“静息电位和动作电位产生机理”的教学设计

陈学大

【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

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。

教师提问：为什么膜内、外能维持如此大的离子浓度差呢？（激起学生求知欲）

1.教师展示“钠泵”模式图

（1）老师引导：请同学们仔细观察上图，说一说膜外和膜內离子分布情况？钠泵有何特点？

学生思考：膜外的钠离子多，膜内的钾离子多。钠泵上分别有结合Na+和K+的位点，能向外泵出Na+同时向内摄入K+，需要消耗ATP，其过程是主动运输（逆浓度梯度且需载体和能量）。

老师讲述：它是镶嵌在细胞膜脂质双分子层中具有ATP酶活性的一种特异蛋白质，在Mg2+存在的条件下，可被膜外的K+或膜内的Na+所激活，因此又称为钠-钾依赖ATP酶。钠泵被激活后分解ATP并释放能量，用于转运Na+和K+。一般认为，钠泵每分解一个ATP分子，即可排出3个Na+和摄入2个K+，钠泵普遍存在于动物的各种细胞膜上。

（2）教师总结：由于钠泵的作用，造成神经细胞膜两侧Na+、K+的不均匀分布。

2.静息电位产生机理

（1）神经细胞膜上存在2种漏通道，一种是漏K+通道，还有一种是漏Na+通道，但由于漏Na+通道极少，因此Na+的扩散速率很低。静息状态下，细胞膜主要对K+有通透性，造成K+外流，使膜外阳离子浓度高于膜内，这是大多数神经细胞产生和维持静息电位的原因。

（2）老师设问：K+外流是何种运输方式？能无限制的外流吗？

学生判断：协助扩散（因为是顺浓度梯度和需要载体）;不能无限制外流，当膜内和膜外K+浓度一样时，K+跨膜的净流动速率为零。

老师指出：同学们对K+的跨膜运输方式判断正确。但K+跨膜的净流动速率为零时，膜内和膜外K+浓度会一样吗？

老师引导：当膜内和膜外K+浓度一样时，此时膜内外的电位如何？

学生判断：膜外为正，膜内为负。

老师继续引导：如果是这样，膜外的K+又会回流至膜内啊！为何？

学生思考讨论：因膜外为正，膜内为负，这种电势梯度会驱动膜外的K+进入膜内，从而使膜内外K+浓度不等。故K+跨膜的净流动速率为零时，膜内和膜外K+浓度不一样。而且膜外K+浓度低于膜内K+浓度。（学生恍然大悟）

（3）老师总结：在静息状态下，膜的通透性主要表现为通过漏K+通道的K+外流，当K+扩散造成膜两侧的电位梯度足以对抗由于浓度梯度所引起的K+进一步扩散时，离子的移动就达到平衡状态，这时跨膜的K+净通量为零。这种电位差称为静息电位。动物生理学上常把膜外的电位定义为0，则静息电位为-70mV

（4）进一步提问：如果细胞外K+浓度降低时，静息电位值如何变化？膜外K+浓度增高呢？改变Na+浓度，影不影响静息电位值？

学生思考：静息电位增大、减小、不影响。

3.动作电位产生机理

（1）神经细胞膜上还存在2种通道，即（电压门控）Na+通道和（电压门控）K+通道。这两种电压门控通道与上述的漏通道相比，漏通道平时比较稳定，对外界的刺激不是很感冒，所以漏通道一直开放着;而电压门控通道只在刺激发生时打开。在受刺激时，Na+通道打开，细胞膜对Na+通透性增加，Na+迅速内流，使兴奋部位膜内侧的阳离子浓度高于膜外侧，表现为内正外负，这种膜电位变化称为动作电位。。

（2）老师设问：Na+通道打开，Na+内流，其跨膜运输的方式是什么？Na+内流的驱动力有哪两种？

学生讨论：协助扩散（因为是顺浓度梯度和需要载体）;驱动力有浓度梯度和由外向内的电势梯度。

老师进一步提问：Na+能无限制内流吗？为什么？什么时候净通量为零？此时膜外Na+浓度与膜内相比，大小如何？

学生讨论：不能，因为当膜电位转变为外负内正时，这时的电位梯度是阻止Na+内流的。当浓度梯度驱动Na+向细胞内扩散与电位梯度阻止Na+向内扩散的两种力量达到平衡时，Na+净通量为零。但此时膜外Na+浓度仍然能高于膜内Na+浓度。

有的同学可能会进一步提问：动作电位期间内流的钠离子在恢复为静息电位的过程中，肯定要跨膜出去，会以什么方式跨膜呢？其载体会是什么？

这时老师可以让学生自己想想，结果不难得出：主动运输（因是逆浓度梯度），载体是钠泵。（至此，学生终于明白：离子进出细胞什么情况是主动转运，什么情况又是协助扩散。）

（3）老师总结：动作电位产生的离子基础是（电压门控）Na+通道打开，Na+内流。当兴奋部位的Na+净通量为零时，这时的电位差值即是动作电位的峰值。通常为+30mV.

动作电位如图所示：

（4）老师提问：如果把神经浸浴于无Na+的溶液时，有动作电位出现吗？如果浸浴于高浓度的Na+溶液时，动作电位的峰值有何变化？

学生讨论：无动作电位。动作电位的峰值变大，因膜内外的Na+浓度差增加，Na+内流变大，使动作电位的峰值增加。

五、课堂巩固练习

1. （2016全国卷Ⅰ第2题）离子泵是一张具有ATP水解酶活性的载体蛋白，能利用水解ATP释放的能量跨膜运输离子。下列叙述正确的是

A.离子通过离子泵的跨膜运输属于协助扩散

B.离子通过离子泵的跨膜运输是顺着浓度阶梯进行的

C.动物一氧化碳中毒会降低离子泵扩膜运输离子的速率

D.加入蛋白质变性剂会提高离子泵扩膜运输离子的速率

【答案】C

2.（2009山东卷第8题）如图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.兩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

【答案】C

3.2010全国卷Ⅰ第5题）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。适当降低溶液S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

【答案】D

4.2011浙江卷第3题）在离体实验条件下单条神经纤维的电位示意图如下，下列叙述正确的是（ ）

A.a—b段的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+内流是需要消耗能量的

【答案】C

六、课后反思

1.（1）本课对教材所述内容进行了补充和完善，补充了“钠泵”，使学生明白导致神经细胞膜两侧Na+、K+分布不均匀的原因;（2）明晰了“漏通道”和“（电压门控）Na+通道和K+通道”，使学生进一步明白了静息电位、动作电位产生的机理和离子跨膜运输的方式;（3）根据学生的学情设置了一系列问题，很好地培养了学生的理性思维和生命观念;（4）通过课堂练习，巩固了学生所学知识和提高解决问题的能力。（5）通过本课学习，也使学生明白分析问题时要看事物的主要方面，考虑主要矛盾，如分析静息电位的成因时，我们主要考虑了漏K+通道。漏Na+通道因为极少不是要考虑的重点。

2.结合人教版的教材内容和往年的高考试题的考情，我认为对于湖南的高三学子来说，“静息电位恢复”的离子基础（动作电位达到峰值后，此时Na+通道关闭和K+通道打开以及在超极化之后钠泵的作用）是不做要求，故在本节设计中基本没体现。

3.正是由于对教材内容加工的精准处理，又结合学情设置了问题与选好习题，使课堂顺畅，学生对本节内容掌握很好。

[ 参  考  文  献 ]

[1]人体及动物生理学第1版和第3版高等教育出版社.

[2]普通高中课程标准实验教科书《稳态与环境》人民教育出版社.