必修3第一單元神經(jīng)纖維上電位測(cè)定的方法與原理分析 專題大看臺(tái)

1、神經(jīng)纖維上電位測(cè)定的方法與原理分析神經(jīng)纖維上電位測(cè)定的方法與原理分析(一一)神經(jīng)纖維上電位測(cè)定的方法神經(jīng)纖維上電位測(cè)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(xì)胞和組織，無論是靜息還是活動(dòng)狀態(tài)都具有生物一切活的細(xì)胞和組織，無論是靜息還是活動(dòng)狀態(tài)都具有生物電現(xiàn)象，機(jī)體及其器官所表現(xiàn)的電現(xiàn)象都是以細(xì)胞水平的生電現(xiàn)象，機(jī)體及其器官所表現(xiàn)的電現(xiàn)象都是以細(xì)胞水平的生物電現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。為了研究單一細(xì)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(xì)胞的生物電現(xiàn)象，一般利用某些無脊椎動(dòng)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(dòng)物特有的巨大神經(jīng)或肌肉，如利用槍烏賊的巨大神經(jīng)軸突進(jìn)行細(xì)胞外記

2、錄和細(xì)胞內(nèi)記錄的巨大神經(jīng)軸突進(jìn)行細(xì)胞外記錄和細(xì)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(gè)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(gè)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(jì)，目的是觀察兩電極下方膜的電位變化。位計(jì)，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(xì)胞的生物電現(xiàn)象靜息狀態(tài)下細(xì)胞的生物電現(xiàn)象靜息時(shí)，圖中所示的神經(jīng)細(xì)胞外記錄儀沒有測(cè)出電位靜息時(shí)，圖中所示的神經(jīng)細(xì)胞外記錄儀沒有測(cè)出電位差，說明神經(jīng)細(xì)胞膜外表面各處的電位相等，但不能判差，說明神經(jīng)細(xì)胞膜外表面各處的電

3、位相等，但不能判斷神經(jīng)細(xì)胞膜外表面是正電位還是負(fù)電位。圖中所示的斷神經(jīng)細(xì)胞膜外表面是正電位還是負(fù)電位。圖中所示的細(xì)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(xì)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(fù)電位，則可說明神經(jīng)細(xì)胞膜生的原理，由正電位流到負(fù)電位，則可說明神經(jīng)細(xì)胞膜外表面為正電位，神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)較細(xì)胞膜外為負(fù)電位。外表面為正電位，神經(jīng)細(xì)胞膜內(nèi)較細(xì)胞膜外為負(fù)電位。所以靜息狀態(tài)時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞膜兩側(cè)的電位表現(xiàn)為內(nèi)負(fù)外所以靜息狀態(tài)時(shí)，神經(jīng)細(xì)胞膜兩側(cè)的電位表現(xiàn)為內(nèi)負(fù)外正，也稱為靜息電位。正，也稱為靜息電位。例例1神經(jīng)細(xì)胞在靜息時(shí)具有靜息電位，受到適宜刺激時(shí)神經(jīng)細(xì)胞在靜息

4、時(shí)具有靜息電位，受到適宜刺激時(shí)可迅速產(chǎn)生能傳導(dǎo)的動(dòng)作電位，這兩種電位可通過儀器測(cè)可迅速產(chǎn)生能傳導(dǎo)的動(dòng)作電位，這兩種電位可通過儀器測(cè)量。能正確表示測(cè)量神經(jīng)纖維靜息電位示意圖的選項(xiàng)是量。能正確表示測(cè)量神經(jīng)纖維靜息電位示意圖的選項(xiàng)是(多多選選) ()解析解析根據(jù)題意，根據(jù)題意，D選項(xiàng)圖示兩電極都在神經(jīng)細(xì)胞膜外表選項(xiàng)圖示兩電極都在神經(jīng)細(xì)胞膜外表面，面，B選項(xiàng)圖示兩電極都在細(xì)胞膜內(nèi)側(cè)，故各處在電位相等，選項(xiàng)圖示兩電極都在細(xì)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(cè)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(cè)量出神經(jīng)纖維靜息電位。電位。A、C兩選項(xiàng)圖示兩電極一個(gè)在膜外，一個(gè)在

