시냅스 전달 — 전기가 화학으로 바뀌는 자리

축삭 끝까지 달려온 활동전위 앞에 갑자기 벽이 나타납니다. 다음 세포와의 사이에 틈이 있어요. 아주 좁지만, 막이 이어져 있지 않으니 이온이 그냥 건너갈 수가 없습니다.

여기서 몸은 의외의 선택을 합니다. 그렇게 애써 만든 전기 신호를 일부러 화학물질로 바꿔서 틈 너머로 던집니다. 받는 쪽은 그 화학물질을 다시 전기로 되돌리고요. 얼핏 비효율로 보이는 이 변환이 신경계의 가장 강력한 장치입니다. 이 자리에서 신호가 켜지거나 꺼지고, 더해지고, 곱해지고, 조절되거든요. 전기만으로는 못 하는 일들이죠.

시냅스의 구조와 두 종류

시냅스(synapse)는 뉴런이 다른 뉴런이나 근육·분비세포에 신호를 넘기는 접속 부위입니다. 신호를 보내는 쪽을 시냅스이전 뉴런, 받는 쪽을 시냅스이후 뉴런이라 하고, 둘 사이의 좁은 공간을 시냅스 틈이라고 합니다.

종류는 둘입니다.

• 전기적 시냅스 — 두 세포가 틈새이음으로 직접 연결돼 이온이 곧장 흘러갑니다. 매우 빠르고 양방향이지만, 조절이 거의 불가능해요. 심장근처럼 여럿이 동시에 움직여야 하는 곳에 씁니다.
• 화학적 시냅스 — 신경전달물질을 주고받습니다. 조금 느리지만 한 방향이고, 세기·부호·지속시간을 마음대로 조절할 수 있어요. 우리가 다루는 대부분의 시냅스가 이쪽입니다.

전달 과정 — Ca²⁺가 방아쇠입니다

화학적 시냅스의 전달은 다섯 단계로 정리됩니다. 순서를 통째로 외우기보다 각 단계에서 누가 방아쇠인지를 잡으세요.

1. 활동전위 도착 — 전도를 마친 활동전위가 축삭말단에 도착해 그 부분 막을 탈분극시킵니다.
2. Ca²⁺ 유입 — 축삭말단에는 전압개폐 Ca²⁺ 통로가 있습니다. 탈분극에 열리고, 세포 밖에 훨씬 많은 Ca²⁺가 안으로 쏟아져 들어와요. 전기 신호를 화학 신호로 번역하는 진짜 스위치가 이 Ca²⁺입니다.
3. 소포 융합과 방출 — 들어온 Ca²⁺가 시냅스 소포를 축삭말단 막 쪽으로 끌어와 융합시킵니다. 소포 안의 신경전달물질이 세포외배출로 시냅스 틈에 쏟아집니다.
4. 수용체 결합 — 전달물질이 틈을 확산해 건너가 시냅스이후막의 수용체에 결합합니다.
5. 이온통로 개폐 → 전위 변화 — 수용체가 열리는 리간드 개폐 통로를 통해 이온이 드나들며 시냅스이후막의 막전위가 바뀝니다.

그리고 제거가 반드시 따라붙습니다. 방출된 전달물질을 빨리 치우지 않으면 신호가 계속 켜진 채로 남거든요. 효소로 분해하거나(아세틸콜린은 아세틸콜린에스터레이스가 분해), 보낸 쪽 뉴런이 도로 흡수하거나, 아교세포가 거둬 갑니다. 신호를 만드는 것만큼 끄는 것이 중요합니다.

전달이 한 방향인 이유

시험에서 자주 나오는 질문입니다. 흥분의 전도가 한 방향인 이유는 불응기였죠. 시냅스 전달이 한 방향인 이유는 완전히 다릅니다. 구조가 비대칭이기 때문이에요.

• 신경전달물질이 든 시냅스 소포는 시냅스이전 뉴런의 축삭말단에만 있습니다. 받는 쪽에는 던질 물건 자체가 없어요.
• 그 물질의 수용체는 시냅스이후막에만 있습니다. 거꾸로 방출해 봤자 받을 곳이 없습니다.

던질 사람과 받을 사람이 고정돼 있으니 공은 한쪽으로만 갑니다. 그래서 축삭 중간을 자극하면 흥분이 양쪽으로 퍼지지만, 시냅스를 건너는 방향은 언제나 축삭말단 → 가지돌기·세포체 한쪽뿐입니다. 신경계 전체에 방향성이 생기는 근원이 여기예요.

EPSP와 IPSP — 켜는 시냅스, 끄는 시냅스

여기가 이 글의 핵심입니다. 신경전달물질 자체에 '흥분성'이나 '억제성'이라는 성질이 붙어 있는 게 아닙니다. 받는 쪽에 어떤 수용체가 있고 그 수용체가 어떤 이온통로를 여느냐가 결과를 정합니다. 같은 아세틸콜린이 골격근에서는 수축을 일으키고 심장에서는 박동을 늦추는 이유가 이것입니다.

구분	흥분성 시냅스후전위(EPSP)	억제성 시냅스후전위(IPSP)
열리는 통로	주로 Na⁺ 통로(양이온 통로)	K⁺ 통로 또는 Cl⁻ 통로
이온 이동	Na⁺가 안으로 유입	K⁺가 밖으로 유출 / Cl⁻가 안으로 유입
막전위 변화	탈분극(위로)	과분극(아래로)
역치와의 거리	가까워짐	멀어짐
대표 전달물질	글루탐산, 아세틸콜린(골격근)	GABA, 글리신

둘 다 활동전위가 아닙니다. 실무율을 따르지 않고, 자극의 양에 비례해 크기가 달라지며, 퍼져 나가면서 약해져요. 이것을 등급전위라고 합니다. 시냅스에서 일어나는 일은 "쏜다"가 아니라 "표를 한 장 던진다"에 가깝습니다.

