서론
만약 당신이 압정을 맨발로 밟았을 때 신경계가 겪게 되는 문제들을 생각해 보자. 당신의 반응은 자동적이다. 발을 갑자기 떼면서 고통으로 비명을 지른다. 이러한 단순한 반응이 일어나기 위해서는 압정에 의한 피부의 관통이 발의 감각뉴런을 따라 빠르게 전달되는 신경 신호로 전환되어야 한다. 척수에서 이러한 신호는 연합뉴런에 전달된다. 연합뉴런의 일부는 신호를 통증으로 해석하는 뇌의 부분과 연결되어 있다. 다른 일부는 발을 떼는 데 필요한 다리 근육을 조절하는 운동뉴런과 연결된다. 따라서 단순 반사조차 정보를 수집하고, 분배하고, 통합하는 신경계가 필요하다. 세포 신경생리학의 목표는 이러한 기능을 수행하는 생물학적 기전을 이해하는 것이다. 뉴런은 축삭을 따라 빠르게 이동하는 전기 신호를 사용하여 장거리 신호를 전달하는 문제를 해결한다. 이러한 의미에서 축삭은 전화선과 같이 작용한다. 축삭에서의 세포질의 전기 전하는 자유전자 대신 이온에 의해 운반되기 때문에 전기 전도도가 낮다. 또한 축삭은 잘 절연되어 있지도 않으며 전기를 통과시키는 염수 용액에 담겨져 있다. 이 번엔 뉴런의 반응에 참여하는 화학 물질들에 대해 알아보고자 한다.
세포질과 세포외 용액
뉴런 내부 액체인 세포 기질뿐만 아니라 뉴런이 담겨 있는 용액인 세포 외 용액의 주된 성분은 물이다. 전기적으로 전하를 띠는 원자인 이온은 물에 잘 녹고, 물에 녹은 이온들이 뉴런의 반응과 관련이 있다.
이온 : 순 전기 전하를 갖는 원자나 분자들을 말한다. 식탁의 소금은 반대 전하를 띠는 원자가 전기적 인력에 의해 서로 연결된 Na+와 Cl-의 결정이다. 이러한 인력을 이온결합이라 한다. 물 분자의 전하를 띠는 부위가 다른 물 분자보다 이온에 대해 더 강한 인력을 보이므로 소금은 물에 잘 녹는다. 각 이온들이 결정으로부터 떨어져 나감에 따라 물 분자의 구에 둘러싸인다. 양전하를 띠는 이온은 물 분자의 산소와 마주보며 둘러싸인다. 유사하게, 음전하를 띠는 이온은 수소 원자와 마주보며 물 분자에 둘러싸인다. 각 이온을 둘러싸는 물 분자의 구를 수화각이라 하며, 이러한 수화각이 물 분자를 서로 격리한다.
물 : 수소 원자 두 개와 산소 원자는 전자를 서로 공유하는 공유결합으로 연결되어 있다. 그러나 산소 원자는 수소 원자보다 전자에 대한 친화도가 더 크다. 그 결과, 공유한 전자가 수소 원자보다는 산소 원자와 더 많은 시간을 보낸다. 따라서 산소 원자는 순 음전하를 띠게 되고 반대로 수소 원자는 순 양전하를 띠게 된다. 그리고 H2O는 극성 공유결합에 의해 연결된 분자라고 한다. 이러한 전기적 극성으로 물이 다른 전하를 띠거나 극성인 분자의 효과적인 용매가 된다. 즉, 극성 분자는 물에 잘 녹는다.
인지질 막
이온과 극성 분자를 포함하는 이러한 물질들은 물을 좋아하는 친수성이다. 그러나 비극성 공유결합 원자로 구성된 분자들은 물과 화학적 작용을 할 근거가 없다. 비극성 공유결합은 공유한 전자들이 분자 내에 균일하게 분포하여 어느 한 부위도 순 전기 전하를 갖지 않는 경우에 생성된다. 이처럼 물에 녹지 않고 물을 싫어하는 것을 소수성이라 한다. 뉴런 세포막의 주요 구성 요소는 인지질이다. 다른 지질과 마찬가지로 인지질은 수소 원자와 결합한 기다란 비극성 탄소 사슬 구조로 되어 있다. 또한, 인지질은 분자의 한쪽에 붙어 있는 극성 인산기를 가지고 있다. 따라서 인지질은 친수성인 극성 머리와 소수성인 비극성 꼬리를 갖는다. 뉴런의 세포막은 두 인지질 분자 두께의 인지질의 얇은 층으로 구성되어 있으며 이를 인지질 이중층이라 하고, 이러한 이중 층으로 구성된 인지질 막이 뉴런의 세포질을 세포 밖 용액으로부터 효과적으로 격리한다.
단백질
단백질 분자의 유형과 분포가 뉴런을 다른 세포들과 구분한다. 뉴런에서 화학 반응을 촉매하는 효소, 뉴런 특유의 모양을 유지하게 하는 세포골격, 신경전달물질에 반응하는 수용체 등은 모두 단백질로 되어 있다. 휴지 막전위와 활동전위 모두 인지질 이중층을 관통하는 특수한 단백질에 의존한다. 이런 단백질들은 이온들이 뉴런의 세포막을 통과하는 데 통로로 사용된다. 막 관통 단백질 분자에는 이온 채널이 있다. 전형적으로, 막을 통과하는 기능적인 채널은 유사한 단백질 분자 4~6개가 모여 중앙에 채널을 형성하며, 대부분 이온 채널의 중요한 특성 중 하나는 이온 선택성이다. 뉴런 세포막에 있는 이온 채널을 이해하는 것은 세포 신경생리학을 이해하는 데 중요하다.
결론
뉴런의 반응은 단순한 전기 현상이 아닌 이온과 물, 인지질 막, 그리고 단백질이 정교하게 협력한 결과이다. 세포질과 세포외 용액에 존재하는 이온은 전기 신호의 근본적인 매개체로 작용한다. 인지질 이중층은 이러한 이온의 무작위적 이동을 차단하며, 막 관통 단백질인 이온 채널을 통해서만 선택적인 흐름을 허용한다. 특히 이온 채널의 선택성과 조절 기능은 휴지막전위와 활동전위를 가능하게 하는 핵심 요소이다. 결국 뉴런의 정보 전달은 화학적 성질과 물리적 구조가 결합한 생물학적 기전의 산물이라 할 수 있다.