심박 조율기의 활동전위는 1. 심박 조율기 전위(pacemaker potential) 2.활동전위(action potential)로 분류할 수 있다.
1. 심박 조율기의 조율기 전위
- 신경세포나 골격근 세포는 자극이 주어지지 않으면 휴지기 전압을 나타내지만, 심장의 자동조율세포들은 휴지기 전압을 갖지 않는다. 대신 조율기 활성(pacemaker activity)을 스스로 만드는데 이는 다시 말해 세포막의 전압이 활동전위 사이에 자동적으로 서서히 탈분극되어 활동전위 역치에 도달하는 현상이다.
★조율기 전위(pacemaker potential)란?
조율기 세포(pacemaker cell)의 막전위가 천천히 역치 수준에 도달하는 것이다. (자극없이 자동으로)
반복적인 탈분극과 흥분(fire)을 통해 자동조율세포들은 주기적으로 활동전위를 유발하고, 이렇게 만들어진 활동전위는 심장 전체로 퍼져서 어떠한 신경자극 없이도 규칙적인 박동을 유발하게 된다.
- 조율기전위는 다양한 이온 작용의 상호작용에 의해 일어나는데, 조율기전위를 변화시키는 가장 중요한 이온 이동의 변화는 다음 세가지로 설명할 수 있다.
(1)Na+이온의 세포내유입 증가
(2)K+이온의 세포외 유출감소
(3)Ca2+이온의 세포내유입 증가
(1) 조율기 전위에 기여하는 첫 번째 이온 기전 : Na+ 이온의 세포내 유입 증가
- 느린 탈분극의 초기 단계는 심장 자동조율세포에만 있는 전압 의존성 이온통로를 통한 Na+ 유입의 총량에 의해 나타난다.
- 전형적으로 세포막이 상대적으로 덜 음성화(탈분극화)되면 전압 의존성 이온통로가 열린다.(전압 의존성이란 역치가 되는 접압에 막전위가 도달했을때 통로가 열린다는 의미)
★Funny channel(If) Funny 이온통로(=pacemaker channel, HCN 특별한 이온통로!)
앞선 활동전위가 재분극되는 마지막 시점에서 막전위가 상대적으로 더 음성화(과분극화)되면 열린다.( 다른 통로들은 탈분극 중에 활성화되는 것과 달라서 붙여진 이름, HCN은 heyperpolarizaton-activated cyclic nucleotide-gated channel의 약자이다.)
하나의 활동전위가 끝나고 (If) 이온 통로가 열림과 동시에 이를 통해 Na+ 이온유입이 시작되고 자동조율세포의 막전위를 다시 역치 수준으로 올리게 된다.(slow spontaneous depolarization)
(2) 조율기 전위에 기여하는 두 번째 이온 기전: K+의 수동적 세포외 유출이 점진적으로 감소한다.
심장 자동 조율세포 내 K+의 활동전위 간 투과성은 골격근이나 신경세포에서 처럼 일정하지 않다. 활동전위의 감소단계(falling phase) 동안 열렸던 K+ 이온 통로는 음성전위가(Negative potential)가 되면 천천히 닫힌다. 이와 같이 K+이 느리게 닫힘으로 인해 농도 차이에 따른 K+이온의 유출이 점차적으로 감소하게 된다.
K+유출 이 감소되고 그로 인해 막전위가 -55mV까지 내려가게 되면 (If)이온 통로가 열려 이를 통한 Na+의 세포내 유입이 시작되면서 초반에 막전위를 역치수준으로 올리는데 기여한다.
(3) 심박 조율기 전위에 기여하는 세번째 기전 : Ca2+의 세포내 유입 증가
심박 조율기 전위에 기여하는 세 번째 이온 기전은 Ca2+이온의 세포내 유입 증가이다. 심박 조율기 전위 후반부에서 (If) 이온 통로는 닫히고, 막전위가 역치에 도달하기 전에 두 종류의 전압 의존성 Ca2+ 이온 통로 중 하나인 임시 Ca2+ 이온 통로[T-형 Ca2+ 이온 통로(T-type Ca2+ channel: T는 ‘일시적임’을 의미함)]는 열린다.
