生物電學和生物磁學

1、生物電學和生物磁學 第六章,1 生物電現(xiàn)象 2 生物磁現(xiàn)象,1 生物電現(xiàn)象,體內(nèi)電荷形式： 離子、離子基團、電偶極子,蛋白質(zhì)構(gòu)成成分氨基酸在水中離解成離子基團或電偶極子 DNA堿基和磷酸酯存在離子基團和電偶極子 生物水電偶極子 組織液無機離子 K+ Na+ Ca2+ Cl- 等,1 生物電現(xiàn)象,一 蛋白質(zhì)的偶極矩,組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸在結(jié)構(gòu)上的差別取決于側(cè)鏈基團R的不同。通常根據(jù)R基團的化學結(jié)構(gòu)或性質(zhì)將20種氨基酸進行分類,1、非極性氨基酸（疏水氨基酸）8種 丙氨酸（Ala）纈氨酸（Val）亮氨酸（Leu）異亮氨酸（Ile）脯氨酸（Pro）苯丙氨酸（Phe）色氨酸（Trp）蛋氨酸（Met）

2、 2、極性氨基酸（親水氨基酸）12種： 1）極性不帶電荷（中性氨基酸）：7種 甘氨酸（Gly）絲氨酸（Ser）蘇氨酸（Thr）半胱氨酸（Cys）酪氨酸（Tyr）天冬酰胺（Asn）谷氨酰胺（Gln） 2）極性帶正電荷的氨基酸（堿性氨基酸） 3種 賴氨酸（Lys）精氨酸（Arg）組氨酸（His） 3）極性帶負電荷的氨基酸（酸性氨基酸） 2種 天冬氨酸（Asp）谷氨酸（Glu,氨基酸靠肽鍵聯(lián)結(jié)聚合成多肽鏈,原子中心不重合使肽鍵呈現(xiàn)極性,在不考慮溶劑作用時，任意伸展的一條多肽鏈的總偶極矩可以看作是一串單肽鏈偶極矩的矢量和。用 表示每一單肽的偶極矩，則多肽鏈的總偶極矩大小可用下式近似表示： 式中n為單肽

3、的數(shù)目,偶極矩的大小不但與組成中的極性基團有關(guān)，而且與其在不同溶劑中的具體空間構(gòu)想及復(fù)雜的相互作用有關(guān),二 生物水特性,水不僅提供細胞的生活環(huán)境，還在相當程度上決定著生物大分子的構(gòu)象和功能，影響生命活動中物質(zhì)輸運、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞過程,平均壽命1011 s,三 細胞電活動基礎(chǔ),生物電現(xiàn)象是生物界一種極普通的生理現(xiàn)象。生物電動勢是由“可興奮細胞”的電化學活動產(chǎn)生的，與機體組織結(jié)構(gòu)的不對稱性、通透性、離子濃度或功能的不同因素相關(guān),可興奮細胞（Excitable Cell）指受刺激后能產(chǎn)生動作電位的細胞。一般認為，神經(jīng)細胞，腺細胞，肌細胞都屬于可興奮細胞。它們受刺激后首先發(fā)生的共同反應(yīng)就是基于電壓

4、門控鈉通道或電壓門控鈣通道激活而產(chǎn)生的動作電位,磷酸頭 （親水性,甘油酯尾 （疏水,磷脂分子,細胞膜脂雙層,1 細胞靜息電位 細胞膜內(nèi)外存在電位差，稱為膜電位,蛋白質(zhì) 糖類 脂類,磷脂 膽固醇,細胞膜把細胞包裹起來，使細胞能夠保持相對的穩(wěn)定性,維持正常的生命活動。此外，細胞所必需的養(yǎng)分的吸收和代謝產(chǎn)物的排出都要通過細胞膜。所以，細胞膜的這種選擇性的讓某些分子進入或排出細胞的特性，叫做選擇滲透性。這是細胞膜最基本的一種功能。如果細胞喪失了這種功能，細胞就會死亡,細胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細胞膜的轉(zhuǎn)運功能實現(xiàn)的，其主要轉(zhuǎn)運方式有以下四種,1）單純擴散：脂溶性物質(zhì)由膜的高濃度側(cè)向低濃度側(cè)的

