활동전위
생물물리학적 기초

활동전위는 세포막에 있는 특별한 전압 개폐 이온 채널에 의해 일어난다. 전압 개폐 이온 채널은 막에 박혀있는 단백질 집단으로 세 가지 특성을 지닌다.
한 개 이상의 입체형태를 가진다.
최소 한 개의 입체형태는 특정한 이온이 막을 통과하도록 한다.
한 입체형태에서 다른 입체형태로 전이(transition)는 막 전위의 영향을 받는다.
전압 개폐 이온 채널은 특정한 막 전위값에서 열리고 닫힌다. 대부분의 경우 막 전위와 채널 상태 사이의 관계는 확률론적이고 개폐에 시간차가 존재한다. 이온 채널은 입체형태를 예측할 수 없는 시각에 바꾼다. 막 전위는 전이 속도와 단위 시간당 각 입체형태일 확률을 결정한다.
전압 개폐 이온 채널은 양성 피드백 고리로 활동전위를 만들어낸다. 막 전위는 이온 채널의 상태를 통제하고 이온 채널은 막 전위를 통제한다. 따라서 특정 상황에서 막 전위가 올라가면 이온 채널이 열리고, 이로 인하여 막 전위가 더욱 상승한다. 활동전위는 양성 피드백 주기가 폭발적으로 진행될 때 일어난다. 활동전위의 시간과 크기 궤도는 활동전위를 생산하는 전압 개폐 이온 채널의 생물물리학적 특성이 결정한다. 다양한 채널이 활동 전위를 만들어내는 양성 피드백 기능을 한다. 전압 개폐 나트륨 채널은 신경 전도와 관련된 빠른 활동전위를 만든다. 근육 세포와 몇몇 뉴런에서 일어나는 느린 활동전위는 전압 개폐 칼슘 채널이 담당한다. 각각의 채널에는 전압 민감도와 시간에 따른 움직임이 다른 다수의 변형체(variant)가 존재한다.
가장 널리 연구되는 전압 의존성 이온 채널은 빠른 신경 전도에 관련된 나트륨 채널이다. 나트륨 채널과 활동전위의 생물물리학적 연구로 노벨상을 수상한 앨런 로이드 호지킨과 앤드루 헉슬리의 이름을 따 나트륨 채널을 호지킨-헉슬리 나트륨 채널이라고도 부르고, 더욱 단순하게는 NaV 채널(V는 전압을 의미)이라고 부른다. NaV 채널은 불활성형(닫힌형, deactivated state), 활성형(열린형, activated state), 차단형(inactivated state) 등 세 가지 상태로 존재할 수 있다. 채널은 활성형 상태일 때 나트륨 이온에 대해서만 투과성이 있다. 막 전위가 낮을 때 채널은 대부분의 시간 동안 불활성형으로 존재한다. 막 전위가 특정 수준 이상으로 올라가면 채널이 활성형으로 전이될 확률이 증가하고, 막 전위가 높을수록 확률은 더 커진다. 채널이 활성화되고 나면 차단형으로 변화하고, 그 상태로 일정 시간 유지된다. 막 전위가 다시 낮아지면 채널은 불활성형으로 돌아간다. 결론적으로 활동전위 동안 채널이 거치는 주기는 불활성형 → 활성형 → 차단형 → 불활성형 순이다. 이 순서는 채널 전체를 기준으로 평균적인 행동이고, 이론적으로 각각의 채널은 한 시점에서 전이 상태가 모두 다를 수 있다. 다만 채널이 차단형에서 곧바로 활성형으로 바뀌는 것은 거의 일어나지 않는다. 차단형에 있는 채널은 불활성형으로 되돌아갈 때까지 불응기(무반응성, refractory)를 거친다.
이러한 NaV의 동역학적 특성의 결과 NaV는 천이 매트릭스(transition matrix)의 지배를 받는다. 채널 자체가 전압을 결정하는 중요 역할을 하기 때문에, 채널이 존재하는 계의 전체적인 동역학을 계산하기는 상당히 어렵다. 호지킨과 헉슬리는 이온 채널의 상태를 나타내는 매개변수(parameter)에 대한 미분 방정식, 호지킨-헉슬리 방정식을 세웠다. 호지킨-헉슬리 방정식은 계속 변형되었지만 활동전위를 연구하는 생물물리학의 이론적인 출발점이 되고 있다.
