“神經(jīng)沖動的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和傳遞”專題知識的深度解析及備考策略

四川

“神經(jīng)沖動的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和傳遞”作為動物生命活動調(diào)節(jié)考點中的重點和熱點內(nèi)容，是考查學(xué)生科學(xué)思維素養(yǎng)和理解能力的良好載體，在近幾年高考生物試題中占據(jù)一定的考查比重。就知識內(nèi)容而言，神經(jīng)沖動的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和傳遞過程的機制分析又是該考點的核心內(nèi)容。筆者在高三復(fù)習(xí)沖刺階段的教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生如果對該內(nèi)容缺乏深度的理解，就會發(fā)生丟分的情況，該內(nèi)容也就成為了易錯點和難點。筆者嘗試以圖形為載體，深度解析神經(jīng)沖動的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和傳遞三個過程的機制，分析典型高考例題，提出相應(yīng)備考策略。

1.神經(jīng)沖動的產(chǎn)生和傳導(dǎo)

1.1 神經(jīng)沖動的產(chǎn)生和傳導(dǎo)機制

實驗狀態(tài)下，給予神經(jīng)細(xì)胞或神經(jīng)纖維一定強度的刺激，就會產(chǎn)生興奮，興奮沿神經(jīng)纖維以電信號（神經(jīng)沖動）的形式進(jìn)行傳導(dǎo)。如果將電表兩極分別置于神經(jīng)纖維膜某個固定位點的內(nèi)側(cè)和外側(cè)（如圖1），給予適宜刺激后，會發(fā)現(xiàn)電表指針發(fā)生兩次方向相反的偏轉(zhuǎn)，采用坐標(biāo)曲線分析該過程，以時間為橫軸，神經(jīng)纖維膜內(nèi)外電位差值為縱軸，繪制如圖2曲線。

圖1

圖2

圖1顯示，當(dāng)電表兩極剛置于神經(jīng)纖維膜的內(nèi)外側(cè)時（此時還未給予刺激），指針已經(jīng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，此時測定到的電位是神經(jīng)纖維在靜息狀態(tài)下的膜內(nèi)外電位差，即靜息電位，對應(yīng)圖2中a點所測得的電位差。分析靜息電位產(chǎn)生的機制，神經(jīng)纖維或細(xì)胞在靜息狀態(tài)下，膜內(nèi)外的K+、Na+分布情況為膜內(nèi)K+濃度明顯高于膜外，膜外Na+濃度高于膜內(nèi)，此時膜上K+通道蛋白打開，少部分K+順濃度梯度從膜內(nèi)流到膜外，不再變化時就形成了內(nèi)負(fù)外正的靜息電位，但需要注意的是膜內(nèi)K+濃度仍高于膜外，因膜上Na+通道蛋白未打開，故靜息電位的形成與Na+無直接聯(lián)系。

在神經(jīng)纖維或細(xì)胞接受一個適宜刺激（達(dá)到刺激閾值，過弱不能引發(fā)動作電位）后，會產(chǎn)生興奮，引發(fā)該部位產(chǎn)生動作電位。分析接受刺激部分的動作電位產(chǎn)生機制，刺激導(dǎo)致神經(jīng)纖維或細(xì)胞膜上Na+通道蛋白打開，Na+順濃度梯度從膜外進(jìn)入膜內(nèi)（Na+進(jìn)入數(shù)量比K+在靜息狀態(tài)下由膜內(nèi)到膜外的數(shù)量多），致使該部位膜內(nèi)外電位由原來的靜息電位（內(nèi)負(fù)外正）轉(zhuǎn)變?yōu)閯幼麟娢唬▋?nèi)正外負(fù)）。圖2的曲線中，從刺激開始經(jīng)b點到達(dá)c點這段曲線代表Na+內(nèi)流形成的動作電位。當(dāng)興奮傳導(dǎo)過后，該部位將由動作電位恢復(fù)為靜息電位，對應(yīng)圖2中ce段曲線，靜息電位恢復(fù)的過程包含K+再次大量外流和鈉鉀泵運輸Na+、K+兩個階段。神經(jīng)沖動傳導(dǎo)完成后，該部位膜上K+通道蛋白再次打開，大量的K+從膜內(nèi)運輸?shù)侥ね?，膜?nèi)外電位由“內(nèi)正外負(fù)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皟?nèi)負(fù)外正”，但此時膜內(nèi)有較多的Na+，膜外有較多的K+。為了將膜內(nèi)Na+運輸出去，同時將膜外K+運輸進(jìn)來，鈉鉀泵就承擔(dān)著運輸任務(wù)，同時需要細(xì)胞中的ATP供能。鈉鉀泵的運輸特點為運輸出3個Na+的同時運輸進(jìn)2個K+，致使d點電位比a點更低。當(dāng)膜內(nèi)外Na+、K+分布恢復(fù)后，該部位再次處于靜息電位，對應(yīng)圖2中e點的電位。

