细胞的生物电现象

杭州第十四中学 张静 2012-4-25

主要参考书目

细胞的生物电现象解读电位模式图静息电位动作电位兴奋后周期性改变例题剖析

一、解读电位模式图界定几个名词 （ 1 ）极化 反极化 超极化 （ 2 ）静息电位 动作电位（峰电位 + 后电位） （ 3 ）去极化 复极化 （ 4 ）绝对不应期 相对不应期 超常期 低常期

一、解读电位模式图

0 a

b

c

d

e f

极化 反极化超极化静息电位 动作电位去极化 复极化绝对不应期 相对不应期超常期 低常期

g

二、静息电位

参考电极 A 置于细胞外液，因其接地，故保持在零电位水平；测量电极 B 是尖端极细的微电极，能够插入细胞内而不明显损伤细胞。由此测量电极记录到的电位就是以细胞外为零电位的膜电位。

静息电位的大小通常以细胞内负值的大小来判断。

1 、概 念静息时，质膜两侧存在着外正内负的电位差，称为静息电位 (resting potential， RP) 。2 、测 量

3. 静息电位的形成静息电位是安静情况下以 K+ 外流为主

的多种离子转运的综合结果

形成机制：（ 1 ）膜两侧离子的浓度梯度（ 2 ）膜对离子的通透性（ 3 ）钠泵的生电作用

3. 静息电位形成机制

（ 1 ）浓度梯度 离子跨膜扩散 离子的平衡电位

引 起

决 定

浓度梯度：通过细胞膜上的离子泵的活动形成和维持。 例如：细胞外高 Na+ ，细胞内高 K+离子跨膜扩散：离子在浓度梯度的驱动下，顺着浓度差发生跨膜扩散。由于本身带电荷，随着扩散在膜两侧形成电位差。电化学驱动力：带电离子的跨膜扩散受到膜两侧离子的浓度差和电位差两个驱动力的影响。即是两者的代数和。

平衡电位：当阻碍离子扩散的电位差驱动力和促进离子扩散的浓度驱动力相等时，电化学驱动力便等于零，离子的净移动停止，跨膜扩散形成的电位差也就稳定下来了，这时的跨膜电位差称为跨膜扩散离子的平衡电位。

Nernst 公式计算离子平衡电位

静息电位并不等于 Ek, 而是介于 Ek和 ENa 之间，更接近 Ek 。 说明什么？

（ 2 ）膜对离子的通透性决定了该离子在静息电位形成中的贡献

说明：静息电位的形成主要是（但并不完全是） K+ 的跨膜流动形成的。细胞膜对Na+ 的通透性和随之出现的 Na+ 跨膜移动（Na+ 内流）也参与了静息电位的形成。

进行权重后的静息电位

式中 Em 为静息电位， PK和 PNa 分别为膜对 K+和 Na+ 的通透性。

E-Na

E-K

E-Cl

（ 3 ）钠泵的生电作用 钠泵（ Na+-K+-ATP 酶） 钠泵每分解 1 分子 ATP 可将 3个 Na+ 移出胞

外，同时将 2个 K+ 移入胞内，每个运转周期约需 10ms 。当细胞内的 Na+ 浓度升高或细胞外 K+ 浓度升高时，都可使钠泵激活，以维持细胞内外的 Na+、 K+ 浓度梯度。

静息电位总结 细胞在安静时必定存在极少量恒定的 Na+ 内流

和较多的恒定的 K+ 外流（非门控漏通道）。 结果可导致部分电荷互相抵消，静息电位得以

形成并稳定。 而不断流入细胞内的 Na+ 和流出细胞的 K+ 则需

要通过主动转运机制（钠泵）逆浓度梯度重新分布，才能维持膜两侧正常的 Na+和 K+ 浓度梯度。

1 、科学研究表明：细胞外液中 K+ 浓度会影响神经纤维静息电位的大小，而细胞外液中 Na+ 浓度几乎不影响；但细胞外液中 Na+ 浓度会影响受刺激神经膜电位的变化幅度和速率。

请根据以下提供的材料和用具设计实验证明。要求写出实验思路，预测实验结果并分析预测结果。

材料和用具：测量电位变化的测量仪器、刺激器、生理状态一致的枪乌贼离体神经纤维若干、正常海水、低K+ 海水、髙 K+ 海水、低 Na+ 海水、高 Na+ 海水等（注：不同海水的渗透压相等但 K+或Na+ 浓度不同）

