必修神經(jīng)纖維上電位測定的方法與原理分析專題大看臺

1、1會計學(xué)必修神經(jīng)纖維上電位測定的方法與原理必修神經(jīng)纖維上電位測定的方法與原理分析專題大看臺分析專題大看臺(一一)神經(jīng)纖維上電位測定的方法神經(jīng)纖維上電位測定的方法1觀察生物電的方法觀察生物電的方法一切活的細胞和組織，無論是靜息還是活動狀態(tài)都具有生物一切活的細胞和組織，無論是靜息還是活動狀態(tài)都具有生物電現(xiàn)象，機體及其器官所表現(xiàn)的電現(xiàn)象都是以細胞水平的生電現(xiàn)象，機體及其器官所表現(xiàn)的電現(xiàn)象都是以細胞水平的生物電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。為了研究單一細胞的生物電現(xiàn)象，一般物電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。為了研究單一細胞的生物電現(xiàn)象，一般利用某些無脊椎動物特有的巨大神經(jīng)或肌肉，如利用槍烏賊利用某些無脊椎動物特有的巨大神經(jīng)或肌肉，如

2、利用槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突進行細胞外記錄和細胞內(nèi)記錄的巨大神經(jīng)軸突進行細胞外記錄和細胞內(nèi)記錄(如下圖如下圖)。在。在沒有損傷的槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突表面上放置兩個電極沒有損傷的槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突表面上放置兩個電極(b、c)為記錄電極，兩電極中間連接記錄儀，圖中的記錄儀是電為記錄電極，兩電極中間連接記錄儀，圖中的記錄儀是電位計，目的是觀察兩電極下方膜的電位變化。位計，目的是觀察兩電極下方膜的電位變化。(1)(1)靜息狀態(tài)下細胞的生物電現(xiàn)象靜息狀態(tài)下細胞的生物電現(xiàn)象靜息時，圖中所示的神經(jīng)細胞外記錄儀沒有測出電位靜息時，圖中所示的神經(jīng)細胞外記錄儀沒有測出電位差，說明神經(jīng)細胞膜外表面各處的電位相等，但不

3、能判差，說明神經(jīng)細胞膜外表面各處的電位相等，但不能判斷神經(jīng)細胞膜外表面是正電位還是負電位。圖中所示的斷神經(jīng)細胞膜外表面是正電位還是負電位。圖中所示的細胞內(nèi)記錄出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是很有意義的，根據(jù)電流產(chǎn)細胞內(nèi)記錄出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是很有意義的，根據(jù)電流產(chǎn)生的原理，由正電位流到負電位，則可說明神經(jīng)細胞膜生的原理，由正電位流到負電位，則可說明神經(jīng)細胞膜外表面為正電位，神經(jīng)細胞膜內(nèi)較細胞膜外為負電位。外表面為正電位，神經(jīng)細胞膜內(nèi)較細胞膜外為負電位。所以靜息狀態(tài)時，神經(jīng)細胞膜兩側(cè)的電位表現(xiàn)為內(nèi)負外所以靜息狀態(tài)時，神經(jīng)細胞膜兩側(cè)的電位表現(xiàn)為內(nèi)負外正，也稱為靜息電位。正，也稱為靜息電位。例例1神經(jīng)細胞在靜息時具有靜

4、息電位，受到適宜刺激時神經(jīng)細胞在靜息時具有靜息電位，受到適宜刺激時可迅速產(chǎn)生能傳導(dǎo)的動作電位，這兩種電位可通過儀器測可迅速產(chǎn)生能傳導(dǎo)的動作電位，這兩種電位可通過儀器測量。能正確表示測量神經(jīng)纖維靜息電位示意圖的選項是量。能正確表示測量神經(jīng)纖維靜息電位示意圖的選項是(多多選選) ()解析解析根據(jù)題意，根據(jù)題意，D選項圖示兩電極都在神經(jīng)細胞膜外表選項圖示兩電極都在神經(jīng)細胞膜外表面，面，B選項圖示兩電極都在細胞膜內(nèi)側(cè)，故各處在電位相等，選項圖示兩電極都在細胞膜內(nèi)側(cè)，故各處在電位相等，記錄儀不應(yīng)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，也無法正確測量出神經(jīng)纖維靜息記錄儀不應(yīng)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，也無法正確測量出神經(jīng)纖維靜息電位。電位。A、

