（电工理论与新技术专业论文）外加电磁场对细胞钙离子信号转导作用的机理研究.pdf

abs tract t h e b e h a v i o u r o f c e l l s c a n b e a l t e r e d w h e n t h e y a r e e x p o s e d t o e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s . i n t h i s n a n e r , t h e p h y s i c a l b a c k g r o u n d w h i c h i s n e e d e d t o u n d e r s t a n d t h e e f f e c t s o f e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d s o n l i v i n g c e l l s i s d e s c r i b e d . t h e d i ff e r e n t b i o l o g i c a p p l i c a t i o n s o f t h o s e d i f f e r e n c e o f p l a n t c e f f e c t s a r e t h e n r e p o r t e d . t h e g r o w t h o f m i c r o - o r g a n i s m s a n d t h e a l l u s c a n b e i n c r e a s e d w h e n c e l l s a r e s u b m i tt e d t o l o w i n t e n s i t y c u r r e n t s . e l e c t r o g e n i c m e t a b o l i c a c t i v i t i e s c a n b e m o d u l a t e d b y e x t e rna l f i e l d s . l o w e t i c f i e l d i n d u c e a n e w t r a n s i e n t b u t f u l l y r e v e r s i b l e s t a t e o f t h e 黔 m a m em braneaff ected , th is 毅 ch is then perm eab iltrop erm eabilization 穿 黔者 o gen ic . a sth e d ire ct 念 默 劣 豁 盆 in fo rm ation in tc a lciu m 盘cy top las mas o ne 罗 毅 黑 嘿:默v iab le、 hy b rid s.m ed iate intracellu lar and e x t r a c e l l u l a r s i g n a l i n g s y s t e m b y m e a n s o f c a l c i u m c o n c e n t r a t i o n o s c i l l a t i o n . c a l c i u m i o n s r e g u l a t e t h e p r o l i f e r a t i o n , m e t a b o l i s m a n do t h e r b i o c h e m i s t r y p r o c e s s o f c e l l t h e c h a n g e s o f c e l l u l a r s e c r e t i n g , c o n d u c t i o n o f n e r v e b i o e l e c t r o m a g n e t i c p h e n o m e n a . m e m b r a n e p o t e n t i a l p l a y a n i m p o r ta n t r o l e i n a n d i m m u n i t y . i t i s f o u n d a t i o n t o e x p l a i n t h e v a r i e t y t h i s a r t i c l e f o u n d a c y l i n d e r m o d e l o f n e r v e f i b r e c e l l a n d d i s c u s s t h e c e l l u l a r me mb r a n e e x p o s e d t o e l e c t r i c f i e l d . a l s o d i s c u s s p o t e n t i a l d e p o l a r i z e o r h y p e r p o l a r i z e w h e n t h e c h a n g e o f