서론
뉴런에서 감각 신경의 축삭에서 이온채널들이 열리면 양전하가 세포 안으로 들어와 탈분극이 일어나고 이러한 탈분극이 임계치에 이르면 활동전위가 발생한다. 활동전위는 감각 신경의 축삭을 따라 이동하는 동안 전압개폐성 Na+ 채널에 의해 지속적으로 생성되기 때문에 감소하지 않는다. 그러나 이러한 신경 신호들이 나머지 신경 시스템에 의해 처리되기 위해서는 또 다른 뉴런으로 전달되어야 한다. 이렇게 뉴런과 뉴런 사이에 정보가 전해지는 과정은 두 뉴런의 특별한 접촉 지점에서 일어나며 이 지점을 시냅스라 명명했다. 이렇게 시냅스에서 일어나는 정보의 전이 과정을 시냅스 전달이라고 한다. 향정신성 약물들의 작용, 정신질환의 원인, 학습과 기억의 신경학적 설명 등은 시냅스 전달에 관한 지식 없이는 이해하기 어렵다. 시냅스는 다른 뉴런이나 세포와 접촉하고 통신하는, 뉴런의 특화된 접합점이다. 정보는 뉴런에서 표적 세포로 일반적으로 흐른다. 시냅스로 연결된 첫 번째 뉴런은 시냅스전이라고 불리며, 표적세포는 시냅스후라고 불린다. 본론에선 시냅스의 종류에 관해 설명하고자 한다.
전기적 시냅스
전기적 시냅스는 상대적으로 단순한 구조와 기능을 가지고 있으며, 한 세포에서 다른 세포로 이온이 전달되도록 한다. 전기적 시냅스는 갭이음이라 불리는 특화된 부분에서 일어난다. 갭이음은 세포체의 거의 모든 부위에 있는 세포들 사이에서 일어나고 상피세포, 심근세포, 간세포 등 비신경세포들을 연결한다. 갭이음이 신경세포들을 연결할 때는 전기적 시냅스로 작동한다. 갭이음의 세포막 간 거리는 약 3nm로 이 좁은 틈은 코넥신이라는 특별한 단백질로 연결된다. 약 20개의 코넥신 단위체가 있으며 그 반이 두뇌에 존재한다. 코넥신 단위체 6개는 모여서 코넥손이라는 채널을 이루고 코넥손 2개가 만나 갭이음을 형성한다. 갭채널은 이온이 한 세포의 세포질에서 다른 세포의 세포질로 직접 통과할 수 있게 해준다. 대부분의 갭채널은 이온들이 양방향으로 이동할 수 있게 하므로 화학적 시냅스와는 달리, 전기적 시냅스는 양방향성이다. 전기가 이온의 형태로 채널들을 통과할 수 있기 때문에 갭채널로 연결된 세포는 전기적으로 연결되었다고 말한다. 전기적 시냅스에서 전달은 매우 빠르고, 시냅스가 커도 안전하다. 따라서 시냅스 전 뉴런의 활동전위는 즉시 시냅스후 뉴런의 활동전위를 유도한다.
두 뉴런이 전기적으로 연결되면 시냅스전 뉴런의 활동전위는 세포 간극을 통해 다른 뉴런으로 작은 양의 이온 전류가 흘러가도록 한다. 이 흐름은 두 번째 뉴런에서 전기적으로 매개되는 시냅스후 전위를 발생시킨다. 대부분의 전기적 시냅스가 양방향성이기 때문에 두 번째 뉴런이 활동전위를 만들어내면 차례로 첫 번째 뉴런의 시냅스후 전위도 형성된다. 그러나 한 뉴런은 보통 다른 많은 뉴런과 함께 전기적 시냅스를 만들고 동시에 여러 개의 시냅스후 전위가 만들어지면 하나의 뉴런을 흥분시킬 수 있다.
