뇌는 전기로 움직이는데, 왜 우리는 감전되지 않나요?

Question

안녕하세요. 신경 신호는 이온의 이동이라는 전기화학적 현상인데, 우리 몸은 왜 배터리처럼 방전되지 않는 것인가요? 또한 세포막의 전위차는 어떻게 유지되며, 나트륨-칼륨 펌프는 어떤 화학적 에너지 변환 과정을 거치는지 궁금합니다.

Answer 1

안녕하세요.

말씀해주신 것처럼 뇌는 전기로 작동하는데 왜 감전되지 않는지에 대해서 답변드리자면 우리 몸의 전기 신호는 전류가 흐르는 전기회로가 아니라, 세포막을 사이에 둔 일시적 전기화학적 상태 변화이기 때문에 감전이나 방전이 일어나지 않는 것입니다.

우선 신경세포가 사용하는 전기란 콘센트나 번개처럼 전자가 도선 전체를 따라 이동하는 전류가 아닌데요 대신, 세포막을 경계로 나트륨 이온, 칼륨 이온과 같은 전하를 띤 입자들이 매우 짧은 거리에서 이동하면서 만들어지는 막전위 변화입니다. 즉, 전자는 거의 움직이지 않고, 이온의 농도 차이와 선택적 이동이 신호의 핵심입니다. 이 때문에 우리 몸은 배터리처럼 방전되지 않는 것인데요 반면에 배터리는 내부의 화학 에너지를 써서 전자를 한 방향으로 계속 흘려보내며, 전하 차이가 사라지면 방전됩니다. 하지만 신경세포에서는 전하가 세포 전체를 따라 흐르지 않고 세포막의 아주 얇은 두께에서만 순간적으로 열렸다 닫히는 이온 통로를 통해 이동합니다. 즉 활동전위 형태의 신경 신호는 마치 파도가 이동하는 것처럼 형태만 전파되지, 물 자체가 끝까지 이동하지 않는 현상에 가깝습니다. 그래서 에너지가 소모되기는 하지만, 한 번에 고갈되는 일이 없는 것입니다.

다음으로 세포막의 전위차가 유지되는 핵심 원리는 이온의 비대칭적 분포인데요 신경세포 내부에는 칼륨 이온이 많고, 외부에는 나트륨 이온이 많도록 항상 유지됩니다. 이 상태에서 세포막은 대부분의 시간 동안 나트륨에는 거의 닫혀 있고, 칼륨에는 부분적으로 열려 있어, 결과적으로 세포 내부가 외부보다 음전하를 띠는 안정된 상태가 유지되는 것입니다.

마지막으로 이 비대칭 분포를 만들어내고 유지하는 장치가 바로 나트륨–칼륨 펌프인데요 이 펌프는 우선 세포 내부의 나트륨 이온 3개가 펌프 단백질에 결합합니다. 이때 ATP 한 분자가 가수분해되며, 그 화학 에너지가 펌프의 구조를 변화시키며 구조 변화로 인해 나트륨 이온 3개가 세포 밖으로 방출됩니다. 곧바로 이어서 세포 밖의 칼륨 이온 2개가 결합하고, 다시 구조가 원래대로 돌아오며 칼륨이 세포 안으로 들어옵니다. 이 과정에서 ATP의 화학 에너지가 이온 농도 차이라는 전기화학적 에너지로 변환되는 것입니다. 감사합니다.

Answer 2

안녕하세요. 김찬우 전문가입니다.

저도 한때 전기적 신호에 따른 에너지 감소를 궁금해했던 적이 있습니다.

일반 배터리와 다르게 우리 몸에서 전기가 이동하는 것은 전류가 아니라 세포 간의 전압차이에 의해 이온이 이동을 하기 때문입니다.

배터리 속의 전기는 전자가 움직이는 것이지만 체내에서는 나트륨이온이나 칼륨이온 등이 이동을 하는데 신호를 전달하기 위해서 아주 좁은 구역을 일시적으로 움직이기 때문입니다. 몸 전체에 전류가 흐르는 것은 아닙니다.

그럼 답변 읽어주셔서 감사드립니다~! 더 궁금한게 있으시면 언제든지 문의 주십시요:)