静息电位和动作电位产生的离子基础

神经调节第一讲：神经调节的基本方式及结构基础、神经系统的分级调节第二讲：静息电位和动作电位产生的离子基础第三讲：兴奋的产生、传导和传递静息电位和动作电位产生的离子基础作者：汉水丑生本课件依据笔者发表在《生物学通报》2012年第9期的教学设计制作而成。论文详见：依据论文和课件制作而成的教学视频：完成反射的条件反射弧的结构保持完整性足够强度的刺激枪乌贼的巨大神经纤维直径可达1mm，是研究生物电的理想材料。兴奋的实质是电流，电流是如何产生的？产生电流要求有电位差，所以需要测量神经细胞膜的电位变化。直径小于0.5μm当将两个微电极都放在神经细胞膜外时，在示波器上没有记录到电位差，说明神经细胞膜外各处电位相等。当将一个微电极的尖端刺穿细胞膜瞬间，便可通过示波器记录到－70mV的电位差，表明膜内电位比膜外电位低了70mV。再继续深插此电极，只要电极尖端还留在神经细胞内，则此电位值便不再改变。由于此电位发生在静息状态的神经细胞膜的两侧，故称静息电位（外正内负）。－70mV膜内电位比膜外电位低了70mV规定：膜外电位为零电位依据资料，并结合细胞膜内K+浓度远高于膜外这一事实，提出合理假设来解释膜内电位比膜外低（外正内负）这一现象。K+外流K+高K+低如假设成立，K+是以何种方式流向膜外的？K+外流的动力是什么？协助扩散。K+外流的动力则是细胞膜内外的K+浓度差。后来科学家分离出了膜上的这种载体蛋白，称作K+通道蛋白。K+高K+低如假设成立，增大神经细胞细胞外液的K+浓度，静息电位的数值会如何变化？增大神经细胞细胞外液的K+浓度，则神经细胞内外K+浓度差变小，K+外流量减少，静息电位数值会变小。科学家曾做了这样的实验，的确如此，从而验证了假设。K+高K+低K+会一直外流吗？K+外流后，神经细胞内外K+浓度差会变小，K+外流的动力减小。另外由于K+外流，使细胞内外电位差加大，向内的电场力会阻止K+外流。当向外的化学驱动力（K+浓度差）和向内的电场驱动力达到平衡时，K+停止外流，此时膜内外的电位稳定在－70mV。神经纤维受刺激后，示波器上显示的数字由－70mV逐渐减小到0，并出现+35mV，这说明膜内外的电位发生了什么变化？受刺激后，膜内外的电位差逐渐缩小至0，并出现反转。静息时是膜外电位高于膜内，记做内负外正；发生反转后，膜内电位高于膜外，记做内正外负。－70mV膜内电位比膜外低70mV0mV膜内电位等于膜外电位+35mV膜内电位比膜外高35mV规定：膜外电位为零电位结合膜外Na+浓度远高于膜内这一事实，如何解释膜电位由－70mV逐渐减小到0，并出现+35mV这一现象？假设：膜电位发生反转是由Na+内流引起的K+高K+低Na+低Na+高如假设成立，Na+是以何种方式通过神经细胞膜流向膜内的？Na+会一直内流吗？协助扩散。Na+不会一直内流，因为Na+内流后，神经细胞内外Na+浓度差会变小，Na+内流的动力减小。K+高K+低Na+低Na+高如上述假设成立，减小神经细胞细胞外液的Na+浓度，动作电位的峰值会如何变化？。K+高K+低Na+低Na+高如何解释动作电位由+35mV下降到0，最后恢复为－70mV的静息电位？。K+外流K+高K+低Na+低Na+高K+高K+低资料：在神经细胞兴奋的过程中，有部分K+流到了膜外，部分Na+流到膜内，但恢复静息后，经测定，细胞内的K+浓度和细胞外的Na+浓度与静息时几乎相同，这说明必然存在某种机制将流入细胞内的Na+重新转运到细胞外，否则随着兴奋次数的增多，膜外的Na+浓度会越来越低。同理，也必然存在某种机制将流出细胞的K+重新转运到细胞内，否则细胞内K+浓度会越来越低。K+高K+低Na+低Na+高K+高K+低请问上述资料中，将流入细胞内的Na+重新转运到细胞外以及将流出细胞的K+重新转运到细胞内是通过何种方式？是否消耗能量？主动运输K+高K+低Na+低Na+高K+高K+低丹麦生理学家斯科（JensC.Skou）等人发现了细胞膜上存在钠钾泵，并因此获得了1997年的诺贝尔化学奖。科学家发现，钠钾泵是一种钠钾依赖的ATP酶，能分解ATP释放能量，用于将膜外的K+运进细胞，同时将膜内的Na+运出细胞。细胞内K+浓度高，细胞外Na+浓度高，正是由钠钾泵维持的。人体处于静息状态时，细胞25%的ATP被钠钾泵消耗掉，神经细胞70%的ATP被钠钾泵消耗掉。①AB段，神经细胞静息时，非门控的K+渗漏通道一直开放，K+外流，膜两侧的电位表现为外正内负；②BC段，神经细胞受刺激时，受刺激部位的膜上门控的Na+通道打开，Na+大量内流，膜内外的电位出现反转，表现为外负内正；③CD段，门控的Na+通道关闭，门控的K+通道打开，K+大量外流，膜电位恢复为静息电位后，门控的K+通道关闭；④一次兴奋完成后，钠钾泵将细胞内的Na+泵出，将细胞外的K+泵入，以维持细胞内K+浓度高和细胞外Na+浓度高的状态，为下一次兴奋做好准备。