神經(jīng)沖動以局部電流的形式沿神經(jīng)纖維由興奮部位傳導(dǎo)至未興奮部位。實驗狀態(tài)下，如果在神經(jīng)纖維中段給予適宜刺激，神經(jīng)沖動可沿神經(jīng)纖維進(jìn)行雙向傳導(dǎo)。但在正常機體的完整反射弧中，神經(jīng)沖動只能單向傳導(dǎo)。

1.2 神經(jīng)沖動產(chǎn)生、傳導(dǎo)過程中的離子運輸分析

基于上述機制分析，可將神經(jīng)沖動產(chǎn)生、傳導(dǎo)過程中的離子跨膜運輸歸納為表1：

表1

1.3 神經(jīng)沖動產(chǎn)生和傳導(dǎo)圖形的變式思考

轉(zhuǎn)換思維，如果將圖2坐標(biāo)曲線的橫軸“時間”替換為“神經(jīng)纖維的距離”，則得到圖3所示曲線，圖中箭頭方向為神經(jīng)沖動（或興奮）在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)方向，即神經(jīng)沖動從右向左傳導(dǎo)。如何得出這樣的傳導(dǎo)方向呢？要回答該問題，需對圖3進(jìn)行深度分析，整條曲線可以分成四部分進(jìn)行分析，a點為靜息電位，對應(yīng)神經(jīng)纖維的未興奮區(qū)；曲線上升段（包含bc段）表示動作電位正在形成，對應(yīng)神經(jīng)纖維的興奮區(qū)；曲線ce段代表靜息電位正在恢復(fù)的過程；e點以后表示已經(jīng)完成靜息電位的恢復(fù)。根據(jù)神經(jīng)沖動的傳導(dǎo)方向（由興奮區(qū)傳向未興奮區(qū)）的特點即可判定圖3的傳導(dǎo)方向。如果不進(jìn)行上述分析，按照慣性思維，很容易主觀臆斷為相反方向的傳導(dǎo)。

圖3

1.4 典型例題分析

【例1】（2018年，全國卷Ⅲ，第3題）神經(jīng)細(xì)胞處于靜息狀態(tài)時，細(xì)胞內(nèi)外K+和Na+的分布特征是（ ）

A.細(xì)胞外K+和Na+濃度均高于細(xì)胞內(nèi)

B.細(xì)胞外K+和Na+濃度均低于細(xì)胞內(nèi)

C.細(xì)胞外K+濃度高于細(xì)胞內(nèi)，Na+相反

D.細(xì)胞外K+濃度低于細(xì)胞內(nèi)，Na+相反

【答案】D

【分析】靜息狀態(tài)下，神經(jīng)細(xì)胞處于靜息電位，依據(jù)上述動作電位產(chǎn)生前K+、Na+分布起始狀態(tài)和恢復(fù)過程機制可以直接得出“細(xì)胞外K+濃度低于細(xì)胞內(nèi)，Na+相反”的正確答案，但考生如果缺乏整體認(rèn)識，僅僅依據(jù)K+外流的靜息電位產(chǎn)生機制，往往會主觀臆斷為K+膜內(nèi)濃度降低，導(dǎo)致其低于膜外濃度，可謂“不謀全局者，不足謀一域”。

【例2】（2018年，江蘇卷，第11題）如圖4是某神經(jīng)纖維動作電位的模式圖，下列敘述正確的是 （ ）

圖4

A.K+的大量內(nèi)流是神經(jīng)纖維形成靜息電位的主要原因

B.bc段Na+大量內(nèi)流，需要載體蛋白的協(xié)助，并消耗能量

C.cd段Na+通道多處于關(guān)閉狀態(tài)，K+通道多處于開放狀態(tài)

