2011 MD 35번 : 아세틸콜린 수용체의 I-V curve

[飛烏]

답 2

ㄴ. 아세틸콜린 수용체는 리간드 의존성 수용체이다.

전압의존성이 아니다.

ㄷ. 문제에도 나와있듯이, 전류가 음의 값이라는 것은 양이온의 유입된다는 것이다. (전류의 +/- 는 방향성을 나타낸다)

-40mV 에서 양이온 Na⁺이 유입된다. 탈분극이 일어난다.

보통 뉴런의 휴지막전위는 -70mV 정도이다.

아세틸콜린 수용체가 열리면 Na⁺와 K⁺가 모두 이동이 가능하지만, 휴지막전위인 -70mV에서는 거의 Na⁺만 들어온다.

ㄹ. 오른쪽으로 평행 이동한다.

(하단 풀이 참고)

[상세 풀이]

1. 전압고정법 (voltage clamping) : 세포단위 측정

세포 안밖의 이온농도를 인위적으로 조절하여

막전위를 -80mV로 고정 후 세포의 전류를 측정.

막전위를 -60mV로 고정 후 세포의 전류를 측정.

막전위를 -40mV로 고정 후 세포의 전류를 측정.

....

20단위로 계속 측정.

+60mV 까지 측정 후 측정값을 그래프로 그림.

☞ 특정 막전위에서 이온의 이동 양상을 알 수 있다

비교) 패치 클램프(patch-clamp) : 단일 채널 측정

        필수세포생물학 3판 12장 막수송 424쪽

2. I-V curve (전류-전압 커브) 해석하기

  1) 전압 비의존적 채널의 그래프 : 직선

  2) 전압 의존적 채널의 그래프 : 꺽인 형태 (특정 전위차 값에서만 전류가 흐른다)

<그림 설명>

<그림1> 전압 비의존적 채널 : 직선 (이온의 통과가 전압에 영향을 받지 않는다)

    직선의 기울기는 채널의 전도도(conductance)를 의미한다.

    기울기가 클수록 투과도가 더 큰 것이다.

<그림2> 뉴런의 IV curve

    파란색 : 전압 비의존적 K⁺ 채널 : 직선형

    노란색 : 전압 의존적 Na⁺ 채널 : 꺽인형 (특정 전압에서만 열림)

    녹색 : 두 개의 합

    뉴런의 Na⁺ 채널은 대부분 전압 의존적인 것을 알 수 있다.

<그림3> 테이즈 5판 134쪽 : 전압 비의존적 K⁺ 채널, 전압 의존성 내향성 K⁺채널, 전압 의존성 외향성 K⁺채널의 IV curve가 매우 잘 설명되어 있음.

<그림4> K⁺와 Na⁺  I-V curve

각 이온에 대한 평형전위 값에서 전류값은 0이다.

그래프에서 전류(I)의 마이너스 플러스는 방향성을 의미한다.

마이너스 : 내향성, 유입 influx

플러스 : 외향성, 유출 efflux

K⁺와 Na⁺ 그래프를 하나로 합치면 아래와 같다.

막전위가 두 개의 채널에 의해서만 결정된다고 '가정'하면

안정막 전위는 두 이온이 들고나는 값이 같은 전압의 위치가 된다.

<그림5>

실제로는 다양한 이온과 채널들이 막전위에 영향을 미치므로 위와 같이 단순하게 해석할 수는 없다.<그림2 참고>

위의 그림은 이해를 돕기 위한 예시정도로 알아두자!

안정막 전위가 K⁺의 평형전위 쪽으로 더 치우쳐 있다는 것은 막이 K⁺에 대한 투과성이 더 크다는 것을 의미한다.

[확장 적용]

고칼륨혈증이면 어떻게 될까?

네른스트 식, 골드먼 방정식에 적용해보기.

[K⁺]_out 이 증가. K⁺유입이 증가

<그림5>에서 K⁺그래프가 오른쪽으로 이동.  휴지막 전위 상승.