가중과 축삭둔덕 — 표를 세는 자리

EPSP 하나로는 보통 역치에 못 미칩니다. 그래서 표를 모아야 해요. 이것을 가중(summation)이라고 합니다.

• 시간적 가중 — 같은 시냅스이전 뉴런이 짧은 간격으로 연달아 신호를 보내 EPSP가 사라지기 전에 겹쳐 쌓이는 것. 앞 글에서 본 빈도 부호화가 여기서 힘을 발휘합니다. 자극이 셀수록 빈도가 높고, 빈도가 높을수록 가중이 잘 일어나죠.
• 공간적 가중 — 여러 시냅스이전 뉴런이 서로 다른 자리에서 동시에 보낸 EPSP가 합쳐지는 것.

그리고 EPSP와 IPSP는 서로 상쇄됩니다. 한 뉴런은 보통 수천 개의 시냅스를 받는데, 매 순간 그 모든 찬성표와 반대표를 더한 결과가 막전위로 나타나요. 이 합산 결과를 읽는 자리가 첫 글에서 예고한 축삭둔덕입니다. 여기에 전압개폐 Na⁺ 통로가 가장 빽빽하게 몰려 있어서, 축삭둔덕의 막전위가 역치를 넘으면 그 순간 활동전위가 발사됩니다.

그림이 이렇게 맞물립니다. 시냅스는 등급전위로 찬반을 표시하고, 축삭둔덕은 그 합이 역치를 넘는지 판정하며, 판정을 통과하면 축삭은 실무율에 따라 일정한 크기로 신호를 보냅니다. 아날로그로 계산하고 디지털로 내보내는 구조예요. 뉴런 하나하나가 작은 판단 장치인 셈입니다.

칼슘이 전기를 화학으로 바꾸는 방아쇠다 — 송쌤생명과학 자체 제작

신경전달물질 몇 가지

전달물질	주요 작용 부위와 역할
아세틸콜린(ACh)	신경근접합부에서 골격근 수축을 일으킴. 심장에서는 반대로 박동을 늦춤(수용체가 다름)
글루탐산	중추신경계의 대표적 흥분성 전달물질. 학습·기억과 관련
GABA·글리신	중추신경계의 대표적 억제성 전달물질
도파민·세로토닌	기분, 각성, 보상, 운동 조절 등에 폭넓게 관여
노르에피네프린	자율신경계에서 각성·경계 반응에 작용
엔도르핀	통증 인식을 줄이는 내인성 물질

시냅스는 약물과 독소가 가장 즐겨 노리는 표적이기도 합니다. 전달물질의 분해를 막거나, 재흡수를 막아 틈에 오래 머물게 하거나, 수용체 자리를 대신 차지하거나, 방출 자체를 봉쇄하거나 — 다섯 단계 중 어디를 건드려도 신호가 달라져요. 많은 신경계 약물이 정확히 이 자리에서 작동합니다.

그리고 수용체 중에는 통로를 직접 여는 것 말고, 2차 전달자를 거치는 경로를 켜는 것도 있습니다. 이런 시냅스는 반응이 느리게 시작되지만 오래가고, 세포 안쪽 상태까지 바꿉니다. 신경 신호와 호르몬 신호가 결국 같은 세포 신호전달의 언어를 쓴다는 것을 보여 주는 대목이에요.

쌤 한마디 — 시냅스 문제는 "어디서 끊겼나"를 묻는 형태가 대부분입니다. 그래서 저는 다섯 칸짜리 체크리스트를 그리게 시켜요. 활동전위 도착 → Ca²⁺ 유입 → 소포 융합·방출 → 수용체 결합 → 통로 개폐. 문제에 나온 약물이나 조건이 이 중 어느 칸을 막는지 표시하면 답이 거의 자동으로 나옵니다. 그리고 하나만 더. "흥분성 전달물질"이라는 표현을 조심하세요. 흥분성인지 억제성인지는 물질이 아니라 받는 쪽 수용체가 정합니다. 이 한 문장이 서술형에서 자주 갈림길이 됩니다.

정리하면

화학적 시냅스는 활동전위를 Ca²⁺ 유입으로 번역하고, Ca²⁺가 소포를 터뜨려 신경전달물질을 내보내며, 그 물질이 시냅스이후막의 수용체에 붙어 다시 전기 변화를 만듭니다. 소포는 보내는 쪽에만, 수용체는 받는 쪽에만 있기 때문에 전달은 언제나 한 방향입니다.

결과는 흥분성(EPSP, 탈분극)일 수도 억제성(IPSP, 과분극)일 수도 있고, 이를 정하는 것은 물질이 아니라 수용체가 여는 통로입니다. 수천 개의 찬반표가 시간적·공간적으로 가중되어 축삭둔덕에서 합산되고, 그 합이 역치를 넘을 때 비로소 실무율을 따르는 활동전위가 발사됩니다.

Ch.48 네 편이 여기서 한 줄로 이어집니다. 막은 미리 충전되어 있고, 역치를 넘으면 정해진 크기로 터지며, 절연된 축삭을 건너뛰며 달려가, 마지막에 화학으로 바뀌어 다음 세포의 찬반표가 됩니다. 이온이 막을 어떻게 지나는지가 여전히 흐릿하다면 막의 선택적 투과성으로 돌아가 보세요. 이 단원은 결국 그 이야기의 가장 화려한 응용입니다.