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광주재활병원
더나은병원입니다.
오늘은 재활의 기본원리 중 하나인 신경전도와 근수축을 일으키는 나트륨칼륨펌프캍은 이온채널에 대해 알아보려고 합니다.
신경, 근육 등의 인체를 구성하는 조직의 막에 존재하는 수송 통로인 이온채널는 나트륨채널, 칼슘채널, 양성자채널, 염소이온채널 등 다양한 이온의 채널이 있습니다. 이온 채널은 이온이 채널 기공을 통과할 수 있도록 기공이 형성된 단백질입니다.
이온채널은 다른 유형의 이온 수송 통로와는 다른 특징을 가지고 있습니다. 가장 큰 특징은 초당 106이온 이상의 속도를 보이기도 할 정도로 빠른 통과 속도입니다. 이온은 ATP(대사에너지)를 소모하지 않고 이온 농도 및 막전위의 변화에 따라 채널을 통과하게 됩니다. 이온 채널은 앞서 말했듯 다양한 조직의 막에 존재하고 특정 크기 및 이온만을 통과시키는 선택적 투과를 하게 됩니다. 그러나 일부 채널은 이온별 구분이 아닌 양이온과 음이온 중 하나의 유형을 통과시키는 채널도 존재합니다. 이러한 이온 채널은 채널에 따라 화학적, 전기적, 온도, 기계적 힘에 의해 통로가 열리거나 닫힐 수 있게 되어 있습니다.
이온채널은 신경전달의 기초가 됩니다. 심장, 골격 및 평활근 수축, 영양분과 T세포 활성화, 췌장 베타 세포 인슐린과 같은 세포의 급격한 변화를 포함하는 다양한 생물학적 과정의 핵심구성요소로 신약 개발시 주요 표적이 됩니다.
이온채널의 게이트에 의한 분류
이온채널은 채널을 열고 닫는 요소에 다라 분류할 수 있습니다. 예를 들어 전압게이트 이온채널은 원형질막의 전압차이에 따라 열리거나 닫히게 되고, 리간트 이온채널은 채널에 대한 리간드 결합에 따라 열리거나 닫히게 됩니다.
전압게이트 이온채널 (Voltage-gated ion channel)
전압게이트 이온채널는 막전위의 전위차에 따라 열리고 닫히게 됩니다. 전압게이트 나트륨채널(Voltage-gated sodium channel), 전압게이트 칼슘채널(Voltage-gated calcium channel), 전압게이트 칼륨채널(Voltage-gated potassium channel), 정자의 양이온채널(Cation channel of sperm), 전압게이트 양성자 채널(Voltage-gated proton channel) 등이 있습니다.
리간드게이트 (Ligand-gate)
이온성 수용체라고도 알려진 채널그룹은 수용체 단백질의 세포외 수용체에 결합하는 특정 신경전달 물질에 반응하여 열리게 됩니다. 리간드결합은 채널 단백질의 구조에 구조적 변화를 일으켜 채널게이트를 열게됩니다. 양이온 투과성 아세틸콜린 수용체, 이온성 클루타메이트 게이트 수용체, 산 감지 이온채널, ATP게이트 수용체 및 음이온 투과성 아미노 부르티산 게이트가 있습니다.
지질게이트 (Lipid gate)
지질게이트 이온 채널은 일반적으로 원형질막의 내부 소엽근처에 있는 채널 수용체와 결합하는 특정 지질 분자에 반응하여 열리게 됩니다. 대표적으로 포스파티딜 이노시톨, 비스포스페이트, 포스파티드산이 있습니다.
이온채널의 이온유형에 따른 분류
칼륨채널
칼륨채널은 4개의 단백질 유닛으로 구성되고 이러한 유닛은 기공의 상단을 감싸는 독특한 기공 루프 구조를 가지고 있으며 칼륨만을 선택적으로 투과하는 역할을 수행하게 됩니다.
칼륨채널은 전기화학적 차이로 칼륨이온을 빠르게 전도하는 기능을 하고, 추가적으로 선택적인 이동을 추가적으로 시행하게 됩니다. 이는 흥분된 신경에서 칼륨이온의 지연된 역류를 일으켜 활동전위를 추가로 형성하게 합니다. 이러한 칼륨펌프의 오작동은 지연된 활동 전위를 일으키게 되고 심장에서 발생시 부정맥을 유발할 수 있고 인슐린 분비 장애(당뇨병)를 일으키기도 합니다.
나트륨채널
전압게이트 나트륨채널은 닫힘과 열림, 비활성화의 세가지 형태의 상태를 갖게 됩니다. 활성화 / 비활성화 / 재활성화 구분되고, 패쇄 되거나 비활성화 상태에서는 이온이 투과할 수 없습니다. 신경의 전도에서 보면 활동전위가 발생하기 전에 축삭막은 정상 휴지 전위 (-70mV)에 있고 나트륨채널은 비활성화된 상태에 있으며 나트륨의 이동은 차단됩니다. 막전위가 -55mV까지 증가하게 되면 게이트가 열리고 나트륨의 이동이 발생되고 막전위가 +30mV로 증가하게 됩니다. 이러한 현상을 탈분극이라고 합니다.
활동전위의 최고점에서 충분한 나트륨이 신경으로 들어가게 되고 막전위가 충분히 높아지면 나트륨채널이 게이트를 닫고 비활성화 되고 막전위의 상승이 멈추게 됩니다. 채널이 비활성화 되면 비가역적 내화상태에 이르게 됩니다. 이러한 내화상태는 활동전위가 더 상승되는 가능성을 없애게 됩니다. 나트륨채널은 더이상 막전위에 영향을 주지 않으므로 신경은 재분극하게 되고 그에 따라 과분극화됨에 따라 전위는 휴지 전위로 감소되고 이는 활도전위를 하강시키게 됩니다. 막전압이 충분히 낮아지면 비활성화되었던 나트륨채널은 다른 활동전위에 참여할 대기상태로 돌아가게 됩니다.
이온채널 차단요소와 오픈요소
차단 요소
다양한 이온채널의 차단요소는 이온채널활동과 전도를 조절할 수 있습니다.
일반적인 차단제로는 복어의 독인 테트로톡신으로 나트륨을 차단하게 됩니다.
삭시톡신은 적조에서 생성되고 전압의존 나트륨채널을 차단합니다. 리도카인과 노보카인은 나트륨이온채널을 차단하여 국소마취제로 사용됩니다. 덴드로톡신은 맘바 뱀에 의해 생성되며 칼륨채널을 차단합니다. 이베리오톡신은 동부인도전갈에 의해 생성되며 칼륨채널을 차단합니다.
오픈요소
특정 이온채널의 개방 또는 활성화를 촉진하는 여러화합물로 구성되어있습니다.
칼슘채널 - Bay K8644, 미녹시딜
클로라이드채널 - 페난트롤린
나트륨채널 - DDT
오늘은 재활의 기본원리 중 하나인 신경전도와 근수축을 일으키는 나트륨칼륨펌프캍은 이온채널에 대해 알아보았습니다.
다음시간에는 더욱 알찬 정보로 찾아뵙겠습니다.
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