탈분극이 더 쉽게 일어날 것이다.

3. 아세틸콜린 수용체

아세틸콜린 수용체는 리간드의존성 수송체로

아세틸콜린이 결합하면 K⁺와 Na⁺가 역방향 수송된다.

Na⁺는 들어오고 K⁺는 나간다. (두 가지 이온이 이동한다는 것이 특이점이다.)

전류가 0인 지점인 0mV에서 나가는 K⁺양과 들어오는 Na⁺의 양이 같다.

전류를 측정하면 문제의 그림과 같은 IV그래프가 나온다.

전압의존적이 아니기 때문에 직선형이다.

하나의 이온의 이동이 아니기 때문에 전류가 바뀔 때의 전위에 '평형전위'라는 개념을 쓰지않고, '역전위'라는 개념을 쓴다.

[신경과학 제3판, 강봉균 역, 바이오메디북, 120쪽]

ACh-의존성 이온 채널의 IV 그래프 : 역전위(reversal potential)

   서로 다른 이온에 대한 막의 상대적 투과성을 반영한 골드먼 식을 사용하면 막전위를 계산하여 구할 수 있다. 아세틸콜린 의존성 이온채널이 열릴 때 Na⁺와 K⁺ 이온에 대하여 동등한 투과성을 가진다면 막전위 값은 Na⁺ 평형전위 값과 K⁺ 평형전위값 사이에 있을 것이며 실제로 약 0mV이다. 따라서 이온의 흐름은 막전위가 0mV가 되는 방향으로 이루어진다. 만약 아세틸콜린이 작용하기 전에 막전위가 0mV보다 작다면(보통의 경우가 이러하다) 아세틸콜린-의존성 이온채널을 통과하는 +이온전류의 방향은 안쪽으로 흐르게 되어 탈분극을 초래하여 막전위가 0mV에 가까워지도록 할 것이다. 그러나 아세틸콜린이 작용하기 전에 막전위가 0mV보다 크다면 아세틸콜린-의존성 이온채널을 통과하여 흐르는 전류의 방향은 바깥쪽으로 되어 막전위를 0mV에 가까워지도록 할 것이다.

   서로 다른 막전위에서의 이온성 전류 흐름은 <35번 문제 그래프 그림>처럼 그려질 수 있다. 이러한 그래프를 I-V 도면이라 한다(I는 전류, V는 전압). '전류의 흐름의 방향이 반대가 될 때 막전위'를 역전위(reversal potential)이라 한다. 아세틸콜린-의존성 이온채널 경우에서는, 역전위가 0mV이다. 역전위 값의 실험적인 측정은 막이 어떤 종류의 이온에 대하여 더 높은 투과성을 가지는지 알 수 있도록 도와준다.

   만약 신경전달물질이 특정 이온에 대한 막의 투과성을 변화시킴으로써 막전위를 양의 값으로 이동시킨다면 이 신경전달물질의 작용을 흥분성이라 한다. 만약 신경전달물질이 막전위를 음의 값으로 이동시킨다면 이 신경전달물질의 작용을 억제성이라 한다. K⁺ 이온채널 혹은 Cl^- 이온채널들에 작용하는 신경전달물질은 억제성인 경향을 보인다.

[참고 사이트]

http://en.wikipedia.org/wiki/Voltage_clamp

http://avivabio.com/products/tutorephys.php

[pomise 2006]

1. '기울기가 크다는 것은 투과도가 크다'는 것은 그래프에서 어떻게 알 수 있나요?
2. ㄹ에서 k+이온농도가 증가하면 골드먼 방정식에 의해 평형전위가 증가되고 유출이 감소된다는건 알겠는데 그래프이동 방향은 모르겠어요ㅠ

자세한 해설해주셨는데 2가지가 해결이 안되네요

[뉴런]

저는 이렇게 이해했는데...확신은 없지만....^-T 도움이 되었으면 합니다

[뉴런]

앗! 두 번째꺼는 [K+out]농도 증가로 K+의 유출이 줄어들기 때문에 이온의 유출량보다 이온의 유입량이 더 커지므로 전류의 크기가 더 음의 값을 나타내게 되어 그래프가 오른쪽으로 평행이동 한다고 생각하는게 더 맞을거같아요!!

