Transcript 활동전위

6. 전기생리학
Moon Hyun-Ju. PT.
세포의 구조와 기능
세포 : 생물체를 구성하는 구조적, 기능적, 유전적 기본 단위
- 구조
1. 세포막(cell membrane) : 세포를 둘러싸고 있는 막
2. 세포질(cytoplasm) : 핵과 세포막 사이의 형질 부분  세포구조물 존재
3. 핵(nucleus) : 핵막, 핵소체, 염색질
1. 세포막의 구조
: 세포와 외계의 경계를 이루며 물질의 출입을 조절
- 주요성분
: 단백질 55%, 인지질 25%, 콜레스테롤 13%, 당지질 4%, 탄수화물 3%
- 이중막 구조 : 2개의 어두운 층 + 1개의 밝은 층  지질이중층(lipid bilayer)
- 반투과성 막(semipermeable membrane)구조
2. 세포막의 일반적인 기능
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
세포를 둘러싸 내부 환경을 유지
세포 구조들과 외부 환경 사이를 구분
막을 통한 물질의 이동 조절  내부환경 유지
외부 신호를 받아들여 세포 내부환경 변화
세포 밖으로 신호물질 분비
세포 인식에 관여
효소활동으로 인한 대사활동
세포막의 전기적 3대 특성
1. 극성유지
2. 전기저항
3. 전기농축
3. 이온통로
-세포의 지질 이중막을 관통하고 있는
통로 단백질
-기능 :
1) 이온 전도
2) 특정 이온을 선택하고 인식
3) 전기적, 기계적 혹은 화학적 신호를 반응
 통로 열고 닫는 기능
- 종류
1)
2)
3)
4)
리간드통로 (ligand-gated channel)
인산화통로 (phosphorylated-gated channel),
전압작동 통로(voltage-gated channel)
신장(기계적) 통로(mechanically gated channel)
세포의 전기
-세포는 전하를 가지고 있으며 전하 주위에 전기장 형성
-세포막의 분극현상으로 전위차 유지
-전위차 변화  기전력과 전압 유도  전류형성
1. 세포전기장(electrical field of cell)
1) 중심음전기층
2) 내부양전기층
3) 외부양전기층
4) 최외부음전기층
2. 세포의 전기쏠림성(galvanotaxis)
세포는 전기장에 반응해 음극 또는 양극
쪽으로 이동하는 성질
3. 세포막의 전기적 성질
= 세포막의 전기적 3대 특성
1) 극성유지
2) 전기저항
3) 전기농축
세포 막전위
막전위(membrane potential)
안정막전위(resting membrane potential)
활동전위(action membrane potential)
1. 안정막 전위
살아있는 모든 세포는 자극을 받지 않은 상태에서 세포막 안과 밖의 전위차를
일정하게 유지하여 이를 안정막 전위라 한다
- 신경 세포막 : -60~-100mV
- 골격근육 세포막 : -70~-100mV
- 민무늬근육 세포막 : -30mV
- 평균 : -85mV
안정막 전위의 발생
- 세포막 안과 밖의 이온 농도차  전하의 불균형
- 세포막을 통한 이온의 투과성 차이에 의해 발생
안정막 전위의 발생
1. K+ 이온 농도  세포막 안 (30) : 세포막 밖 (1)
Na+이온 농도  세포막 안 (1) : 세포막 밖 (10)
2. K+ – Na+ 이온의 누설(leakage)통로 = 100 : 1
3. Na – K pump
Na : K = 3 (세포 안  밖) : 2(세포 밖  안)
4. 세포 내 음전하를 띤 단백질 농도가 높음 : PO4³-, SO4²등
2. 활동 전위
흥분성(excitability) : 외적 / 내적 환경 변화에 대한 생체의 반응 능력
 활동전위를 일으키는 능력
흥분성 조직 : 신경, 근육, 감각세포, 분비세포 등
세포막 특성의 변화
자극
신호전달
신경전달물질 분비
근육수축
** 활동전위 (Action Potential; AP, 충격, 흥분)
전기 자극  탈분극(depolarization)  AP(활동전위)  0  지나치기(overhsoot)
 재분극(repolarization)  안정막 전위
Na+이온 막내유입(탈분극)  , Na+ 채널 폐쇄, K+ 이온채널 개방(재분극)
문턱전위(threshold)
문턱전류(threshold current)
국소반응(local response)
지나치기(overshoot) : 0 지나치기
재분극(repolarization)
가중(summation)
순응(accommodation)
불응기 (refractory period)
실무율(all or none principle)
** 활동전위시기 (stages of AP)
1 : 잠복기
2 : 탈분극, 재분극기(절대불응기)
3 : 상대불응기
4 : 후전위기
안정막전위에서
자극이 역치에
도달하는 데
걸리는 기간
탈분극과 재분극이 일어난 후
재분극이 거의 끝나는 시기
재분극이 원래의
안정막전위로
되돌아 오는 시기
(negative afterpotential)
흥분성이 증가하여
오히려 비교적 약한 강도의
자극에도 쉽게 활동전위
유발.