t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c a l c i u m i onc h a n n e l s , a c c o r d i n g ly i n fl u e n c e o f i n t r a c e l l u l a r c a l c i u m c o n c e n t r a t i o n a n d t h e c h a n g e o f c i r c a d i a n m e c h a n i s m . t h e c a l c iu m o s c i l l a t i o n d e p e n d s o n t h e i n t r a c e l l u l a r c a l c i u m d i s c u s s t h e c h a n g e o f c e l l u l a r m e m b r a n e p o t e n t i a l w h e n s t o r e s . t h i s a r t i c l e c e l l e x p o s e d to e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d , t h e n a ff e c t t h e c h a r a c t e r i s t i c o f t h e c a l c i u mi o n c h a n n e l s , a c c o r d i n g l y c a u s e t h e i n c r e a s e o f c a l c i u m i o n s i n c u r r e n t . as t h e i n t r a c e l l u l a r c a l c i u m c o n c e n t r a t i o n e x c e e d a t h r e s h o l d a s r e s u l t o f a f e e d b a c k p r o c e s s v a l u e , t h e c a l c i u m i o n s w i l l b e e l i m i n a t e d f r o m c e l l w e f o u n d a n e w m a t h e m a t i c s m o d e l t o e x p l a i n t h e m e c h a n i s m o f c a l c i u m o s c i l l a t i o n a n d s i m u l a t e t h e p r o c e s s o f t h e b i o l o g y p h e n o m e n o n . t h e p o s s i b l e m e c h a n i s m o f th e c a l c i u m o s c il l a t i o n a n d c e l l a p o p t o s i s a r e a l s o e x p o u n d e d a t l a s t a n d d i s c u s s a n e w m e t h o d t o c u r e c a n c e r . k e y w o r d s : c e l l s i g n a l i n g t r a n s d u c t i o n ; m e m b r a n e p o t e n t i a l ; c a l c i u m i o n c h a n n e l s ; e l e c t r o m a g n e t i c f i e l d ; c a l c i u m o s c i l l a t io n s ; a p o p t o s i s 独创性声明 本 人声明所呈交的学位论文是 本人在导师指导下进行的 研究工作和取得的 研究成 果， 除了 文中 特别加以 标注和 致谢 之处 外， 论文中 不包含其他人己 经发表或撰写 过的 研究 成 果 ， 也 不 包 含 为 获 得 .玉生 左芜 - 或 其 他 教 育 机 构 的 学 位 或 证 书 而 使 用 过 的 材 料 。 与 我 一同 工作的同 志对本研究 所做 的 任何 贡 献均已 在论文中 作了明 确的 说明 并表示了 谢意。 * 1i it -v t ;: 刘民 拼 眺 拼 耐年 月 日 学 位论 文 版权使用授权书 本 学 位 论 文 作 者 完 全 了 解 k 生 人 主 有 关 保 留 、 使 用 学 位 论 文 的 规 定 。 特 授 权 孟 生叁 生 一 可 以 将 学 位 论 文 的 全 部 或 部 分 内 容 编 入 有 关 数 据 库 进 行 检 索 ， 并 采 用 影 印 、 缩印 或 扫 描等 复 制 手段 保 存、 汇 编以 供 查 阅 和 借阅。 同 意 学 校向 国 家 有 关 部门 或 机构 送 交 论 文的复印 件和磁盘。 ( 保密的 学 位论文在 解密 后 适 用 本授权说明) 矛甲 了浮含 * 4i i ) 1 t v ? : 刘lk导师签名 签 字 日 期 : b v d 3年了月1 6 日签 字 日 期 : 多 0 0 多 年 1) / 月， 6 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章 绪论 电磁场对细胞作用的机理及其应用技术是当前受到普遍重视的一项基础性 研究。 重点在于研究电磁场对细胞和生物分子非热效应的机理及其动力学建模与 参数检测; 细胞电生理过程的信息提取与辨识; 为电磁场生物效应的防护和利用 以及认知生物科学提供理论依据和手段。 利用生物物理学原理与现代物理数学方法研究活细胞与生物膜， 涉及多学科 交叉的神经生物物理、生物控制论与信息论以及经典电磁理论和量子物理等理 论， 对阐述生物学的基本问题会提供更多的切入点， 对推动生命科学的发展起着 重要作用。 物理环境因素对生物体的作用也越来越受到重视， 这方面注重在细胞 及分子水平上研究物理因素 ( 如电离辐射、电磁辐射、 声波等) 对细胞以及生物 机体的影响机制。 虽 1 . 1 细 胞膜的基本结构及电 学特性 细胞是人体和其他生物体的基本结构单位。体内 所有的生理功能和生化反 应， 都是在细胞及其产物的物质基础上进行的。 对细胞结构和功能的研究， 经历 了 细胞水平、 亚细胞水平和分子水平等具有时代特征的研究层次， 从细胞这个小 小的单位里揭示出众多生命现象的机制， 积累了极其丰富的科学资料。 可以认为， 离开了对细胞及构成细胞的各种细胞器的分子组成和功能的认识， 要阐明物种进 化、 生物遗传、 个体的新陈代谢和各种生命活动以及生长、 发育、 衰老等生物学 现象以及阐明整个人体和各系 统、 器官的功能活动的机制，将是不可能的。 1 . 1 . 1 细胞膜的基本结构 一切动 物细 胞都 被一 层 薄 膜 所包 被， 称为 细 胞膜 或 质 膜( p la s m a m e m b r a n e ) , 它把细胞内容物细胞周围环境( 主要是细胞外液) 分隔开来， 使细胞能相对地独 立于环境而存在。 很明显， 细胞要维持正常的生命活动， 不仅细胞的内容物不能 流失， 而且其化学组成必须保持相对稳定， 这就需要在细胞和它所在的环境之间 有起屏障作用的结构; 但细胞在不断进行新陈代谢的过程中， 又需要经常由外界 得到氧气和营养物质， 并排出 细胞的代谢产物。 而这些物质的进入和排出， 都必 须经过细胞膜， 这就涉及到物质的跨膜转运过程。 因此， 细胞膜必然是一个具有 特殊结构和功能的半透性膜， 它允许某些物质或离子有选择的 通过， 但又能严格 地限制其他一些物质的进出， 保持了细胞内 物质成分的稳定。 细胞内部也存在着 类似细胞膜的膜性结构。 组成各种细胞器如线粒体、 内质网等的膜性部分， 使它 们与一般胞浆之间既存在某种屏障， 也进行着某些物质转运。 膜除了有物质转运 天津大学硕士学位论文第一章绪论 功能外， 还有跨膜信息传递和能量转换功能， 这些功能的机制是由膜的分子组成 和结构决定的。 膜成分中的脂质分子层主要起了屏障作用， 而膜中的特殊蛋白 质 则 与 物质 、 能 量 和 信 息的 跨 膜 转 运 和 转 换 有 关 1 2 ) 1 . 1 . 2 细胞膜的功能 生物膜的结构模型与生物学特征也基本适于细胞质膜，但要指出的是，细 胞质膜作为细胞内外边界，其结构上更为复杂， 功能更为多样。细胞质膜的主要 功 能 概 括 如 下 3 1 14 1 . ( i ) 为 细胞的生命活动提供相对稳定的内 环境; ( 2 ) 选择性的 物质运输， 包括代谢底物的 输入与 代谢产物的排除， 其中 伴随 着能量的传递; ( 3 ) 提供细胞识别位点， 并完成细胞内 外信息跨膜传递; ( 4 ) 为多 种酶提供结合位点，使酶促反应高效而有序地进行; ( 5 ) 介导细胞与细胞、细胞与基质之间的连接; ( 6 ) 质膜参与形成具有不同功能的细胞表面特化结构。 1 . 1 .3 细胞膜的电学特性 由脂质体和蛋白 质为主体构成的细胞膜具有近乎绝缘的电性质，细胞中的 电导主要是由水和离子移动引起的， 在静息情况下， 细胞内外的电荷是不均匀分 布， 存在着内负外正的电位差。 在外加交流电磁场作用下，电荷移至并储存在细 胞和溶液的相界面， 破坏了原有的双电层， 形成新的电荷的非均匀分布，即所谓 界 面 极 化 s1 细胞膜可以 看作是两个平行电极板间夹着电介质物质的电容器，而一些带 电离子可以通过细胞膜运输。 因而细胞膜相当于漏电电容， 其电容和电导分别为: c m e e o a / d g m u a / d . i一 一 一 一 一 一 一 一 刁 其中a和d 是膜的面积和厚度。!】1 复介电常数为:e * = e 复电 导为: q * j (a e o e * 肿瘤组织细胞膜的 他组织细胞的数值。 j e = e + o /j 2 n e of v m g mc am , 6都显著高于其 图1 - 1细胞膜介电等效模型 1 .2 细胞通讯与 细胞信号转导 高等生物所处的环境无时无刻不在变化，机体功能上的协调统一要求有一 个完善的细胞间相互识别、 相互反应和相互作用的机制， 这一机制可以称作细胞 通讯 ( c e l l c o m m u n i c a t i o n ) 。 