5、擴散過程，稱為單純擴散。不耗能，不需要載體。如：水、尿素、二氧化碳等. 2）協(xié)助擴散：非脂溶性物質(zhì)在膜蛋白的幫助下，順濃度差或電位差跨膜擴散的過程，稱為協(xié)助擴散。不耗能，但是需要載體。 協(xié)助擴散的三個特點： 1、特異性 2、飽和性 3、競爭性抑制,細胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細胞膜的轉(zhuǎn)運功能實現(xiàn)的，其主要轉(zhuǎn)運方式有以下四種,細胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細胞膜的轉(zhuǎn)運功能實現(xiàn)的，其主要轉(zhuǎn)運方式有以下四種,3）主動運輸：離子或小分子物質(zhì)在膜上“泵”的作用下，被逆濃度差或逆電位差的跨膜轉(zhuǎn)運過程，稱為主動轉(zhuǎn)運（主動運輸）。主動運輸需要消耗大量熱量并且需要載體。有選擇透過性。 4）胞吞胞吐

6、：是轉(zhuǎn)運大分子或團塊物質(zhì)的有效方式,2）細胞的動作電位,當刺激強度較小時，細胞膜內(nèi)外的電位差會在短時間內(nèi)減小，減小程度與刺激電極間距的大小成反比，細胞膜電位極性仍是外正內(nèi)負。當刺激強度超過某一閾值時，可興奮細胞的跨膜電位，在短時間內(nèi)由外正內(nèi)負變?yōu)橥庳搩?nèi)正，達到最大值后，在逐漸恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這種短暫的電位變化，稱作動作電位,2 細胞的動作電位,動作電位一般分為四個時相： 1 去極化 2 反極化 3 復(fù)極化 4 超極化,動作電位傳輸示意圖,四 細胞的電參量,膜上蛋白組分因功能特性、構(gòu)象變化及在膜上的位置，造成膜兩側(cè)某種特定的導(dǎo)電伏態(tài)，表現(xiàn)出電阻性（Rm）。 膜兩側(cè)的糖和蛋白質(zhì)往往有許多帶電的離

7、子基團，并且與細胞內(nèi)液和外液中的各種離子相互作用，形成一定厚度的電荷層。相當于一個電容器（Cm,生物電阻抗測量技術(shù)是利用生物組織與器官的電特性（阻抗、導(dǎo)納、介電常數(shù)等）及其變化提取與人體生理病理狀況相關(guān)的生物醫(yī)學信息的一種無損傷檢測技術(shù)。 它通常是借助置于體表的激勵電極向被測對象施加微小的交變電流或電壓信號同時通過測量電極檢測組織表面的電壓或電流信號由所測信號計算出相應(yīng)的電阻抗及其變化，然后根據(jù)不同的應(yīng)用目的獲取相關(guān)的生理和病理信息,五 生物電阻抗,不同組織導(dǎo)電性能差別大： 人體外層是導(dǎo)電能力很差的皮膚,內(nèi)部有導(dǎo)電能力較強的體液。 各組織的含水量、含離子量和結(jié)構(gòu)特征不同，電阻率不同,人體組織的

8、直流電阻率（ m,2. 人體電阻抗與電流頻率有關(guān)： 人體可看成是一個電解質(zhì)電容器和電阻的并聯(lián)電路。 直流在細胞間隙流過；交流可通過細胞間隙和細胞,人體肌肉組織電阻率與頻率的關(guān)系,3. 人體電阻抗的測量,六 電力電化作用,細胞膜的表面外側(cè)蛋白質(zhì)、脂類、多糖及糖蛋白等組分帶有負電荷基團，使得細胞膜外表面呈現(xiàn)負電荷特性。 在外直流電場的作用下，細胞連同其界面吸附層一起向電場正極方向運動，稱為細胞電泳。 細胞懸液中帶有正電荷的分散介質(zhì)則向電場負極方向移動，稱為電滲,式中d0為膜未被壓縮時的厚度，Ym為膜橫向彈性壓縮模量， 為膜的相對介電常數(shù)， 為細胞與懸浮介質(zhì)形成的體系的介電常數(shù),細胞電泳中細胞兩側(cè)承