例题 1： 2011 温州二模

(1) 实验思路：① __▲__…… (2) 预测实验结果：①在不同 K+ 浓度的海水中，按静息电位

绝对值由大到小排序，顺序是 __▲__② 在答题纸的坐标中画出不同 Na+ 浓度海水中枪乌贼离体神经纤维受到刺激后的膜电位变化曲线（假设在正常海水中：静息电位是－ 70mV ，变化的最大幅度是 105mV ，从开始去极化到复极化完成大约需1.5ms 时间）。

(3) 分析预测结果：①在不同 K+ 浓度的海水中，静息电位如此排序，这是因为在不同 K+ 浓度的海水中， __▲__ 不同，造成静息电位不同。 Na+ 浓度海水中神经纤维受剌激后的膜电位变化曲线呈现图中所示结果，是因为在不同 Na+ 浓度的海水中__▲__ 不同 , 造成电位变化的幅度和速率不同。

低 K ＋海水＞正常海水＞高 K ＋海水

K ＋外流量

例题 2 ：温州市 2012届高三第一次适应性测试题

2 ．将枪乌贼巨大轴突置于体内组织液的模拟环境中，下列分析错误的是

A ．减小模拟环境中 Na+ 浓度，动作电位的峰值变小

B ．增大模拟环境中 Na+ 浓度，刺激引发动作电位所需时间变短

C．静息时质膜对 K+ 通透性变大，静息电位的绝对值不变

D．增大模拟环境中 K+ 浓度，静息电位的绝对值变小

例题 3:2009上海高考 3 、箭头表示施加适宜刺激，阴影表示

兴奋区域。用记录仪记录 A、 B 两电极之间的电位差，结果如右侧曲线图，该图中 1、 2、 3、 4、 5 是五个不同阶段，其中 1 是极化状态， 2 是去极化过程， 4 是复极化过程。下列说法正确的是 

A． 1状态下神经元的细胞膜内外没有离子进出B． 2 主要是由膜外 Na+ 在短期内大量涌入膜内造成的，该过程不需要消耗能量C．若组织液中的 Na+ 浓度增大，会导致记录到的电位变化中 Y点下移D．若组织液中的 K+ 浓度增大，会导致记录到的电位变化中 X点下移

三、动作电位

哺乳动物有髓神经纤维的动作电位示意图

Na+

内流

+30

0

-60

-70

跨膜电位

/mV

时间/ms

锋电位(反极化状态)

静息电位 (极化状态) (超极化状态)

去极化过程

复极化过程

上升相

下降相

超射

去极化

复极化

外流

K+

局部去极化

阈电位

动作电位的形成动作电位的产生是细胞膜两侧离子的

跨膜移动发生快速改变的结果

形成机制（ 1 ）电化学驱动力（ 2 ）离子通透性的改变（ 3 ）膜电导（通透性）改变的实质

（ 1 ）电化学驱动力 电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度 某离子的电化学驱动力 =Em-Ex

（ Em: 实际的膜电位 Ex: 某离子平衡电位）

动作电位期间离子的跨膜流动只占离子总量的几万分之一，不会显著影响膜两侧的离子浓度差，所以各离子的平衡电位相对稳定。因此膜对离子的电化学驱动力主要随着膜电位的变化而发生相应变化。

例如： 静息时的膜电位 Em为 -70mV， ENa和 Ek 分别为 +60mV和 -90mV ，此时对 Na+ 的驱动力为 Em-ENa=-70mV- (+60mV)=-130mV对 K+ 的驱动力则为 Em-Ek=-70mV-(-90mV)=+20mV   

注：负值代表内向驱动力，是推动 Na+ 内流，产生内向电流的驱动力；正值代表外向驱动力，是推动 K+ 外流，产生外向电流的驱动力。

在整个动作电位期间，膜电位将发生大幅度的改变，因此，膜对离子的每个瞬间的电化学驱动力也将随着膜电位的变化而发生相应变化。

当膜电位去极化至 +30mV 的锋电位水平时，膜对 Na+ 的驱动力为 Em-ENa=+30mV-(+60mV)=-30mV对 K+ 的驱动力则为 Em-Ek=+30mV-(-90mV)=+120mV   

由此可见，在静息电位条件下， Na+受到很强的内向驱动力，一旦膜对 Na+ 的通透性增大，将出现很强的引起去极化的内向电流；而在锋电位期间， K+受到很强的外向驱动力。

A. 静息状态下 Na+和 K+ 的电化学驱动力B. 超射达到最大值时 Na+和 K+ 的电化学驱动力

（ 2 ）膜对离子通透性的改变是形成跨膜电流和动作电位的关键 应用电压钳技术直接测定细胞膜对离子的通透性，即

膜电导（ G ）

Gx=Ix/(Em-Ex)