在这一系统中， 细胞识别与之相接触的 细胞， 或者识 别周围环境中存在的各种信号， 并将其转变为细胞内各种分子功能上的变化， 从 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 而改变细胞内的某些代谢过程， 影响细胞的生长速度， 甚至诱导细胞的死亡。 这 种针对外源性信号所发生的各种分子活性的变化， 以及将这种变化依次传递至效 应 分 子， 以 改 变细胞功能 的 过 程 称为 信号 转导 ( s i g n a l t r a n s d u c t i o n ) ， 其最终目 的 是使机体在整体上对外界环境的变化发生最为适宜的反应。 所以， 阐明细胞信号 转导的机理就意味着认清细胞在整个生命过程中的增殖、 分化、 代谢及死亡等诸 方面的表现和调控方式，进而理解机体生长、发育和代谢的调控机理。近年来， 随着分子生物学技术手段的改进，人们对细胞内信号转导机理的认识也日益深 入。 现己知道， 细胞内 存在着多种信号转导方式和途径， 各种方式和途径间又有 多个层次的 交叉调控， 是一个 十 分复杂的网 络系统 6 1 . 2 . 1 细胞间通讯方式 细胞间的通讯 对于多细胞生物体的发生和组织的构建，协调细胞的功能， 控制细胞的生长和分裂是必须的。细胞间通讯的信号分子:主要有内分泌激素、 神经递质与神经肤， 此外还包括抗体与淋巴因子。 主要以如下三种方式进行联络。 ( 一) 细胞间隙连接 细胞间隙连接( g a p j u n c t i o n ) 是一种细胞间的直接通讯方式。 两个相邻的细胞 间 存在着一种特殊的由 蛋白 质构成的结构 一 连接子( c o n n e x o n ) 。 连接子两端分别 嵌入两个相邻的细胞， 形成一个亲水性孔道。 这种直接交换的意义在于， 相邻的 细胞可以共享小分子物质， 因此可以 快速和可逆地促进相邻细胞对外界信号的协 同反应。在肿瘤生长和创伤愈合等过程中都观察到某些类型连接子表达的变化。 因此，连接子可能对细胞的生长、分化、定位及细胞形态的维持具有重要意义。 ( 二) 膜表面分子接触通讯 每个细胞都有众多的分子分布于膜的外表面。这些分子或为蛋白质， 或为搪 蛋白。 这些表面分子作为细胞的触角， 可以与相邻细胞的膜表面分子特异性地相 互识别和相互作用， 以 达到功能上的相互协调。 这种细胞通讯方式称为膜表面分 子接触通讯。膜表面分子接触通讯也属于细胞间的直接通讯。 ( 三) 化学通讯 细胞可以分泌一些化学物质一 蛋白 质或小分子有机化合物至细胞外，这些化 学 物质作为 化学 信号 ( c h e m ic a l s i g n a l in g ) 作用于其 它的 细胞 ( 靶细 胞) 来调节 其功 能， 这种通讯方式称为化学通讯。 化学通讯是间接的细胞通讯， 即细胞间的相互 联系不再需要它们之间的直接接触，而是以 化学信号为介质来介导的。 1 . 2 .2细胞信号转导 ( s i g n a l t r a n s d u c t i o n ) 细胞信号转导主要内容是研究细胞感受、 转导环境刺激的分子途径及其在生 物个体发育过程中如何调节基因表达和代谢生理反应。 细胞内的许多物质， 它们 的卞要作用既不是营养和能源物质， 也不是结构成分， 其主要功能是在细胞间和 天津大学硕一 f 学位论文 第一章绪论 细胞内传递信息。 信号转导机理的 研究在理论和技术方面与上述核酸及蛋白 质分 子有着紧密的联系， 是当前分子生物学发展最迅速的领域之一。 细胞内信使一般 具有以 下三个特点: ( 1 ) 多为小 分 子，且不位于能量代谢途径的中 心: ( 2 ) 在细胞 中的浓度或分布可以 迅速地改 变; ( 3 ) 作为变构效应剂可作用于相应的靶分子， 己知的靶分子主要为各种蛋白 激酶。 细胞内通讯的信号分子一般公认的有环腺若酸， i p 3 ， 钙离子等。 在外源信 号的刺激下， 细胞可以 将这些信号转变为一系列的生物化学变化， 例如蛋白 质构 象的转变、 蛋白质分子的磷酸化以及蛋白与蛋白相互作用的变化等， 从而使其增 殖、分化及分泌状态等发生改变以适应内外环境的需要。 膜受体信号转导是细胞内 通讯的重要内容: ( 一) 离子通道型受体及其信号转导 离子通道型受体是一类自 身为离子通道的受体。 它们的开放或关闭直接受配 体的 控制， 其配体主 要为神 经 递质。 离 子通道受体信号转导的 最终作用是导致了 细胞膜电位的改变， 可以认为， 离子通道受体是通过将化学信号转变成为电信号 而影响细胞的功能的。 ( 二) g 蛋白偶联型受体及其信号转导 g蛋白偶联型受体包括多 种神经递质、月 太 类激素和趋化因子的受体。这类 受体在结构上均为单体蛋白，氨基末端位于细胞外表面，梭基末端在胞膜内侧。 完整的肤链要反复跨膜七次。 由 于肤链反复跨膜， 在膜外侧和膜内侧形成了几个 环状结构， 它们分别负责与 配体 ( 化学、 物理信号 ) 的结合和细胞内 的 信号传递。 其胞浆部分可以与一种g t p 结 合蛋白 ( 简称g蛋白 ) 相互作用， 这种g蛋白 是该 信号传递途径中的第一个信号传递分子，这也是这类受体被称为 g蛋白偶联型 受体的原因。 