막 전위가 올라감에 따라 나트륨 이온 채널이 열려 세포 내로 나트륨 이온이 들어온다. 칼륨 이온 채널이 그 뒤를 이어 열려 칼륨 이온이 세포 바깥으로 빠져나간다. 나트륨 이온의 유입은 양전하를 띤 양이온의 농도를 증가시켜 휴지 전위보다 높은 전위 상태인 탈분극을 유발한다. 활동전위가 최고에 달했을 때 나트륨 채널은 닫히고 칼륨 채널은 계속해서 열려있어 칼륨이 세포 밖으로 나간다. 칼륨 이온의 유출로 막 전위가 감소하고 세포는 과분극된다. 이 지점에서는 칼륨 흐름이 나트륨 보다 많아 전위는 약간 상승하고 정상적인 휴지 전위(대개 -70 mV)에 도달한다. 휴지 전위보다 15 mV 높은 역치 전위를 지나 더 상승하면 나트륨 흐름이 더 우세하다. 그 결과 양성 피드백으로 나트륨 흐름은 나트륨 채널을 더 많이 활성화한다. 따라서 세포는 발화하여 활동 전위를 만든다. 세포의 활동전위가 발생하는 빈도를 발화율이라 한다.
전압 개폐 채널을 열어서 생기는 이온의 흐름은 대개 활동전위를 만드는 초기 흐름보다 크다. 따라서 활동전위의 크기와 지속 시간, 형태는 자극의 크기나 지속 시간이 아니라 흥분하는 막의 특성에 대부분 의존한다. 이러한 실무율 특성은 수용기 전위, 전기긴장성 전위, 시냅스 전위 등 자극의 세기에 따라 증감하는 다단계 전위와 구별된다. 활동전위는 전위 개폐 채널과 유출 채널(leak channel)의 종류, 채널 분포, 이온 농도, 막 전기 용량, 온도 및 기타 요소에 따라 다양하다.
활동전위에 관여하는 주요 이온은 나트륨과 칼륨 양이온이다. 나트륨 이온은 세포 안으로, 칼륨 이온은 세포 밖으로 이동하여 평형을 유지한다. 상대적으로 적은 이온 이동만으로도 막 전위를 극적으로 변화시킬 수 있다. 따라서 활동전위 동안 이온 교환으로 변하는 막 안팎의 이온 농도는 무시할 수 있다. 막을 건너는 이온 중 소수는 다른 이온 수송체와 함께 정상 이온 농도비를 유지하는 나트륨-칼륨 펌프에 의하여 다시 되돌아간다. 칼슘 양이온과 염소 음이온은 심장 활동전위와 단세포 조류 Acetabularia의 활동전위 등 소수의 활동전위 유형과 연관이 있다.
활동전위는 막의 흥분성 부분에서 국소적으로 만들어지지만, 휴지 상태의 이온 흐름도 인접한 막의 연장선에서 활동전위를 유발하고 도미노처럼 퍼지게 할 수 있다. 수동적으로 퍼지는 전기긴장성 전위와 반대로, 활동전위는 흥분이 막을 따라 뻗어가면서 계속 새로 만들어지고, 감소하지 않는다. 축삭에서 수초가 있는 부분은 흥분성이 아니고 활동전위를 만들지 않아 신호가 전기긴장성 전위처럼 수동적으로 전파된다. 일정한 간격으로 수초가 없는 부분, 즉 랑비에결절은 활동전위를 만들고 신호를 빠르게 도약 전도한다. 도약 전도는 축삭 지름이 작아도 신호의 속도를 높여주는 효과가 있다. 축삭 말단이 탈분극되면 신경전달물질이 시냅스 틈으로 방출된다. 신피질 어디에나 존재하는 피라미드 뉴런의 가지돌기에서는 활동전위가 거꾸로 전파되기도 하는데, 이 현상은 돌기-시기 의존성 가소성에 영향을 미치는 것으로 추정된다.