生物电学和生物磁学

生物电学和生物磁学第六章1生物电现象

2生物磁现象21生物电现象体内电荷形式：离子、离子基团、电偶极子蛋白质——构成成分氨基酸在水中离解成离子基团或电偶极子DNA——碱基和磷酸酯存在离子基团和电偶极子生物水——电偶极子组织液——无机离子K+Na+Ca2+Cl-等生物电现象细胞膜电位心脏电现象生物电测量神经细胞自然起搏点脑电图扫描器动作电位心脏电序列肌动电流图1生物电现象3一蛋白质的偶极矩组成蛋白质的20种氨基酸在结构上的差别取决于侧链基团R的不同。通常根据R基团的化学结构或性质将20种氨基酸进行分类。1、非极性氨基酸（疏水氨基酸）8种丙氨酸（Ala）缬氨酸（Val）亮氨酸（Leu）异亮氨酸（Ile）脯氨酸（Pro）苯丙氨酸（Phe）色氨酸（Trp）蛋氨酸（Met）2、极性氨基酸（亲水氨基酸）12种：1）极性不带电荷（中性氨基酸）：7种甘氨酸（Gly）丝氨酸（Ser）苏氨酸（Thr）半胱氨酸（Cys）酪氨酸（Tyr）天冬酰胺（Asn）谷氨酰胺（Gln）2）极性带正电荷的氨基酸（碱性氨基酸）3种赖氨酸（Lys）精氨酸（Arg）组氨酸（His）3）极性带负电荷的氨基酸（酸性氨基酸）2种天冬氨酸（Asp）谷氨酸（Glu）5氨基酸靠肽键联结聚合成多肽链原子中心不重合使肽键呈现极性6在不考虑溶剂作用时，任意伸展的一条多肽链的总偶极矩可以看作是一串单肽链偶极矩的矢量和。用表示每一单肽的偶极矩，则多肽链的总偶极矩大小可用下式近似表示：式中n为单肽的数目。大分子溶剂分子量（U）偶极矩（D）碳氧血红蛋白水67000480肌红蛋白水17000170胰岛素含80%水的丙二醇40000360胰岛素丙二醇40000300卵白蛋白水44000250血清白蛋白水70000380偶极矩的大小不但与组成中的极性基团有关，而且与其在不同溶剂中的具体空间构想及复杂的相互作用有关。二生物水特性水不仅提供细胞的生活环境，还在相当程度上决定着生物大分子的构象和功能，影响生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程。平均寿命10－11s三细胞电活动基础生物电现象是生物界一种极普通的生理现象。生物电动势是由“可兴奋细胞”的电化学活动产生的，与机体组织结构的不对称性、通透性、离子浓度或功能的不同因素相关。可兴奋细胞（ExcitableCell）指受刺激后能产生动作电位的细胞。一般认为，神经细胞，腺细胞，肌细胞都属于可兴奋细胞。它们受刺激后首先发生的共同反应就是基于电压门控钠通道或电压门控钙通道激活而产生的动作电位。11磷酸头（亲水性）甘油酯尾（疏水）磷脂分子细胞膜——脂双层1细胞静息电位