D.動作電位大小隨有效刺激的增強而不斷加大

【答案】C

【分析】依據(jù)靜息電位、動作電位的產(chǎn)生和靜息電位恢復(fù)的機制分析，神經(jīng)纖維形成靜息電位的主要原因是K+通道打開，K+外流；bc段動作電位產(chǎn)生的主要原因是細(xì)胞膜上的Na+通道開放，Na+內(nèi)流，這兩種運輸方式均屬于協(xié)助擴(kuò)散，不需要細(xì)胞提供能量；cd段是動作電位恢復(fù)到靜息電位的過程，該過程主要涉及K+再次大量外流，K+通道多處于開放狀態(tài)，Na+通道多處于關(guān)閉狀態(tài)；刺激強度應(yīng)在引發(fā)動作電位的閾值范圍內(nèi)，超過閾值（如刺激過弱或過強）均不能引發(fā)動作電位，所以動作電位大小與刺激強度的大小應(yīng)在閾值范圍內(nèi)討論。如果缺乏對曲線分段的認(rèn)識和理解，就會頻頻出錯。

【例3】給神經(jīng)纖維中段某位點一個足夠強度的刺激，從動作電位恢復(fù)至靜息電位的過程中，鈉鉀泵會發(fā)揮作用，而位于細(xì)胞膜上的鈉鉀泵發(fā)揮作用時能逆濃度梯度泵出3個Na+，泵入2個K+。據(jù)此推測，下列對該神經(jīng)纖維上膜電位變化描述最準(zhǔn)確的曲線是 （ ）

【答案】A

【分析】在神經(jīng)纖維中段某位點給一個足夠強度的刺激，刺激位點會產(chǎn)生興奮并且向左右兩側(cè)傳導(dǎo)，在神經(jīng)纖維的兩側(cè)會各出現(xiàn)兩個波峰曲線；從動作電位恢復(fù)至靜息電位的過程中鈉鉀泵會發(fā)揮作用，依據(jù)鈉鉀泵運輸Na+、K+的特點，會導(dǎo)致膜外陽離子增多，膜內(nèi)陽離子減少，致使膜內(nèi)外電位差的絕對值增大，即出現(xiàn)兩個小波谷。因刺激點在中段，興奮是從中間向左右兩側(cè)傳導(dǎo)的，根據(jù)圖3所示機制分析，A項正確。如果考生缺乏深度思考，極易錯選B項。

2.神經(jīng)沖動的傳遞

2.1 神經(jīng)沖動的傳遞機制

神經(jīng)元之間和神經(jīng)元與其他細(xì)胞（如腺細(xì)胞、肌細(xì)胞等）通過突觸傳遞神經(jīng)沖動。突觸包含突觸前膜、突觸間隙和突觸后膜，突觸又根據(jù)突觸后膜所在的細(xì)胞類型劃分為三類：神經(jīng)元與神經(jīng)元聯(lián)系的神經(jīng)突觸、神經(jīng)元與肌細(xì)胞聯(lián)系的神經(jīng)-肌肉突觸、神經(jīng)元與腺體細(xì)胞聯(lián)系的神經(jīng)-腺體突觸，圖5為神經(jīng)突觸示意圖。

圖5

以神經(jīng)突觸為例，分析圖5神經(jīng)沖動傳遞的機制。當(dāng)神經(jīng)沖動傳導(dǎo)到突觸小體時，引發(fā)包裹有神經(jīng)遞質(zhì)的突觸小泡在ATP供能的情況下向突觸前膜運輸，與突觸前膜融合后，向突觸間隙釋放神經(jīng)遞質(zhì)，這一胞吐的過程實現(xiàn)了神經(jīng)沖動傳遞過程中的電信號向化學(xué)信號的轉(zhuǎn)化。隨后，攜帶有化學(xué)信號的神經(jīng)遞質(zhì)在突觸間隙中向突觸后膜擴(kuò)散，與突觸后膜上的神經(jīng)遞質(zhì)受體結(jié)合，如果是興奮神經(jīng)遞質(zhì)（如乙酰膽堿）就會引發(fā)突觸后膜產(chǎn)生動作電位，從而實現(xiàn)化學(xué)信號向電信號的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而將神經(jīng)沖動從一個神經(jīng)元傳遞到下一個神經(jīng)元；如果突觸前膜釋放的是抑制性神經(jīng)遞質(zhì)（如5-羥色胺絕大多數(shù)情況下為抑制性遞質(zhì)），與突觸后膜上的神經(jīng)遞質(zhì)受體結(jié)合后，不會引發(fā)動作電位，而是增大靜息電位強度，神經(jīng)沖動傳遞就此結(jié)束。神經(jīng)沖動傳遞過程總結(jié)如圖6。