g蛋白 偶联受体的 信号 传 递过程包括( 1 ) 配体与受体结合， ( 2 ) 受体活化g蛋 白: ( 3 ) g蛋白 激活或抑制细 胞中的 效应分子; ( 4 ) 效 应分子改 变细胞内 信使的 含 量与分布， ( 5 ) 细胞内 信使作用 于相应的 靶分子， 从而改 变细胞的 代谢过程及基 因表达等功能。 上述跨膜信号传递方式的作用过程，有以下几点值得注意。第一，这几种 作用形式并不是绝对分离的， 可以 互相影响或在作用上有交叉。 一些第二信使类 物质可以调节某些电压门控通道和化学门控通道蛋白 质的功能状态; 而且有些被 受体激活了的 g 一 蛋白不通过第二信使就能直接作用于膜结构中的通道，如上述 g s 激活时可以 直接打开c 扩 十 通道。 第二， 对于许多外来化学信号分子，并不是 一种化学信号只能作用于跨膜信号传递系统中的一种;以a c h为例，当它们作 用于神经一 肌接头处时， 终板膜上有同它们作特异结合的化学门控通道: 但当a c h 天津大学硕学位论文 第一章绪论 作用于心肌或内脏平滑肌时， 遇到的却是受体一g 一 蛋白一第二信使系统。 由此可 见， 同一种刺激信号通过何种跨膜信号传递系统起作用， 关键因素在于靶细胞膜 上具有何种感受结构。 第三， 跨膜信号传递的方式虽然相对地较少， 但也不一定 只限于上述几种。 近年来有一些特殊的化学信号影响其靶细胞的方式受到广泛的 重视， 很可能成为 跨膜信号 传递的 一种新类型7 1 a l 1 .3细胞的钙离子信号及生物功能 胞质钙作为信使对细胞各种生理活动具有广泛调控作用。 早期的研究揭示， 钙在 肌肉收缩， 激素、 消化酶类和神经递质的释放中起重要作用; 近期的研究发 现， 钙参与更广泛的生理过程， 如生物膜通透性及细胞兴奋性的控制、 细胞代谢、 细胞形态的维持、 细胞周期的调控以 及生殖细胞的成熟和受精等。 经典的钙信号 模型假设， 细胞内游离钙浓度的升高是引起细胞功能变化的主要原因。 但是， 越 来越多的实验证据说明， 细胞对胞外信号产生应答反应时， 胞浆内游离钙浓度仅 表现一过性升高， 很快恢复原始水平， 而细胞反应却持续很长时间， 非经典钙信 号模型所能解释。 钙循环、 钙波和钙振荡的发现更改变了科学家对钙信号的探索 视角，从而对其作用机制有了 较全面的了解。 细胞钙通常以结合态和离子态( c a ) 两种形式存在。 c a 对调节人体细胞的许 多生理生化过程起着至关重要的作用。 1 .3 . 1 细胞内 钙的分布和相对的 恒定 胞内钙的分布极不均匀， 细胞内总钙浓度约为 1 m m o l / l 。细胞在静止( 非激 活) 状态时，细胞溶质 c a , +浓度约为 1 0 - 7 - 1 0 - m o l / l 。细胞溶质中c a 浓度如果太 高，可使磷酸根沉淀，而磷酸根是细胞能量和物质代谢所必须的，故 c a 过高对 细胞有害，甚至会致死。因 此细胞内 c a 稳态失控是许多外界因素引起细胞坏死 的 共同 机理， 所以 细胞溶质w 处于极为严格的调节控制之中。 细胞溶质本身对 c a -*缓冲能力提供初步调节，细胞溶质内的许多蛋白质、核昔酸、酸性磷脂都可 以与 c a 结合形成 缓冲能力 。所谓 “ 钙库”的细胞器 如内质网、线粒体 等， 其钙浓度较高， 内质网 c a - 浓度为 0 . 5 u m o l / l ，比细 胞溶质 c a ” 浓度高 数倍。它们之所以 二 1 - 3_ l o x _1 0 班 一9- r- ts yl 被动转场 c . 2 + 招化扩触 c z 2 .蓦 一 cas+ 3531c j,c 图1 - 2细胞钙离子转运体系 天津大学硕十学位论文 第一章绪论 起钙库作用， 主要是与细胞 溶 质中c a = . 处于不断交换之中， 其本身又具有对 c a 很大的缓冲能力。 在生理情况下， 体内 各组织细胞内的钙含量保持相对的稳定b 7 1 .3 .2 细胞的钙运输系统 钙离子的膜运输系统包括质膜转运系统、肌浆网转运系统和线粒体转运系 统。 ( 1 ) 质 膜 转 运系 统: 主 要 有 钙 离 子 通 道、 钙 泵( c a l - m g 2 十 一 a t p 酶) 和n a + - c a z 一 交 换. ( 2 ) 肌 浆网 转 运 系 统: 包 括c a z + 特 异 性a t p 酶; 它 不 同 于 质 膜的c a z + - m g l - a t p酶，前者属于高亲和 力高 容量系统， 后者属于高亲 和力低容量系统。 ( 3 ) 线 粒体 转运系统: 包 括n a - c a z 十 交 换、 原 位电 源摄 取通路 和n a 一 激发释 放通路。 正常时， 线粒体在调节肌浆钙中起很小的作用， 然而，当细胞内的钙离子超负荷 时，线粒体的磷酸盐摄取系统发挥重要作用，从而贮存大量的钙。 其中， 肌浆网 钙 库 在细 胞 快 速 转 运c 犷 + 上起主 要 作用 11 0 1 1 .3 .2 . 1 细胞质膜的钙运输系 统 1 . 钙通道 细胞内 游离钙离子浓度【 c a 升高， 可触发肌肉收缩、 递质释放和激素分泌 等生理活动。 