생명과학 고2 항상성과 몸의 조절 심화

탈분극과 재분극

Q: 불응기가 무엇인가요?

활동 전위가 지나간 직후에는 Na+ 통로가 잠시 다시 열리지 못합니다. 이 시기를 불응기라고 하며, 덕분에 신호가 왔던 길로 되돌아가지 않고 한 방향으로만 진행합니다.

Q: 과분극은 왜 생기나요?

K+ 통로가 곧바로 닫히지 않고 조금 더 열려 있어서 K+이 필요 이상으로 빠져나가기 때문입니다. 그래서 막전위가 휴지 전위보다 잠깐 더 내려갔다가 회복합니다.

자극 시 Na+ 유입으로 막전위가 상승(탈분극)하고, K+ 유출로 복구(재분극)되는 활동 전위 전개 과정이다.

자극을 받은 뉴런에서

N a^{+}

이 안으로 들어와 막전위가 급격히 올라갔다가(탈분극),

K^{+}

이 밖으로 나가며 다시 내려오는(재분극) 활동 전위의 전개 과정입니다.

댐의 수문을 여는 것과 같습니다. 물을 퍼 올려 놓은 상태(휴지 전위)에서 수문(

N a^{+}

통로)을 열면 물이 저절로 쏟아집니다. 세포는 '밀어 넣는' 것이 아니라 '문을 열어 줄' 뿐입니다.

쉽게 말하면

휴지 상태에서는 $N a^{+}$ 이 세포 밖에 훨씬 많고, 안쪽은 전위가 낮습니다. 농도로 봐도, 전하로 봐도 $N a^{+}$ 은 안으로 들어오고 싶어 안달이 난 상태입니다. 막은 그저 통로를 닫아 두고 버티고 있을 뿐입니다.

자극이 일정 크기(역치)를 넘으면 전압에 따라 열리는 $N a^{+}$ 통로가 열립니다. $N a^{+}$ 이 쏟아져 들어오면서 막전위가 급격히 올라가 $- 70 mV$ 에서 순간적으로 양(+)의 값까지 뒤집힙니다. 이것이 탈분극입니다. 여기서 무서운 점은 막전위가 올라가면 $N a^{+}$ 통로가 더 열리고, 그러면 막전위가 더 올라간다는 것입니다. 한 번 역치를 넘으면 멈출 수 없는 이 되먹임 때문에 활동 전위는 '전부 아니면 전무'로 일어납니다.

곧이어 $N a^{+}$ 통로가 스스로 닫히고, 늦게 열린 $K^{+}$ 통로로 $K^{+}$ 이 밖으로 빠져나가면서 막전위가 다시 내려옵니다(재분극). $K^{+}$ 통로가 늦게 닫히는 바람에 휴지 전위보다 잠시 더 내려가기도 합니다(과분극). 마지막으로 나트륨–칼륨 펌프가 이온 배치를 원래대로 되돌려 다음 신호를 준비합니다.

이 한 번의 전위 변화가 흥분 전도로 축삭을 따라 옮겨 가는 것이 신경 신호의 정체입니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

약한 자극을 여러 번 줘도 작은 활동 전위는 없다

역치보다 약한 자극은 아무리 반복해도 활동 전위를 만들지 못합니다. 반대로 역치를 넘기면 자극이 얼마나 세든 활동 전위의 크기는 같습니다. 자극의 세기는 크기가 아니라 '얼마나 자주 발생하는가'로 표현됩니다.
예시 2

복어 독처럼 $N a^{+}$ 통로를 막으면

$N a^{+}$ 통로가 열리지 못하면 탈분극이 일어나지 않아 신호 자체가 만들어지지 않습니다. 휴지 전위는 그대로인데 흥분만 안 되는 상태, 즉 마비가 됩니다. 탈분극의 주인공이 $N a^{+}$ 이라는 것을 뒤집어 보여 줍니다.
예시 3

막전위 그래프를 읽는 법

그래프가 가파르게 올라가는 구간은 $N a^{+}$ 이 들어오는 구간, 내려가는 구간은 $K^{+}$ 이 나가는 구간입니다. 어느 구간에서 어떤 이온이 어느 방향으로 움직이는지만 짝지어 두면 대부분의 문제가 풀립니다.

순서대로 하면

막전위 변화 문제를 읽는 순서

1그래프에서 지금이 올라가는 중인지, 내려가는 중인지, 바닥인지를 먼저 확인합니다.
2올라가는 중이면 $N a^{+}$ 통로가 열려 $N a^{+}$ 이 세포 안으로 들어오는 중입니다.
3내려가는 중이면 $N a^{+}$ 통로가 닫히고 $K^{+}$ 통로가 열려 $K^{+}$ 이 세포 밖으로 나가는 중입니다.
4두 이동 모두 농도 차를 따라가는 확산이므로 ATP가 들지 않습니다. ATP를 쓰는 것은 나중에 배치를 되돌리는 펌프뿐입니다.

자주 하는 오해

탈분극·재분극 때 이온이 펌프로 옮겨진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움탈분극은 펌프가

N a^{+}

을 안으로 퍼 넣어서 일어난다

실제로는탈분극과 재분극의 이온 이동은 통로를 통한 확산이며, 펌프는 그 뒤에 배치를 되돌릴 때 작동합니다.

펌프는

N a^{+}

을 '밖으로' 내보내는 장치이므로 방향부터 반대입니다. 활동 전위는 이미 만들어 둔 농도 차를 소비하는 과정이고, 펌프는 그 농도 차를 다시 벌어 두는 과정입니다. ATP를 쓰는 자리가 어디인지 구분하는 것이 핵심입니다.

자극이 세면 활동 전위도 커진다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움세게 꼬집으면 더 큰 활동 전위가 생긴다

실제로는역치를 넘기만 하면 활동 전위의 크기는 항상 같습니다(실무율).

N a^{+}

통로가 열리면 이온은 농도 차와 전위 차를 따라 정해진 만큼만 들어옵니다. 자극이 세다고 통로가 더 넓게 열리지 않습니다. 그래서 세기의 정보는 크기가 아니라 발생 빈도로 전달됩니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

휴지 전위고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

흥분 전도고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

전위와 전위차고2

같은 단원의 개념 — 항상성과 몸의 조절

자주 묻는 질문

Q1불응기가 무엇인가요?

활동 전위가 지나간 직후에는

N a^{+}

통로가 잠시 다시 열리지 못합니다. 이 시기를 불응기라고 하며, 덕분에 신호가 왔던 길로 되돌아가지 않고 한 방향으로만 진행합니다.

Q2과분극은 왜 생기나요?

K^{+}

통로가 곧바로 닫히지 않고 조금 더 열려 있어서

K^{+}

이 필요 이상으로 빠져나가기 때문입니다. 그래서 막전위가 휴지 전위보다 잠깐 더 내려갔다가 회복합니다.

Q3활동 전위 한 번에 이온이 얼마나 이동하나요?

세포 안팎의 전체 이온 양에 비하면 아주 적은 양만 이동합니다. 그래서 활동 전위가 몇 번 일어난다고 해서 농도 차가 곧바로 무너지지는 않습니다. 다만 반복되면 펌프가 부지런히 되돌려 놓아야 합니다.

교육과정 2022 개정 · 고2 생명과학 · 항상성과 몸의 조절 수록 심화 (교육과정 밖 확장 개념)

출처 교육부 고시 제2022-33호 (2022 개정 교육과정) · NCIC 국가교육과정정보센터

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