生物物理學(xué)xx培訓(xùn)資料

1、河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)1 生生 物物 物物 理理 學(xué)學(xué) 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)2 ? 3.1 生物電特性 ? 3.2 電力電化作用 ? 3.3 電刺激與組織興奮性 ? 3.4 靜電生物效應(yīng) ? 3.5 生物磁現(xiàn)象 ? 3.6 磁場對生物水和細(xì)胞的作用 ? 3.7 磁場生物效應(yīng)概述 第3章生物電磁學(xué) 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)3 3.1 生物電特性 ? 3.1.1 蛋白質(zhì)的偶極矩 ? 3.1.2 生物水的電特性 ? 3.1.3 細(xì)胞電活動基礎(chǔ) ? 3.1.4 細(xì)胞的電參量 ? 3.1.5 生物電阻抗 ? 3.1.6 中心導(dǎo)體模型 ? 3.1.7生物組織的介電性質(zhì) 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)4 生

2、物體內(nèi)充滿了電荷，絕大部分電荷以離子、離 子基團(tuán)和電偶極子的形式存在。 （1）組成蛋白質(zhì)的20種氨基酸中有13種在水中能離解產(chǎn)生離子基 團(tuán)或表現(xiàn)電偶極子特性； （2）DNA大分子中的堿基和磷酸酯也存在離子基團(tuán)和偶極子； （3）生物水本身就有強(qiáng)烈的電偶極作用； （4）生物體本身還存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等無機(jī) 離子； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)5 3.1.1 蛋白質(zhì)的偶極矩 在組成蛋白質(zhì)的13種極性氨基酸中，根據(jù)其在水中的狀態(tài)，分為酸性、 堿性、中性； （1）酸性或堿性氨基酸側(cè)鏈在不解離的狀態(tài)下也存在極性基團(tuán)而表現(xiàn)極性； （2）由氨基酸聚合成多肽鏈?zhǔn)强侩逆I聯(lián)結(jié)的，由于

3、原子中心不重合而使肽 鍵呈現(xiàn)極性， 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)6 3.1.2 生物水的電特性 在生物體中，水不僅提供細(xì)胞的生活環(huán)境，還在相當(dāng)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。 （1）水分子具有很強(qiáng)的偶極性； （2）能與其它水分子，離子或生物大分子的極性基團(tuán)之間形成氫 鍵； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)7 3.1.3 細(xì)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。細(xì)胞膜電位瞬 時改變可導(dǎo)致組織興奮。細(xì)胞電位是解釋各種生物電、生物磁現(xiàn)象和 效應(yīng)的基礎(chǔ)。 1、細(xì)胞靜息電位 靜息電位：指細(xì)胞未受刺激時，存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差。 靜息電位表

4、現(xiàn)為膜內(nèi)帶負(fù)電而膜外帶正電的狀態(tài)，稱為極化狀態(tài)。 各種細(xì)胞的靜息電位數(shù)值不同； 如：哺乳動物的神經(jīng)細(xì)胞的靜息電位為-70mV； 骨骼肌細(xì)胞為-90mV； 人的紅細(xì)胞為-10mV； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)8 在細(xì)胞內(nèi)液和外液中，有Na+、K+、ClCl-、Ca+等各種離子和 一些帶電荷的蛋白質(zhì)分子，一般細(xì)胞內(nèi)液和外液中各自正負(fù)一些帶電荷的蛋白質(zhì)分子，一般細(xì)胞內(nèi)液和外液中各自正負(fù) 電荷是相等的，但同一離子在細(xì)胞內(nèi)外液中濃度卻相差很大。 細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外 K+Na+Cl-K+Na+Cl- 人紅細(xì)胞13613835164154 胃腸平滑肌細(xì)胞16222405.9137134 蛙骨骼及細(xì)胞15512441