细胞膜内外存在电位差，称为膜电位。蛋白质糖类脂类磷脂胆固醇12细胞膜把细胞包裹起来，使细胞能够保持相对的稳定性,维持正常的生命活动。此外，细胞所必需的养分的吸收和代谢产物的排出都要通过细胞膜。所以，细胞膜的这种选择性的让某些分子进入或排出细胞的特性，叫做选择渗透性。这是细胞膜最基本的一种功能。如果细胞丧失了这种功能，细胞就会死亡。13细胞与周围环境之间的物质交换，是通过细胞膜的转运功能实现的，其主要转运方式有以下四种：1）单纯扩散：脂溶性物质由膜的高浓度侧向低浓度侧的扩散过程，称为单纯扩散。不耗能，不需要载体。如：水、尿素、二氧化碳等.2）协助扩散：非脂溶性物质在膜蛋白的帮助下，顺浓度差或电位差跨膜扩散的过程，称为协助扩散。不耗能，但是需要载体。协助扩散的三个特点：1、特异性2、饱和性3、竞争性抑制细胞与周围环境之间的物质交换，是通过细胞膜的转运功能实现的，其主要转运方式有以下四种：细胞与周围环境之间的物质交换，是通过细胞膜的转运功能实现的，其主要转运方式有以下四种：143）主动运输：离子或小分子物质在膜上“泵”的作用下，被逆浓度差或逆电位差的跨膜转运过程，称为主动转运（主动运输）。主动运输需要消耗大量热量并且需要载体。有选择透过性。4）胞吞胞吐：是转运大分子或团块物质的有效方式。152）细胞的动作电位当刺激强度较小时，细胞膜内外的电位差会在短时间内减小，减小程度与刺激电极间距的大小成反比，细胞膜电位极性仍是外正内负。当刺激强度超过某一阈值时，可兴奋细胞的跨膜电位，在短时间内由外正内负变为外负内正，达到最大值后，在逐渐恢复到原来的状态。这种短暂的电位变化，称作动作电位。2细胞的动作电位16动作电位一般分为四个时相：1去极化2反极化3复极化4超极化17动作电位传输示意图18四细胞的电参量+膜上蛋白组分因功能特性、构象变化及在膜上的位置，造成膜两侧某种特定的导电伏态，表现出电阻性（Rm）。膜两侧的糖和蛋白质往往有许多带电的离子基团，并且与细胞内液和外液中的各种离子相互作用，形成一定厚度的电荷层。相当于一个电容器（Cm）。生物电阻抗测量技术是利用生物组织与器官的电特性（阻抗、导纳、介电常数等）及其变化提取与人体生理病理状况相关的生物医学信息的一种无损伤检测技术。它通常是借助置于体表的激励电极向被测对象施加微小的交变电流或电压信号同时通过测量电极检测组织表面的电压或电流信号由所测信号计算出相应的电阻抗及其变化，然后根据不同的应用目的获取相关的生理和病理信息。五

生物电阻抗20不同组织导电性能差别大：人体外层是导电能力很差的皮肤,内部有导电能力较强的体液。各组织的含水量、含离子量和结构特征不同，电阻率不同。组织电阻率组织电阻率脑脊液血清血液神经肝0.5550.7141.8525.080.0脑脂肪湿皮干皮无膜骨肌肉10710.8×10238.0×10240.0×10320.0×10590.0人体组织的直流电阻率（Ω·m）212.人体电阻抗与电流频率有关：人体可看成是一个电解质电容器和电阻的并联电路。直流在细胞间隙流过；交流可通过细胞间隙和细胞频率0100Hz10kHz10MHz10GHz电阻率909.17.72.00.8人体肌肉组织电阻率与频率的关系223.人体电阻抗的测量23六电力电化作用细胞膜的表面外侧蛋白质、脂类、多糖及糖蛋白等组分带有负电荷基团，使得细胞膜外表面呈现负电荷特性。在外直流电场的作用下，细胞连同其界面吸附层一起向电场正极方向运动，称为细胞电泳。细胞悬液中带有正电荷的分散介质则向电场负极方向移动，称为电渗。式中d0为膜未被压缩时的厚度，Ym为膜横向弹性压缩模量，为膜的相对介电常数，为细胞与悬浮介质形成的体系的介电常数。细胞电泳中细胞两侧承受一定外场所致的电压降，并且同一细胞的不同部位处承受的压降量不一样，膜法线垂直于电场处的压降几乎为零，膜法线与电场一致的膜部位则承受最大的压降变化。膜能承受的电压有一定限度，压降超过临界值，膜出现击穿现象。临界值Vc的大小由膜的机械性能和介电特性决定：直流电场作用胶体除了使带电离子产生电泳外，还会使悬浮粒子的均匀媒质产生电渗。因为蛋白质中羧基电解会产生H+，H+被水分子包围，形成水合离子并向阴极移动，使阴极附近的水分增多，阳极的水分减小。含水量的变换将影响生物功能。电热作用：当电流通过人体时，皮肤、脂肪和体内组织串联，体内组织是肌肉、骨骼、腱和血液的并联，皮肤和脂肪电阻较大，体内组织电阻较小。一定电流条件，皮肤和脂肪生热较多。一定电压下，体内组织生热较多。电化作用：将不易起化学反应的直流电极直接作用与机体时，电极附近将发生电化反应。Na+移至阴极并得到一个电子形成中性Na原子，Na原子与水反应生成氢氧化钠和氢，即：在阳极，Cl-交出电子变成Cl原子，它和水反应生成盐酸和氧，即：

2生物磁现象大至地球、月球、太阳及星际空间，小至组成物质的分子、原子、电子和质子、中子等，均具有磁性。地球上的一切生物都处于地磁场之中。生物磁学是正在兴起的生物物理学一个分支。狭义生物磁学指研究不同层次生物材料所产生的磁场；广义生物磁学还包括磁生物学，即研究外界磁场对生物机体在不同次的作用所产生的生物效应即其相应的作用机理；生物磁工程技术，如核磁共振成像。

