生物電學(xué)和生物磁學(xué)(00002)課件

生物電學(xué)和生物磁學(xué)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(tuán)、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(tuán)或電偶極子DNA——堿基和磷酸酯存在離子基團(tuán)和電偶極子生物水——電偶極子組織液——無機(jī)離子K+Na+Ca2+Cl-等生物電現(xiàn)象細(xì)胞膜電位心臟電現(xiàn)象生物電測量神經(jīng)細(xì)胞自然起搏點(diǎn)腦電圖掃描器動(dòng)作電位心臟電序列肌動(dòng)電流圖1生物電現(xiàn)象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、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(fù)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(shí)，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為單肽的數(shù)目。二生物水特性水不僅提供細(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(dòng)中物質(zhì)輸運(yùn)、能量轉(zhuǎn)換和信息傳遞過程。平均壽命10－11s三細(xì)胞電活動(dòng)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(dòng)勢是由“可興奮細(xì)胞”的電化學(xué)活動(dòng)產(chǎn)生的，與機(jī)體組織結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性、通透性、離子濃度或功能的不同因素相關(guān)?？膳d奮細(xì)胞（ExcitableCell）指受刺激后能產(chǎn)生動(dòng)作電位的細(xì)胞。一般認(rèn)為，神經(jīng)細(xì)胞，腺細(xì)胞，肌細(xì)胞都屬于可興奮細(xì)胞。它們受刺激后首先發(fā)生的共同反應(yīng)就是基于電壓門控鈉通道或電壓門控鈣通道激活而產(chǎn)生的動(dòng)作電位。細(xì)胞膜把細(xì)胞包裹起來，使細(xì)胞能夠保持相對(duì)的穩(wěn)定性,維持正常的生命活動(dòng)。此外，細(xì)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(xì)胞膜。所以，細(xì)胞膜的這種選擇性的讓某些分子進(jìn)入或排出細(xì)胞的特性，叫做選擇滲透性。這是細(xì)胞膜最基本的一種功能。如果細(xì)胞喪失了這種功能，細(xì)胞就會(huì)死亡。細(xì)胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)功能實(shí)現(xiàn)的，其主要轉(zhuǎn)運(yùn)方式有以下四種：1）單純擴(kuò)散：脂溶性物質(zhì)由膜的高濃度側(cè)向低濃度側(cè)的擴(kuò)散過程，稱為單純擴(kuò)散。不耗能，不需要載體。如：水、尿素、二氧化碳等.2）協(xié)助擴(kuò)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(kuò)散的過程，稱為協(xié)助擴(kuò)散。不耗能，但是需要載體。協(xié)助擴(kuò)散的三個(gè)特點(diǎn)：1、特異性2、飽和性3、競爭性抑制細(xì)胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)功能實(shí)現(xiàn)的，其主要轉(zhuǎn)運(yùn)方式有以下四種：細(xì)胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細(xì)胞膜的轉(zhuǎn)運(yùn)功能實(shí)現(xiàn)的，其主要轉(zhuǎn)運(yùn)方式有以下四種：3）主動(dòng)運(yùn)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(yùn)過程，稱為主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)（主動(dòng)運(yùn)輸）。主動(dòng)運(yùn)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：是轉(zhuǎn)運(yùn)大分子或團(tuán)塊物質(zhì)的有效方式。動(dòng)作電位一般分為四個(gè)時(shí)相：1去極化2反極化3復(fù)極化4超極化動(dòng)作電位傳輸示意圖四細(xì)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子基團(tuán)，并且與細(xì)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(dāng)于一個(gè)電容器（Cm）。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(qiáng)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。人體組織的直流電阻率（Ω·m）2.人體電阻抗與電流頻率有關(guān)：人體可看成是一個(gè)電解質(zhì)電容器和電阻的并聯(lián)電路。直流在細(xì)胞間隙流過；交流可通過細(xì)胞間隙和細(xì)胞人體肌肉組織電阻率與頻率的關(guān)系3.人體電阻抗的測量式中d0為膜未被壓縮時(shí)的厚度，Ym為膜橫向彈性壓縮模量，為膜的相對(duì)介電常數(shù)，為細(xì)胞與懸浮介質(zhì)形成的體系的介電常數(shù)。細(xì)胞電泳中細(xì)胞兩側(cè)承受一定外場所致的電壓降，并且同一細(xì)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(jī)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(huì)使懸浮粒子的均勻媒質(zhì)產(chǎn)生電滲。因?yàn)榈鞍踪|(zhì)中羧基電解會(huì)產(chǎn)生H+，H+被水分子包圍，形成水合離子并向陰極移動(dòng)，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。

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(xué)是正在興起的生物物理學(xué)一個(gè)分支。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)還包括磁生物學(xué)，即研究外界磁場對(duì)生物機(jī)體在不同次的作用所產(chǎn)生的生物效應(yīng)即其相應(yīng)的作用機(jī)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(gè)電子，一般都同時(shí)參與兩種活動(dòng)，即繞核運(yùn)行的軌道運(yùn)動(dòng)和電子本身的自旋運(yùn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)同時(shí)產(chǎn)生動(dòng)量矩和相應(yīng)的磁矩。若將分子或原子看作一個(gè)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(qiáng)度，以J表示，和M一樣，J也是個(gè)矢量。單位體積的磁介質(zhì)磁矩之和即是它的磁化強(qiáng)度：式中X是磁介質(zhì)的磁化率。當(dāng)X>0時(shí)，J的方向與H的方向一致，稱為順磁介質(zhì)；當(dāng)X<0時(shí)，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(jìn)行氧化輸送的血紅蛋白，進(jìn)行電子傳遞的細(xì)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(yùn)動(dòng)。