안정막 전위보다
더 과분극된 시기
positive
afterpotential
활동전위기간
-신경 : 1ms
-골격근 : 1~5ms
-심장근 : 500ms
후전위 (afterpotential)
활동전위  재분극 이후 나타나는 비교적 긴 기간 동안에 나타나는 막전위의 변화
1. postspike positivity (후극파양성)
: 재분극 직후 5ms정도로 비교적 짧은 기간 동안 나타남
2. negative afterpotential (음성후전위)
: 활동전위가 완전히 재분극상태로 복귀하지 않고 정상막 전위 보다 아직 탈분극 된 상태
: 약 30ms정도
3. positive afterpotential (양성후전위)
: 막전위가 안정막 전위를 지나 더욱 과분극 상태가 되어 300ms기간 동안 지속
흥분전도와 전달
1. 신경의 흥분전도
입력부위
통합부위
전도부위
출력부위
신경섬유 : 유수신경섬유 / 무수신경섬유
신경섬유의 흥분 전도
-수초 유무에 따라
: unmyelinate
 local current
: myelinate
 jumping conduction
흥분 전도의 3원칙
1. 양방향성 전도
(double direction conduction)
2. 절연 전도
(isolated conduction)
3. 불감쇠 전도
(decrementless)
2. 연접 전달
1) 화학연접 전달 (chemical synaptic transmission)
: 화학 전달 물질을 이용해서 흥분 전달
2) 전기연접 전달(electrical synaptic trasmission)
: 연접전 막에 전류를 통전시키면
간격집합부(코넥손)를 통해 연접후막으로 전류가 흐름
근섬유의 흥분과 수축
근육수축단계
근육이완단계
근수축의 특성
1. 연축 (twitch) = 단일 연축(single twitch)
: 골격근이 한 개의 자극에 한 개의 흥분 반응을 하는 것
» 연축 과정
1기 = 잠복기 (latent periord)  0.01s (10ms)
2기 = 수축기 (contractive period)  0.04s (40ms)
3기 = 이완기 (relax period), 0.05s (50ms)
» 연축이 일어나는 시간 (약 0.1s)
But 근육에 따라 차이를 나타냄
fast twitch muscle > slow twitch muscle
2. 강축 (tetanus, tetanic contraction)
: 최대 장력을 유지하는 지속적 수축상태
» 단일 연축 종료 전  두 번째 자극 적용  이완기 X  첫 번째 + 두 번째 연축
 총 장력 증가
» 자극 빈도 증가  가중 현상
» 자극 빈도의 지속적 증가  단계적 가중 현상(계단 효과; staircase effect)
 개개의 연축들이 거의 융합되어 지속적인 수축 상태가 일어남
» 강축시의 장력은 연축시의 장력보다 3~4배 정도 큼
» 불완전 강축 (incomplete tetanus)
자극 빈도 저하  개개의 연축들이 융합되지만 장력이 약간의 파동을 유지
» 자극 빈도가 20pps 이상인 경우 : 완전 강축 발생
 SR내 Ca2+ pump가 모든 Ca2+ 를 회수할 충분한 시간 부족
 반복적 자극 기간 동안 SR내 Ca2+ 농도가 높게 유지
