휴지막전위 유지에 기여하는 Na⁺/K⁺-ATPase의 한 작동 주기에서 일어나는 이동은?

펌프는 ATP를 사용하여 Na⁺ 3개를 세포 밖으로, K⁺ 2개를 안으로 이동시킨다. 이온 농도 기울기를 유지하며 순양전하 하나가 밖으로 나간다. 휴지막전위에는 특히 안정 시 K⁺ 투과성도 중요하다.

[근거] OpenStax Anatomy and Physiology 2e, Chapter 12 — https://openstax.org/books/anatomy-and-physiology-2e/pages/12-chapter-review

Na⁺/K⁺-ATPase의 작동 주기와 이온 이동
세포막에 존재하는 Na⁺/K⁺-ATPase(sodium-potassium pump)는 ATP를 에너지원으로 사용하여 한 작동 주기마다 Na⁺ 3개를 세포 밖으로 내보내고 K⁺ 2개를 세포 안으로 들여옵니다 ^[1][2][3]. 이 3:2 비율은 펌프가 단순히 이온을 교환하는 것을 넘어, 한 주기당 양전하 1개를 세포 밖으로 순이동시키는 전기발생성(electrogenic) 특성을 만듭니다 ^[2]. 휴지막전위(resting membrane potential)는 주로 K⁺의 농도 기울기와 막투과성에 의해 결정되지만, Na⁺/K⁺-ATPase는 이 농도 기울기를 유지하고 전기발생성 기여를 통해 막전위를 안정화하는 데 지속적으로 관여합니다 ^[2][4].

3:2 비율이 휴지막전위에 기여하는 이유
휴지 상태의 세포막은 K⁺에 대한 투과성이 높고 Na⁺에 대한 투과성은 낮습니다. K⁺가 농도 기울기에 따라 세포 밖으로 확산되면 세포 안쪽이 음전하를 띠게 되는데, Na⁺/K⁺-ATPase가 Na⁺ 3개를 내보내고 K⁺ 2개만 들여옴으로써 세포 안의 양전하를 한 개 더 제거하는 효과가 발생합니다. 이로 인해 막전위가 약 -5~-8 mV 정도 더 음성 방향으로 이동합니다 ^[4]. 실제로 쥐 골격근 세포에서 ouabain으로 Na⁺/K⁺-ATPase를 억제하면 휴지막전위가 30초 이내에 5~8 mV 감소하여 약 -60 mV까지 떨어지는 것이 확인됩니다 ^[4]. 이는 펌프의 전기발생성 기여가 휴지막전위 유지에 실제로 작용하고 있음을 보여줍니다.

이온 이동 방향과 농도 기울기
Na⁺/K⁺-ATPase는 두 이온 모두 농도 기울기에 역행하여 이동시킵니다 ^[2]. 세포 안에는 K⁺ 농도가 높고 Na⁺ 농도가 낮으며, 세포 밖은 그 반대입니다. 펌프는 ATP 가수분해 에너지를 사용해 Na⁺을 세포 밖(저농도 → 고농도 방향)으로, K⁺을 세포 안(저농도 → 고농도 방향)으로 운반합니다. 이 능동수송이 멈추면 이온 기울기가 서서히 소실되고 휴지막전위가 붕괴됩니다.

구분	Na⁺	K⁺
이동 방향	세포 안 → 세포 밖	세포 밖 → 세포 안
한 주기당 이동 수	3개	2개
농도 기울기 대비	역행(능동수송)	역행(능동수송)
순 전하 이동	양전하 1개 세포 밖으로 → 전기발생성

국시 빈출 포인트
혼동 주의! Na⁺/K⁺-ATPase의 이동 비율을 반대로 기억하기 쉽습니다. Na⁺은 항상 3개가 세포 밖으로, K⁺은 항상 2개가 세포 안으로 이동합니다. 숫자와 방향을 세트로 외워두면 보기에서 방향만 바꿔 혼동을 유도하는 문제를 피할 수 있습니다.

핵심! 이 펌프가 전기발생성인 이유는 한 주기에서 Na⁺ 3개와 K⁺ 2개라는 비대칭적 교환 때문입니다. 만약 1:1로 교환한다면 막전위에 직접적인 전하 기여는 없을 것입니다. 휴지막전위에 대한 기여는 K⁺ 확산 전위가 주된 결정 요인이고 Na⁺/K⁺-ATPase는 이온 기울기 유지와 소량의 직접적 전하 이동으로 보조한다는 관점이 중요합니다 ^[2][4].