04 자극의 전달

뉴런

(1) 뉴런의 구조: 신경계를 구성하는 뉴런은 매우 다양한 형태를 가지고 있으나 기본적으로 신경 세포체, 가지 돌기, 축삭 돌기로 이루어져 있다.

① 신경 세포체: 핵, 미토콘드리아 등이 있는 신경 세포체는 뉴런에 필요한 물질과 에너지를 생성하며, 뉴런의 생명 활동을 조절한다.

② 가지 돌기: 신경 세포체에서 나뭇가지 모양으로 뻗어 있는 여러 개의 돌기인 가지 돌기는 다른 뉴런이나 세포로부터 자극을 받아들인다.

③ 축삭 돌기: 신경 세포체에서 뻗어 나온 긴 돌기로, 흥분을 다른 뉴런이나 세포로 전달한다.

④ 말이집: 슈반 세포가 뉴런의 축삭 돌기를 반복적으로 감아 형성된 구조로 말이집으로 싸여 있는 부분에서는 흥분이 발생하지 않는다.

(2) 뉴런의 종류: 뉴런을 구분하는 기준에는 말이집의 유무나 기능 등이 있다.

① 말이집 유무에 따른 구분

• 민말이집 뉴런: 축삭 돌기가 말이집으로 싸여 있지 않은 뉴런을 민말이집 뉴런이라고 한다. 민말이집 뉴런은 축삭 돌기의 전체에서 흥분이 발생한다.
• 말이집 뉴런: 축삭 돌기의 일부가 말이집으로 싸여 있는 뉴런을 말이집 뉴런이라고 한다. 말이집에 의해 절연된 축삭 돌기 부분에서는 흥분이 발생하지 않고 말이집으로 싸여 있지 않은 랑비에 결절에서만 흥분이 발생한다. 이처럼 랑비에 결절에서 연속적으로 흥분이 발생해 흥분이 전도되는 현상을 도약전도라고 한다. 도약전도가 일어나는 말이집 뉴런은 도약전도가 일어나지 않는 민말이집 뉴런보다 흥분 전도 속도가 빠르다.

② 기능에 따른 구분

• 구심성 뉴런(감각 뉴런): 몸 안팎에 존재하는 여러 가지 자극을 받아들인 감각 기관으로부터 발생한 흥분을 연합 뉴런으로 전달하거나, 구심성 뉴런이 직접 자극을 받아들여 연합 뉴런으로 전달한다. 가지 돌기가 비교적 긴 편이고 신경 세포체가 축삭 돌기의 끝부분이 아닌 중간 부분에 있다. 중추 신경계를 향해 흥분이 이동하므로 구심성 뉴런이라고 한다.
• 원심성 뉴런(운동 뉴런): 연합 뉴런으로부터 반응 명령을 전달받아 근육과 같은 반응 기관으로 흥분을 전달한다. 길게 발달된 축삭 돌기의 말단은 반응 기관에 분포하며, 신경 세포체가 비교적 크게 발달되어 있다. 중추 신경계에서 전달된 흥분이 반응 기관을 향해 이동하므로 원심성 뉴런이라고 한다.

• 연합 뉴런: 구심성 뉴런과 원심성 뉴런을 연결하는 뉴런으로 뇌와 척수에 존재한다. 구심성 뉴런으로부터 흥분을 전달받아 정보를 처리하고 처리 결과에 따른 명령을 원심성 뉴런에 전달한다.

(3) 자극의 전달 경로: 자극에 의해 감각 기관에서 발생한 흥분은 구심성 뉴런을 거쳐 연합 뉴런으로 전달되고, 연합 뉴런에서 정보를 처리하여 발생한 흥분은 원심성 뉴런으로 전달된 후 근육 등의 반응 기관으로 전해진다. 이러한 과정을 거쳐 자극에 대한 반응이 일어난다

 

흥분의 전도

(1) 분극

① 분극: 자극을 받지 않아 휴지 상태인 뉴런은 세포막을 경계로 안쪽이 상대적으로 음(-)전하를 띠고, 바깥쪽이 상대적으로 양(+)전하를 띤다. 이러한 상태를 양극으로 나누어진 상태라고 하여 분극이라고 하며, 이때 형성되는 막전위를 휴지 전위라고 한다.