5、膜內(nèi)，兩選項(xiàng)圖示兩電極一個(gè)在膜外，一個(gè)在膜內(nèi)，電流由正電位流到負(fù)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(fù)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(shí)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象受到刺激時(shí)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象若要觀察受刺激的神經(jīng)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象，往往用細(xì)胞若要觀察受刺激的神經(jīng)細(xì)胞的生物電現(xiàn)象，往往用細(xì)胞外記錄儀測(cè)試電位差的裝置。例如，人教版新課程生物外記錄儀測(cè)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(shí)驗(yàn)示意圖神經(jīng)表面電位差的實(shí)驗(yàn)示意圖”，描述，描述的就是細(xì)胞外記錄，現(xiàn)將這一示意圖細(xì)化如下：的就是細(xì)胞外記錄，現(xiàn)將這一示意圖細(xì)化如

6、下：通過圖示電位計(jì)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(jì)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?fù)電位，接著恢復(fù)正電位；然后，另一電極下方為負(fù)電位，接著恢復(fù)正電位；然后，另一電極下方(c)變?yōu)樨?fù)變?yōu)樨?fù)電位，接著又恢復(fù)為正電位。圖中陰影表示動(dòng)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(dòng)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(shí)，這個(gè)部位膜時(shí)，這個(gè)部位膜的兩側(cè)出現(xiàn)暫時(shí)性的電位變化，由內(nèi)負(fù)外正變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)；的兩側(cè)出現(xiàn)暫時(shí)性的電

7、位變化，由內(nèi)負(fù)外正變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)；而臨近的未興奮部位仍然是內(nèi)負(fù)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(fù)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(dòng)，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(dòng)，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(jì)上能看到兩次偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象。電位計(jì)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)若刺激甲圖中的若刺激甲圖中的A A點(diǎn)，電表指針

8、偏轉(zhuǎn)的情況如何？點(diǎn)，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?。挥糜诖碳ど窠?jīng)和骨骼?。籧 c是放置在傳出神經(jīng)上的電位計(jì)，是放置在傳出神經(jīng)上的電位計(jì)，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(xì)胞接頭部位，是為神經(jīng)與肌細(xì)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(diǎn)或圖乙中點(diǎn)或圖乙中a a處，電位計(jì)均可出現(xiàn)兩次偏轉(zhuǎn)

9、。在乙圖中，若刺激處，電位計(jì)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(jì)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(jì)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(xì)胞膜屬于是一種突觸，傳出神經(jīng)末梢屬于突觸前膜，肌細(xì)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(cè)量單一神經(jīng)纖維靜息電位和動(dòng)作電位測(cè)量單一神經(jīng)纖維靜息電位

10、和動(dòng)作電位 下圖為測(cè)量單一神經(jīng)纖維靜息電位和動(dòng)作電位的實(shí)下圖為測(cè)量單一神經(jīng)纖維靜息電位和動(dòng)作電位的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D：驗(yàn)?zāi)Ｊ綀D：甲圖中的甲圖中的S S是一個(gè)刺激器，是一個(gè)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(gè)電極，一個(gè)放在軸突膜的表面，另一個(gè)連接微它相連有兩個(gè)電極，一個(gè)放在軸突膜的表面，另一個(gè)連接微電極，準(zhǔn)備插入膜內(nèi)。當(dāng)未受到刺激時(shí)，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(shí)，若讓微電極刺穿軸突膜進(jìn)入膜內(nèi)，那么在電極尖端剛剛進(jìn)入膜內(nèi)的瞬間，在記突膜進(jìn)入膜內(nèi)，那么在電極尖端剛剛進(jìn)入膜內(nèi)的瞬間，在記錄儀上將顯示膜內(nèi)持續(xù)處于較膜外低錄儀上將顯示膜內(nèi)

11、持續(xù)處于較膜外低70 mV70 mV的負(fù)電位狀態(tài)。的負(fù)電位狀態(tài)。當(dāng)神經(jīng)受到一次短促的外加刺激時(shí)，膜內(nèi)原來存在的負(fù)電位當(dāng)神經(jīng)受到一次短促的外加刺激時(shí)，膜內(nèi)原來存在的負(fù)電位消失，進(jìn)而變成正電位，即膜內(nèi)電位在短暫時(shí)間內(nèi)由原來的消失，進(jìn)而變成正電位，即膜內(nèi)電位在短暫時(shí)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(shí)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(shí)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(fù)電位狀態(tài)少，恢復(fù)到受刺激前原有的負(fù)電位狀態(tài)( (如乙圖如乙圖) ) 例例33神

