뉴런의 신호전달 방식
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뉴런의 신호전달 방식
뉴런 간(때로는 뉴런과 근육간, 뉴런과 내분비선 간) 신호전달방식은 그 일부는 전기적이고, 일부는 화학적이다. 뉴런 내의 신호전달은 전기적이어서, 실제로 전기적 반응이 발생하여 축색을 따라 전달된다. 그러나 뉴런 간 신호전달은 화학적이다. 뉴런과 뉴런은 서로 붙어 있지 않고 미세한 간격을 두고 떨어져 있는데, 이 공간을 뛰어넘는 신호전달은 화학물질의 이동으로 이루어진다.
1) 뉴런 내에서 정보의 전달 - 전기적 신호전달 : 활동전위
- 뉴런의 축색막(세포막)을 사이에 두고, 그 바깥쪽과 안쪽의 전위차가 있다. 이는 세포막의 성질에 의한 것이다. 사람이 안정상태에 있을 경우에는 축색(세포막) 안과 바깥쪽의 전위차가 -70mV 정도가 기록되어, 축색 안팎의 전기적 상태가 안정되어 있는데, 이를 “안정전위”라고 한다.
그런데, 어떤 자극이 축색을 흥분시키면 축색 안팎의 전위 차이가 갑자기 변하여 40nV까지 올라간다. 이렇게 외부자극으로 인하여 축색(세포막) 안팎의 전위차가 신속하게 변하는 것을 “활동전위”라 하며, 신경충동, 신경흥분이라고도 한다.
뉴런은 흥분성 입력만이 아니라, 억제성 입력도 받아들이는데, 이 경우에는 세포막의 전위가 -70mV 이하로 내려가서 활동전위가 일어나기가 더 힘들어진다. 뉴런은 안정전위와 활동전위라는 신호들을 교대로 반복을 통하여 다른 뉴런에게 정보를 전달한다. 뉴런은 수상돌기와 세포체에 전달되는 정보를 통합하고 그 결과 “발화해” 또는 “발화하지 마”라는 결정을 내린다. 즉, 뉴런은 흥분성 입력과 억제성 입력의 ‘차이 액’을 받아들인다.
* 전기적 신호전달은 수상돌기에서 다른 뉴런의 축색의 끝인 종말단추에서 시냅스를 거쳐서 온 신호를 받아들이는데서 시작됨. 수상돌기에서 받아들인 신호는 흥분성(전기반응을 생성하라는 신호)이거나 억제성(전기반응을 생성하지 말라는 신호)이다.
세포체는 이들 신호를 종합하여 전기반응의 생성여부를 결정함. 흥분성 신호가 억제성 신호보다 충분히 강하면 세포체는 전기반응을 생성함. 생성된 반응은 축색을 따라서 종말단추가지 전달(전도)됨. 전기적 반응은 실무율을 따름(실무율이란 활동전위의 크기는 자극이 일단 그 역치를 넘고 나면 자극의 크기를 증가해도 영향을 받지 않는다. 자극이 역치(감각세포에 흥분을 일으킬 수 있는 최소의 자극의 크기)를 넘지 못하면 활동전위가 발생하지 않는다. 일단 반응이 존재한다면 그 반응은 종말단추까지 일정한 속도로 전달된다는 뜻)
* 회초리로 맞는 것과 몽둥이로 맞는 것의 신체에 가해지는 자극의 강약차이는 어떻게 신호되는가?
이러한 자극의 차이는 동시에 전기반응을 생성하는 뉴런의 개수와 각 뉴런이 생성하는 전기반응의 초당 횟수로 신호된다. 몽둥이로 맞았을 때에 더 많은 뉴런이 반응하고(전기반응을 생성), 더 자주 반응한다(전기반응을 생성하는 횟수가 많아짐).
* 전기 반응이 전달되는 속도는 뉴런에 따라 다른데, 초당 10cm에서 초당 200m 정도의 속도임. 전류의 속도에 비해서는 매우 느리다. 전기반응의 속도를 결정하는 요인 중의 하나는 축색이 수초(myelin sheath, 신경의 자극을 빠르게 하기 위해 축색을 덮어 분리시킨 막)로 덮여 있느냐는 것임. 수초로 덮여 있는 축색의 전기반응은 빠르게 전도(전달)되는데, 그 이유는 전기반응이 수초와 수초 사이에 있는 작은 간격에서만 생성되면 되기 때문임. 그림 2-1처럼 수초로 덮여 있는 축색은 소시지를 줄줄이 이어 놓은 것 같고, 각 소시지 사이에 작은 간격이 존재한다. 그러므로 전기반응이 축색을 따라 연속해서 전달되는 것이 아니고, 각 소시지를 건너뛰는 식으로 전달된다.
* 수초가 손상되면 전기반응이 축색을 따라 전달되는 속도가 느려져서 다발성 경화증을 앓게 되는데, 그러면 몸을 자유롭게 움직일 수 없다(몸이 마비되고 떨린다. 이 질환은 현재로서는 불치의 병이다. 수초로 덮인 축색의 군집은 백색이다.