圖6

2.2 神經(jīng)沖動的傳遞方向和神經(jīng)遞質(zhì)的去路

神經(jīng)沖動在突觸中只能從突觸前膜向突觸后膜進(jìn)行單向傳遞，其原因是神經(jīng)遞質(zhì)只能由突觸前膜釋放，與突觸后膜上的神經(jīng)遞質(zhì)受體結(jié)合，作用于突觸后膜，如圖5箭頭示意方向。當(dāng)神經(jīng)遞質(zhì)在突觸后膜上傳遞信號后，其去路有：一是被酶降解滅活；二是可被突觸小體回收再次利用；三是在突觸間隙被移除。如果去路受阻，神經(jīng)遞質(zhì)與受體持續(xù)作用，會致使突觸后膜持續(xù)興奮，導(dǎo)致神經(jīng)沖動傳遞異常。

如果某種藥物能夠阻礙神經(jīng)沖動在突觸中的傳遞，結(jié)合傳遞機制和神經(jīng)遞質(zhì)去路綜合分析，可能有以下幾個原因：①突觸前膜釋放的神經(jīng)遞質(zhì)不能與突觸后膜上的受體結(jié)合；②突觸前膜不能釋放神經(jīng)遞質(zhì)；③該藥物能抑制神經(jīng)遞質(zhì)的合成；④突觸后膜神經(jīng)遞質(zhì)受體與藥物結(jié)合，不能與神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合；⑤該藥物能夠降解神經(jīng)遞質(zhì)等。需要注意的是不同藥物有不同的阻斷機理，這里僅僅為總體歸納。

2.3 神經(jīng)沖動傳遞中神經(jīng)遞質(zhì)的運輸分析

基于上述機制分析，筆者將神經(jīng)沖動傳遞過程中神經(jīng)遞質(zhì)的運輸總結(jié)如表2：

表2

2.4 典型例題分析

【例4】（2016年，全國卷Ⅰ，第4題）下列與神經(jīng)細(xì)胞有關(guān)的敘述，錯誤的是 （ ）

A.ATP能在神經(jīng)元線粒體的內(nèi)膜上產(chǎn)生

B.神經(jīng)遞質(zhì)在突觸間隙中的移動消耗ATP

C.突觸后膜上受體蛋白的合成需要消耗ATP

D.神經(jīng)細(xì)胞興奮后恢復(fù)為靜息狀態(tài)消耗ATP

【答案】B

【分析】本題B、D選項考查考生對神經(jīng)沖動產(chǎn)生、傳導(dǎo)和傳遞的整體認(rèn)識。依據(jù)表2神經(jīng)遞質(zhì)運輸總結(jié)分析，神經(jīng)遞質(zhì)在突觸間隙的組織液中擴(kuò)散，不消耗ATP；神經(jīng)細(xì)胞興奮后恢復(fù)為靜息狀態(tài)的過程包括鈉鉀泵的主動運輸，需要消耗ATP，故B項錯誤，D項正確。

【例5】（2017年，江蘇卷，第8題）圖7為突觸結(jié)構(gòu)示意圖，下列相關(guān)敘述正確的是 （ ）

圖7

A.結(jié)構(gòu)①為神經(jīng)遞質(zhì)與受體結(jié)合提供能量

B.當(dāng)興奮傳導(dǎo)到③時，膜電位由內(nèi)正外負(fù)變?yōu)閮?nèi)負(fù)外正

C.遞質(zhì)經(jīng)②的轉(zhuǎn)運和③的主動運輸釋放至突觸間隙

D.結(jié)構(gòu)④膜電位的變化與其選擇透過性密切相關(guān)

