静息电位和动作电位及其产生原理

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“静息电位和动作电位产生机理”的教学设计

作者：陈学大

来源：《中学课程辅导·教育科研》2019年第22期

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; ; ; ; 【摘要】 ;通过对人教版教材内容的再处理，使学生清晰地理解静息电位和动作电位产生的机理，培养了学生的生物学科核心素养，提高了高三学生的解题能力。

【关键词】 ;钠泵 漏通道 电压门 控通道

【中图分类号】 ;G633.7 ; ; ; ; ; ; 【文献标识码】 ;A ; 【文章编号】 ;1992-7711（2019）22-137-02

一、教学设计的背景

在多年的高三教学中，当复习到《通过神经系统的调节》这一节时，同学们对“静息电位和动作电位产生的机理”不甚清楚，以及“钾离子外流和钠离子内流的跨膜运输方式”和“钾离子内流和钠离子外流的跨膜运输方式”不清楚。如果到教材中去找答案，人教版教材P18小字部分的介绍也简略。对于上述问题的解决还是有困难。为此，我对原教材内容进行了丰富，增加了“钠钾泵”、“渗漏性通道和电压门控通道”等内容，形成了此课题的教学设计，希望对高三教师同仁有所裨益。

二、教学目标

1.神经细胞膜内外钠、钾离子分布不均匀的原因

2.静息电位和动作电位的产生机理

三、教学重点和难点 龙源期刊网

教学重点

1.钠——钾泵的作用

2.静息电位和动作电位的产生机理

教学难点

1.钠——钾泵的作用

2.静息电位时，膜内、外的钾离子浓度高低以及钾离子跨膜方式

3.动作电位时，膜内、外的钠离子浓度高低以及钠离子跨膜方式

四、教学过程

情境导入：早在1791年，意大利解剖学家伽伐尼发现兴奋传导实际上是一种生物电现象。但是神经纤维很细，做实验困难。到20世纪30年代英国科学家发现乌贼的巨大神经纤维是实验的理想材料，它粗大的轴突直径可达1毫米，使测量电位差的微电极易于插入，为开展实验提供了方便。取两个微电极，一个插入神经纤维内，一个接到神经纤维膜表面，用微伏计测出膜内外的电位差。结果显示，膜外为正电位，膜内为负电位。为什么会出现电位差呢？这与神经纤维内外存在着离子浓度的差异有关。科学家对膜内外、外几种离子成分进行精细的测定，结果如表所示。

静息电位和动作电位的概念及形成机制

静息电位和动作电位的概念及形成机制

一、静息电位的概念及形成机制

1. 静息电位的概念

静息电位是指神经细胞在未被刺激时的电位状态。在静息状态下，细胞内外存在电化学梯度，使神经元内外细胞膜的电位差保持在负数水平，为-70mV左右。

2. 静息电位的形成机制

静息电位的形成主要与离子的通透性和Na+/K+泵有关。在静息状态下，细胞膜上的Na+和K+离子通道处于闭合状态，但是Na+/K+泵仍在起作用，将细胞内的Na+排出，K+输进，维持细胞内外的离子平衡，保持负电位。

3. 静息电位的重要性

静息电位是神经细胞正常功能的基础，它保证了细胞对外部刺激的敏感性，使神经元能够正常传递和处理信息。

二、动作电位的概念及形成机制

1. 动作电位的概念

动作电位是神经元在受到刺激时产生的短暂的电位变化。它是神经元传递信息的基本单位，具有快速传导和全或无的特点。

2. 动作电位的形成机制

动作电位的形成包括兴奋、去极化和复极化三个阶段。当神经元受到足够的刺激时，细胞膜上的Na+通道打开，Na+大量流入细胞内，使细胞内外电位逆转，形成去极化；随后Na+通道关闭，K+通道打开，K+大量流出，使细胞内外电位恢复，形成复极化。

3. 动作电位的重要性

动作电位是神经元传递信息的方式，它能够在神经元内外迅速传递信息，使神经元之间能够进行有效的通讯，实现信息的处理和传递。

总结与回顾：

静息电位和动作电位是神经元活动的重要基础。静息电位维持着神经元的正常状态，使其对外部刺激保持敏感；而动作电位则实现了神经元信息的传递，是神经元活动中最基本的过程之一。

在细胞水平上，静息电位的形成主要与离子的通透性和Na+/K+泵有关，通过保持细胞内外的离子平衡来维持静息状态；而动作电位的形成则依赖于离子通道的开闭和离子内外的流动，通过电压门控离子通道的开合来实现电位的变化。

个人观点和理解：

静息电位和动作电位是神经元活动的核心过程，对于理解神经元的功能和信息传递具有重要意义。通过对静息电位和动作电位的深入理解，可以更好地认识神经元的基本工作原理，为神经科学领域的研究提供基础。

动作电位、静息电位等的产生机制及特征:

