일반생물학, 생물학의 기본 - 신경계

1. 뉴런과 신경 교세포

(1) 뉴런

뉴런의 구조와 모양은 매우 다양하지만, 그들은 네 부분의 기본 구조를 가지고 있다. 첫째, 세포체는 핵과 대부분의 세포 소기관들을 갖고 있다. 둘째, 세포체로부터 수상돌기라는 나뭇가지와 같은 돌기들이 뻗어 나와 있다. 수상돌기는 다른 뉴런이나 감각세포로부터 정보를 받아 세포체로 전달한다. 셋째, 대부분의 뉴런에서 축삭이 존재한다. 축삭은 정보를 세포체로부터 표적세포로 전달한다. 마지막으로 축삭 말단에서 전기적 신호 또는 화학적 신호를 통해 다른 신경세포로 신호를 전달한다. 축삭 말단은 다른 뉴런, 근육 세포, 분비 세포와 같은 표적세포의 막에 가까이 위치하며 시냅스라는 구조를 이룬다. 시냅스는 시냅스 전 세포로부터 시냅스 후 세포로 활동전위를 통해 생성된 신호 정보를 전달한다. 

 

(2) 신경 교세포

 

신경 교세포는 신경계의 90% 정도를 차지한다. 신경 교세포는 성장 인자를 분비하거나 뉴런의 대사를 돕거나 지지하는 등의 역할을 수행한다. 신경계는 여러 종류의 신경 교세포로 이루어진다. 

희소 돌기 교세포(oligodendrocyte) : 중추신경계의 신경세포 축삭을 둘러싸면서 수초를 형성한다. 하나의 희소 돌기 교세포는 여러 개의 수초를 형성한다. 수초는 절연층을 제공하여 활동전위의 유출을 막는다. 

슈반세포(Schwann cell) : 말초신경에서 희소 돌기 교세포와 같이 수초를 형성한다. 하나의 슈반세포는 한 개의 수초를 형성한다. 

소교세포(microglia) : 신경계의 식세포로 작용하여 면역반응을 담당한다. 

뇌실막세포(ependymal cell) : 뇌실벽을 이루는 세포들로 뇌척수액을 생성하고 순환을 돕는다.

성상세포(astrocyte) : 혈액-뇌 장벽(blood-brain barrier)을 형성한다. 이 장벽은 혈액 내 유해 물질이 뇌로 들어오는 것을 차단한다. 뇌 모세혈관의 내피세포는 밀착연접에 의해 완전히 봉합되며 세포 사이 공간을 통과하여 이동하는 것을 제한한다. 또한 성상세포는 방출된 신경전달물질을 흡수하여 시냅스 전 뉴런과 시냅스 후 뉴런 사이의 신호 전달을 조절한다. 그 외에도 뉴런에 영양소를 공급하며 K+ 이온을 세포 외액으로부터 흡수하여 세포외액 항상성을 조절한다.

 

 

2. 차등 전위와 활동 전위

 

(1) 차등 전위

Na+ 채널의 열림에 의해 Na+ 이온이 세포 내부로 들어오게 되면서 막 전위가 상승하며 이것을 탈분극이라 한다. K+ 채널이나 Cl- 채널의 열림으로 막 전위가 휴지막전위보다 더욱 낮아질 경우 이를 과분극이라 한다. 세포에 자극이 들어오면 일시적인 이온의 투과성 변화로 차등성 전위가 발생한다. 자극의 크기에 따라 유입되는 이온의 농도가 달라지며 형성되는 차등성 전위의 크기도 달라진다. 역치 이상의 차등성 전위가 축삭 둔덕까지 도달하게 되면 활동 전위가 발생하게 된다.

축삭둔덕에서 활동전위는 실무율(All or noe law) 을 따르게 된다. 역치 이하 자극에 대해서는 활동전위가 생성되지 않으며 역치 이상의 자극일 경우 일정한 크기의 활동전위가 생성된다. 자극의 강도는 활동 전위의 크기가 아니라 활동 전위 빈도를 통해 전달된다.

 

(2) 활동 전위

1) 과정

축삭 둔덕에 역치 이상의 차등성 전위가 도달하게 되면 다수의 전압 의존성 Na+ 채널이 열린다. 막 전위는 급속하게 탈분극이 일어난다. 이후 전압 의존성 Na+ 채널의 불활성화 문이 닫히게 되면서 Na+ 이온이 더 이상 유입되지 않는다. 전압 의존성 K+채널이 열리고 세포 내부에서 외부로 K+ 이온이 유출되면서 막 전위는 낮아지게 된다. 전압 의존성 K+ 채널은 닫히는 속도가 느려 휴지막 전위보다 더욱 과분극 상태가 나타난다. 전압 의존성 Na+ 채널의 불활성화 구는 다시 열리고 활성화 문은 닫힌 상태를 유지한다. 전압 의존성 K+채널이 닫히고 원래의 휴지막 전위로 돌아온다. 

 

2) 절대 불응기와 상대 불응기

절대 불응기 : 활동전위가 시작되면 전압 의존성 Na+ 채널의 닫혀있는 불활성화 구로 인해 어떠한 자극에도 활동전위의 생성이 일어나지 않는다. 활동전위가 시작되면 약 1~2 msec 동안 연속된 활동 전위가 생성되지 않으며 이를 절대 불응기라 한다. 절대 불응기로 인해 활동 전위가 전달된 방향으로 다시 되돌아가지 않고 한 방향으로 이동하게 된다.

상대 불응기 : 과분극이 일어난 구간 동안 일부 Na+ 채널의 문이 원래대로 돌아왔기 때문에 역치 이상의 자극이 있을 경우 탈분극이 일어날 수 있다. 상대 불응기는 활동전위가 생성될 수 있는 최대한의 빈도를 제한하며 활동전위를 조절한다. 불응기가 길수록 새로운 활동 전위가 시작되기까지 더 긴 시간이 필요하다.

3. 전기적 시냅스와 화학적 시냅스

(1) 전기적 시냅스

전기적 시냅스는 뉴런 간 간극연접을 통한 신호전달이다. 이온을 통한 신호전달이기 때문에 속도가 매우 빠르다. 일반적으로 양방향으로 전달되고 흥분성 시냅스로만 작용한다. 따라서 위험으로부터 회피처럼 빠른 처리를 필요로 하는 경우나 세포 무리의 활성화에 관여한다.

 

(2) 화학적 시냅스

화학적 시냅스는 뉴런 사이 시냅스 틈에서 확산하는 신경 전달 물질에 의한 전달이다. 신경 전달 물질의 확산이 요구되므로 일반적으로 전기적 시냅스보다 느리고 단일 방향으로 전달된다. 시냅스 전 뉴런이 신경 전달 물질을 방출하고 시냅스 후 뉴런의 수용체를 통해 흥분성 또는 억제성으로 신호를 전달한다. 대표적인 신경 전달 물질로는 아세틸콜린, 에피네프린, GABA 등이 있다.