5、C兩選項圖示兩電極一個在膜外，一個在膜內(nèi)，兩選項圖示兩電極一個在膜外，一個在膜內(nèi)，電流由正電位流到負電位，故記錄儀出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是正確電流由正電位流到負電位，故記錄儀出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是正確的。的。答案答案AC(2)(2)受到刺激時細胞的生物電現(xiàn)象受到刺激時細胞的生物電現(xiàn)象若要觀察受刺激的神經(jīng)細胞的生物電現(xiàn)象，往往用細胞若要觀察受刺激的神經(jīng)細胞的生物電現(xiàn)象，往往用細胞外記錄儀測試電位差的裝置。例如，人教版新課程生物外記錄儀測試電位差的裝置。例如，人教版新課程生物必修必修3 3教材的教材的“神經(jīng)表面電位差的實驗示意圖神經(jīng)表面電位差的實驗示意圖”，描述，描述的就是細胞外記錄，現(xiàn)將這一示意圖細化如下：的

6、就是細胞外記錄，現(xiàn)將這一示意圖細化如下：通過圖示電位計出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以看出，當(dāng)在圖示神經(jīng)的通過圖示電位計出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象可以看出，當(dāng)在圖示神經(jīng)的左側(cè)左側(cè)(a)施加刺激，可以看到，靠近刺激端電極下方施加刺激，可以看到，靠近刺激端電極下方(b)先變先變?yōu)樨撾娢?，接著恢?fù)正電位；然后，另一電極下方為負電位，接著恢復(fù)正電位；然后，另一電極下方(c)變?yōu)樨撟優(yōu)樨撾娢?，接著又恢?fù)為正電位。圖中陰影表示動作電位的產(chǎn)生電位，接著又恢復(fù)為正電位。圖中陰影表示動作電位的產(chǎn)生和傳導(dǎo)過程。該圖說明，當(dāng)刺激神經(jīng)一端和傳導(dǎo)過程。該圖說明，當(dāng)刺激神經(jīng)一端(a)時，這個部位膜時，這個部位膜的兩側(cè)出現(xiàn)暫時性的電位變化，由內(nèi)負外

7、正變?yōu)閮?nèi)正外負；的兩側(cè)出現(xiàn)暫時性的電位變化，由內(nèi)負外正變?yōu)閮?nèi)正外負；而臨近的未興奮部位仍然是內(nèi)負外正。這樣，在興奮部位和而臨近的未興奮部位仍然是內(nèi)負外正。這樣，在興奮部位和未興奮部位之間，由于電位差的存在而發(fā)生電荷移動，從而未興奮部位之間，由于電位差的存在而發(fā)生電荷移動，從而形成了局部電流，這種局部電流又刺激相近的未興奮部位發(fā)形成了局部電流，這種局部電流又刺激相近的未興奮部位發(fā)生同樣的電位變化，如此下去，將興奮向前傳導(dǎo)。所以，在生同樣的電位變化，如此下去，將興奮向前傳導(dǎo)。所以，在電位計上能看到兩次偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。電位計上能看到兩次偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。例例2據(jù)圖回答下列問題據(jù)圖回答下列問題(1)(1)若刺激甲圖

8、中的若刺激甲圖中的A A點，電表指針偏轉(zhuǎn)的情況如何？點，電表指針偏轉(zhuǎn)的情況如何？(2)(2)乙圖中乙圖中a a、b b分別是放置在傳出神經(jīng)和骨骼肌上的電極，分別是放置在傳出神經(jīng)和骨骼肌上的電極，用于刺激神經(jīng)和骨骼??；用于刺激神經(jīng)和骨骼??；c c是放置在傳出神經(jīng)上的電位計，是放置在傳出神經(jīng)上的電位計，用于記錄神經(jīng)興奮電位；用于記錄神經(jīng)興奮電位；d d為神經(jīng)與肌細胞接頭部位，是為神經(jīng)與肌細胞接頭部位，是一種突觸。若刺激骨骼肌一種突觸。若刺激骨骼肌b b處，能否在處，能否在c c處記錄到電位？處記錄到電位？ 解析解析 根據(jù)圖中的兩幅圖示，刺激圖甲中根據(jù)圖中的兩幅圖示，刺激圖甲中A A點或圖乙中點或圖

9、乙中a a處，電位計均可出現(xiàn)兩次偏轉(zhuǎn)。在乙圖中，若刺激處，電位計均可出現(xiàn)兩次偏轉(zhuǎn)。在乙圖中，若刺激b b處，則處，則電位計不發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，原因是連接骨骼肌的是傳出神經(jīng)，電位計不發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，原因是連接骨骼肌的是傳出神經(jīng)，d d是一種突觸，傳出神經(jīng)末梢屬于突觸前膜，肌細胞膜屬于是一種突觸，傳出神經(jīng)末梢屬于突觸前膜，肌細胞膜屬于突觸后膜，而興奮在突觸處突觸后膜，而興奮在突觸處( (接頭部位接頭部位) )的傳遞只能是單方的傳遞只能是單方向的，即只能從突觸前膜傳遞到突觸后膜，而不能倒過來向的，即只能從突觸前膜傳遞到突觸后膜，而不能倒過來傳遞。傳遞。 答案答案 見解析見解析 2 2測量單一神經(jīng)纖維靜息電