2) 뉴런 간 정보의 전달 - 화학적 신호전달 : 시냅스 전달
할동전위의 전기반응이 축색을 따라 내려와서 축색의 종말단추에 도달하면, 그 전기반응은 시냅스 소낭이라는 조그만 주머니를 시냅스 틈(시냅스 간극)쪽으로 밀어붙인 다음, 그 소낭을 터뜨려서 그 소낭 속에 있는 신경전달물질을 시냅스 틈에 방출시킨다. 시냅스 틈에 방출된 신경전달물질은 시냅스 틈을 건너, 그 다음 뉴런의 세포체와 수상돌기에 있는 수용기로 들어간다. <마치 열쇠(신경전달물질)가 자물쇠(수용기)에 들어가듯이>. 이런 과정을 거쳐 신호전달이라는 임무를 완수한 신경전달물질은 다시 시냅스 틈으로 빠져 나와 효소에 의해 분해되거나, 방출되었던 종말단추로 흡수된다.
* 위의 밑줄 친 내용을 아래의 것으로 대체가능함.
시냅스 후(한 뉴런에서 정보가 다른 뉴런으로 전달된 후) 세포막에 있는 수용기에 결합하여 그뉴런을 흥분시키거나 억제시킨다.
* 다른 표현을 사용하여 설명하면,
: 뉴런 간 정보의 전달 - 화학적 신호전달 : 시냅스 전달
활동전위가 축색을 따라 전달되어 종말단추에 이르면, 다음 뉴런으로 그 정보가 전달되어야 한다. 그렇지만 뉴런들은 서로 직접 접촉하고 있지 않으며, 시냅스 틈이라는 미세한 간극을 사이에 두고 만난다. 시냅스는 정보를 보내는 뉴런의 종말단추인 시냅스 전막(교재에서는 시냅스 전 뉴런)과, 정보를 받아들이는 뉴런의 세포체나 수상돌기의 표면인 시냅스 후막(교재에서는 시냅스 후 뉴런), 그리고 그 사이의 작은 틈(시냅스 틈)으로 구성된다. 활동전위가 종말단추에 도착하면 시냅스 전달이 일어나는데, 시냅스 전달이란 정보가 한 뉴런에서 시냅스 틈을 지나서 다음의 뉴런으로 전달되는 일련의 사건을 말한다.
활동전위가 종말단추에 도달하면, 시냅스 소낭이라는 조그만 주머니들이 종말단추의 세포막 쪽으로 움직여가서 거기에 부착된다. 시냅스 소낭이라는 주머니 속에는 다른 뉴런들만을 자극하는 신경전달물질이라는 화학적 물질들이 들어 있다. 활동전위는 이온통로를 개방시켜 칼슘이온이 종말단추로 들어오게 만든다. 유입된 칼슘이온들은 시냅스 소낭들이 파열되게 하여 신경전달물질이 시냅스 틈으로 방출되게 한다. 방출된 신경전달물질들은 시냅스 틈으로 빨리 확산되어 시냅스 후 세포막에 있는 수용기 분자들에 부착된다. 신경전달물질의 모양은 마치 열쇠가 자불쇠 구멍에 맞듯이 수용기 분자의 모양과 일치해야 거기에 부착될 수 있다. 신경전달물질이 수용기 분자에 부착되면 그 다음 뉴런에 ‘발화하라’ 또는 ‘발화하지 말라’라는 정보가 전달된다.
이런 일을 마친 신경전달물질은 수용기 분자로부터 떨어져서 시냅스틈으로 다시 퍼져 나온다. 그리고는 효소의 작용으로 분해되든지 시냅스 종말단추로 재흡수되어 재사용된다. 수용기 분자가 어떤 것인가에 따라 동일한 신경전달물질이 한 시냅스에서는 흥분효과를, 다른 시냅스에서는 억제 효과를 낼 수 있다. 각 뉴런은 1,000내지 10,000개의 다른 뉴런들과의 시냅스에서 들어오는 정보를 통합하여 활동전위를 생성해야 할지의 여부를 결정한다.
시냅스는 모든 활동이 발생할 수 있게 하는 매개체이다. 시냅스의 정상적인 활동을 변화시키면 사람들이 행동하고 사고하고 느끼는 바가 변한다.
* 뉴런 사이의 시냅스에서 벌어지는 신호전달 과정의 요약
화학적 반응으로 이루어지는 뉴런 간의 신호전달 과정은 3단계로 이루어진다.
1. 축색의 종말단추에 도착한 전기반응은 시냅스 소낭 속에 들어있는 신경전달물질을 시냅스 틈에 방출시킨다.
2. 방출된 신경전달물질은 시냅스 틈을 건너서, 그 다음으로 신호를 받는 뉴런의 수상돌기와 세포체에 있는 수용기에 부착되어 신호를 전달한다.
3. 신경전달물질은 다시 시냅스 틈으로 나와서, 효소에 의해 분해되거나 종말단추로 다시 흡수된다.
* 뉴런이 이러한 신호전달 임무를 수행하려면 영양분(예 : 혈당)과 산소를 필요로 한다. 몸 속 혈액의 20%가 뇌로 흘러가며, 몸 속 산소의 25%가 뇌 속에서 소비된다. 산소가 없으면 뉴런은 수 분내에 죽는다. 일을 많이 하는 사람일수록 더 많은 산소와 영양분을 필요로 한다.