胞外钙离子内 流是 c a ; 升高的主要原因之一。 钙内流主要通过细 胞膜上三类钙通道实现: 电 压依 赖性钙通道( v o l t a g e - d e p e n d e n t c a l c i u m c h a n n e l , u d c ) 、 受体操纵性钙通道( r e c e p t o r - o p e r a t e d c a l c i u m c h a n n e l , r o c ) 和机械操纵性钙通道 ( m e c h a n i c a l l y - o p e r a t e d c a l c i u m c h a n n e l , m o c ) 。 目 前 对r o c 和m o c 所 知 甚 少 ， 对 v d c 了解较多。 u d c 的开 放主 要受膜电 位变化的影响。v d c 对膜电 位变化的敏感 性还与通道蛋白的磷酸化/ 去磷酸化状态以及g 蛋白的作用密切相关。根据对膜 电位变化的敏感性不同可将v d c 分为l , n , t , p 四型。 2 . 钙泵和n a 7 c a t 交换子 虽然细胞内存在多种钙缓冲系统， 但从胞外流入的钙终究必须排至胞外才能 维持细胞的正常活动。 行使钙外流功能的是存在于细胞膜上的两种蛋白: 钙泵和 钠/ 钙交换子。细胞膜上的钙泵完全不同于细胞内钙池上的钙泵，其活性受钙- 钙调素( c a - c a m ) 复合体和p k c 调节。 当 c a - 升高时， c a - c a m 激活钙泵而增强其 对钙的敏感性和对钙的转运效率。 p k c钙激活的蛋白激酶) 可使钙泵蛋白 磷酸化， 进一步提高钙泵对钙的转运效 率。 钙泵对钙离子亲和力高， 但转运效率低。 细胞 兴奋时n a 大量内流，钠/ 钙交换子利用n a 梯度将c a 排至细胞外。它对钙的亲 和力和转运效率都高。 细胞处于静息状态时， 钙外流主要由 钙泵承担， 当细胞受 刺激引起钙内流增加后，钠/ 钙交换子活动增强，快速将细胞内多余钙排除。 1 .3 .2 .2 细胞质中钙缓冲系 统 细胞质中 存在多 种可溶性 钙结合蛋白( c a l c i u m - b i n d i n g p r o t e i n , c a b p ) ， 能 对胞质游离钙离子浓度变化作出 快速反应， 起着重要的钙缓冲作用。 目 前已从不 天津大学硕_ l 学位论文 第一章绪论 同组织中分离出几十种c a b p ，并测定了2 0 多种c a b p 的氨基酸顺序。其中研究 较多的有:钙调蛋白( c a l m o d u l i n , c a m ) 、神经储钙蛋白、钙受体蛋白等。c a b p 除具有缓冲c a 作用外，更主要的是通过与c a l , 结合传递其信号。 1 .3 . 2 .3 钙池膜上的钙运输系统 1 . 钙离子通道 c a - ; 升高的另一重要原因是胞内 储存钙的细胞器释放钙。 细胞中最主要的 钙池是内质网( e r ) / 肌浆网( s r ) . e r / s r 通过c a 离子通道以两种方式释放钙: 磷 酸肌醇介导的钙释放和电压介导的钙释放。 2 . 兰诺定( r y a n o d i n e ，一种中性植物碱) 受体介导的钙释放 细胞内还存在i p不敏感钙池， 它实施对兰诺定敏感的电压介导的钙致钙释 放( c a l c i u m - i n d u c e d c a l c i u m r e l e a s e , c i c r ) o c i c r 理论的要点是:肌膜去极 化引起的钙内流使胞质内c a l 浓度升高，激活s r 释放储存钙，从而引起肌肉收 缩. c i c r 的通道与兰诺定受体有关， 兰诺定受体与工 p 。 受体有很高的同源性。 兰 诺定作用于其受体， 可以调节肌浆网中钙释放， 低浓度促进钙通道开放， 高浓度 抑制钙通道开放口 c a l, 本身对c i c r 有负反馈调节作用 ， 。 c 工 c r 在不同细胞中发挥不同功能。 c 工 c r 是心肌形成兴奋一 收缩偶联的重要环 节。当外来刺激兴奋心肌后， 通过u d c 使胞外少量钙快速内流， 胞质c 犷产生一 过性升高，经c i c r 机制， 使s r 释放c a _ 引 起胞质c a - 进一步升高，再通过钙的 一系列作用使心肌纤维收缩。c i c r 对胞质钙波的产生起着重要作用。 3 . 钙泵 在这些储存钙的细胞器膜上均存在钙泵， 可以将胞质内多余的游离钙摄入钙 池内，该缓冲体系对钙离子浓度变化的反应比c a b p 慢，但缓冲能力较强。 1 .3 .3胞质钙信号的生物功能 神经、内 分泌系统的 兴奋， 细胞内外环境的变化， 均可使细胞代谢产生相应 的反应， 此时细胞内 外c a 发生移动。 钙在细胞代谢反应中 作为细胞信使的作用， 首先是在细胞质与胞内钙库或胞外 c a 之间存在浓度梯度。这种梯度是靠膜上 c a ” 转移系统维持的。其次是 c a - 本身的特性更能适应于它和靶蛋白形成特异性 紧密的结合，这是作为传递信息的胞内信使的基本条件之一。 早己证明钙与离子通道有关， 钙动员引起的胞内c a l, 浓度增加也可直接参与 离子通道的调节。 