10、位和動作電位測量單一神經(jīng)纖維靜息電位和動作電位 下圖為測量單一神經(jīng)纖維靜息電位和動作電位的實下圖為測量單一神經(jīng)纖維靜息電位和動作電位的實驗?zāi)Ｊ綀D：驗?zāi)Ｊ綀D：甲圖中的甲圖中的S S是一個刺激器，是一個刺激器，R R表示記錄儀表示記錄儀( (圖中為示波器圖中為示波器) )，和，和它相連有兩個電極，一個放在軸突膜的表面，另一個連接微它相連有兩個電極，一個放在軸突膜的表面，另一個連接微電極，準(zhǔn)備插入膜內(nèi)。當(dāng)未受到刺激時，若讓微電極刺穿軸電極，準(zhǔn)備插入膜內(nèi)。當(dāng)未受到刺激時，若讓微電極刺穿軸突膜進入膜內(nèi)，那么在電極尖端剛剛進入膜內(nèi)的瞬間，在記突膜進入膜內(nèi)，那么在電極尖端剛剛進入膜內(nèi)的瞬間，在記錄儀上將顯示

11、膜內(nèi)持續(xù)處于較膜外低錄儀上將顯示膜內(nèi)持續(xù)處于較膜外低70 mV70 mV的負電位狀態(tài)。的負電位狀態(tài)。當(dāng)神經(jīng)受到一次短促的外加刺激時，膜內(nèi)原來存在的負電位當(dāng)神經(jīng)受到一次短促的外加刺激時，膜內(nèi)原來存在的負電位消失，進而變成正電位，即膜內(nèi)電位在短暫時間內(nèi)由原來的消失，進而變成正電位，即膜內(nèi)電位在短暫時間內(nèi)由原來的70 mV70 mV左右變?yōu)樽笥易優(yōu)?0 mV30 mV左右的水平。但這種刺激所引起的膜左右的水平。但這種刺激所引起的膜內(nèi)外電位的倒轉(zhuǎn)只是暫時的，很快就出現(xiàn)膜內(nèi)正電位值的減內(nèi)外電位的倒轉(zhuǎn)只是暫時的，很快就出現(xiàn)膜內(nèi)正電位值的減少，恢復(fù)到受刺激前原有的負電位狀態(tài)少，恢復(fù)到受刺激前原有的負電位狀態(tài)

12、( (如乙圖如乙圖) ) 例例33神經(jīng)電位的測量裝置如下圖甲所示，其中箭頭表神經(jīng)電位的測量裝置如下圖甲所示，其中箭頭表示施加適宜刺激，陰影表示興奮區(qū)域。用記錄儀記錄示施加適宜刺激，陰影表示興奮區(qū)域。用記錄儀記錄A A、B B兩電極之間的電位差，結(jié)果如下圖乙所示。若將記錄儀的兩電極之間的電位差，結(jié)果如下圖乙所示。若將記錄儀的A A、B B兩電極均置于膜外，其他實驗條件不變，則測量結(jié)果兩電極均置于膜外，其他實驗條件不變，則測量結(jié)果是哪一個選項是哪一個選項 ( () ) 解析解析 該題考查的思維含量較大，側(cè)重考查對測量部位該題考查的思維含量較大，側(cè)重考查對測量部位與膜電位的變化分析能力。由于測量裝置

13、圖中與膜電位的變化分析能力。由于測量裝置圖中A A電極在膜內(nèi)，電極在膜內(nèi)，B B電極在膜外，根據(jù)記錄儀的電位差曲線，說明在未受刺激電極在膜外，根據(jù)記錄儀的電位差曲線，說明在未受刺激時為負電位，受刺激后，興奮部位由外正內(nèi)負變?yōu)橥庳搩?nèi)時為負電位，受刺激后，興奮部位由外正內(nèi)負變?yōu)橥庳搩?nèi)正，圖中電位由負電位正，圖中電位由負電位0 0電位電位負電位，隨后恢復(fù)靜息電負電位，隨后恢復(fù)靜息電位，圖中電位由正電位位，圖中電位由正電位0 0電位電位負電位。若記錄儀的負電位。若記錄儀的A A、B B兩電極均置于膜外，受刺激后，圖中電位由兩電極均置于膜外，受刺激后，圖中電位由0 0電位電位負電位負電位0 0電位；隨后