一些綠色植物單細(xì)胞或其葉綠體放置于1T磁場中,當(dāng)葉綠體的平面結(jié)構(gòu)與磁場垂直取向時(shí)，分子的取向反應(yīng)最大，與磁場平行時(shí)，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(fù)電，形成偶極。因此，當(dāng)兩個(gè)極性分子相互接近時(shí)，由于它們偶極的同極相斥，異極相吸，兩個(gè)分子必將發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這種偶極子的互相轉(zhuǎn)動(dòng)，就使偶極子的相反的極相對(duì)，叫做“取向”。這時(shí)由于相反的極相距較近，同極相距較遠(yuǎn)，結(jié)果引力大于斥力，兩個(gè)分子靠近，當(dāng)接近到一定距離之后，斥力與引力達(dá)到相對(duì)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(xì)菌、鴿子和個(gè)別人等少數(shù)生物中發(fā)現(xiàn)有微量和Fe等強(qiáng)磁性物質(zhì)存在，它們?cè)谏锏亩ㄏ驅(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(qiáng)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(jì)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(yuǎn)低于地磁場，難于進(jìn)行觀測和研究。運(yùn)用高靈敏度的磁強(qiáng)計(jì)能成功的測量人體和生物磁場在對(duì)微弱磁場的檢測中，當(dāng)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(diǎn)：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(shí)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生物組織、器官、細(xì)胞等存在很微弱的磁場。產(chǎn)生原因：①變動(dòng)磁場：生物電荷運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。細(xì)胞膜內(nèi)外的離子運(yùn)動(dòng)的生物電流產(chǎn)生的磁場；如心磁場10－11T，腦磁場10－12T②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；10－8T③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(duì)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(shí)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(jī)能狀態(tài)及敏感性。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)。二磁場對(duì)生物水和細(xì)胞的作用2）磁場對(duì)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(duì)水的作用，可使水的比重、沸點(diǎn)、冰點(diǎn)、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(duì)組織細(xì)胞的作用磁場對(duì)生物組織細(xì)胞的影響是多種多樣的，它能使細(xì)胞內(nèi)電荷運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變，不能達(dá)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(jìn)新陳代謝，加強(qiáng)組織細(xì)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(qiáng)度處理大麥種子后，發(fā)現(xiàn)DNA合成率下降了，同時(shí)在第二代的染色體中也觀測到畸變。關(guān)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(rèn)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(jìn)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(duì)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(qiáng)度高于1.4T的恒定均勻磁場能抑制細(xì)菌的生長；磁水飼養(yǎng)家禽，比普通水飼養(yǎng)增重可達(dá)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(jìn)種子發(fā)芽，根系發(fā)達(dá)，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(dòng)和進(jìn)化始終處在地球磁場的影響中。古生物學(xué)家在研究深海底沉積巖石中的生物化石時(shí)發(fā)現(xiàn)，大約250萬年前的一次地磁場反向時(shí)，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(shí)，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(diǎn)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(dāng)于一個(gè)線性放大器。這種現(xiàn)象稱為磁致生物放大效應(yīng)。當(dāng)外加磁場達(dá)到閾值時(shí)，生物效應(yīng)開始產(chǎn)生，隨著磁場作用的增大，生物效應(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(shí)，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(shí)，它們的強(qiáng)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(shí)間當(dāng)作用磁場強(qiáng)度超過閾磁場時(shí)，作用時(shí)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(shí)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(jī)能的狀態(tài)，所需的時(shí)間叫生物弛豫時(shí)間。生物效應(yīng)的累積與連續(xù)作用的時(shí)間tx、生物弛豫時(shí)間tr和兩相鄰作用之間的時(shí)間tv有關(guān)。當(dāng)tr>>tx、tv時(shí)，生物效應(yīng)是完全累積的。當(dāng)tr>tx、tv時(shí)，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(dāng)tr<tx、tv時(shí)，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(qiáng)和方向隨時(shí)間變化的磁場，用頻率表示。磁場強(qiáng)度和梯度都是矢量，它們?cè)谏矬w內(nèi)引起的物理作用（力、力矩、電動(dòng)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(xì)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。簡單的有磁石穴位粘帖膠布、磁化水杯、磁枕、磁性腹帶等。特點(diǎn)：安全、方便、無痛苦。依據(jù)：中醫(yī)經(jīng)絡(luò)理論，在人體經(jīng)穴處施加磁場。作用：活血化淤、鎮(zhèn)靜止痛、消腫消炎、安神降壓等。療效：高血壓、神經(jīng)衰弱、各種疼痛性疾病乳肌勞損、扭挫傷