[뉴런]

그래도 오늘 다시 한 번 보고 복습하셨으니 시험에 관련 문제가 나온다면 꼭 맞추실 수 있을거에요!!!!
힘내세요~~~화이팅!!!

[飛烏]

비댓 풀어주시면 안될까요?
그림이 좋네요

[호야]

설명 감사합니다!

[star]

보기ㄷ에 아래로 평행이동한다는말도 괜찮은가요?

[飛烏]

네. 의미는 같은 것 같아요

[飛烏]

정말 표현이 통일이 안되어서 혼란이 많습니다.

가장 정확한 표현은
양의 값이 된다, 음의 값이 된다
입니다.

[飛烏]

관련문제
2018 MD 9번 전압의존성 채널의 IV커브

[준비하는사람의여유]

선생님 저기 확장적용 고칼륨혈증 부분에서 칼륨이 유입되서 휴지막전위가 들어온다고 하셨는데, 임용 기출에서는 밖의 농도증가로 나가지못해 세포내에 남아있는 것으로 알려주셔서요 둘 다 세포내 칼륨 농도 증가 맥락으로 보면 둘까요?

[생생물]

문제를 풀다가 궁금한 점이 있어서 질문 드립니다. 세포 안으로 유입된 양이온이 유출된 양이온보다 많을 때, 전류가 음의 값으로 표현된다고 하셨는데, 단순히 전류의 부호는 단순히 이온의 방향성만 나타내는 건가요? 탈분극 시에 세포 내로 나트륨 이온이 유입되어 막 전위가 +값이 되는데 전류의 부호와 반대값을 가져서 전류와 막 전위 개념이 잘 연결이 되지 않습니다. 설명 부탁드립니다.!

[飛烏]

막전위는 세포밖을 0으로 했을 때 세포 내의 상대적 전위를 측정한 것입니다.
막전위를 정확하게 이해려면 전공책을 살펴보시는 것을 추천합니다.

문제에서 제시한 전류의 방향은 그냥 그대로 받아들이시면 됩니다.
딱히 원리라기보다는 표현의 약속이죠.

[생생물]

감사합니다~!

[이제부터생물교사]

선생님 위의 설명 중에서 아세틸콜린 수용체는 니코틴성아세틸콜린 수용체만 고려하신건가요? 그렇다면 무스카린성 아세틸콜린수용체는 고려하지 않는 이유가 있을까요?

[飛烏]

딱히 니코틴성을 고려해서 풀이를 한 것은 아닌데요.

이 문제는 이온 채널에 대한 문제입니다.
니코틴성은 수용체가 채널입니다.
무스카린성은 수용체가 채널이 아닙니다.

[노력합격]

선생님 지나가다 질문이 있어서 댓글 남깁니다 ㅠㅠ
만약 막전위를 특정값으로 고정하고 , 특정이온의 투과도만 고려한다면

이 때 특정이온의 이동방향은 자신의 평형전위에 의해 결정되나요??

예를 들어, -80mV로 막을 고정했을때 k+의 평형전위 값이 -10mV이라고 가정했을 때
k+이온은 자신의 평형전위인 -10에 가까워지기 위해 세포 내부로 유입되려는 경향이 존재하나요?

[노력합격]

이 문제를 풀다가 생긴 질문입니다 ㅠㅠ
물화생지에 질문도 해보고 각론서도 찾아보고 이미 올려진 질문글에 써있는 답글도 봤지만 이해가 도저히 안되서요 ㅠㅠㅠㅠ 검색하다가 여기까지 왔습니다...ㅎㅎㅎ
혹시 보게 되신다면 답 해주신다면 정말 감사하겠습니다 ㅠㅠㅠ