Brain_Neuroscience(두뇌 신경과학_1) - Neuronal membrane at Rest

학교다닐 때 두뇌, 신경생물학 공부는 그져 지식을 머리에 넣기에 바빴다. 공부해야 할 것이 넘쳐 내용들을 제대로 음미할 여유가 없었다.  

시간이 있는 지금, 신경과학의 발전을 제대로 즐기자. 

C.U.M. Smith의 Elements of Molecular Neurobiology, G.M. Shepherd의 Neurobiology, D.Purves의 Neuroscience 다 좋지만 M.F.Bear의 Neuroscience - Exploring the Brain을 중심으로 즐긴다. 

참 쉽게 잘 쓴 책이다.  신경과학 전문 지식이 필요한 사람말고도, 사람을 진짜로 심각히 알고 싶은 모든 사람들이 읽어야 할 책이다. 

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Excitable Cell : action potential을 생성할 수 있는 세포로 Neuron과 근육세포 (Muscle cell)이 대표적이다.

Resting Membrane Potential (휴지 전위) : Excitable Cell이 action potential을 생성하지 않고 있는 휴지기 때의 cell 내부의 cytosol (세포기질)과 cell 외부의 전위차.  이 때 ground는 cell 외부.  -65mV 근방.  즉, 세포내부가 negatively charge.

Neuronal Membrane은 두 분자 두께로 된 phospholipid 층.  지질층이라 뉴런 내부의 cytosol과 뉴런외부의 extra-cellular liquid간 (porous) 벽이 됨.  

The type and distribution of protein molecules distinguish neurons from other types of cells. The enzymes that catalyze chemical reactions in the neuron, the cytoskeleton that gives a neuron its special shape, and the
receptors that are sensitive to neurotransmitters are all made up of protein molecules. The resting potential and action potential depend on special proteins (ion channels) that span the phospholipid bilayer. These proteins provide routes for ions to cross the neuronal membrane.

Resting시 cytosol과 세포 외부간 이온 농도 

Ion Channels:  세포내, 외부에 있는 특정한 이온들 (Na+, K+, Ca2+, or Cl- ) 을 선택적으로 세포막을 통과하여 다른 쪽으로 이동할 수 있도록 하는 통로.  서로 다른 polypeptide 체인으로 된, 파이프 모양의 세포막을 관통하는 단백질 구조. 보통 4~6개 단백질 분자로 구성됨.

세포 내부의 cytosol과 세부외부의 extracellular fluid에 있는 이온들의 통로인데, 채널 구멍의 크기, 채널면에 자리잡은 아미노산의 R group의 종류에 따라 어떤 이온에 대해 통과를 시킬까 하는 ion selectivity가 결정됨.  Important property of many channels is gating. Channels with this property can be opened and closed—gated—by changes in the local micro environment of the membrane.

K+ 가 세포 내부에 외부보다 약 20배 많다. 따라서 concentration gradient에 따라  K+ channel을 통해 외부로 빠져 나가는데, 그러다보면 외부에 K+ 가 많아지고, 내부엔 K+ 가 적어져 점점 더 negative charge를 띄게 되고 이것이 K+가 채널을 통해 빠져 나가는 것을 억제해 membrane potential이 Equilibrium potential인 -80mV에 이르면 더 이상 K+ 이동이 없게 됨. Equilibrium potential에 이를 때 까지 diffusion에 의해 cytosol에서 빠져나가는 K+는 극히 미미함. 대략 원래의 0.0001% 이하. 

Resting시 K+는 위의 표와 같이 뉴런 내부에, Na+, Ca++, Cl- 들은 뉴런 외부에 많음. 이 농도차가 membrane potential을 생성하는데 필요.  이 농도차는 어떻게 유지될까?

Na-K 이온 펌프 : Cytosol, 즉 세포 내부에 Na+ 이온이 있으면 이 펌프가 작동되어 Na+ 이온을 세포 밖으로 빼낸다. 이 때 세포밖의 Na+ 농도가 더 크기에 concentration gradient를 거슬려야 할 에너지가 필요한데 ATP를 분해를 통해 얻음.  마찬가지로, 세포 외부에 있는 K+ 이온을 세포 내부로 이동함.  뇌가 사용하는 ATP의 70%를 Na-K 이온 펌프가 소비

Ca 펌프 : Neuron 내부의 Ca++ 를 외부로 배출.  이 두가지 Sodium-Potassium, Calcium 펌프가 휴지 전위차를 만드는 일꾼.

휴지기의 neuronal membrane은 K+ 채널로 인해 K+ 투과성이 높다.

이온들의 상대적 membrane permeability(투과성)을 감안하면, K+ 의 투과성이 Na+ 보다 약 40배 크므로, resting potential이 K+의 Equilibrium potential에 훨씬 가까운 값 (Goldman equation)을 갖어야.  따라서 -80mV에 가까운 -65mV 정도를 보임.

만약 어떤 이유에서 뉴런 내, 외부의 resting K+ 농도에 문제가 생기면 당연히 좋지 않음.  특정 K+ 채널에 문제가 생기면 간질이 생길 수 있고, 또 외부에서 K+ 가 다량 유입되어 세포 외부의 K+ 농도가 급격히 높아져 Na-K 펌프가 해결할 수준이 넘으면 사망 (심장 근육세포가 작동 중지) 

맞지 않지만 굳이 비유하면:

뉴런이 잘 동작하려면 resting membrane potential이 잘 유지되어야 한다. 그런데 이 것은 membrane의 양쪽의 ion concentration의 차이에 따른 diffusion을 거슬러야 하는 것이기에 active하게 펌프질을 해서 유지해야 한다 (저지대에 위치한 땅을 보존하기 위해 계속 펌프질을 해서 물을 퍼내는 것과 같다).  

멤브레인 potential difference는 배터리인데 일을 하지 않을 때에도 퍽 leaky 하다 (세포의 membrane은 좋은 insulator로 만들어지지 않았고, 온통 축축한 곳에서 동작). 따라서, ion pump들이 ATP를 소모하면서 끊임없이 펌프질을 해야함.  뉴런이 열심히 firing 하면 extracelluar fluid의 K+ 농도가 커지기에 이를 빨리 걷어냄이 중요. 

K+가 셀 내부에서 외부로 이동함은 전류가 그 방향으로 흐른다는 말.  K+ channel의 permeability가 커지면, 또 채널이 많이 열리면 전류가 많이 흐르고.  Gating에 따라 채널이 열리고 닫히면 이는 conductance가 커지고, 작아진다는 것이니 채널을 transistor로 비유할 수도.