화학적 시냅스
화학적 시냅스의 시냅스전, 후 막은 20~50nm 정도의 시냅스 틈으로 분리되어 있는데, 이것은 갭이음의 10배 정도된다. 이 틈은 섬유성 세포 외 단백질이 포함된 매트릭스로 채워져 있다. 이 매트릭스의 작용 중 하나는 시냅스전, 후 뉴런이 서로 부착될 수 있는 풀 역할이다. 시냅스의 시냅스 전 부위는 시냅스전 요소라고 불리며, 보통 축삭 말단 부위인데 지름 50nm 정도되는 수십 개의 작은 시냅스 소포들이 존재한다. 시냅스 소포들은 시냅스후 뉴런과 통신하는 데 쓰이는 신경 전달물질을 저장하고 있다. 축삭 말단은 더 큰 소포도 갖는데, 이들은 직경 100nm 정도이며 분비 과립이라 불린다.
시냅스전 혹은 시냅스후 막에 붙어 있거나 인접한 단백질의 밀집된 부분을 통틀어 막 분화체라고 한다. 시냅스전 쪽에서 단백질은 때때로 작은 피라미드 모양으로 막의 세포 내면을 따라 말단 세포질 쪽으로 돌출된다. 이 피라미드 영역과 그와 연관된 막은 신경전달물질이 활발히 방출되는 곳으로 활동 구역이라 하며 시냅스 소포는 활동 구역에 인접한 세포질에 모여 있다. 시냅스후 막 아래에 두껍게 모인 단백질을 시냅스후 치밀질이라고 한다. 시냅스후 치밀질은 시냅스후 세포에서 세포 간 화학신호를 세포 내 신호로 전환하는 신경전달물질 수용체를 포함한다. 시냅스후 반응의 특성은 신경전달물질에 의해 활성화되는 단백질 수용체의 종류에 따라 매우 다양하다.
신경근접합
시냅스 연접은 중추신경계 외에도 존재한다. 예를 들어, 자율신경계의 축삭은 분비선, 민무늬근, 심장 등에 연접하고 척수에서 나온 운동뉴런의 축삭과 골격근 사이에도 화학적 시냅스가 관찰되는 데 이를 신경근접합이라 한다. 신경 근육 시냅스 전달은 빠르고 확실하다. 운동신경의 활동전위는 반드시 연접한 근육세포의 활동전위를 유발한다. 이러한 확실성은 부분적으로 신경근접합의 구조적 특성으로 설명한다. 이러한 신경근 시냅스의 가장 중요한 특성은 크기로서 체내에서 가장 큰 시냅스로 알려져 있다. 또한, 신경근 시냅스는 많은 수의 활동 구역을 가지고 있으며 운동종판으로 명명된 시냅스후 막은 평평하지 않고 접합 주름 구조를 가지고 있는데 이러한 접합주름 세포막에는 보다 많은 수의 신경전달물질 수용체가 밀집되어 있다. 이러한 주름은 신경전달물질들이 다른 곳으로 새지 않고 집중적으로 수용체 부위에 분비될 수 있도록 한다.
결론
시냅스는 뉴런 간 정보 전달이 이루어지는 핵심 구조로, 신경계의 기능적 다양성과 정밀성을 가능하게 한다. 전기적 시냅스는 빠르고 양방향적인 신호 전달을 통해 뉴런들의 동기화를 돕지만, 화학적 시냅스는 구조적 복잡성을 바탕으로 신호의 증폭, 조절, 가소성을 제공한다. 특히 화학적 시냅스에서의 신경전달물질 방출과 수용체 활성은 학습, 기억, 감정, 질환의 기전과 밀접하게 연결되어 있다. 신경근접합은 이러한 화학적 시냅스의 극단적인 예로, 구조적 특수성을 통해 신경 신호를 근육 수축으로 확실하게 변환한다. 결국 시냅스의 구조와 기능을 이해하는 것은 신경계 정보 처리의 본질을 이해하는 데 필수적이다.