이온 채널

이온 채널(ion channel)은 세포의 막전위(membrane potential)를 유지합니다. 대부분의 세포, 특히 흥분성 세포는 양이온(positive ion; cation)보다 음이온(negative ion; anion)의 수가 많기 때문에 세포의 내부는 외부보다 음전하를 띱니다. 흥분성 세포(예: 뉴런, 근육 세포, 촉각 세포)의 경우 막전위는 음막전위에서 양막전위로 빠르게 변환해야 합니다. 이를 위해 세포에는 두 가지 유형의 이온 채널, 즉 리간드 개폐 이온 채널(ligand-gated ion channel)과 전위의존성 이온 채널(voltage-gated ion channel)이 있습니다.

이온성 수용체(ionotropic receptor)라고도 불리는 리간드 개폐 이온 채널은 막에 통로를 형성하지만 결합 자리(binding site; 결합 부위)도 있는 막관통 단백질(transmembrane protein)이며, 리간드가 표면에 결합하면 이온 채널을 엽니다. 일반적인 이온성 수용체는 NMDA 수용체, 카이네이트(kainate) 수용체, AMPA 글루탐산(AMPA glutamate) 수용체, 니코틴성 아세틸콜린(nicotinic acetylcholine) 수용체를 포함합니다. 이온성 수용체의 대부분은 글루탐산과 아세틸콜린과 같은 신경전달물질(neurotransmitter)의 세포 외부 결합에 따라 활성화하지만, 이온에 의해 세포 내에서 활성화하는 것도 있습니다.

글루탐산이나 아세틸콜린과 같은 리간드가 수용체에 결합하면 나트륨(Na⁺)과 칼슘(Ca²⁺) 이온이 세포로 유입합니다. 양이온은 전기화학적 구배(electrochemical gradient)를 따라 더 양전하를 띤 세포 외부(extracellular) 표면에서 더 음전하를 띤 세포 내부(intracellular) 표면으로 이동합니다. 그러면 수용체 근처의 막전위가 변화해 근처의 전위의존성 이온 채널을 활성화하여 막전위의 변화를 세포 전체에 전파할 수 있습니다.

또 다른 리간드 의존성 이온 채널인 GABA_A 수용체는 세포에 염화 이온(Cl^–)을 유입합니다. 이는 막전위를 낮춰 전파 효과를 제한하고 흥분성 세포를 억제합니다.

전위의존성 이온 채널은 막전위의 변화에 ​​따라 여닫힙니다 (예: 인접하는 리간드 개폐 이온 채널이 열릴 때). 선택적인 투과성(selective permeability)을 띤 (즉 이온을 크기와 전하에 따라 골라내는) 전위의존성 이온 채널에는 여러 유형이 있습니다. 전위의존성 칼슘 채널(voltage-gated calcium channel)은 근육의 수축과 신경 전달 물질의 방출에 중요합니다. 전위의존성 칼륨 채널(voltage-gated potassium channel)은 활동전위(action potential) 후 세포막을 다시 분극화(polarization)합니다. 전위의존성 양성자 채널(voltage-gated proton channel)은 탈분극(depolarization)을 통해 채널을 열고 세포에서 양성자를 제거합니다.

이온 채널은 편두통에 기여할 수 있습니다. 경막(dura mater)은 뇌를 보호하는 막인데 여러 개의 뇌신경(cranial nerve)이 막을 자극합니다. 이에 따라 이런 신경에서 편두통이 발생한다는 가설이 있습니다. 경막의 리간드 개폐 이온 채널과 전위의존성 이온 채널이 막전위를 변형해 통증의 신호를 증폭할 수 있습니다.