖는 역할로 전기적 신호의 누수를 방지한다. ⇒ Myelin의 존재로, 유수 신경이 축삭의 지름에 대해 훨씬 빠른 임펄스 속도를 제공한다.

- 유수 신경은 Myelin이 일정한 간격으로 단절 연결된 특징을 갖는다. 반면, 무수 신경은 Myelin이 아예 존재하지 않는다.

- 인체를 기준으로 무수 신경이 유수 신경보다 약 2배 정도 더 많다.

그림 4. The Structure of a Myelinated Neuron

​	myelinated neurons	unmyelinated neurons
sheath 유무	O	X
반지름[μm]	1-10	0.7 막 두께 5-10[nm]
특징	결절(랑비에 결절)은 매 1-2[mm] 간격으로 띄워져 있음	​

활동 전위 Action Potential

활동전위는 일반적으로 시냅스 전 뉴런에서 온 흥분성 시냅스 후 전위(excitory postsynaptic potential, EPSP)에 의해 촉발된다.

- EPSP는 시냅스 후 뉴런에 활동전위를 일으킬 전압을 제공한다. ⇒ 그러나 단일 EPSP만으로 시냅스 후 뉴런에서 활동전위가 일어나는 것은 아니다!

 

그림 5. 세 개의 EPSP가 합쳐져 시냅스 후 뉴런에 AP를 생성한다.

그림 6. 활동전위의 단계

뉴런의 전기적 신호전달은 세포막 내외부의 전해질에서 서로 다른 농도로 유지되는 소듐 이온과 포타슘 이온이 전위차에 따라 개폐되는 이온채널을 통해 내외부로 유입, 유출되는 것으로부터 출발하는데, 국소적인 활동전위가 발생하고, 이 AP가 또 다른 활동전위를 유발하면서 신경계 전반을 거친다.

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그림 7. 전형적인 포유류 신경세포의 축삭 주위 세포외액(extracellular fluid)의 농도, c_o(outside)/c_i(inside)는 세포내액에 대한 세포외액의 농도비를 나타내며, b는 axon과 세포외액을 경계짓는 세포막의 두께를 뜻한다.

1. 분극화(polarization) 단계

- 뉴런 내부가 외부로부터 신경자극이 없을 때, 뉴런은 휴지전위(resting potential) 상태를 유지한다.

- 휴지전위는 약 -65~-70mV의 값을 갖는다.

- 휴지전위에서 전압 개폐형 소듐 채널과 포타슘 채널은 닫겨 있다. 그러나 Na+/K+ 펌프는 생물학적 에너지인 ATP를 사용하여, K+은 세포 내로, Na+은 세포 외로 이동시킨다.

- 막 외부는 소듐 이온이 막 내부에는 포타슘 이온이 매우 높은 농도로 존재한다.

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그림 8. Resting Potential

2. 탈분극화(depolarization) 단계

- 세포체의 내부전위가 높아져, 축색 언덕(axon hill)에서의 국소전위(local potential)들이 역치(threshold) 수준을 넘어서면,

- 전압개폐형 소듐 채널이 열리면서 소듐 이온이 세포막 내부로 들어온다. ⇒ 세포 내부로 소듐의 (+)전하가 들어오면서 내부 전위가 계속 높아진다.

- 급격한 소듐 이온의 유입으로 활동전위가 발생하고, 최대 탈분극 전위는 약 +40mV에 달한다.

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그림 9. Depolarization Stage

 

3. 재분극화(repolarization) 단계

- 신경세포는 탈분극된 전위를 resting potential로 회복시키기 위해 더 높은 전위에서 열리는 포타슘 이온채널을 활용한다. ⇒ 포타슘 이온채널은 칼륨 이온을 세포 외부로 확산시킨다.

- 계속된 확산은 세포 내의 포타슘 (+)전하의 유출을 의미하는데, 포타슘 이온채널은 소듐 이온채널보다 훨씬 개폐시간이 늦으므로, 세포 내의 전위는 약 -80[mV]까지 떨어진다. ⇒ resting potential보다 더 하강된 potential 값을 보이기 때문에, 이 시기에 한하여 과분극(hyperpolarization) 단계라고도 한다.

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그림 10. Replorization Stage

4. 휴지전위 회복

- 전압의존성 K+ 이온채널이 닫히는 것과 무관하게, 소듐/포타슘 펌프는 계속해서 resting potential을 유지하기 위한 활동을 하고 있기 때문에, 결국 K+ 이온은 세포 내로 유입, Na+ 이온은 세포 외로 유출되면서 초기 농도값을 회복한다.

그림 11. 시간에 따른 신경세포의 impulse 그래프