5、45120 槍烏賊軸突369443913498520 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)9 可興奮細(xì)胞靜息電位V的 Goldman-Hodgkin-Kalz方程： ln KiNaiClo KoNaoCli P KPNaP ClRT V FP KPNaP Cl ? ? ? ? ? ? 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)10 生物組織可以對外界刺激發(fā)生反應(yīng)，當(dāng)刺激達(dá)到一定閾值時， 生物組織發(fā)生反應(yīng)，稱為興奮。 在神經(jīng)和肌肉中，這種能力高度發(fā)展，主要表現(xiàn)是細(xì)胞膜的 電位發(fā)生快速的改變。 2、細(xì)胞的動作電位 ?動作電位：當(dāng)刺激強(qiáng)度較小時，細(xì)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(xì)胞膜電位

6、仍是外正內(nèi) 負(fù)。當(dāng)刺激強(qiáng)度超過某一閾值時，可興奮細(xì)胞的跨膜電位，在短時間 內(nèi)由外正內(nèi)負(fù)變?yōu)橥庳?fù)內(nèi)正，達(dá)到最大值后，再逐漸恢復(fù)到原來的狀 態(tài)。這種短暫的電位變化，成為動作電位。 ?細(xì)胞處于靜止電位時稱為極化，極化量減小時成為去極化； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)11 ?（1）去極化（2）反極化（3）復(fù)極化（4）超極化 動作電位一般分為四個時相： 細(xì)胞動作電位的產(chǎn)生，取 決細(xì)胞膜兩側(cè)的電壓和膜對 于特定離子，尤其是鈉、鉀 離子隨時間變化的通透性。 當(dāng)動作電位發(fā)生時，細(xì)胞對 于鈉、 鉀離子通透性顯著 增加。 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)12 3.1.4 細(xì)胞的電參量 膜是由脂類物質(zhì)構(gòu)成的，脂類物質(zhì)在電學(xué)上近

7、乎絕緣，但蛋 白質(zhì)組分特性、構(gòu)象及膜上位置變化，造成膜兩側(cè)某種特定導(dǎo)電 狀態(tài)。 S R R m inp ? 膜兩側(cè)的糖和蛋白質(zhì)也往往有許多帶電的離子基團(tuán)，并且與細(xì)部內(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(dāng)于 一個電容器。 x C m m ? ? ? ? 4 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)13 ?膜同時兼有電阻和電容的復(fù)合特性，在直流或極低頻率下，細(xì)胞膜阻 抗較內(nèi)外液電阻高得多，電流幾乎不能進(jìn)入胞內(nèi)空間；而高頻電流時， 膜阻抗相對很低，細(xì)胞內(nèi)外空間電流的分布簡單地取決于內(nèi)外液電阻 間的相對大小。 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)14 3.1.5 生物電阻抗 ?在低頻電流下，生物結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜

8、的電阻性質(zhì)。有的是普通的歐姆電 阻，在一定范圍內(nèi)，其電壓、電流呈線性關(guān)系；有的呈非線性，其中 還有對稱性和非對稱性。 ?生物阻抗和生物機(jī)體或組織體積的變化有關(guān)。 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)15 3.1.6 中心導(dǎo)體模型 r o r o r o r i r i r i r m r m r m r m CmCmCmCm 長柱形細(xì)胞，如神經(jīng)軸突和肌纖維細(xì)胞，其長度遠(yuǎn)大于細(xì)胞 直徑，可用電纜模型描述，用電纜方程表示。 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)16 3.1.7 生物組織的介電性質(zhì) ?電介質(zhì)在電場中的一個重要特征是介質(zhì)的極化現(xiàn)象。 ?生物組織中含有大量帶電荷的離子及各種極性分子，外電場會導(dǎo) 致這些荷電離子和

9、極性分子的某種運動，表現(xiàn)出生物組織的極化 現(xiàn)象。 ?介電常數(shù)：表征介質(zhì)的極化程度； ?生物組織的介電常數(shù)和外場頻率相關(guān)； ? 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)17 3.2 電力電化作用 ? 3.2.1 細(xì)胞電泳 ? 3.2.2 電熱作用 ? 3.2.3 電化作用 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)18 3.2.1 細(xì)胞電泳 ?細(xì)胞電泳：當(dāng)細(xì)胞膜外表面呈現(xiàn)負(fù)電荷特性時，在外直流電場的作用 下，細(xì)胞連同其界面吸附層一起向電場正極方向運動，稱為細(xì)胞電泳。 ?電滲：細(xì)胞懸液中帶有正電荷的分散介質(zhì)則向電場負(fù)極方向移動，稱 為電滲。 ?細(xì)胞電泳率：細(xì)胞在單位電場強(qiáng)度、單位時間內(nèi)移動的距離。 I VSW ? ? 河北工業(yè)大學(xué)