细胞内c a 浓度增加可以活化k 通道，以 后又发现c 犷可调节 c l 一 和 n a 通道的开启。c a l 对离子通道的活化作用对细胞的许多功能，特别是对 细胞的兴奋性传导以及内分泌和外分泌等均起着重要的调节作用。 前己 述及c a l , 又被称为“ 第二信使” ， 但c a - 运动如何藕联于生理效应，参 与何种生化反应， 迄今尚未完全解决。 现己发现， 当c 犷与c a m 结合成复合物后， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 可与一系列与c a 有依赖关系的蛋白 激酶调节亚单位结合， 使其呈激活状态， 例 如，蛋白激酶、磷酸化激酶、脑腺昔酶等，这些反应都与c a - c a m 复合物有关。 目 前， 己 证明有2 0 多种靶蛋白( 酶) 的活性受c a m 的调节。 c a e - 的信息就是通过c a m 来影响细胞的多种代谢和功能的。 此外，维持细胞内 低钙、 细胞外高钙浓度需要机体产生大量能量， 胞浆c a - 排出到胞外的主要机制是质膜上的c 犷- a t p 酶， 其活性依赖于c a m 和a t p 逆细胞 膜内外之间的c a - 浓度梯度将胞内c a 主动转运到胞外。也有研究表明:c a m p 可 促进c a - - a t p 酶的磷酸化， 使该酶激活;同时c a m p 也可激活c 犷通道的活性; 因此c a m p 可促使质膜c a l 内 流和 外流增加， 在不同 的 情况下 起到调节作用。 在胞质钙信号被广泛研究的同时，胞外钙信号以及核钙信号的发现又极大 地丰富了钙信号的内涵， 也昭示着钙信号的泛在性和复杂性。 研究胞质钙信号与 核钙信号以及胞外钙信号的相互关系和协同作用将是钙的生物功能研究的新热 点，也是揭开钙信号机制的关键。总之c a 在细胞功能的调节中起重要作用， 如 神经传导、 肌肉收缩、 细胞分泌和增殖、 形态发生、 细胞老化等许多细胞反应过 程都有c 犷的调节作用。而细胞的多种功能都依赖于细胞内外极高的c a 浓度差 存在，一旦这种浓度差减低，细胞就会受到功能性损伤，甚至引起死亡。 1 .4 本论文的选题意义和创新点 1 .4 . 1 本论文的选题意义 生物物理学与生物电 磁学是当前自 然科学领域比 较热门的课题， 近年科学 界获得重大奖励和突破的 研究多 是在分 子生物学及量子生 物学领域所取得的， 随 着人类对自 然界的 探索日 益深入， 对人类自 身的研究也逐渐得到普遍的关注和重 视， 尤其是基因生物工程在理论和实践中都取得长足的发展。 随着多学科的交叉 与科研水平的提高， 把各种数学物理方法运用到生物电 磁效应的研究中， 是一种 很好的尝试， 也取得了很大的突破。由于生物体是个动态的， 多参数的非线性系 统， 想要揭示生物物理效应的内在机理， 需要各个研究领域的学者通力协作、 互 相配合。 细胞膜电位的变化在调节细胞的各种生理过程中起着重要的作用，细胞膜 是外加场对细胞作用的靶体， 细胞膜电位的产生和变化是解释各种生物电磁效应 的 基础。 阐明细胞膜电 位在外加刺激情况下的变化规律是细胞水平的生物电工学 领域研究的关键。 细胞内的自由 钙离子调节着细胞的代谢、分泌和细胞的增殖等许多生化过 程， 并且参与细胞间的 信号转导。 细胞膜钙离子通道是钙离子进入细胞的主要通 路， 与钙泵等共同参与调控细胞内 钙离子浓度的平衡。 本文将试图揭示电磁场作 天津大学硕十学位论文第一章绪论 用如何使得细胞膜钙通道的离子运动特性发生改变， 从而使细胞内的钙离子浓度 发生波动，进而改变细胞的各种生理机能。 在细胞中， 钙离子的信号转导是通过胞浆内钙浓度的变化来发生与传递的， 即以波动和振荡的方式来介导细胞内外的信号的。钙波动和钙振荡是细胞内 c a 十 调节的基本特征，广泛存在于电兴奋细胞等多种细胞中。阐述细胞对钙离子被 动运输和主动转运机理及钙离子在细胞内波动的特性是十分重要的， 钙振荡主要 受钙库等调控， 本文将对钙振荡可能产生的机理以及其生物学意义进行了论述， 并探讨了一种治疗癌症的新方法。 1 .4 .2 本论文的创新点 1 、以圆柱状神经纤维细胞为对象，建立了具有分层电荷分布的细胞模型， 分析了在静息情况下由于电荷的作用而产生的细胞膜内、外的电场和电位分布， 并分析了在外加电场作用下， 细胞膜电位产生去极化或者超极化的效应， 从而改 变细胞膜对各种离子的通透性以 及对细胞膜上极化分子产生取向重排作用， 进而 达到调控细胞的各种生理机能的目的。 2 、以 细胞膜钙离子通道为 模型，分析了 在无外界刺激情况下离子通道内、 外的磁场分布， 以及在外加磁场作用下离子通道内的磁场产生的变化，钙离子受 到电 场力和洛伦兹力的共同作用，使得细胞膜通道内的离子运动特性发生改变。 3 、以分层球形和圆柱形细胞为模型， 利用经典电磁场理论分析计算了 在外 加交变磁场作用下， 球形和圆 柱形细胞内向 量磁位和涡流电 场的 分布。 并利用有 限元法对生物电磁场的初、边值问题进行了数值计算。 4 、以细胞内钙振荡产生的生物机理出发， 建立了 细胞钙离子转运的物理模 型和电路模型， 对细胞内钙振荡的双池模型进行改进， 研究了在外加电磁场作用 下钙离子转运及细胞内 离子浓度所发生的变化， 并利用计算机进行钙振荡的 模拟 仿真， 其结沦与数学分析和实验结果非常吻合， 在一定程度上模拟重建了生物细 胞的这一特定生理过程。 