【答案】D

【分析】依據(jù)圖5和圖6的機制和運輸總結(jié)分析，神經(jīng)遞質(zhì)在突觸前膜釋放后，通過擴(kuò)散與突觸后膜上的受體結(jié)合，該過程不需要①線粒體提供能量；興奮傳導(dǎo)到突觸前膜，引發(fā)動作電位，致使膜電位由靜息電位的內(nèi)負(fù)外正變?yōu)閯幼麟娢坏膬?nèi)正外負(fù)；遞質(zhì)經(jīng)過②突觸小泡的轉(zhuǎn)運和③突觸前膜的胞吐釋放至突觸間隙；④突觸后膜膜電位變化，依靠鈉鉀離子通道蛋白和鈉鉀泵的選擇性開放和關(guān)閉實現(xiàn)兩種電位的轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)了膜的選擇透過性的功能特點。本題要求考生對神經(jīng)沖動產(chǎn)生、傳導(dǎo)和傳遞的機制進(jìn)行整體理解和總結(jié)。

【例6】（2016年，全國卷Ⅱ，第30題）乙酰膽堿可作為興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，其合成與釋放見示意圖（如圖8）。據(jù)圖8回答問題：

圖8

（1）圖中A-C表示乙酰膽堿，在其合成時，能循環(huán)利用的物質(zhì)是__________ （填“A” “C”或“E”）。除乙酰膽堿外，生物體內(nèi)的多巴胺和一氧化氮___________（填“能”或“不能”）作為神經(jīng)遞質(zhì)。

（2）當(dāng)興奮傳到神經(jīng)末梢時，圖中突觸小泡內(nèi)的A- C通過__________ 這一跨膜運輸方式釋放到__________ ，再到達(dá)突觸后膜。

（3）若由于某種原因使D酶失活，則突觸后神經(jīng)元會表現(xiàn)為持續(xù)___________ 。

【答案】（1）C 能 （2）胞吐 突觸間隙

（3）興奮

【分析】（1）圖8信息顯示：物質(zhì)C在乙酰膽堿的合成中能循環(huán)利用；除乙酰膽堿外，多巴胺和一氧化氮也能作為神經(jīng)遞質(zhì)。（2）突觸小泡內(nèi)的神經(jīng)遞質(zhì)通過胞吐的方式釋放到突觸間隙。（3）乙酰膽堿屬于興奮性遞質(zhì)，若降解乙酰膽堿的酶失活，則會導(dǎo)致突觸后神經(jīng)元持續(xù)興奮。本題為材料信息題，要求考生對神經(jīng)沖動傳遞的機制有整體認(rèn)識并具備細(xì)節(jié)知識歸納的能力。

3.備考策略及建議

必備學(xué)科知識是學(xué)生解決實際問題、完成核心素養(yǎng)測試目標(biāo)不可或缺的載體和工具?！吧窠?jīng)沖動的產(chǎn)生、傳導(dǎo)和傳遞”作為高考熱點考查內(nèi)容，考生在高三復(fù)習(xí)沖刺階段尤其要注重對本節(jié)內(nèi)容的深度理解和整體把握。對于本知識點的復(fù)習(xí)，筆者建議考生采用圖形建模方式，對過程機制分階段進(jìn)行分析，并參照文中表格歸納總結(jié)離子和神經(jīng)遞質(zhì)的運輸過程及方式，對模型曲線進(jìn)行變式和深度思考，具備整體與局部的分析思路，養(yǎng)成歸納概括、構(gòu)建模型、創(chuàng)造性思維等科學(xué)思維。除此之外，還可以將本專題的知識點采用思維導(dǎo)圖的方式加以總結(jié)，構(gòu)建考生自己的專題知識網(wǎng)絡(luò)圖，再結(jié)合本文典型例題加以訓(xùn)練和鞏固，達(dá)到強化記憶的效果。

唯有如此，考生才能對本專題知識做到整體把握、細(xì)節(jié)到位、思路清晰、方法得當(dāng)，寄希此文為考生在復(fù)習(xí)沖刺階段備考本專題知識時有所啟發(fā)和幫助。