“靜息電位和動作電位產生機理”的教學設計

陳學大

【關鍵詞】 ?鈉泵 漏通道 電壓門 控通道

【中圖分類號】 ?G633.7 ? ? ? ? ? ? 【文獻標識碼】 ?A ? 【文章編號】 ?1992-7711（2019）22-137-02

一、教學設計的背景

在多年的高三教學中，當復習到《通過神經系統的調節》這一節時，同學們對“靜息電位和動作電位產生的機理”不甚清楚，以及“鉀離子外流和鈉離子內流的跨膜運輸方式”和“鉀離子內流和鈉離子外流的跨膜運輸方式”不清楚。如果到教材中去找答案，人教版教材P18小字部分的介紹也簡略。對于上述問題的解決還是有困難。為此，我對原教材內容進行了豐富，增加了“鈉鉀泵”、“滲漏性通道和電壓門控通道”等內容，形成了此課題的教學設計，希望對高三教師同仁有所裨益。

二、教學目標

1.神經細胞膜內外鈉、鉀離子分布不均勻的原因

2.靜息電位和動作電位的產生機理

三、教學重點和難點

教學重點

1.鈉——鉀泵的作用

2.靜息電位和動作電位的產生機理

教學難點

1.鈉——鉀泵的作用

2.靜息電位時，膜內、外的鉀離子濃度高低以及鉀離子跨膜方式

3.動作電位時，膜內、外的鈉離子濃度高低以及鈉離子跨膜方式

四、教學過程

情境導入：早在1791年，意大利解剖學家伽伐尼發現興奮傳導實際上是一種生物電現象。但是神經纖維很細，做實驗困難。到20世紀30年代英國科學家發現烏賊的巨大神經纖維是實驗的理想材料，它粗大的軸突直徑可達1毫米，使測量電位差的微電極易于插入，為開展實驗提供了方便。取兩個微電極，一個插入神經纖維內，一個接到神經纖維膜表面，用微伏計測出膜內外的電位差。結果顯示，膜外為正電位，膜內為負電位。為什么會出現電位差呢？這與神經纖維內外存在著離子濃度的差異有關。科學家對膜內外、外幾種離子成分進行精細的測定，結果如表所示。

教師提問：為什么膜內、外能維持如此大的離子濃度差呢？（激起學生求知欲）

1.教師展示“鈉泵”模式圖

（1）老師引導：請同學們仔細觀察上圖，說一說膜外和膜內離子分布情況？鈉泵有何特點？

學生思考：膜外的鈉離子多，膜內的鉀離子多。鈉泵上分別有結合Na+和K+的位點，能向外泵出Na+同時向內攝入K+，需要消耗ATP，其過程是主動運輸（逆濃度梯度且需載體和能量）。

老師講述：它是鑲嵌在細胞膜脂質雙分子層中具有ATP酶活性的一種特異蛋白質，在Mg2+存在的條件下，可被膜外的K+或膜內的Na+所激活，因此又稱為鈉-鉀依賴ATP酶。鈉泵被激活后分解ATP并釋放能量，用于轉運Na+和K+。一般認為，鈉泵每分解一個ATP分子，即可排出3個Na+和攝入2個K+，鈉泵普遍存在于動物的各種細胞膜上。

（2）教師總結：由于鈉泵的作用，造成神經細胞膜兩側Na+、K+的不均勻分布。

2.靜息電位產生機理

（1）神經細胞膜上存在2種漏通道，一種是漏K+通道，還有一種是漏Na+通道，但由于漏Na+通道極少，因此Na+的擴散速率很低。靜息狀態下，細胞膜主要對K+有通透性，造成K+外流，使膜外陽離子濃度高于膜內，這是大多數神經細胞產生和維持靜息電位的原因。

（2）老師設問：K+外流是何種運輸方式？能無限制的外流嗎？

學生判斷：協助擴散（因為是順濃度梯度和需要載體）;不能無限制外流，當膜內和膜外K+濃度一樣時，K+跨膜的凈流動速率為零。

老師指出：同學們對K+的跨膜運輸方式判斷正確。但K+跨膜的凈流動速率為零時，膜內和膜外K+濃度會一樣嗎？

老師引導：當膜內和膜外K+濃度一樣時，此時膜內外的電位如何？

學生判斷：膜外為正，膜內為負。

老師繼續引導：如果是這樣，膜外的K+又會回流至膜內啊！為何？

學生思考討論：因膜外為正，膜內為負，這種電勢梯度會驅動膜外的K+進入膜內，從而使膜內外K+濃度不等。故K+跨膜的凈流動速率為零時，膜內和膜外K+濃度不一樣。而且膜外K+濃度低于膜內K+濃度。（學生恍然大悟）

（3）老師總結：在靜息狀態下，膜的通透性主要表現為通過漏K+通道的K+外流，當K+擴散造成膜兩側的電位梯度足以對抗由于濃度梯度所引起的K+進一步擴散時，離子的移動就達到平衡狀態，這時跨膜的K+凈通量為零。這種電位差稱為靜息電位。動物生理學上常把膜外的電位定義為0，則靜息電位為-70mV

（4）進一步提問：如果細胞外K+濃度降低時，靜息電位值如何變化？膜外K+濃度增高呢？改變Na+濃度，影不影響靜息電位值？

學生思考：靜息電位增大、減小、不影響。

3.動作電位產生機理

（1）神經細胞膜上還存在2種通道，即（電壓門控）Na+通道和（電壓門控）K+通道。這兩種電壓門控通道與上述的漏通道相比，漏通道平時比較穩定，對外界的刺激不是很感冒，所以漏通道一直開放著;而電壓門控通道只在刺激發生時打開。在受刺激時，Na+通道打開，細胞膜對Na+通透性增加，Na+迅速內流，使興奮部位膜內側的陽離子濃度高于膜外側，表現為內正外負，這種膜電位變化稱為動作電位。。

