生物物理學xx培訓資料

1、河北工業(yè)大學 生物物理學1 生生 物物 物物 理理 學學 河北工業(yè)大學 生物物理學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 ? 3.5 生物磁現(xiàn)象 ? 3.6 磁場對生物水和細胞的作用 ? 3.7 磁場生物效應概述 第3章生物電磁學 河北工業(yè)大學 生物物理學3 3.1 生物電特性 ? 3.1.1 蛋白質的偶極矩 ? 3.1.2 生物水的電特性 ? 3.1.3 細胞電活動基礎 ? 3.1.4 細胞的電參量 ? 3.1.5 生物電阻抗 ? 3.1.6 中心導體模型 ? 3.1.7生物組織的介電性質 河北工業(yè)大學 生物物理學4 生

2、物體內充滿了電荷，絕大部分電荷以離子、離 子基團和電偶極子的形式存在。 （1）組成蛋白質的20種氨基酸中有13種在水中能離解產生離子基 團或表現(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和偶極子； （3）生物水本身就有強烈的電偶極作用； （4）生物體本身還存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等無機 離子； 河北工業(yè)大學 生物物理學5 3.1.1 蛋白質的偶極矩 在組成蛋白質的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鏈在不解離的狀態(tài)下也存在極性基團而表現(xiàn)極性； （2）由氨基酸聚合成多肽鏈是靠肽鍵聯(lián)結的，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 生物物理學6 3.1.2 生物水的電特性 在生物體中，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象和功能，影響生命活動中物質輸運、 能量轉換和信息傳遞過程。 （1）水分子具有很強的偶極性； （2）能與其它水分子，離子或生物大分子的極性基團之間形成氫 鍵； 河北工業(yè)大學 生物物理學7 3.1.3 細胞電活動基礎 生物電現(xiàn)象是生物界一種極普通的生理現(xiàn)象。細胞膜電位瞬 時改變可導致組織興奮。細胞電位是解釋各種生物電、生物磁現(xiàn)象和 效應的基礎。 1、細胞靜息電位 靜息電位：指細胞未受刺激時，存在于細胞膜內外兩側的電位差。 靜息電位表

4、現(xiàn)為膜內帶負電而膜外帶正電的狀態(tài)，稱為極化狀態(tài)。 各種細胞的靜息電位數(shù)值不同； 如：哺乳動物的神經細胞的靜息電位為-70mV； 骨骼肌細胞為-90mV； 人的紅細胞為-10mV； 河北工業(yè)大學 生物物理學8 在細胞內液和外液中，有Na+、K+、ClCl-、Ca+等各種離子和 一些帶電荷的蛋白質分子，一般細胞內液和外液中各自正負一些帶電荷的蛋白質分子，一般細胞內液和外液中各自正負 電荷是相等的，但同一離子在細胞內外液中濃度卻相差很大。 細胞內細胞外 K+Na+Cl-K+Na+Cl- 人紅細胞13613835164154 胃腸平滑肌細胞16222405.9137134 蛙骨骼及細胞15512441

5、45120 槍烏賊軸突369443913498520 河北工業(yè)大學 生物物理學9 可興奮細胞靜息電位V的 Goldman-Hodgkin-Kalz方程： ln KiNaiClo KoNaoCli P KPNaP ClRT V FP KPNaP Cl ? ? ? ? ? ? 河北工業(yè)大學 生物物理學10 生物組織可以對外界刺激發(fā)生反應，當刺激達到一定閾值時， 生物組織發(fā)生反應，稱為興奮。 在神經和肌肉中，這種能力高度發(fā)展，主要表現(xiàn)是細胞膜的 電位發(fā)生快速的改變。 2、細胞的動作電位 ?動作電位：當刺激強度較小時，細胞膜內外的電位差會在短時間內減 小，減小程度與刺激電極間距的大小成反比，細胞膜電位

6、仍是外正內 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 內由外正內負變?yōu)橥庳搩日_到最大值后，再逐漸恢復到原來的狀 態(tài)。這種短暫的電位變化，成為動作電位。 ?細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 生物物理學11 ?（1）去極化（2）反極化（3）復極化（4）超極化 動作電位一般分為四個時相： 細胞動作電位的產生，取 決細胞膜兩側的電壓和膜對 于特定離子，尤其是鈉、鉀 離子隨時間變化的通透性。 當動作電位發(fā)生時，細胞對 于鈉、 鉀離子通透性顯著 增加。 河北工業(yè)大學 生物物理學12 3.1.4 細胞的電參量 膜是由脂類物質構成的，脂類物質在電學上近

