멤브레인 전위 증가에 따른 전류 변화

✅멤브레인 전위 증가에 따른 전류 변화

멤브레인 전위가 약 10mV 정도 증가하면 멤브레인에 흐르는 전류는 두 가지로 나뉜다.

-용량성 전류(IC, Capacitive current)

-이온성 전류(Ionic current)이다.

용량성 전류는 멤브레인 전위가 변화할 때만 나타나며, 전위 변화가 멈추면 사라진다. 이후에는 이온성 전류가 흐르며, 이 전류는 주로 이온의 이동에 의해 발생한다.

✅탈분극의 정도에 따른 전류 변화

멤브레인이 60mV 정도 탈분극(Depolarization)되면, 멤브레인 전위가 임계값(Threshold)을 넘어서 비선형적인 전류 흐름을 보인다. 먼저 용량성 전류가 발생하고, 그 뒤로 음성 전류(Negative current)가 나타나며, 이 전류는 세포 내부로 흐르는 것을 의미한다. 이 음성 전류는 주로 나트륨 이온(Na+, Sodium ion)의 이동에 의해 발생한다. 이어서 멤브레인 전류는 방향을 바꿔 양성 전류(Positive current)가 되며, 이는 세포 밖으로 나가는 전류를 의미한다.

✅멤브레인 전류(IM)의 구성 요소

멤브레인 전류(IM, Membrane current)는 4가지 구성 요소로 나뉜다.

용량성 전류(IC, Capacitive current)
누설 전류(IL, Leak current)
나트륨 전류(I_Na, Sodium current)
칼륨 전류(I_K, Potassium current)

각 전류의 구체적인 역할을 파악하기 위해서는 전압 클램프 기법(Voltage clamp technique)을 사용한다. 이 기법을 통해 특정 전류들을 분리하고 분석할 수 있다.

✅전압 클램프 기법을 통한 전류 분리

전압 클램프 기법을 사용하면 용량성 전류와 누설 전류를 제거할 수 있다. 이후 남은 전류는 나트륨 전류와 칼륨 전류로 분리할 수 있으며, 이를 통해 각각의 이온이 멤브레인 전위에 미치는 영향을 파악할 수 있다. 이 과정에서 TTX(테트로도톡신, Tetrodotoxin)을 사용하면 나트륨 채널(Sodium channel)을 차단하여 칼륨 전류(I_K)만 측정할 수 있고, TEA(테트라에틸암모늄, Tetraethylammonium)을 사용하면 칼륨 채널(Potassium channel)을 차단하여 나트륨 전류(I_Na)만 측정할 수 있다.

✅멤브레인 전류와 전압의 관계

멤브레인 전위(Membrane voltage)가 증가하면 이온 채널(Ion channels)의 전도도도 함께 증가한다. 나트륨 채널과 칼륨 채널의 전도도는 시간과 전압에 따라 변하며, 이 변화는 각각의 채널이 열리고 닫히는 확률에 따라 결정된다. 나트륨 채널의 경우, 3개의 서브유닛(Subunits)이 활성화될 확률에 따라 전도도가 결정되며, 이때 h 파라미터는 비활성화 여부를 나타낸다. 또한 이온 채널의 전도도는 알파(α)와 베타(β) 값으로 설명할 수 있으며, 이는 멤브레인 전위의 함수로 표현된다.

(1) 나트륨 채널의 Conductance

(2) 칼륨 채널의 Conductance

✅이온 채널의 확률 모델

칼륨 채널(K+ 채널)은 4개의 서브유닛으로 구성되어 있으며, 이 서브유닛들이 모두 열릴 때 채널이 열리게 된다. 채널이 열릴 확률은 알파(α)와 베타(β) 값으로 설명되며, 이 값들은 멤브레인 전위에 따라 달라진다. 나트륨 채널(Na+ 채널)은 더 복잡한 구조를 가지며, 활성화(m, Activation)와 비활성화(h, Inactivation) 파라미터가 결합되어 전도도를 결정하게 된다.

✅전체 멤브레인 전류(IM) 구성 요소

총 멤브레인 전류(IM)는 나트륨 전류(I_Na), 칼륨 전류(I_K), 그리고 누설 전류(IL)로 구성됩니다. 누설 전류는 시간에 따라 변하지 않지만, 나트륨 전류와 칼륨 전류는 멤브레인 전위와 시간에 따라 변한다.

✅Huxley 모델을 이용한 액션 포텐셜 재구성

Huxley 모델을 사용하면 멤브레인 전위와 각 이온 채널의 전도도를 바탕으로 **액션 포텐셜(Action potential)**을 재구성할 수 있다. 초기 조건으로 휴지 전위(Rest potential)를 설정하고, 각 시점의 전도도 변화를 계산하여 멤브레인 전위를 추정할 수 있다. 불응기(Refractory period) 동안에는 나트륨 채널이 비활성화 상태에 있기 때문에, 두 번째 자극이 오더라도 액션 포텐셜이 발생하지 않는다.