신경과학의 원리 1 수업 - Chapter 5. Ion Channels

Principles of Neural Science 5th Edition

- 세포막을 투과하는 성질
1) 크기가 작을 수록 세포막을 잘 투과한다.
2) 전하를 띌 수록 세포막을 투과하지 못한다.

이온의 경우 이 2번 성질 때문에 세포막을 투과할 수 없다. 이온은 세포의 활동에 필수적인 물질이므로 반드시 세포막을 통과해야 한다. 그래서 이온 채널이 필요하다.

- Ion Channel의 특징
1) 이온 채널은 이온을 선택적으로 투과시킨다.(이온에 대한 selectivity가 있다.)
-> 필요한 이온을 상황에 따라 골라서 받아들이거나 내보내는 것이다.

2) 이온 채널은 멤브레인에 integral한 단백질이다.
-> membrain에 박혀 있는 굴뚝 내지는 창문으로 생각할 수 있다.

3) 이온채널을 열고 닫는 gating은 [전기적, 기계적, 화학적 신호]를 통해 일어난다.
-> 이온 채널을 조작할 수 있는 방법이 3가지이다.

4) Conduct ions across the membrain
-> 뒤에서 나오는데, 이온의 흐름에 conductor가 보인다는 뜻인듯..?

- Ion channel과 carrier와 pump의 비교

C번그림의 occluded는 차단되었다는 의미로, 이는 즉 discontinuous하게 수송이 일어나느 것을 의미한다. 그렇기 때문에 이온 채널은 다른 것들에 비해 수 천배이상 속도가 빠르다.

Carrier나 pump등과달리 이온 채널은 오직 gating만해주고 그이외의 일은 전혀 하지 않는다.(pump나 carrier에서 처럼 ATP를 사용한 능동 수송은 하지 않음) 즉, 오직 이온의 농도차에 의해서만 일어난다. (한마디로 그냥 창문을 열고 닫는 것임)

또한 carrier나 pump는 단방향인 반면 channel은 양방향으로 이동할 수 있다

(이때의 이동하는 이온은 단순히 이온의 농도차 뿐만이 아니라 전압차와 이온채널의 기계적인 구조도 영향을 미친다.)

- 이온 채널의 selectivity가 생기는 원리
양이온은 물분자에서 O 부분이 이온을 감싸고있다. 반대로 음이온(Cl-)은 H 부분이 이온을 감싸고 있다. 이런식으로 이온의 껍질을 이루는 물분자가 이온마다 다르다. 그리고 이온 채널을 통과할 때에는 물분자를 분리하는 dehydration이 일어난다.(초당 3천만번일어남)

그런데 이 때 Na+이 K+보다 크기가 작다. 따라서 Na+에 더 많은 물분자가 달라 붙게된다.(즉 water shall까지 고려하면 Na+의 크기가 더크다) 이러한 크기의 차이로 인해 이온 채널의 selectivity가 생기게 된다.
즉 이온마다 갖는 속성 때문에 크기의 차이가 일어나고 이를 통해 통과할 수 있는 채널이 달라지게 된다.

번외로 또한 탈분극시 일어나는 이온의 농도변화는 0.2%밖에 없다. 즉 이러한 아주작은 농도차이로 충분히 큰 action potential이 일어난다. (0.2%라는 차이는 탈분극시의 전압차이인 120mA를 역으로 계산하여 이온의 개수를 알아내었음)

- 단일 이온 채널의 성질

Patch clamp를 이용하여 단일 이온 채널의 전류를 관측한 실험을 보면, 계단식으로 전류가 생겼다가 사라지는 것을 볼 수 있다. 즉, 이온 채널이 열리는 순간 전류가 수직상승해서 생기고, 닫히는 순간 바로 0이 된다.

(참고로 이온채널을 이온이 통과하는 것 자체가 전하의 흐름이므로, 전류가 생기는 것이다.)

그러나 실제로 뉴런을 놓고 전류를 관측하면 위와 같은 계단이 아니라, 부드러운 곡선으로 서서히 증가하고 서서히 줄어드는 것을 관찰할 수 있다. 이는 여러개의 이온 채널을 모아놓고 실험을 하면 나타나는 현상이다. 신호가 왔을 때 각 채널이 열리는 시점은 비슷하지만, 닫히는 시점이 다르다. 그래서 이러한 계단을 무수히 많이 모아서 전류를 측정하면 곡선 형태가 나타나는 것이다. (실제 실험은 아래와 같이 단일 채널에 대해 여러번 실험을 반복하여 측정한 전류를 합침)

- 채널마다 다른 conductance

컨덕턴스는 I=V/R 의 공식에서, 1/R을 말한다.(즉 저항의 역수 1/R = C,conductance) 이 값은 각 채널마다 다른 값을 가지고 있다.

y축이 I이고, x축이 V인 그래프에서는 I=C*V 의 직선이 그려지고, 이때의 C는 바로 기울기를 의미한다.

이때, ohmic channel의 경우 기울기(conductance)가 항상 일정한 즉, 전압에따라 저항이 바뀌지 않는 채널을 의미한다. 반대로 rectifying channel의 경우 기울기가 전압에 따라 변하는 즉, 위 그림에서 우측에 해당하는 채널을 의미한다.

이러한 rectifying(정류) channel은 이온이 흐르는 방향에 의해 결정되는 전압에 영향을 받는다. 즉, 방향성이 있는 채널이라는 뜻이다. (ex)안쪽으로 들어올 때는 저항이 증가해서 느리고, 밖으로 나갈때는 저항이 감소하여 속도가 빠른)

- 이온의 흐름에 대한 단위

Ionic flux(J) : 초당 이동하는 분자의 개수를 말한다. 예를 들어 Ca2+는 분자 1개가 이동한 것이므로 값이 1이다.
Ionic current(I, 전류량) : 초당 이동하는 전하의 개수를 말한다. 예를 들어 Ca2+는 2개의 전하가 이동한 것으로 값이 2이다.

- 이온이 흐르는 방향 구분

Ionic flux : 이온이 세포밖으로 나가기만하면 무조건 (-) 방향이다. 반대로 이온이 세포안으로 들어오면 무조건 (+)방향이다. (세포내 이온의 개수의 증감 부호라고 생각)

Ionic current : 양이온이 세포밖으로 나가는 것을 (+) 방향으로 정한다.(매우 헷갈리는데..? 양이 밖에서 뛰어노는걸 양의 방향이라고 외우자) 세포밖으로 이동하거나, 양이온이 이동하면 극이 반대로 바뀐다.

- 이온 채널의 종류

이온 채널은 gating 하는 방법에 따라 다음 4 종류로 나뉜다.
1) Ligand : ligand가 붙으면 열리고, 떨어지면 닫힌다.
2) Phosphorylation : ATP의 P가 붙어서 포스포릴레이션이 되면 열리고, 떨어지면 닫힌다.
3) Voltage : 세포 안쪽 전압이 (-) 일 때 열리고, (+)일 때 닫힌다.
4) Pressure : 세포를 형성하는 구조인 cytoskeleton의 물리적인 힘에 의해 닫히고 열린다.

- Voltage gated 이온 채널

2_2주차.pdf