10、 生物物理學(xué)19 ?當(dāng)電流通過人體時，電流經(jīng)過的路徑如圖： 3.2.2 電熱作用 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)20 3.2.3 電化作用 ?將不易起化學(xué)反應(yīng)的直流電極直接作用于機(jī)體時，電極附近將發(fā) 生電化反應(yīng)。 ?在陰極： ?在陽極： ? ? ? 22 222HNaOHOHNa NaeNa ? ? ? 22 424OHClOHCl eClCl 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)21 3.3 電刺激與組織興奮性 ? 3.3.1 興奮性 ? 3.3.2 脈沖刺激與生物效應(yīng) ? 3.3.3 SMC刺激與生物效應(yīng) ? 3.3.4 電致生長與修復(fù) 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)22 3.3.1 興奮性 ?按生理學(xué)定義： ?

11、組織興奮性 ?陰極興奮性1，興奮性升高； ?陽極興奮性1,興奮性下降； / 22? ?MgCaKNa 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)23 細(xì)胞或機(jī)體內(nèi)外環(huán)境的任何變化，可能引起它們的反應(yīng)，從而 構(gòu)成刺激。 刺激因素有： 物理的（力、熱、聲、光、電、輻射）， 化學(xué)的（酸、堿、鹽、離子）； 生物的（色素分布、血流量、含水量、激素）； 3.3.2 脈沖刺激與生物效應(yīng) 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)24 用尖脈沖刺激肌肉，刺激響應(yīng)與脈沖 頻率有關(guān)： 肌肉（M）對刺激頻率（S）的響應(yīng) 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)25 3.3.3 SMC 刺激與生物效應(yīng) ?用正弦低頻電流（1000Hz），得 到正弦調(diào)制交流電流（SMC）

12、，即是脈沖電流，其具有低頻和中 頻的優(yōu)點，是經(jīng)常采用的一種刺激源。 ?SMC的作用，可加強(qiáng)細(xì)胞信使RNA的合成，提高有關(guān)肌肉細(xì)胞的機(jī) 能，防止肌萎縮； ?SMC具有明顯鎮(zhèn)痛作用，能有效治療肋間神經(jīng)痛等； ?SMC能改善血循環(huán)和營養(yǎng)吸收能力，治療血循環(huán)紊亂和營養(yǎng)失衡。 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)26 3.3.4 電致生長與修復(fù) ?用小的直流電治療創(chuàng)傷和潰瘍，能加速傷口的愈合和修復(fù)； ?直流電還可抑制細(xì)菌生長； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)27 3.4 靜電生物效應(yīng) ?靜電生物效應(yīng)是靜電場與生物相互作用，引起刺激或抑制生物生 長發(fā)育或致死效應(yīng)。 如 (1) 高壓靜電場對離體培養(yǎng)腫瘤細(xì)胞及小鼠S-180細(xì)

13、胞生長有 抑制作用 ?(2) 靜電場能促進(jìn)蘿卜對礦質(zhì)元素的吸收 ?（3）電暈電場對大田作物和蔬菜生長有較大影響。 ?（4）靜電場對人體生理有明顯影響。 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)28 3.5 生物磁現(xiàn)象 ? 3.5.1 生物材料的磁性 ? 3.5.2 人體磁場 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)29 ?狹義生物磁學(xué):指研究不同層次生物材料所產(chǎn)生的磁場； ?廣義生物磁學(xué)：除狹義生物磁學(xué)內(nèi)容外，還包括磁生物學(xué)，即研究外 界磁場對生物機(jī)體在不同層次的作用所產(chǎn)生的生物效應(yīng)及其相應(yīng)的作 用機(jī)理； ?物質(zhì)的磁性可以通過在外加磁場作用下的磁化過程來認(rèn)識，也可以通 過測量磁性的儀器來探測。 ?對生物大分子的廣泛研究得知，

