생명과학 고2 항상성과 몸의 조절 심화

휴지 전위

흥분하지 않은 뉴런에서 Na+-K+ 펌프에 의해 유지되는 안정적인 막전위(약 -70 mV) 상태이다.

자극을 받지 않은 뉴런의 세포막 안쪽이 바깥쪽보다 약

- 70 mV

만큼 낮게 유지되는 안정한 막전위 상태입니다.

휴지 전위는 '꺼져 있는 상태'가 아니라 '장전된 상태'입니다. 활을 당겨 놓고 놓기만 기다리는 것처럼, 세포는 에너지를 써서 일부러 안팎의 전위 차이를 만들어 두고 신호를 낼 순간을 기다립니다.

쉽게 말하면

막전위란 세포막 바깥을 기준(0)으로 삼았을 때 안쪽의 전위입니다. 물리에서 다루는 전위와 전위차와 같은 개념이고, 다만 전하를 나르는 것이 전자가 아니라 $N a^{+}$ , $K^{+}$ 같은 이온이라는 점이 다릅니다.

휴지 전위가 음(−)의 값인 이유는 두 가지가 겹쳐서입니다. 첫째, 세포막에 있는 나트륨–칼륨 펌프가 ATP를 써서 $N a^{+}$ 3개를 밖으로 내보내고 $K^{+}$ 2개를 안으로 들여옵니다. 내보내는 양이 더 많으니 안쪽이 조금 더 음(−)이 됩니다. 둘째, 그리고 이쪽이 더 중요한데, 휴지 상태의 막은 $N a^{+}$ 보다 $K^{+}$ 을 훨씬 잘 통과시킵니다. 안쪽에 많이 쌓인 $K^{+}$ 이 조금씩 밖으로 새어 나가면서 양전하를 가지고 나가므로 안쪽이 더 음(−)이 됩니다.

중요한 것은 이 상태가 '가만히 있어서' 유지되는 게 아니라는 점입니다. 펌프가 ATP를 계속 소비하며 이온을 원래 자리로 되돌려 놓아야만 유지됩니다. 세포가 죽으면 펌프가 멈추고 막전위는 곧 0에 가까워집니다.

이렇게 만들어 둔 전위 차이가 있어야, 자극이 왔을 때 통로를 여는 것만으로 이온이 저절로 쏟아져 들어오며 탈분극과 재분극이 일어납니다.

이렇게 나타납니다

예시 1

펌프를 멈추면 어떻게 될까

펌프의 작동을 막는 약물을 처리하면 막전위가 곧바로 0이 되지는 않지만, 이온 농도 차가 서서히 무너지면서 결국 신호를 만들 수 없게 됩니다. 휴지 전위가 '유지에 에너지가 드는 상태'라는 증거입니다.
예시 2

세포 바깥의 $K^{+}$ 농도를 높이면

바깥의 $K^{+}$ 농도를 올리면 안쪽 $K^{+}$ 이 밖으로 나갈 이유가 줄어듭니다. 그러면 안쪽이 덜 음(−)이 되어 휴지 전위가 0 쪽으로 올라갑니다. 휴지 전위가 주로 $K^{+}$ 의 이동으로 결정된다는 것을 보여 줍니다.
예시 3

$- 70 mV$ 는 얼마나 작은 값인가

$70 mV$ 는 건전지 하나( $1.5 V$ )의 20분의 1 정도입니다. 하지만 세포막의 두께가 극히 얇기 때문에, 그 얇은 막을 사이에 두면 매우 강한 전기장이 걸립니다. 작은 전압으로도 이온 통로를 여닫기에 충분합니다.

자주 하는 오해

휴지 전위를 '이온이 움직이지 않는 상태'라고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움휴지 상태이니 이온의 이동이 없다

실제로는

K^{+}

은 계속 새어 나가고 펌프는 계속 이온을 되돌리는, 들어오고 나가는 양이 균형을 이룬 상태입니다.

'변하지 않는다'와 '움직이지 않는다'는 다릅니다. 휴지 전위는 정지가 아니라 동적인 평형입니다. 그래서 ATP가 계속 필요합니다 — 아무것도 안 하는데 에너지를 쓸 리는 없겠지요.

안쪽이 음(−)이니 안쪽에는

N a^{+}

K^{+}

같은 양이온이 적다고 생각하기

이렇게 생각하기 쉬움막전위가

- 70 mV

이니 세포 안에는 양이온이 별로 없다

실제로는세포 안에는

K^{+}

이 오히려 바깥보다 훨씬 많습니다. 다만 음전하를 띤 단백질 등이 함께 있어 전체적으로 안쪽이 음(−)일 뿐입니다.

막전위는 '전체 이온 수'가 아니라 막을 사이에 둔 아주 얇은 층의 전하 불균형으로 정해집니다. 농도 차이와 전위 차이는 별개의 이야기이고, 이 둘을 구분해야 탈분극에서 왜

N a^{+}

이 안으로 쏟아지는지 이해할 수 있습니다.

선수 개념 — 이걸 먼저 알아야 해요

뉴런고2

이후 개념 — 이 개념을 배우면 이어집니다

탈분극과 재분극고2

연계 개념 — 과목을 넘어 함께 보면 좋아요

전위와 전위차고2

같은 단원의 개념 — 항상성과 몸의 조절

자주 묻는 질문

Q1왜 하필

- 70 mV

인가요?

세포 안팎의 이온 농도 차와, 막이 각 이온을 얼마나 잘 통과시키는지에 따라 정해지는 값입니다. 세포 종류에 따라 조금씩 다르며 교과서에서는 흔히 약

- 70 mV

로 씁니다.

Q2분극과 휴지 전위는 같은 말인가요?

'분극'은 막 안팎이 서로 다른 전하를 띠고 있는 상태를 가리키는 말이고, 그 분극 상태에서 측정되는 값이 휴지 전위입니다. 그래서 자극을 받아 그 차이가 줄어드는 것을 '탈분극'이라고 부릅니다.

Q3나트륨–칼륨 펌프는 확산인가요?

아닙니다. 농도가 낮은 쪽에서 높은 쪽으로 이온을 밀어 올리므로 ATP가 필요한 능동 수송입니다. 반면 통로를 통한 이온의 이동은 농도 차를 따라가는 확산이라 에너지가 들지 않습니다.

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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장전된 상태를 이해했다면, 자극이 왔을 때 그 전위가 어떻게 뒤집혔다 돌아오는지 탈분극과 재분극에서 확인해 보세요.

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