通过对钠电导和钾电导在动作电位期间变化过程的计算，揭示了此期间离子电导的电压依从性和时间依从性。

其实在去极化过程中， K+ 通道已经开始缓慢打开了

（ 3 ）膜电导改变的实质是离子通道的开放和关闭（电压门控通道） Na+ 通道存在三种功能状态：静息状态、激活状态、失活状态。（两个闸门：激活门 m ，失活门 h ）

例题 4 ： 2011年浙江省三校高三联考试卷 4 、动作电位的产生与细胞膜离子通透性的变化直接相关。细胞膜对离子通透性的高低可以用电导（ g ）表示，电导大，离子通透性高，电导小，离子通透性低。下图表示神经细胞接受刺激产生动作电位过程中，细胞膜对 Na+和 K+ 的通透性及膜电位的变化（ gNa+、 gK+ 分别表示 Na+、 K+

的电导）。请据图回答问题。

（ 1 ）细胞膜对离子通透性与分布的控制很可能是通过控制细胞膜上 来实现的。

（ 2 ）接受刺激时，细胞膜对 Na+、K+ 的通透性分别发生了怎样的变化？

（ 3 ）动作电位产生时，膜内电位如何变化？ 。根据该过程中膜电位的变化和离子通透性的变化可以推测，动作电位的产生主要是由哪种离子如何变化造成的？ 。

复极化主要是由哪种离子如何变化造成的？

载体

对 Na+ 的通透性迅速增加，并且增加的幅度较大。对 K+ 的通透性缓慢增加，并且增加的幅度较小 。

由负电位变成正电位

Na+ 通过细胞膜快速内流

Na+ 通道的通透性迅速减小

1 、科学研究表明：细胞外液中 K+ 浓度会影响神经纤维静息电位的大小，而细胞外液中 Na+ 浓度几乎不影响；但细胞外液中 Na+ 浓度会影响受刺激神经膜电位的变化幅度和速率。

请根据以下提供的材料和用具设计实验证明。要求写出实验思路，预测实验结果并分析预测结果。

材料和用具：测量电位变化的测量仪器、刺激器、生理状态一致的枪乌贼离体神经纤维若干、正常海水、低K+ 海水、髙 K+ 海水、低 Na+ 海水、高 Na+ 海水等（注：不同海水的渗透压相等但 K+或Na+ 浓度不同）

例题 1： 2011 温州二模

(1) 实验思路：① __▲__…… (2) 预测实验结果：①在不同 K+ 浓度的海水中，按静息电位绝对值由大到小排序，顺序是 __▲__

②在答题纸的坐标中画出不同 Na+ 浓度海水中枪乌贼离体神经纤维受到刺激后的膜电位变化曲线（假设在正常海水中：静息电位是－ 70mV ，变化的最大幅度是 105mV ，从开始去极化到复极化完成大约需 1.5ms 时间）。

(3) 分析预测结果：①在不同 K+ 浓度的海水中，静息电位如此排序，这是因为在不同 K+ 浓度的海水中， __▲__ 不同，造成静息电位不同。Na+ 浓度海水中神经纤维受剌激后的膜电位变化曲线呈现图中所示结果，是因为在不同 Na+ 浓度的海水中__▲__ 不同 , 造成电位变化的幅度和速率不同。

Na ＋内流的量和速率

例题 2 ：温州市 2012届高三第一次适应性测试题

2 ．将枪乌贼巨大轴突置于体内组织液的模拟环境中，下列分析错误的是

A．减小模拟环境中 Na+ 浓度，动作电位的峰值变小

B．增大模拟环境中 Na+ 浓度，刺激引发动作电位所需时间变短

C ．静息时质膜对 K+ 通透性变大，静息电位的绝对值不变

D ．增大模拟环境中 K+ 浓度，静息电位的绝对值变小

例题 3:2009上海高考 3 、神经电位的测量装置如右图所示，

其中箭头表示施加适宜刺激，阴影表示兴奋区域。用记录仪记录 A、 B 两电极之间的电位差，结果如右侧曲线图，该图中 1、 2、 3、 4、 5 是五个不同阶段，其中 1 是极化状态， 2 是去极化过程， 4 是复极化过程。下列说法正确的是 

A． 1状态下神经元的细胞膜内外没有离子进出B． 2 主要是由膜外 Na+ 在短期内大量涌入膜内造成的，该过程不需要消耗能量C．若组织液中的 Na+ 浓度增大，会导致记录到的电位变化中 Y点下移D．若组织液中的 K+ 浓度增大，会导致记录到的电位变化中 X点下移

谢谢！ 不足之处，请多指正

杭州第十四中学 张静 2012-4-25