활동전위(Action Potential)는 신경세포(뉴런)나 근육세포 같은 흥분성 세포의 막전위가 자극에 의해 급격하게 변화했다가 다시 원래의 상태로 돌아오는 현상을 말합니다. 이는 생물체 내에서 정보를 전달하는 핵심적인 전기적 신호입니다.

활동전위의 과정과 원리를 단계별로 설명해 드리겠습니다.

1. 활동전위의 주요 단계

활동전위는 크게 4~5단계로 나뉩니다.

  1. 휴지 전위 (Resting Potential):

    • 자극이 없는 평상시 상태입니다.
    • 세포 안쪽은 (-), 바깥쪽은 (+) 전하를 띠며, 약 -70mV를 유지합니다.
    • 나트륨-칼륨 펌프(Na⁺/K⁺ pump)가 에너지를 써서 이 상태를 유지합니다.

  2. 탈분극 (Depolarization):

    • 역치(Threshold) 이상의 자극이 가해지면, 나트륨 통로(Na⁺ channel)가 열립니다.
    • 세포 밖에 많던 나트륨 이온(Na⁺)이 세포 안으로 급격히 유입됩니다.
    • 세포 내부의 전위가 상승하여 약 +30~+40mV까지 올라갑니다.

  3. 재분극 (Repolarization):

    • 최고점에 도달하면 나트륨 통로가 닫히고, 칼륨 통로(K⁺ channel)가 열립니다.
    • 세포 안의 칼륨 이온(K⁺)이 세포 밖으로 나갑니다.
    • 상승했던 전위가 다시 아래로 급격히 떨어집니다.

  4. 과분극 (Hyperpolarization):

    • 칼륨 통로가 천천히 닫히면서 전위가 휴지 전위(-70mV)보다 더 낮아지는 현상입니다. (약 -80mV 정도)
    • 이 시기에는 새로운 자극이 와도 반응하기 어려운 불응기가 나타나 신호가 한 방향으로만 흐르게 합니다.

  5. 휴지 전위 회복:

    • 나트륨-칼륨 펌프에 의해 이온 농도가 다시 조절되어 원래의 -70mV 상태로 돌아갑니다.

2. 주요 특징

  • 실무율 (All-or-None Law): 자극의 세기가 역치(기준치)보다 낮으면 활동전위가 발생하지 않고, 역치를 넘으면 자극의 세기와 상관없이 일정한 크기의 활동전위가 발생합니다. (더 강한 자극은 전위의 크기가 아니라 '빈도'를 높입니다.)
  • 전도 (Conduction): 한 지점에서 발생한 활동전위는 인접한 막으로 전달됩니다. 특히 말이집(Myelin sheath)이 있는 신경에서는 도약 전도가 일어나 매우 빠르게 전달됩니다.
  • 불응기: 활동전위가 발생한 직후에는 짧은 시간 동안 새로운 활동전위가 생기지 않거나 생기기 어렵습니다. 이는 신호가 뒤섞이지 않고 한쪽 방향으로만 전달되도록 돕습니다.

3. 왜 중요한가요?

활동전위가 없다면 우리는 사물을 보고, 소리를 듣고, 근육을 움직이거나 생각을 할 수 없습니다. 뇌에서 손끝까지 정보를 전달하는 속도는 활동전위 덕분에 수 밀리초(ms) 만에 가능해집니다.

혹시 더 구체적으로 궁금한 부분(예: 이온 채널의 구조, 도약 전도 원리 등)이 있으신가요?