이로 인해 Ca2+가 유입되고 막전위가 더욱 탈분극되어 역치에 도달하게 되면, 임시 Ca2+이온 통로는 닫힌다.(T-type Ca2+ channel →Ca2+ 세포내 유입)
*T는 temporary를 의미함
★ Membrane clock mechanism 개념
주기적으로 자동조율세포막을 역치로 도달시키는 이러한 세포 표면 막 이온 통로의 투과성 변화를 의미한다. 조율기전위는 오랫동안 Membrane clock mechanism로 인해서만 이루어 진다고 알려져 왔다. 하지만 최근 연구 결과에 의하면 membrane clock mechanism과 동시에, 그리고 독립적으로 작용함으로써 자율적으로 자동조율세포막을 역치로 탈분극 시키는 예비 기전 (Ca2+ clock mechanism)이 있다고 한다
★Ca2+ clock mechanism 개념
- Ca2+ clock은 조율세포내 Ca2+ 재순환에 의존한다.
- 즉흥적이며 규칙적인 근소포체로부터의 지역적 Ca2+ 방출은 세포내 Ca2+ 포화도를 높인다.
- Ca2+포화도가 높아질 때 마다 세포막 역수송체인 Na+-Ca2+ 이온교환체(NCX)가 3개의 Na+이온이 세포 내부로 유입시키고 2개의 Ca2+이온을 세포 외부로 유출 시키는 것을 반복한다. 이러한 이온 교환은 양성 이온의 총 유입을 유도하는데, 이는 자동조율세포를 역치 도달까지 점진적으로 탈분극 시킨다.
이 두 clock은 협동하여 주기적으로 조율전위 발생이 이뤄지도록 하는데, 이로 인해 규칙적인 심장박동이 이뤄진다. Menbrane clock과 Ca2+ clock의 이러한 협력적인 관계를 coupled-clock system 이라한다. 이 같은 조절 기전은 위의 두 clock들의 ‘ticking speed’에 영향을 줌으로써 이 두 clock들이 동시다발적으로 움직여서 시시각각 신체의 요구하는 속도(예 : 운동량에 따른 심박속도 증감)에 알맞게 조율세포막이 역치에 도달할 수 있도록 한다.
2. 자동조율세포의 활동전위
자동조율세포의 활동전위구간은 탈분극(Depolarizaiton)과 재분극(repolarization)구간으로 다시 나눌 수 있다.
1. 탈분극 depolarization
일단 막전위가 역치에 도달하면 오랫동안 열려있는 L-형 Ca2+ 이온통로(L-type Ca2+ Channel : L은 ‘장시간 지속됨’을 의미함)로 인해 많은 양의 Ca2+이 세포내로 유입되게 되고, 이에 따라 활동전위는 상승 단계(rising phase = depolarization)에 이른다.
* 상승 단계 중 Ca2+ 유입 및 근소포체/소포체의 Ca2+ ATPase펌프(SERCA 펌프)의 능동 재흡수는 세포내 Ca2+을 재충전한다.
심장의 자동조율세포의 상승 단계가 Ca2+에 의해 유도되는 것은 Na+유인에 의해 골격근이나 신경세포의 활동전위를 재분극 방향으로 유도하는 것과는 다르다. 이는 골격근이나 신경세포의 활동전위 초기 탈분극이 Na+유입에 의해 일어나는 현상과 대조적이다.
2. 재분극 repolarization
활동전위의 재분극(repolarization)은 일반적으로 K+ 유출에 의해 일어난다. K+세포외유출은 L-형 Ca2+ 이온통로의 닫힘과 함께 전압 의존성 K+이온 통로가 서서히 열리면서 K+의 투과성이 증가하기 때문이다. 활동전위가 끝나고 K+이온 통로는 서서히 닫히게 되고, 이는 다음 역치까지 서서히 탈분극 하는데 기여한다.
3.Ca2+ Clock과 membrane clock 초기화
l Na+-K+ 펌프는 점진적인 탈분극의 초기 단계에 심박 조율기로 유입된 Na+과 NCX를 통해 유입된 Na+을 세포외액(ECF)으로 돌려본낸다.
l Na+-K+ 펌프는 동시에 감소단계(Falling phase)중 유출된 K+을 세포내로 유입한다
l 이러한 작용들은 다음 역치까지의 점진적인 탈분극 및 다음번 자기 유도 활동전위의 시작을 위해 필요한 Ca2+ Clock과 membrane clock을 초기화 시킨다.
Reference
1. Lauralee Sherwood, 인체생리학 제9판, 라이프사이언스
2. http://www.physiologymodels.info/
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