14、恢復(fù)靜息電位，圖中電位由電位；隨后恢復(fù)靜息電位，圖中電位由0 0電位電位正電位正電位0 0電位。所以，電位。所以，C C選項是正確的。選項是正確的。 答案答案 C C( (二二) )神經(jīng)纖維上電位產(chǎn)生的原理分析神經(jīng)纖維上電位產(chǎn)生的原理分析1 1靜息電位產(chǎn)生的原理分析靜息電位產(chǎn)生的原理分析 細胞膜內(nèi)外離子分布不均和未受刺激時膜主要對細胞膜內(nèi)外離子分布不均和未受刺激時膜主要對K K有通透性是細胞保持膜內(nèi)為負電位、膜外為正電位的有通透性是細胞保持膜內(nèi)為負電位、膜外為正電位的基礎(chǔ)。膜外基礎(chǔ)。膜外NaNa濃度高于膜內(nèi)，膜內(nèi)濃度高于膜內(nèi)，膜內(nèi)K K濃度高于膜外，濃度高于膜外，這種膜內(nèi)外這種膜內(nèi)外NaNa、

15、K K分布不均主要是分布不均主要是“鈉鉀泵鈉鉀泵”活動的活動的結(jié)果。能逆著濃度梯度將細胞內(nèi)的結(jié)果。能逆著濃度梯度將細胞內(nèi)的NaNa移到膜外，同時移到膜外，同時將細胞外將細胞外K K移入膜內(nèi)的機制稱為移入膜內(nèi)的機制稱為“鈉鉀泵鈉鉀泵”。靜息時，。靜息時，細胞膜主要對細胞膜主要對K K有通透性，細胞膜內(nèi)的有通透性，細胞膜內(nèi)的K K可順著濃度可順著濃度梯度向膜外擴散；帶負電的有機陰離子不能透過梯度向膜外擴散；帶負電的有機陰離子不能透過細胞膜，細胞膜，ClCl也很少透過，其只能聚集在膜的內(nèi)側(cè)；由于也很少透過，其只能聚集在膜的內(nèi)側(cè)；由于正負電荷相互吸引，正負電荷相互吸引，K K不能遠離細胞膜，只能聚集在

16、膜的不能遠離細胞膜，只能聚集在膜的外側(cè)面。這樣，在膜的內(nèi)外就形成了電位差，該電位差又外側(cè)面。這樣，在膜的內(nèi)外就形成了電位差，該電位差又成了阻止成了阻止K K外流的力量。隨著外流的力量。隨著K K向外擴散，這種電位差越向外擴散，這種電位差越來越大，當(dāng)它與促進來越大，當(dāng)它與促進K K外流的力量達到平衡時，外流的力量達到平衡時，K K的凈流的凈流量為量為0 0，膜內(nèi)外電位差即為靜息電位。，膜內(nèi)外電位差即為靜息電位。2 2動作電位產(chǎn)生的原理分析動作電位產(chǎn)生的原理分析 細胞膜上存在著細胞膜上存在著K K通道和通道和NaNa通道。通道一旦被激通道。通道一旦被激活，則膜對相應(yīng)離子的通透性增大。但膜對活，則膜

17、對相應(yīng)離子的通透性增大。但膜對NaNa、K K通通透性增高在時間上是不一致的。透性增高在時間上是不一致的。NaNa通道蛋白幾乎在瞬通道蛋白幾乎在瞬間被激活。據(jù)測定，在間被激活。據(jù)測定，在0.5 ms0.5 ms內(nèi)，內(nèi)，NaNa通透性即比靜息通透性即比靜息時增加了時增加了500500倍。由于膜內(nèi)外倍。由于膜內(nèi)外NaNa的濃度梯度很大，因此的濃度梯度很大，因此大量的大量的NaNa內(nèi)流，膜兩側(cè)的靜息電位差急劇減小，直至內(nèi)流，膜兩側(cè)的靜息電位差急劇減小，直至新形成的膜內(nèi)正電位足以阻止新形成的膜內(nèi)正電位足以阻止NaNa繼續(xù)內(nèi)流為止，這時繼續(xù)內(nèi)流為止，這時膜兩側(cè)的電位差相當(dāng)于膜兩側(cè)的電位差相當(dāng)于NaNa平