12、經(jīng)電位的測(cè)量裝置如下圖甲所示，其中箭頭表神經(jīng)電位的測(cè)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(shí)驗(yàn)條件不變，則測(cè)量結(jié)果兩電極均置于膜外，其他實(shí)驗(yàn)條件不變，則測(cè)量結(jié)果是哪一個(gè)選項(xiàng)是哪一個(gè)選項(xiàng) ( () ) 解析解析 該題考查的思維含量較大，側(cè)重考查對(duì)測(cè)量部位該題考查的思維含量較大，側(cè)重考查對(duì)測(cè)量部位與膜電位的變化分析能力。由于測(cè)量裝置圖中與膜電位的變化分析能力。由于測(cè)量

13、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(shí)為負(fù)電位，受刺激后，興奮部位由外正內(nèi)負(fù)變?yōu)橥庳?fù)內(nèi)時(shí)為負(fù)電位，受刺激后，興奮部位由外正內(nèi)負(fù)變?yōu)橥庳?fù)內(nèi)正，圖中電位由負(fù)電位正，圖中電位由負(fù)電位00電位電位負(fù)電位，隨后恢復(fù)靜息電負(fù)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00電位電位負(fù)電位。若記錄儀的負(fù)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(fù)電位負(fù)電位00電位；隨后恢復(fù)靜息電位，圖中電位由電位；隨后恢復(fù)靜息

14、電位，圖中電位由0 0電位電位正電位正電位00電位。所以，電位。所以，C C選項(xiàng)是正確的。選項(xiàng)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(xì)胞膜內(nèi)外離子分布不均和未受刺激時(shí)膜主要對(duì)細(xì)胞膜內(nèi)外離子分布不均和未受刺激時(shí)膜主要對(duì)K K有通透性是細(xì)胞保持膜內(nèi)為負(fù)電位、膜外為正電位的有通透性是細(xì)胞保持膜內(nèi)為負(fù)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、K K分布不均主要是分布不均主要是“鈉鉀泵鈉

15、鉀泵”活動(dòng)的活動(dòng)的結(jié)果。能逆著濃度梯度將細(xì)胞內(nèi)的結(jié)果。能逆著濃度梯度將細(xì)胞內(nèi)的NaNa移到膜外，同時(shí)移到膜外，同時(shí)將細(xì)胞外將細(xì)胞外K K移入膜內(nèi)的機(jī)制稱為移入膜內(nèi)的機(jī)制稱為“鈉鉀泵鈉鉀泵”。靜息時(shí)，。靜息時(shí)，細(xì)胞膜主要對(duì)細(xì)胞膜主要對(duì)K K有通透性，細(xì)胞膜內(nèi)的有通透性，細(xì)胞膜內(nèi)的K K可順著濃度可順著濃度梯度向膜外擴(kuò)散；帶負(fù)電的有機(jī)陰離子不能透過梯度向膜外擴(kuò)散；帶負(fù)電的有機(jī)陰離子不能透過細(xì)胞膜，細(xì)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(fù)電荷相互吸引，正負(fù)電荷相互吸引，K K不能遠(yuǎn)離細(xì)胞膜，只能聚集在膜的不能遠(yuǎn)離細(xì)胞膜，只能聚集在膜的外側(cè)面。這

16、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(kuò)散，這種電位差越向外擴(kuò)散，這種電位差越來越大，當(dāng)它與促進(jìn)來越大，當(dāng)它與促進(jìn)K K外流的力量達(dá)到平衡時(shí)，外流的力量達(dá)到平衡時(shí)，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(dòng)作電位產(chǎn)生的原理分析動(dòng)作電位產(chǎn)生的原理分析 細(xì)胞膜上存在著細(xì)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(duì)相應(yīng)離子的通透性增大。但膜對(duì)活，則膜對(duì)相應(yīng)離子的通透性增大。但膜對(duì)NaNa、K

17、K通通透性增高在時(shí)間上是不一致的。透性增高在時(shí)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(cè)定，在間被激活。據(jù)測(cè)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(shí)增加了時(shí)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(shí)繼續(xù)內(nèi)流為止，這時(shí)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平衡電位。平衡電位。K K通道蛋白的激通道蛋白

18、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(dòng)作電位恢復(fù)為靜息電位動(dòng)作電位恢復(fù)為靜息電位 在動(dòng)作電位發(fā)生后的恢復(fù)期間，鈉泵活動(dòng)增強(qiáng)，將在動(dòng)作電位發(fā)生后的恢復(fù)期間，鈉泵活動(dòng)增強(qiáng)，將內(nèi)流的內(nèi)流的NaNa排出，同時(shí)將透出膜外的排出，同時(shí)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NaNa濃度不同的兩種海水濃度不同的兩種海水中受刺激后