（2）老師設問：Na+通道打開，Na+內流，其跨膜運輸的方式是什么？Na+內流的驅動力有哪兩種？

學生討論：協助擴散（因為是順濃度梯度和需要載體）;驅動力有濃度梯度和由外向內的電勢梯度。

老師進一步提問：Na+能無限制內流嗎？為什么？什么時候凈通量為零？此時膜外Na+濃度與膜內相比，大小如何？

學生討論：不能，因為當膜電位轉變為外負內正時，這時的電位梯度是阻止Na+內流的。當濃度梯度驅動Na+向細胞內擴散與電位梯度阻止Na+向內擴散的兩種力量達到平衡時，Na+凈通量為零。但此時膜外Na+濃度仍然能高于膜內Na+濃度。

有的同學可能會進一步提問：動作電位期間內流的鈉離子在恢復為靜息電位的過程中，肯定要跨膜出去，會以什么方式跨膜呢？其載體會是什么？

這時老師可以讓學生自己想想，結果不難得出：主動運輸（因是逆濃度梯度），載體是鈉泵。（至此，學生終于明白：離子進出細胞什么情況是主動轉運，什么情況又是協助擴散。）

（3）老師總結：動作電位產生的離子基礎是（電壓門控）Na+通道打開，Na+內流。當興奮部位的Na+凈通量為零時，這時的電位差值即是動作電位的峰值。通常為+30mV.

動作電位如圖所示：

（4）老師提問：如果把神經浸浴于無Na+的溶液時，有動作電位出現嗎？如果浸浴于高濃度的Na+溶液時，動作電位的峰值有何變化？

學生討論：無動作電位。動作電位的峰值變大，因膜內外的Na+濃度差增加，Na+內流變大，使動作電位的峰值增加。

五、課堂鞏固練習

1. （2016全國卷Ⅰ第2題）離子泵是一張具有ATP水解酶活性的載體蛋白，能利用水解ATP釋放的能量跨膜運輸離子。下列敘述正確的是

A.離子通過離子泵的跨膜運輸屬于協助擴散

B.離子通過離子泵的跨膜運輸是順著濃度階梯進行的

C.動物一氧化碳中毒會降低離子泵擴膜運輸離子的速率

D.加入蛋白質變性劑會提高離子泵擴膜運輸離子的速率

【答案】C

2.（2009山東卷第8題）如圖表示槍烏賊離體神經纖維在Na+濃度不同的兩種海水中受刺激后的膜電位變化情況。下列描述錯誤的是（ ）

A.曲線a代表正常海水中膜電位的變化

B.兩種海水中神經纖維的靜息電位相同

C.低Na+海水中神經纖維靜息時，膜內Na+濃度高于膜外

D.正常海水中神經纖維受刺激時，膜外Na+濃度高于膜內

【答案】C

3.2010全國卷Ⅰ第5題）將神經細胞置于相當于細胞外液的溶液（溶液S）中，可測得靜息電位。給予細胞一個適宜的刺激，膜兩側出現一個暫時性的電位變化，這種膜電位變化稱為動作電位。適當降低溶液S中的Na+濃度，測量該細胞的靜息電位和動作電位，可觀察到

A.靜息電位值減小 ? ? ? ?B.靜息電位值增大

C.動作電位峰值升高 ? ?D.動作電位峰值降低

【答案】D

4.2011浙江卷第3題）在離體實驗條件下單條神經纖維的電位示意圖如下，下列敘述正確的是（ ）

A.a—b段的Na+內流是需要消耗能量的

B.b—c段的Na+外流是不需要消耗能量的

C.c—d段的K+外流是不需要消耗能量的

D.d—e段的K+內流是需要消耗能量的

【答案】C

六、課后反思

1.（1）本課對教材所述內容進行了補充和完善，補充了“鈉泵”，使學生明白導致神經細胞膜兩側Na+、K+分布不均勻的原因;（2）明晰了“漏通道”和“（電壓門控）Na+通道和K+通道”，使學生進一步明白了靜息電位、動作電位產生的機理和離子跨膜運輸的方式;（3）根據學生的學情設置了一系列問題，很好地培養了學生的理性思維和生命觀念;（4）通過課堂練習，鞏固了學生所學知識和提高解決問題的能力。（5）通過本課學習，也使學生明白分析問題時要看事物的主要方面，考慮主要矛盾，如分析靜息電位的成因時，我們主要考慮了漏K+通道。漏Na+通道因為極少不是要考慮的重點。

2.結合人教版的教材內容和往年的高考試題的考情，我認為對于湖南的高三學子來說，“靜息電位恢復”的離子基礎（動作電位達到峰值后，此時Na+通道關閉和K+通道打開以及在超極化之后鈉泵的作用）是不做要求，故在本節設計中基本沒體現。

3.正是由于對教材內容加工的精準處理，又結合學情設置了問題與選好習題，使課堂順暢，學生對本節內容掌握很好。

[ 參 ?考 ?文 ?獻 ]

[1]人體及動物生理學第1版和第3版高等教育出版社.

[2]普通高中課程標準實驗教科書《穩態與環境》人民教育出版社.