9、受一定外場所致的電壓降，并且同一細胞的不同部位處承受的壓降量不一樣，膜法線垂直于電場處的壓降幾乎為零，膜法線與電場一致的膜部位則承受最大的壓降變化。膜能承受的電壓有一定限度，壓降超過臨界值，膜出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。臨界值Vc的大小由膜的機械性能和介電特性決定,直流電場作用膠體除了使帶電離子產(chǎn)生電泳外，還會使懸浮粒子的均勻媒質(zhì)產(chǎn)生電滲。因為蛋白質(zhì)中羧基電解會產(chǎn)生H+，H+被水分子包圍，形成水合離子并向陰極移動，使陰極附近的水分增多，陽極的水分減小。含水量的變換將影響生物功能,電熱作用： 當電流通過人體時，皮膚、脂肪和體內(nèi)組織串聯(lián)，體內(nèi)組織是肌肉、骨骼、腱和血液的并聯(lián)，皮膚和脂肪電阻較大，體內(nèi)組織電阻較小

10、。一定電流條件，皮膚和脂肪生熱較多。一定電壓下，體內(nèi)組織生熱較多,電化作用：將不易起化學反應(yīng)的直流電極直接作用與機體時，電極附近將發(fā)生電化反應(yīng)。Na+移至陰極并得到一個電子形成中性Na原子，Na原子與水反應(yīng)生成氫氧化鈉和氫，即,在陽極，Cl-交出電子變成Cl原子，它和水反應(yīng)生成鹽酸和氧，即,2 生物磁現(xiàn)象,大至地球、月球、太陽及星際空間，小至組成物質(zhì)的分子、原子、電子和質(zhì)子、中子等，均具有磁性。地球上的一切生物都處于地磁場之中,生物磁學是正在興起的生物物理學一個分支。狹義生物磁學指研究不同層次生物材料所產(chǎn)生的磁場； 廣義生物磁學還包括磁生物學，即研究外界磁場對生物機體在不同次的作用所產(chǎn)生的生物

11、效應(yīng)即其相應(yīng)的作用機理；生物磁工程技術(shù)，如核磁共振成像,人體中所含元素：碳、氫、氧、氮、硫、磷、氯、鈉、鉀、鈣、鎂、鐵等和一些微量元素。其中多數(shù)有順磁性（3d 或 4d 族的過渡離子）。蛋白質(zhì)、酶和自由基均為順磁性。 占人體70%的水具有弱抗磁性。 極少數(shù)材料為鐵磁性,一、生物材料的磁性,磁介質(zhì)的分子或原子中任何一個電子，一般都同時參與兩種活動，即繞核運行的軌道運動和電子本身的自旋運動。這兩種運動同時產(chǎn)生動量矩和相應(yīng)的磁矩。若將分子或原子看作一個單元，則各電子產(chǎn)生的磁矩總和就是分子磁矩或原子磁矩，以M表示。磁介質(zhì)放入恒定的外磁場H中，受H作用的磁化程度即磁化強度，以J表示，和M一樣，J也是個矢

12、量。單位體積的磁介質(zhì)磁矩之和即是它的磁化強度： 式中X是磁介質(zhì)的磁化率。當X0時，J的方向與H的方向一致，稱為順磁介質(zhì)；當X0時，J的方向與H的方向相反，稱為抗磁介質(zhì),生物材料的順磁性，與其中有過渡金屬離子的成分有關(guān)。人體中有13種金屬元素，其中有8種為過渡金屬離子，具有順磁性。例如進行氧化輸送的血紅蛋白，進行電子傳遞的細胞色素，DNA生物合成需要的核糖核苷酸還原酶等。任何物質(zhì)受磁場作用都有抗磁性，但在順磁物質(zhì)中，由于順磁性超過抗磁性，故表現(xiàn)為順磁性,生物分子的抗磁性，表現(xiàn)在生物分子在磁場作用下產(chǎn)生與磁場反向的運動。一些綠色植物單細胞或其葉綠體放置于1T磁場中,當葉綠體的平面結(jié)構(gòu)與磁場垂直取向