14、大多數(shù)生物大分子是各相異性反磁性， 少數(shù)為順磁性，極少數(shù)呈鐵磁性； 3.5.1 生物材料的磁性 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)30 3.5.2 人體磁場 ?正常人體組織是非磁性的，磁化率小，沒有剩余的磁矩。 ?人體磁性的來源: （1）生物電流產(chǎn)生的磁場； （2）由生物磁性材料產(chǎn)生的感應(yīng)磁場； （3）侵入人體內(nèi)的強(qiáng)磁性物質(zhì)產(chǎn)生的剩余磁場 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)31 3.6 磁場對生物水和細(xì)胞的作用 ? 3.6.1 磁場與生物體相互作用因子 ? 3.6.2 磁場對生物體內(nèi)水的作用 ? 3.6.3 磁場對組織細(xì)胞的作用 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)32 3.6.1 磁場與生物體相互作用因子 ?磁場作用于生物

15、體產(chǎn)生的效應(yīng)取決于磁場和生物體的某些相互作用因 子。 ?對生物效應(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、作用時間等； ?影響磁場作用的生物因素有：生物材料、生物體的磁性、組成、部位、 種屬、機(jī)能狀態(tài)及敏感性等。 ?根據(jù)磁場的強(qiáng)度，將磁場的生物效應(yīng)分為：強(qiáng)磁場效應(yīng)，地磁場效應(yīng) 和極弱磁場效應(yīng)； ?10-2T的屬于強(qiáng)磁場； ?10-7T的屬于極弱磁場或近零磁場； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)33 3.6.2 磁場對生物體內(nèi)水的作用 ?經(jīng)磁場處理的水稱為磁水。 ?外加磁場對水作用，可使水的比重、沸點、表面張力等特性發(fā)生變化。 ?磁場能使水聚體的偶極矩取向發(fā)生變化，改變原

16、子核外電子的激發(fā)程 度，實現(xiàn)共振。 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)34 3.6.3 磁場對組織細(xì)胞的作用 ?磁場對生物組織細(xì)胞的影響是多種多樣的。 ?在較高感生電勢作用下，細(xì)胞可能被擊穿，或被感生電流燒壞，或被 磁矩扭曲，甚至引起細(xì)胞死亡； ?另一方面，磁場作用亦可促進(jìn)組織細(xì)胞帶電微粒的運動，調(diào)整生物分 子的液晶結(jié)構(gòu)，改變胞膜的通透性，促進(jìn)代謝過程，加強(qiáng)組織細(xì)胞的 生長； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)35 3.7 磁場的生物效應(yīng) ? 3.7.1 磁致遺傳效應(yīng) ? 3.7.2 磁致生長（死亡）效應(yīng) ? 3.7.3 磁致生理生化效應(yīng) ? 3.7.4 磁致放大效應(yīng) ? 3.7.5 產(chǎn)生磁致生物效應(yīng)的條件 河北

17、工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)36 ?磁場處理導(dǎo)致生物后代發(fā)生遺傳改變的現(xiàn)象稱為磁生物遺傳效應(yīng)， 或稱磁致遺傳效應(yīng)。 3.7.1 磁致遺傳效應(yīng) 曲線表明：果蠅最初幾代的發(fā)育期比未處理的對照組的平均發(fā)育期有成 倍的增長，而在以后的各代中，處理組的發(fā)育期逐漸縮短。 a 實驗觀測結(jié)果；b 對照組平均發(fā)育期 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)37 3.7.2 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 ： 1）海膽卵置于10-14T的超導(dǎo)體強(qiáng)磁場中處理2小時，其早期分裂顯著 延遲； 2）強(qiáng)度高于1.4T的恒定均勻磁場能抑制細(xì)菌的生長； 3）小白鼠在約10-7T的磁場中養(yǎng)一年后，壽命縮短6個月，并喪失生育力； 河北工業(yè)大學(xué) 生物物理學(xué)38 3.7.3 磁致生理生化效應(yīng) ?磁場作用于生物機(jī)體，可使機(jī)體的某些功能發(fā)生變化。 例如：磁場可以改變果