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

8、的電阻性質。有的是普通的歐姆電 阻，在一定范圍內，其電壓、電流呈線性關系；有的呈非線性，其中 還有對稱性和非對稱性。 ?生物阻抗和生物機體或組織體積的變化有關。 河北工業(yè)大學 生物物理學15 3.1.6 中心導體模型 r o r o r o r i r i r i r m r m r m r m CmCmCmCm 長柱形細胞，如神經軸突和肌纖維細胞，其長度遠大于細胞 直徑，可用電纜模型描述，用電纜方程表示。 河北工業(yè)大學 生物物理學16 3.1.7 生物組織的介電性質 ?電介質在電場中的一個重要特征是介質的極化現(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 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)：表征介質的極化程度； ?生物組織的介電常數(shù)和外場頻率相關； ? 河北工業(yè)大學 生物物理學17 3.2 電力電化作用 ? 3.2.1 細胞電泳 ? 3.2.2 電熱作用 ? 3.2.3 電化作用 河北工業(yè)大學 生物物理學18 3.2.1 細胞電泳 ?細胞電泳：當細胞膜外表面呈現(xiàn)負電荷特性時，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。 ?電滲：細胞懸液中帶有正電荷的分散介質則向電場負極方向移動，稱 為電滲。 ?細胞電泳率：細胞在單位電場強度、單位時間內移動的距離。 I VSW ? ? 河北工業(yè)大學

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

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 生物物理學23 細胞或機體內外環(huán)境的任何變化，可能引起它們的反應，從而 構成刺激。 刺激因素有： 物理的（力、熱、聲、光、電、輻射）， 化學的（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 河北工業(yè)大學 生物物理學24 用尖脈沖刺激肌肉，刺激響應與脈沖 頻率有關： 肌肉（M）對刺激頻率（S）的響應 河北工業(yè)大學 生物物理學25 3.3.3 SMC 刺激與生物效應 ?用正弦低頻電流（1000Hz），得 到正弦調制交流電流（SMC）

12、，即是脈沖電流，其具有低頻和中 頻的優(yōu)點，是經常采用的一種刺激源。 ?SMC的作用，可加強細胞信使RNA的合成，提高有關肌肉細胞的機 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 生物物理學26 3.3.4 電致生長與修復 ?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； ?直流電還可抑制細菌生長； 河北工業(yè)大學 生物物理學27 3.4 靜電生物效應 ?靜電生物效應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。 如 (1) 高壓靜電場對離體培養(yǎng)腫瘤細胞及小鼠S-180細

13、胞生長有 抑制作用 ?(2) 靜電場能促進蘿卜對礦質元素的吸收 ?（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 生物物理學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 生物物理學29 ?狹義生物磁學:指研究不同層次生物材料所產生的磁場； ?廣義生物磁學：除狹義生物磁學內容外，還包括磁生物學，即研究外 界磁場對生物機體在不同層次的作用所產生的生物效應及其相應的作 用機理； ?物質的磁性可以通過在外加磁場作用下的磁化過程來認識，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 生物物理學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）生物電流產生的磁場； （2）由生物磁性材料產生的感應磁場； （3）侵入人體內的強磁性物質產生的剩余磁場 河北工業(yè)大學 生物物理學31 3.6 磁場對生物水和細胞的作用 ? 3.6.1 磁場與生物體相互作用因子 ? 3.6.2 磁場對生物體內水的作用 ? 3.6.3 磁場對組織細胞的作用 河北工業(yè)大學 生物物理學32 3.6.1 磁場與生物體相互作用因子 ?磁場作用于生物

15、體產生的效應取決于磁場和生物體的某些相互作用因 子。 ?對生物效應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、機能狀態(tài)及敏感性等。 ?根據(jù)磁場的強度，將磁場的生物效應分為：強磁場效應，地磁場效應 和極弱磁場效應； ?10-2T的屬于強磁場； ?10-7T的屬于極弱磁場或近零磁場； 河北工業(yè)大學 生物物理學33 3.6.2 磁場對生物體內水的作用 ?經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 生物物理學34 3.6.3 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。 ?在較高感生電勢作用下，細胞可能被擊穿，或被感生電流燒壞，或被 磁矩扭曲，甚至引起細胞死亡； ?另一方面，磁場作用亦可促進組織細胞帶電微粒的運動，調整生物分 子的液晶結構，改變胞膜的通透性，促進代謝過程，加強組織細胞的 生長； 河北工業(yè)大學 生物物理學35 3.7 磁場的生物效應 ? 3.7.1 磁致遺傳效應 ? 3.7.2 磁致生長（死亡）效應 ? 3.7.3 磁致生理生化效應 ? 3.7.4 磁致放大效應 ? 3.7.5 產生磁致生物效應的條件 河北

17、工業(yè)大學 生物物理學36 ?磁場處理導致生物后代發(fā)生遺傳改變的現(xiàn)象稱為磁生物遺傳效應， 或稱磁致遺傳效應。 3.7.1 磁致遺傳效應 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 實驗觀測結果；b 對照組平均發(fā)育期 河北工業(yè)大學 生物物理學37 3.7.2 磁致生長（死亡）效應 ?磁場對生物生長、發(fā)育、衰老和死亡等生命過程均能產生影響； 例如 ： 1）海膽卵置于10-14T的超導體強磁場中處理2小時，其早期分裂顯著 延遲； 2）強度高于1.4T的恒定均勻磁場能抑制細菌的生長； 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 生物物理學38 3.7.3 磁致生理生化效應 ?磁場作用于生物機體，可使機體的某些功能發(fā)生變化。 例如：磁場可以改變果