天津大学硕 卡 学位论文第二章 细胞膜电位及神经动作电位 第二章 细胞膜电位及神经动作电 位传播 细胞膜电位的变化在调节细胞的各种生理过程中起着重要的作用，细胞膜 是外加场对细胞作用的靶体，细胞膜电位的产生和变化是解释各种生物电磁效 应的基础。本章以圆柱状神经纤维细胞为对象，建立了具有细胞内和细胞表面 电荷的细胞模型，分析了在静息情况下由于电荷的作用而产生的细胞膜内、外 的电场和电位分布，并分析了在外加电场作用下，细胞膜电位产生去极化或者 超极化的效应，从而改变细胞膜的通透性特别是钙离子通道特性，使细胞内的 钙离子浓度发生变化，进而达到调控细胞的各种生理机能的目的。 2 . i 跨 膜的 离子和物质转运 物质的跨膜转运包括: 小分子物质: 被动运输( 简单扩散、 协助扩散) ， 主动 运输。大分子物质:膜泡运输( 内 吞作用、外排作用) 。 一、 简单扩散: 导致物质穿 过细胞膜运动的最简单的过程就是扩散。 若扩散 的物质是电解质， 则扩散是以离子形式进行的。 此时， 决定扩散的除了离子浓度 差、 膜的 可透性 外， 还 有 静电 力。 其 特点 是: 沿浓度 梯 度 ( 电 化学梯度 ) 方向 由 高 到低扩散， 不需细胞提供能量， 没有膜蛋白协助。 具有极性的水分子容易穿膜是 因水分子小， 可以 通过由 于膜脂运动而产生的间隙。 膜的通透性主要取决与分子 大小和分子的极性， 小分子比 大分子容易穿膜， 非极性分子比 极性分子容易穿膜， 而带电离子的跨膜运动则需要更多的自由能。 二、 协助扩散: 特点是沿浓度梯度减小方向 扩散， 不需细胞提供能量， 需特 异膜蛋白协助转运， 以加快运输速率。 有两种转运膜蛋白: 载体蛋白 和通道蛋白。 载体蛋白的运输特点: 比自 由 扩散的转运速率高; 存在最大转运速率;在一 定限度内运输速率同物质浓度成正比。膜上载体蛋白的结合位点存在饱和限度; 有特异性 即与特定溶质分子相结合。通道蛋白具有选择性开关，对转运的离 子大小、电荷都有选择性; 转运速度高， 是载体蛋白1 0 0 倍以上;多数情况下为 关闭 状况，只有在膜电 位的改 变或化学信号刺激时才开放， 故都是瞬间开放。 三、主动运输: 特点1 . 物质由 低浓度到高浓度一侧的跨膜运输即逆浓度梯 度( 逆化学梯度) 运输. 2 . 需细胞提供能量( 由a t p 直接供能) 或与释放能量的过程 天津大学硕士学位论文第二章 细胞膜电位及神经动作电位 偶联( 协同运输) 。 3 . 都有载体蛋白。 根据主动运输过程所需能量来源的不同可分 为:由a t p 直接提供能量和间接提供能量两种基本类型。 ( 一) 由a t p 直接提供能量的主动运输: 在细胞质膜的两侧存在很大的离子浓 度差，特别是阳离子浓度差。一般的动物细胞要消耗 1 / 3 的能量来维持细胞内 低n a 高k 的离子环境， 这种特殊的离子环境对维持细胞内正常的生命活动，对 神经冲动的传递以及对维持细胞的渗透平衡，恒定细胞的体积都是非常必要的。 ( 二) 协同运输( c o t r a n s p o r t )协同运输是一类靠间接提供能量完成的主动 运输方式。 物质跨膜运动所需要的能量来自 膜两侧离子浓度梯度。 细胞中常常利 用膜两侧n a 浓度梯度来驱动， 植物细胞和细菌常利用1 r 浓度梯度来驱动。 根据 物质运输方向与离子沿浓 度梯度的转移方向， 协同 运输又可分为:同向协同: 物 质运输方向与离子转移方向 相同; 反向 协同:运输方向与离子转移方向相反。 四、大分子与颗粒物质的跨膜运输 真核细胞通过内吞作用和外排作用完成 大 分 子 与 颗 粒 性 物 质的 跨 膜 运 输 13 1 2 .2细 胞内 离子分布和膜电 位的 形成 细胞表面生理学对于细胞保持正常的细胞功能具有重要作用， 细胞外表面调 节着细胞的物质交换和细胞间的粘合， 而且也影响着细胞的 免疫并参与细胞的生 长和分裂。 2 .2 . 1 细胞的静息电 位形成机制 1 . 静息电 位现象: 静息电 位是指细胞未受刺激时， 存在于细胞膜内外两侧的 电位差。 静息电位都表现为膜内比膜外电位低， 即膜内带负电而膜外带正电。 这 种内负外正的状态， 称为极化状态。 静息电位是一种稳定的直流电位， 但各种细 胞的数值不同。哺乳动物的神经细胞的静息电位为一 7 0 m v( 即膜内比膜外电位低 7 0 m v )，骨骼肌细胞为一 9 0 m v ， 人的红细胞为一 i 0 m v . 2 . 细胞静息电位的产生是基础于细胞膜两侧带电离子的不均衡分布和选择 性离子跨膜转运。 正常时细胞内的k 浓度和有机负离子a 一 浓度比膜外高， 而细胞 外的n a 浓度和c l 一 浓度比 膜内高， 如表2 - 1 所示。 在这种情况下， k + 和a 一 有向膜 外扩散的趋势，而n a + 和c l 有向 膜内 扩散的趋势。但细胞膜在安静时，对k 的 天津大学硕士学位论文第二章 细胞膜电位及神经动作电位 通透性较大， 对n a 和c 1 的 通透性很小， 而对a 几乎不通透。因此， k + 顺着浓度 梯度经膜扩散