② 분극의 원인: 뉴런의 세포막에는 여러 종류의 막단백질이 존재한다. 막단백질에는 특정 이온의 능동 수송을 담당하는 Na⁺-K⁺ 펌프, Na⁺의 확산을 담당하는 Na⁺ 통로, K⁺의 확산을 담당하는 K⁺ 통로 등이 있다. Na⁺-K⁺ 펌프는 ATP를 분해하여 얻은 에너지를 이용하여 세포 안의 Na⁺을 세포 밖으로 내보내고, 세포 밖의 K⁺을 세포 안으로 들여온다. 이로 인해 뉴런의 Na⁺ 농도는 항상 세포 밖이 안보다 높고, K⁺ 농도는 세포 안이 밖보다 높다. 휴지 상태에서는 K⁺ 통로가 일부 열려 있어 K⁺이 안에서 밖으로 확산되지만 Na⁺ 통로는 거의 대부분 닫혀 있어 Na⁺이 밖에서 안으로 확산되지 못한다. 또한 세포 안에는 음(-)전하를 띠고 있는 단백질이 세포 밖보다 많이 존재한다. 이러한 이온의 불균등 분포, 이온의 막투과도 차이, 음(-)전하 단백질로 인해 세포막 안은 상대적으로 음(-)전하를, 세포막 밖은 상대적으로 양(+)전하를 띤다.

③ 휴지 전위: 분극 상태에서 세포 안과 밖의 전위차를 휴지 전위라고 한다. 휴지 전위는 세포에 따라 –60 mV~-90 mV로 다양하며, 뉴런의 휴지 전위는 –70 mV이다.

(2) 탈분극

① 탈분극: 역치 이상의 자극이 가해진 뉴런의 부위에서 안정적으로 유지되던 막전위가 상승하는 현상을 탈분극이라고 한다.

② 탈분극의 원인: 뉴런이 역치 이상의 자극을 받으면 자극을 받은 부위에서 Na⁺ 통로가 열리면서 Na⁺에 대한 막 투과도가 커지고, Na⁺이 세포 안으로 급격하게 확산된다. 이러한 과정이 진행되면서 막전위가 상승하는 탈분극이 일어난다.

(3) 재분극

① 재분극: 상승한 막전위가 다시 휴지 전위로 하강하는 현상을 재분극이라고 한다.

② 재분극의 원인: 열린 Na⁺ 통로는 시간이 지남에 따라 닫히고, 닫혀 있던 K⁺ 통로가 열린다. 이로 인해 Na⁺의 막 투과도는 감소하고 K⁺의 막 투과도는 증가하여, Na⁺ 통로를 통한 Na⁺의 확산은 감소하고 K⁺ 통로를 통한 K⁺의 확산은 증가한다. 이러한 과정이 진행되면서 막전위가 하강하는 재분극이 일어난다.

③ 과분극: 재분극이 일어나면서 막전위가 휴지 전위(-70 mV)보다 더 낮은 –80 mV까지 하강하였다가 휴지 전위로 회복되는데 이처럼 뉴런의 막전위가 휴지 전위보다 낮아지는 현상을 과분극이라고 한다.

(4) 활동 전위

① 활동 전위: 휴지 상태인 뉴런의 한 지점에 역치 이상의 자극이 가해지면 막전위가 빠르게 상승하였다가 하강한다. 이러한 막전위 변화를 활동 전위라고 한다.

② 활동 전위와 전도: 뉴런의 한 지점에서 활동 전위가 일어나면 일정 시간 뒤 그 지점과 가까운 지점에서 다시 활동 전위가 발생한다. 이처럼 연쇄적으로 활동 전위가 발생하여 흥분이 뉴런내에서 이동하는 현상을 흥분의 전도라고 한다.

(5) 흥분의 전도 과정

① 뉴런의 특정 부위에 탈분극이 일어나 활동 전위가 발생하면 일정 시간 뒤 인접한 부위에서도 탈분극이 일어나 활동 전위가 발생한다. 이를 통해 흥분이 축삭 돌기를 따라 뉴런의 말단 부위까지 전도된다.

② 만약 축삭 돌기의 중간 지점에서 활동 전위가 발생하면 흥분 전도는 양방향으로 진행된다

 

흥분의 전달

(1) 흥분의 전달

① 흥분의 전달: 자극을 받아 활동 전위가 발생한 뉴런에서 흥분이 다음 뉴런의 가지 돌기나 신경 세포체로 전달되는 현상을 흥분의 전달이라고 한다.

② 시냅스: 뉴런의 축삭 돌기 말단과 다른 뉴런의 가지 돌기나 신경 세포체가 약 20 nm의 틈을 두고 접한 부위를 시냅스라고 한다. 하나의 뉴런이 다수의 뉴런과 시냅스를 형성하기도 한다. 시냅스를 기준으로 흥분을 전달하는 뉴런을 시냅스 이전 뉴런이라고 하고, 흥분을 전달받는 뉴런을 시냅스 이후 뉴런이라고 한다.

