이 실험 소개
모든 생각과 심장 박동은 활동 전위에 의존합니다. 활동 전위는 신경 세포와 근육 세포를 빠르게 따라 이동하는 짧은 전압 스파이크입니다. 안정 상태에서 뉴런 내부는 바깥보다 약 65 mV 더 음전하를 띱니다. 약한 자극은 거의 아무런 영향을 주지 않지만, 전압이 역치를 넘으면 나트륨 채널이 활짝 열리고 나트륨이 유입되어 내부 전압이 1밀리초 동안 양전하로 바뀐 뒤 칼륨 채널이 이를 원래대로 회복시킵니다. 호지킨과 헉슬리가 연구한 오징어 거대 축삭을 자극해 역치를 찾고, 불응기를 시험하고, 독소로 채널을 차단해 보세요.
학습 목표
- 안정 전위와 활동 전위 동안의 전압 변화를 설명하세요
- 나트륨 채널과 칼륨 채널을 바탕으로 탈분극과 재분극을 설명하세요
- 활동 전위의 실무율적 특성과 역치의 개념을 설명하세요
- 불응기를 설명하고, 불응기가 신경 신호를 한 방향으로만 이동하게 하는 이유를 설명하세요
- 이온 채널을 차단하는 약물과 독소의 영향을 예측하세요
사용 방법
- 1‘역치 미만’을 누른 다음 ‘역치 바로 위’를 누르세요. 두 파형을 비교하세요. 크기가 절반인 활동 전위가 있나요?
- 2자극 전류를 8에서 30 µA/cm²로 높이세요. 활동 전위가 더 커지나요?
- 3아래 그래프를 ‘전도도’로 바꾸세요. 나트륨 채널과 칼륨 채널 중 어느 채널이 먼저 열리나요? 어느 채널이 먼저 닫히나요?
- 4‘짧은 간격으로 두 번 자극’을 누르세요. 두 번째 자극은 왜 활동 전위를 일으키지 않나요? 활동 전위가 발생할 때까지 두 자극 사이의 간격을 늘리세요.
- 5나트륨 채널을 단계적으로 차단하세요. 어느 시점부터 활동 전위가 발생하지 않나요?
- 6대신 칼륨 채널을 차단하세요. 활동 전위의 모양은 어떻게 변하나요?
모델
가정
- 6.3 °C에서 오징어 거대 축삭막의 작은 부분. 안정 막전위가 -65 mV가 되도록 1952년 원래의 속도 방정식을 이동했습니다.
- E_Na = +50 mV이고 E_K = -77 mV입니다. 몇 차례의 활동 전위가 발생하는 동안 이온 농도는 변하지 않습니다.
- 방정식은 0.01 ms 간격의 4차 룽게-쿠타 방법으로 풉니다. 패치가 균일하므로 여기서는 충격이 축삭을 따라 이동하지 않습니다.
- 채널의 일부를 차단하면 TTX와 TEA가 작용하는 것처럼 최대 전도도도 같은 비율로 낮아집니다.
수업에서 해 보기
- Q1활동 전위의 정점에서 막 안쪽이 양전하를 띠게 되는 이유를 설명하세요.
- Q2정점이 E_Na보다 높아질 수 없는 이유는 무엇인가요?
- Q3자극이 강해져도 활동 전위의 크기가 커지지 않는 이유는 무엇인가요? 대신 신경계는 더 강한 자극을 어떻게 부호화하나요?
- Q4절대 불응기에는 어떤 자극도 새로운 활동 전위를 유발할 수 없습니다. 어떤 게이트가 이에 관여하나요?
- Q5복어에는 테트로도톡신(TTX)이 들어 있습니다. 제대로 조리되지 않은 복어를 먹으면 호흡이 멈출 수 있는 이유를 설명하세요.
자주 묻는 질문
m, h, n은 무엇을 뜻하나요?
이는 열려 있는 게이트의 비율입니다. m은 나트륨 채널의 빠른 활성화 게이트이고, h는 그보다 느린 불활성화 게이트이며, n은 칼륨 채널의 활성화 게이트입니다. 나트륨 채널은 m 게이트 세 개가 모두 열려 있고 h 게이트가 닫혀 있지 않을 때만 전류를 통과시킵니다.
왜 오징어일까요?
오징어의 거대 축삭은 지름이 최대 1 mm에 이릅니다. 1940년대에 호지킨과 헉슬리가 그 안에 전선을 넣을 수 있을 만큼 굵었습니다. 이들의 측정 결과는 1963년 노벨상 수상으로 이어졌으며, 이들이 세운 방정식은 오늘날에도 신경과학의 토대가 되고 있습니다.
스파이크가 지난 뒤 전압이 안정막전위보다 낮아지는 이유는 무엇인가요?
칼륨 채널은 천천히 닫히므로 몇 밀리초 동안은 안정 상태보다 더 많은 채널이 열려 있습니다. 전압은 안정막전위보다 더 음수인 E_K 쪽으로 끌려갑니다. 이러한 과도한 하강을 과분극이라고 합니다.