18、衡電位。平衡電位。K K通道蛋白的激通道蛋白的激活稍遲，通透性增加也較緩慢，它導(dǎo)致活稍遲，通透性增加也較緩慢，它導(dǎo)致K K外流逐漸增多，外流逐漸增多，有利于膜的靜息電位恢復(fù)。有利于膜的靜息電位恢復(fù)。3 3動作電位恢復(fù)為靜息電位動作電位恢復(fù)為靜息電位 在動作電位發(fā)生后的恢復(fù)期間，鈉泵活動增強，將在動作電位發(fā)生后的恢復(fù)期間，鈉泵活動增強，將內(nèi)流的內(nèi)流的NaNa排出，同時將透出膜外的排出，同時將透出膜外的K K重新移入膜內(nèi)，重新移入膜內(nèi)，恢復(fù)了原先的離子濃度梯度，重建膜的靜息電位?；謴?fù)了原先的離子濃度梯度，重建膜的靜息電位。 例例4 4 如圖表示槍烏賊離體神經(jīng)如圖表示槍烏賊離體神經(jīng)纖維在纖維在NaN

19、a濃度不同的兩種海水濃度不同的兩種海水中受刺激后的膜電位變化情況。中受刺激后的膜電位變化情況。下列描述錯誤的是下列描述錯誤的是 ( () )A A曲線曲線a a代表正常海水中膜電位的變化代表正常海水中膜電位的變化B B兩種海水中神經(jīng)纖維的靜息電位相同兩種海水中神經(jīng)纖維的靜息電位相同C C低低NaNa海水中神經(jīng)纖維靜息時，膜內(nèi)海水中神經(jīng)纖維靜息時，膜內(nèi)NaNa濃度高于膜外濃度高于膜外D D正常海水中神經(jīng)纖維受刺激時，膜外正常海水中神經(jīng)纖維受刺激時，膜外NaNa濃度高于膜內(nèi)濃度高于膜內(nèi) 解析解析 本題通過圖示的方式顯示了本題通過圖示的方式顯示了NaNa內(nèi)流引發(fā)了動作內(nèi)流引發(fā)了動作電位的原理。未刺激

20、時電位相同，所以兩種海水中神經(jīng)纖電位的原理。未刺激時電位相同，所以兩種海水中神經(jīng)纖維的靜息電位相同。在兩種海水中，均是膜外的維的靜息電位相同。在兩種海水中，均是膜外的NaNa濃度濃度高于膜內(nèi)，只是在正常海水中，膜外和膜內(nèi)的高于膜內(nèi)，只是在正常海水中，膜外和膜內(nèi)的NaNa濃度差濃度差高于低高于低NaNa海水中的濃度差。在受到刺激后，由于正常海海水中的濃度差。在受到刺激后，由于正常海水中膜外和膜內(nèi)的水中膜外和膜內(nèi)的NaNa濃度差較大，所以鈉離子迅速內(nèi)流濃度差較大，所以鈉離子迅速內(nèi)流引發(fā)較大的動作電位，對應(yīng)于曲線引發(fā)較大的動作電位，對應(yīng)于曲線a a，所以曲線，所以曲線a a代表正常代表正常海水中膜電

21、位的變化。海水中膜電位的變化。 答案答案 C C例例1神經(jīng)細胞在靜息時具有靜息電位，受到適宜刺激時神經(jīng)細胞在靜息時具有靜息電位，受到適宜刺激時可迅速產(chǎn)生能傳導(dǎo)的動作電位，這兩種電位可通過儀器測可迅速產(chǎn)生能傳導(dǎo)的動作電位，這兩種電位可通過儀器測量。能正確表示測量神經(jīng)纖維靜息電位示意圖的選項是量。能正確表示測量神經(jīng)纖維靜息電位示意圖的選項是(多多選選) ()解析解析根據(jù)題意，根據(jù)題意，D選項圖示兩電極都在神經(jīng)細胞膜外表選項圖示兩電極都在神經(jīng)細胞膜外表面，面，B選項圖示兩電極都在細胞膜內(nèi)側(cè)，故各處在電位相等，選項圖示兩電極都在細胞膜內(nèi)側(cè)，故各處在電位相等，記錄儀不應(yīng)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，也無法正確測量出神經(jīng)纖維靜息記錄儀不應(yīng)出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，也無法正確測量出神經(jīng)纖維靜息電位。電位。A、C兩選項圖示兩電極一個在膜外，一個在膜內(nèi)，兩選項圖示兩電極一個在膜外，一個在膜內(nèi)，電流由正電位流到負電位，故記錄儀出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是正確電流由正電位流到負電位，故記錄儀出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象是正確的。的。答案答案AC甲圖中的甲圖中的S S是一個刺激器，是一個刺激器，R R表示記錄儀表示記錄