例析“神经调节”复习策略

赵 立

(安徽省和县第一中学)

随着新一轮高考改革的推进,生物学科中以学生核心素养水平作为选拔性考核目标的试题越来越多,这些高考试题往往以新情境作为题干背景,综合考查学生的学科素养和学科能力。对神经调节考点的考查在高考试题中比比皆是,如在2023年山东和江苏高考试题中都有涉及。

一、高考试题分析

例1.(2023年山东卷16题)神经细胞的离子跨膜运输除受膜内外离子浓度差影响外,还受膜内外电位差的影响。已知神经细胞膜外的Cl-浓度比膜内高。下列说法正确的是

(A)

A.静息电位状态下,膜内外电位差一定阻止K+的外流

B.突触后膜的Cl-通道开放后,膜内外电位差一定增大

C.动作电位产生过程中,膜内外电位差始终促进Na+的内流

D.静息电位→动作电位→静息电位过程中,不会出现膜内外电位差为0的情况

【分析】本题主要考查离子跨膜运输和膜电位变化间的关系,离子跨膜运输受到了膜内外电位差的影响。静息电位时,膜外为正电位,K+外流受到膜内外电位差阻止;Cl-通道开放,Cl-跨膜运输后无法判定膜内外电位差的变化;动作电位达到峰值后,膜内外电位差会导致Na+通道关闭,Na+停止内流;静息电位→动作电位→静息电位过程中,随着离子的进出,出现两次膜内外电位差为0的情况。

例2.(2023年江苏卷21题节选)糖尿病显著增加认知障碍发生的风险。研究团队发现在胰岛素抵抗(IR)状态下,脂肪组织释放的外泌囊泡(AT-EV)中有高含量的miR-9-3p(一种miRNA),使神经细胞结构功能改变,导致认知水平降低。图1示IR鼠脂肪组织与大脑信息交流机制。请回答下列问题:

图1

(1)当神经冲动传导至①时,轴突末梢内的突触小泡移至突触前膜处释放神经递质,与突触后膜的受体结合,使Na+通道打开,突触后膜电位升高。若突触间隙K+浓度升高,则突触后膜静息电位绝对值变小。

通过以上两个高考试题不难看出,神经冲动产生的机制以及电位变化仍然是高中生物学的重点、难点。在课堂教学活动中如何帮助学生解决相关难点,完成知识的内化、体系的构建、能力的培养,值得教师研究和思考。

二、神经冲动产生的结构和物质基础分析

(一)静息电位的形成过程

由于神经纤维膜存在选择透过性,导致膜内外相关离子的分布不均衡(膜内主要含有K+、蛋白质分子;膜外主要分布Na+和Cl-)。在离子通道打开状态下,相关离子会产生扩散动力,驱动相关离子顺浓度运输;而带电离子不均匀分布导致膜内外存在的电位差又会阻碍相关离子的运输。静息电位形成时,随着K+通道开放,在扩散动力的作用下K+外流,随着K+外流又导致膜内外电位差加大,阻碍K+进一步外流,最终形成扩散动力和电位差阻力的动态平衡,K+净扩散速率为零(即平衡电位),保证静息电位的稳定。

表1 静息电位时细胞膜内、外主要离子分布情况

静息电位时K+平衡电位约为-87 mv,由于其他离子的影响作用实际测量值约为-78 mv。

(二)动作电位的产生过程

神经纤维受到阈上电刺激时,受刺激部位Na+通道快速打开,在扩散力的驱动下大量Na+通过通道涌入细胞内,细胞内阳离子数目在局部大量增加,出现去极化现象(外负内正)。随着膜内正电位增大,膜内外出现电位差,阻止Na+进入,同时随着扩散力的减弱,达到Na+的平衡电位,Na+通道失活关闭,Na+停止进入,达到动作电位峰值(Na+平衡电位=+60 mv,由于其他离子影响,测量电位=+30 mv)。

进入细胞内的Na+随着扩散作用进行扩布,使相邻部位Na+通道打开,引起相邻部位出现去极化产生动作电位进而出现平衡电位,所以神经冲动在神经纤维上传导时,电位变化总是一样的,不会随传导距离的增加而衰弱。

钠-钾泵对细胞内Na+浓度高度敏感,当细胞内Na+达到阈上值时,钠-钾泵启动,通过主动运输的方式将细胞内3个Na+排出,同时从细胞外带入2个K+;细胞膜上Na+通道关闭的同时K+通道打开,细胞内K+通过协助扩散到细胞外,产生电位的复极化现象。

综上,在动作电位产生过程中,Na+通道的打开和关闭由刺激强度大小和Na+是否达到平衡电位所决定;钠-钾泵的开启由细胞内Na+的浓度所决定而不是在Na+通道关闭后才启动。

(三)后电位的形成分析

钠-钾泵中相关载体的活性与细胞内Na+的浓度有关,随着Na+排出细胞,细胞内Na+浓度下降,钠-钾泵活性下降直至失去活性,在此过程中K+通道属于一种延迟性通道,在钠-钾泵失活后依然处于关闭延迟状态,所以仍然存在着K+流出,导致膜外阳离子数目增加,膜内外电位差减小,形成后电位(图2中d～e段)。

图2 神经冲动产生中“膜内电位—时间”曲线图

三、应对策略

(一)构建核心概念的知识体系

以“神经系统能够及时感知内外环境变化作出应答,并通过调控各器官、系统的活动,实现机体稳态”这一核心概念为基础,构建知识体系(如图3)。

图3 神经调节知识结构图

(二)细化概念认知

神经冲动形成的基础是神经细胞膜内外的离子浓度变化和神经纤维上相关载体蛋白对离子进出细胞的调控,并形成了神经纤维膜两侧的电位差和电位变化。围绕这个核心概念的形成,对概念的认知分为三个层次:生物电以及生物电形成的结构基础;神经纤维上静息电位和动作电位形成的结构基础分析;神经冲动的产生和传导机制以及电位变化图的分析。如采取生物学科学史“蛙腿论战”这一科学实验探究历程,锻炼学生实验分析、实验探究能力和科学思维。

利用“平衡电位”的观点,分析电位图形成的原因,进一步树立物质、结构和功能观,稳态和平衡观。将抽象的电位变化图和电位变化机制具体化到细胞膜上相关结构和膜两侧相关离子浓度变化产生的结果。进一步学会利用相关观念解释生命活动中的现象。