13、時，分子的取向反應(yīng)最大，與磁場平行時，取向反應(yīng)最小。這種取向反應(yīng)與葉綠體片層結(jié)構(gòu)所含的各向異性反磁性組分相關(guān),分子取向力發(fā)生在極性分子與極性分子之間。由于極性分子的電性分布不均勻，一端帶正電，一端帶負電，形成偶極。因此，當兩個極性分子相互接近時，由于它們偶極的同極相斥，異極相吸，兩個分子必將發(fā)生相對轉(zhuǎn)動。這種偶極子的互相轉(zhuǎn)動，就使偶極子的相反的極相對，叫做“取向”。這時由于相反的極相距較近，同極相距較遠，結(jié)果引力大于斥力，兩個分子靠近，當接近到一定距離之后，斥力與引力達到相對平衡。這種由于極性分子的取向而產(chǎn)生的分子間的作用力，叫做取向力,在磁性細菌、鴿子和個別人等少數(shù)生物中發(fā)現(xiàn)有微量 和Fe等

14、強磁性物質(zhì)存在，它們在生物的定向?qū)Ш街衅鹬匾饔?。在蜜蜂、蝴蝶、幾種魚類、家鴿、海豚，甚至人體中都發(fā)現(xiàn)了微量的強磁性物質(zhì)。也曾發(fā)現(xiàn)在某些人的鼻竇骨的表層下約5um處有一層鐵質(zhì)層，估計與人的第六感覺有關(guān),2.人體磁場 一般情況下，生物磁場遠低于地磁場，難于進行觀測和研究,運用高靈敏度的磁強計能成功的測量人體和生物磁場,在對微弱磁場的檢測中，當前采用鐵磁屏蔽技術(shù)和空間鑒別技術(shù)。 生物磁場的測量具有一些不同于生物電測量的特點： 1）生物磁場的探測器可以不同生物體接觸，避免接觸引起的電磁干擾； 2）生物磁測量能同時得到恒定的和交變的磁場數(shù)據(jù) 3）磁探頭可以在空間改變位置和方向，獲得磁場的三維空間分布

15、,生物組織、器官、細胞等存在很微弱的磁場。產(chǎn)生原因： 變動磁場：生物電荷運動產(chǎn)生。細胞膜內(nèi)外的離子運動的生物電流產(chǎn)生的磁場；如心磁場 1011 T ，腦磁場 1012 T 定常磁場：自然界含有鐵性成分及某些磁性物質(zhì)(如Fe3O4 粉塵等）經(jīng)呼吸道吸入或經(jīng)消化道食入人體內(nèi)而形成的磁場；108 T 感應(yīng)磁場：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁場的作用下產(chǎn)生的磁場,1）磁場與生物體相互作用因子 對于生物效應(yīng)有影響的磁場因子有：磁場類型；磁場梯度；磁場的方向、作用的部位與范圍、作用時間。 影響磁場的生物因素有：生物材料、生物體的磁性、組成、部位、種屬、機能狀態(tài)及敏感性。 根據(jù)磁場的強度，將磁場的生物效應(yīng)分

16、為：強磁場效應(yīng)、地磁場效應(yīng)和極弱磁場效應(yīng),二 磁場對生物水和細胞的作用,2）磁場對生物體內(nèi)水的作用 經(jīng)磁場處理的水稱為磁水。外加磁場對水的作用，可使水的比重、沸點、冰點、表面張力、粘度、滲透壓、光密度、折光率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)發(fā)生變化。 3）磁場對組織細胞的作用 磁場對生物組織細胞的影響是多種多樣的，它能使細胞內(nèi)電荷運動方向發(fā)生改變，不能達到正常的功能位置。另一方面，磁場可以改變膜的通透性，促進新陳代謝，加強組織細胞的生長,1.磁致遺傳效應(yīng) 磁場處理導(dǎo)致生物后代發(fā)生遺傳改變的現(xiàn)象稱為磁致遺傳效應(yīng)。比如用不同磁場強度處理大麥種子后，發(fā)現(xiàn)DNA合成率下降了，同時在第二代的染色體中也觀測到畸變。 關(guān)