高中生物一轮复习全套教学视频：（2011年浙江4）在离体实验条件下单条神经纤维的动作电位示意图如下，下列叙述正确的（）A．a－b的Na+内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+内流是不需要消耗能量的（2009年山东7）图五表示枪乌贼离体神经纤维在Na+浓度不同的两种海水中受刺激后的膜电位变化情况。下列描述错误的是（）A．曲线a代表正常海水中膜电位的变化B．两种海水中神经纤维的静息电位相同C．低Na+海水中神经纤维静息时，膜内Na+浓度高于膜外D．正常海水中神经纤维受刺激时，膜外Na+浓度高于膜内48．右表是哺乳动物神经元内外两种主要阳离子的浓度。a、b代表的离子分别是＿＿和＿＿。从细胞膜的结构分析，维持这种离子浓度不均匀分布的机制是＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿。Na+、K+通过细胞膜上的Na+、K+运输载体，以主动运输方式进出细胞Na+K+离子神经元内神经元外a5-15mmol/Lb140mmol/L5mmol/L145mmol/L（2012海南15）关于人体神经细胞的叙述，正确的是A.神经细胞轴突末梢可形成多个突触小体B.兴奋通过神经递质在突触处进行双向传递C.神经细胞外Na+内流是产生静息电位的基础D.静息状态的神经细胞膜两侧的电位表现为内正外负A（2007新课标广东）25.神经细胞在静息时具有静息电位，受到适宜刺激时可迅速产生能传导的动作电位，这两种电位可通过仪器测量。A、B、C、D均为测量神经纤维静息电位示意图，正确的是()“汉水丑生的生物同行”超级群大型公益活动：历年高考题PPT版制作。本课件为公益作品，版权所有，未经允许不得擅自修改或用于任何形式的商业用途。2012年1月15日，汉水丑生标记。AC（2008上海）22、下列能正确表示神经纤维受刺激时，刺激点膜电位由静息电位转为动作电位的过程是（）A．①→④B．②→③C．③→②D．④→①D“汉水丑生的生物同行”超级群大型公益活动：历年高考题PPT版制作。本课件为公益作品，版权所有，不得以任何形式用于商业目的。2012年1月15日，汉水丑生标记。D（2009江苏2）下列有关神经兴奋的叙述，正确的是（）A．静息状态时神经元的细胞膜内外没有离子进出B．组织液中Na+浓度增大，则神经元的静息电位减小C．突触间隙中的神经递质经主动运输穿过突触后膜而传递兴奋D．神经纤维接受刺激产生的兴奋以电信号的形式传导（2009安徽30）离体神经纤维某一部位受到适当刺激时，受刺激部位细胞膜两侧会出现暂时性的电位变化，产生神经冲动。图示该部位受刺激前后，膜两侧电位差的变化。请回答：（1）图中a线段表示_______电位；b点膜两侧的电位差为，此时Na+（内、外）流。静息0mV内“汉水丑生的生物同行”超级群大型公益活动：历年高考题PPT版制作。本课件为公益作品，版权所有，不得以任何形式用于商业目的。2012年1月15日，汉水丑生标记。（2010新课标5）将神经细胞置于相当于细胞外液的溶液(溶液S)中，可测得静息电位。给予细胞一个适宜的刺激，膜两侧出现一个暂时性的电位变化，这种膜电位变化称为动作电位。适当降低S溶液中的Na+浓度，测量该细胞的静息电位和动作电位，可观察到()A．静息电位值减小B．静息电位值增大C．动作电位峰值升高D．动作电位峰值降低D（2009宁夏5）下列关于神经兴奋的叙述，错误的是(）A．兴奋部位细胞膜两侧的电位表现为膜内为正、膜外为负B．神经细胞兴奋时细胞膜对Na+通透性增大C．兴奋在反射弧中以神经冲动的方式双向传递D．细胞膜内外K+、Na+分布不均匀是神经纤维兴奋传导的基础C（2010浙江5）下图①-⑤依次表示蛙坐骨神经受到刺激后的电位变化过程。下列分析正确的是()A.图①表示甲乙两个电极处的膜外电位的大小与极性不同B.图②表示甲电极处的膜处于去极化过程，乙电极处的膜处于极化状态C.图④表示甲电极处的膜处于复极化过程，乙电极处的膜处于反极化状态D.图⑤表示甲乙两个电极处的膜均处于极化状态“汉水丑生的生物同行”超级群大型公益活动：历年高考题PPT版制作。本课件为公益作品，版权所有，不得以任何形式用于商业目的。2012年1月15日，汉水丑生标记。D“汉水丑生的生物同行”超级群大型公益活动：历年高考题PPT版制作。本课件为公益作品，版权所有，不得以任何形式用于商业目的。2012年1月15日，汉水丑生标记。“汉水丑生的生物同行”超级群大型公益活动：历年高考题PPT版制作。本课件为公益作品，版权所有，不得以任何形式用于商业目的。2012年1月15日，汉水丑生标记。