静息电位产生的原理是这样的：神经元在静息情况下，细胞膜对K+具有较高的通透性，而对Na+等的通透性很低，并且胞内K+的浓度要远远高于胞外，因此在浓度差的驱动下，K+从胞内流向胞外，而由于K+带有1个正电荷的电量，因此随着K+的流动，膜两侧会形成一个逐渐增大的电位差，这个电位差则会阻止K+进一步进行跨膜扩散。当促进K+向外流动的浓度差与阻止K+向外流动的电位差相等时，离子的净移动就会停止，这是跨膜的电位差称为K+离子的平衡电位（equilibrium potential），可以根据能斯特（Nernst）方程计算出K+的平衡电位，

[K]ln[K]oKiRTEZF

以上的能斯特方程中，EK为K+的平衡电位，R为气体常数，T为绝对温度，Z为离子价数，F为法拉第常数，[K]o和 [K]i分别为钾离子在胞外和胞内的浓度，我们将上述参数的值代入后可以计算出K+的平衡电位为-75mV，而同样的也可以计算出Na+的平衡电位为+55mV。根据这一能斯特理论，1902年这一静息电位产生机制的“膜假说”被提出了，尽管多数人们接受这一理论，但一直未能得到证实。直到1939年，生物学家Hodgkin和Huxley从枪乌贼的巨大神经轴突中第一次精确记录到了静息电位，结果为-60 mV，与计算推测的K+的平衡电位接近，证实了“膜假说”的可靠性。但实际的静息电位Em并不完全等于EK，而是介于EK和ENa之间。这说明静息电位的形成主要是K+跨膜流动形成的，但Na+的流动也参与其中。

我们在理解了静息电位产生的机制之后，进一步来探讨动作电位的机制。我们知道电位的变化，归根到底就是膜两侧的离子快速跨膜流动的结果。经过近20年的时间，随着实验技术特别是电压钳、膜片钳(patch clamp technique)等技术的发展，生物学家通过不断的实验研究，才逐渐明确了动作电位的产生机制。动作电位的去极化相是由带正电荷的离子从胞外向胞内移动（例如Na+和Ca2+的内流）产生的，称为内向电流（inwar current），相反动作电位的复极化相是由带正电荷的离子（K+）从胞内向胞外移动产生的，称为外向电流（outward

静息电位

（Resting Potential , RP ）

概念：静息电位是指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的外正内负的电位差。由于这一电位差存在于安静细胞膜的两侧，故亦称跨膜静息电位，简称静息电位或膜电位。

形成机理：静息电位产生的基本原因是离子的跨膜扩散，和钠- 钾泵的特点也有关系。细胞膜内K+浓度高于细胞外。安静状态下膜对K+通透性大， K+顺浓度差向膜外扩散，膜内的蛋白质负离子不能通过膜而被阻止在膜内，结果引起膜外正电荷增多，电位变正；膜内负电荷相对增多，电位变负，产生膜内外电位差。这个电位差阻止K+进一步外流，当促使K+外流浓度差和阻止K+外流的电位差这两种相互对抗的力量相等时，K+外流停止。膜内外电位差便维持在一个稳定的状态，即静息电位。

测定静息电位的方法：插入膜内的是尖端直径＜1μm的玻璃管微电极，管内充以KCl溶液，膜外为参考电极，两电极连接到电位仪测定极间电位差。静息电位都表现为膜内比膜外电位低，即膜内带负电而膜外带正电。这种内负外正的状态，称为极化状态。静息电位是一种稳定的直流电位，但各种细胞的数值不同。哺乳动物的神经细胞的静息电位为-70mV（即膜内比膜外电位低70mV），骨骼肌细胞为-90mV，人的红细胞为-10mV。

静息电位的产生与细胞膜内外离子的分布和运动有关。正常时细胞内的K+浓度和有机负离子A-浓度比膜外高，而细胞外的Na+浓度和Cl-浓度比膜内高。在这种情况下，K+和A-有向膜外扩散的趋势，而Na+和Cl-有向膜内扩散的趋势。但细胞膜在安静时，对K+的通透性较大，对Na+和Cl-的通透性很小，而对A-几乎不通透。因此，K+顺着浓度梯度经膜扩散到膜外使膜外具有较多的正电荷，有机负离子A-由於不能透过膜而留在膜内使膜内具有较多的负电荷。这就造成了膜外变正、膜内变负的极化状态。由K+扩散到膜外造成的外正内负的电位差，将成为阻止K+外移的力量，而随着K+外移的增加，阻止K+外移的电位差也增大。当促使K+外移的浓度差和阻止K+外移的电位差这两种力量达到平衡时，经膜的K+净通量为零，即K+外流和内流的量相等。此时，膜两侧的电位差就稳定于某一数值不变，此电位差称为K+的平衡电位，也就是静息电位。其具体数值可按Nernst公式计算。