 개개의 연축들이 거의 완전히 융합되어 평행하게 최대 장력을 유지
» 강축을 일으키는 조건은 자극 빈도, 근육의 종류, 근육의 병변 유무에 따라 다름
3. 길이-장력 곡선 (length-tension curve)
흥분성 조직의 전기자극 특성
1. 전기 자극의 3대 조건
(뒤부아 레몽 법칙, law of DuBois-Reymond)
1) 전류강도 (자극강도)
2) 전류의 통전 시간 (자극시간 or 기간)
3) 최대 강도에 도달하는 속도 (자극변화 속도)
» 자극이 유효하기 위해서는 역치 이상의 충분한 강도로 자극해야 하며 역치 강도는
통전 시간, 최대 강도에 도달하는 속도에 따라 달라짐
위상기간이 짧을 때  더 높은 전류강도 자극
위상기간이 길 때  낮은 강도자극
예)
1. 단상 맥동 전류(짧은 위상기간 : 0.02~1ms)  신경 자극  근육 수축
( 0.1ms 이하 : 더 높은 강도 요구, 100ms 이상  낮은 강도 가능)
but, 톱니형, 삼각형 등의 파형  위상기간이 길어도 더 높은 전류강도 요구
2. 단상 맥동 전류(짧은 위상기간 : 0.02~1ms)  근육 자극  근육 수축 X
(100~1000ms의 긴 위상 기간에서는 상대적으로 낮은 강도에도 근수축 가능)
?
2. 전기긴장(electrotonus )
전기긴장 :
단속직류 전류로 활동전위가 발생하지 않을 정도로 신경섬유를 약하게 자극할 때
안정막 전위와 흥분성 등 세포막의 수동적인 성질과 관련된 전기 현상의 변화
양극전기긴장(anelectrotonus)
: 세포막 밖에 양전기 축적
: 안정막 전위보다 분극이 더욱 증가
과분극(hyperpolarization)
 탈분극 발생 어려움
음극전기긴장(catelectrotonus)
: 세포막 밖에 음전기 축적
: 안정막 전위보다 전위차 감소
 저분극 발생
 약한 전류로도 쉽게 탈분극 유발
 근수축 유도 용이
3. 순응 (accommodation)
: 지속적인 환경변화에 형태, 구조, 기능이 변화하는 현상
흥분성 조직(신경 or 근육 등)은 느린 강도 증가 속도에 순응
순응  한계흥분 수준의 변화
- 긴 위상 기간, 역치하 강도 자극, 삼각형파, 톱니파 등을 이용한 자극
 (흥분한계수준; critical excitatory level)도 증가
 흥분 유발 어려우며 한계흥분수준에 도달하기 위해서는 많은 시간 요구
순응율 (accommodation rate) : 신경 > 근육
 신경 자극 시 위상기간이 너무 길면 순응율 증가  흥분 유발 X
 삼각형파, 톱니형파, 부등사변형파 등 사용시  큰 강도로 자극해야 함
 흥분성 조직 자극 시
위상기간이 너무 크지 않고,
정점기간에 빠르게 도달해야 하며
충분한 크기의 강도로 자극해야 한다
전기자극과 근피로
근 피로(muscular fatigue)
: 근육의 활동으로 다음 반응 능력이
감소되는 현상
 근육의 불쾌감 및 통증 따름
» 근 피로의 발생 기전
(근육의 수축 양상에 따라 다름)
- Isotonic
: 젖산의 축적, 에너지 고갈
- isometric
: 혈류량 부족
- 신경근 피로
: Ach 생산 및 유리가 원활하지 못해 발생
연접피로 : 축삭내에서 전달물질 생산속도보다
더 빠른 빈도로 흥분이 도달하는 경우에 발생