③ 흥분의 전달 과정: 시냅스 이전 뉴런의 흥분이 축삭 돌기 말단까지 전도되면 축삭 돌기 말단에 존재하는 시냅스 소포가 세포막과 융합되면서 시냅스 소포에 있던 신경 전달 물질이 시냅스 틈으로 분비된다. 이 신경 전달 물질이 확산되어 시냅스 이후 뉴런의 신경 전달 물질 수용체에 결합하면 시냅스 이후 뉴런의 이온 통로가 열리면서 탈분극이 일어난다.

(2) 흥분의 전달 방향: 시냅스 소포는 축삭 돌기 말단에만 있으므로 흥분은 항상 시냅스 이전 뉴런의 축삭 돌기 말단에서 시냅스 이후 뉴런의 가지 돌기나 신경 세포체로만 전달된다.

근육의 수축

(1) 골격근의 작용

① 골격근: 힘줄에 의해서 뼈에 붙어 있으며, 몸의 움직임에 관여하는 근육을 골격근이라고 한다. 골격근은 운동 뉴런의 명령을 받아 수축한다.

② 골격근의 작용: 골격근은 힘줄에 의해서 서로 다른 뼈에 붙어 있으며, 두 뼈는 관절과 인대에 의해서 서로 연결되어 있다. 한 쌍의 근육은 관절을 각각 반대 방향으로 움직이게 하는데, 예를 들면 팔을 굽힐 때는 이두박근이 수축하고, 팔을 펼 때는 삼두박근이 수축한다.

(2) 골격근의 구조

① 골격근의 구조: 골격근은 여러 개의 근육 섬유 다발로 구성되어 있고, 근육 섬유 다발은 여러 개의 근육 섬유로 구성되어 있다. 근육 섬유는 근육을 구성하는 근육 세포로 근육 세포에는 여러 개의 핵이 존재한다. 근육 섬유에는 미세한 근육 원섬유 다발이 들어 있으며, 이 근육 원섬유는 가는 액틴 필라멘트와 굵은 마이오신 필라멘트 등으로 구성되어 있다. 근육 원섬유를 관찰하면 밝은 부분인 명대(I대)와 어두운 부분인 암대(A대)가 반복되어 나타나며, 명대의 중앙에 Z선이 관찰된다. Z선과 Z선 사이를 근육 원섬유 마디라고 한다.

② 근육 원섬유 마디의 구조: 마이오신 필라멘트가 존재하는 부분은 A대, 액틴 필라멘트만 존재하는 부분은 I대이다. 근육 원섬유 마디의 중앙에는 마이오신 필라멘트만 존재하는 H대가 있으며, H대 양옆으로 마이오신 필라멘트와 액틴 필라멘트가 겹쳐진 부분이 존재한다. 이부분 옆으로 액틴 필라멘트만 존재하는 I대가 있다.

(3) 골격근의 수축 원리

① 활주설: 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 사이로 미끄러져 들어가 근육 원섬유 마디의 길이가 짧아지면 근육의 길이가 짧아지는 근수축이 일어난다.

② 근수축이 일어나는 과정에서 H대의 길이, 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹쳐진 부분의 길이, I대의 길이가 변하며, 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트의 길이는 변하지 않는다.

③ 마이오신 필라멘트 길이와 같은 A대의 길이는 변하지 않는다. A대의 길이는 H대와 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹쳐진 부분을 합한 길이이므로 근수축이 일어날 때 H대가 줄어든 길이만큼 액틴 필라멘트와 마이오신 필라멘트가 겹쳐진 부분의 길이는 증가한다.

④ 근수축이 강하게 일어나면 H대는 사라지기도 한다.

(4) 근수축의 에너지원

① 근수축의 에너지원: 근육 원섬유가 수축하는 과정에 필요한 에너지는 ATP로부터 공급받는다. ATP가 분해될 때 방출되는 에너지는 액틴 필라멘트가 마이오신 필라멘트 사이로 미끄러져 들어가는 데 사용된다.

② 근육의 ATP 생성: 근육에서 ATP는 크레아틴 인산의 분해와 세포 호흡 과정 등으로 생성된다. 크레아틴 인산이 크레아틴으로 분해되면서 ATP가 빠르게 생성되지만 지속되는 시간이 짧다. 그러므로 근수축의 초기에는 크레아틴 인산의 분해로 생성되는 ATP를 이용하지만 이후에는 포도당 등을 이용한 세포 호흡을 통해 생성된 ATP가 근수축에 공급된다.

참고자료: EBS 수능특강 생명1