17、于磁場如何影響DNA分子的結(jié)構(gòu)并引起生物遺傳變異的，目前仍了解甚少，一般認為，磁場可能引起DNA分子的氫鍵發(fā)生畸變，影響氫離子的隧道效應(yīng)，導(dǎo)致部分遺傳物質(zhì)結(jié)構(gòu)的變化，進而引起生物遺傳變異,三 磁場的生物效應(yīng),2.磁致生長（死亡）效應(yīng) 磁場對生物生長、發(fā)育、衰老和死亡等生命過程均能產(chǎn)生影響。 例如強度高于1.4T的恒定均勻磁場能抑制細菌的生長；磁水飼養(yǎng)家禽，比普通水飼養(yǎng)增重可達20%30%；用磁水浸種可使多種蔬菜和大豆、甜菜、向日葵等增產(chǎn)（主要作用是促進種子發(fā)芽，根系發(fā)達，增加吸水、吸肥能力，發(fā)育期提前，穗粒數(shù)和千粒重增加，抗寒抗病能力提高,地球上一切生物的生命活動和進化始終處在地球磁場的影響中

18、。古生物學家在研究深海底沉積巖石中的生物化石時發(fā)現(xiàn)，大約250萬年前的一次地磁場反向時，調(diào)查的8種生物中就有6種滅絕；大約7000萬年前的一次地磁場反向時，被調(diào)查的7種生物全部滅絕；約在8500萬年前的一次地磁場反向，也有若干種微生物和其它生物化石的消失。所以說地磁場的反向?qū)ι飦碚f是滅絕性的破壞,3.磁致放大效應(yīng) 在許多觀測到的磁場生物效應(yīng)中，外加磁場的能量常常是很小的，但產(chǎn)生的生物效應(yīng)反映出的能量卻往往較大，從能量的觀點考慮，較弱的磁場只是起激發(fā)作用，生物體起到能量放大作用，相當于一個線性放大器。這種現(xiàn)象稱為磁致生物放大效應(yīng)。當外加磁場達到閾值時，生物效應(yīng)開始產(chǎn)生，隨著磁場作用的增大，生物

19、效應(yīng)相應(yīng)增大，這是一種累積效應(yīng)。還用一種情況是，生物效應(yīng)隨磁場的頻率而變，在某一頻率時，生物效應(yīng)最大，稱為生物共振,4.產(chǎn)生磁致生物效應(yīng)的條件 1）磁場閾值 生物受到磁場B和磁場梯度dB/dx作用時，它們的強度必須超過某一數(shù)值，才能引起生物效應(yīng)。這一數(shù)值即為磁場閾值。不同的生物或生命現(xiàn)象具有不同的磁場閾值,若干生物或生命現(xiàn)象的閾磁場效應(yīng),2）作用時間 當作用磁場強度超過閾磁場時，作用時間越長，生物效應(yīng)越顯著，表現(xiàn)出累積效應(yīng)。如用閾磁場和作用時間的乘積表示磁作用劑量，則磁生物效應(yīng)與磁作用劑量正相關(guān)。 生物體受到外界因素作用引起某種生物效應(yīng)后，經(jīng)生物體的修復(fù)回到正常機能的狀態(tài)，所需的時間叫生物弛豫

20、時間,生物效應(yīng)的累積與連續(xù)作用的時間tx、生物弛豫時間tr和兩相鄰作用之間的時間tv有關(guān)。 當trtx、tv時，生物效應(yīng)是完全累積的。 當trtx、tv時，生物效應(yīng)的積累有部分被生物弛豫減小所抵消，產(chǎn)生部分積累。 當trtx、tv時，生物弛豫起重要作用，只能產(chǎn)生較小的效應(yīng),3）場型和頻率 磁場大體上可分為恒定磁場和交變磁場。恒定場還要考慮磁場的均勻度,用梯度表示；交變場是場強和方向隨時間變化的磁場，用頻率表示。磁場強度和梯度都是矢量，它們在生物體內(nèi)引起的物理作用（力、力矩、電動勢等）都具有方向性。研究發(fā)現(xiàn)，脈沖磁場的損傷作用與細胞大小有關(guān),四 磁療,利用磁場治病，我國已有兩千多年的歷史。利用磁場的生物效應(yīng)，已制成多種磁療儀器