人体中所含元素：碳、氢、氧、氮、硫、磷、氯、钠、钾、钙、镁、铁等和一些微量元素。其中多数有顺磁性（3d或4d族的过渡离子）。蛋白质、酶和自由基均为顺磁性。占人体70%的水具有弱抗磁性。极少数材料为铁磁性一、生物材料的磁性31磁介质的分子或原子中任何一个电子，一般都同时参与两种活动，即绕核运行的轨道运动和电子本身的自旋运动。这两种运动同时产生动量矩和相应的磁矩。若将分子或原子看作一个单元，则各电子产生的磁矩总和就是分子磁矩或原子磁矩，以M表示。磁介质放入恒定的外磁场H中，受H作用的磁化程度即磁化强度，以J表示，和M一样，J也是个矢量。单位体积的磁介质磁矩之和即是它的磁化强度：式中X是磁介质的磁化率。当X>0时，J的方向与H的方向一致，称为顺磁介质；当X<0时，J的方向与H的方向相反，称为抗磁介质。32生物材料的顺磁性，与其中有过渡金属离子的成分有关。人体中有13种金属元素，其中有8种为过渡金属离子，具有顺磁性。例如进行氧化输送的血红蛋白，进行电子传递的细胞色素，DNA生物合成需要的核糖核苷酸还原酶等。任何物质受磁场作用都有抗磁性，但在顺磁物质中，由于顺磁性超过抗磁性，故表现为顺磁性。33生物分子的抗磁性，表现在生物分子在磁场作用下产生与磁场反向的运动。一些绿色植物单细胞或其叶绿体放置于1T磁场中,当叶绿体的平面结构与磁场垂直取向时，分子的取向反应最大，与磁场平行时，取向反应最小。这种取向反应与叶绿体片层结构所含的各向异性反磁性组分相关。34分子取向力发生在极性分子与极性分子之间。由于极性分子的电性分布不均匀，一端带正电，一端带负电，形成偶极。因此，当两个极性分子相互接近时，由于它们偶极的同极相斥，异极相吸，两个分子必将发生相对转动。这种偶极子的互相转动，就使偶极子的相反的极相对，叫做“取向”。这时由于相反的极相距较近，同极相距较远，结果引力大于斥力，两个分子靠近，当接近到一定距离之后，斥力与引力达到相对平衡。这种由于极性分子的取向而产生的分子间的作用力，叫做取向力。35在磁性细菌、鸽子和个别人等少数生物中发现有微量和Fe等强磁性物质存在，它们在生物的定向导航中起着重要作用。在蜜蜂、蝴蝶、几种鱼类、家鸽、海豚，甚至人体中都发现了微量的强磁性物质。也曾发现在某些人的鼻窦骨的表层下约5um处有一层铁质层，估计与人的第六感觉有关。362.人体磁场一般情况下，生物磁场远低于地磁场，难于进行观测和研究。37运用高灵敏度的磁强计能成功的测量人体和生物磁场名称磁场强度（T）肺部10-7~10-9腹部<10-10心脏10-10~10-11骨骼肌~10-11眼部10-12~10-13脑部10-12~10-1438在对微弱磁场的检测中，当前采用铁磁屏蔽技术和空间鉴别技术。生物磁场的测量具有一些不同于生物电测量的特点：1）生物磁场的探测器可以不同生物体接触，避免接触引起的电磁干扰；2）生物磁测量能同时得到恒定的和交变的磁场数据3）磁探头可以在空间改变位置和方向，获得磁场的三维空间分布39生物组织、器官、细胞等存在很微弱的磁场。产生原因：①变动磁场：生物电荷运动产生。细胞膜内外的离子运动的生物电流产生的磁场；如心磁场10－11T，脑磁场10－12T②定常磁场：自然界含有铁性成分及某些磁性物质(如Fe3O4粉尘等）经呼吸道吸入或经消化道食入人体内而形成的磁场；10－8T③感应磁场：生物磁性材料（如肝、脾）在外磁场的作用下产生的磁场;401）磁场与生物体相互作用因子对于生物效应有影响的磁场因子有：磁场类型；磁场梯度；磁场的方向、作用的部位与范围、作用时间。影响磁场的生物因素有：生物材料、生物体的磁性、组成、部位、种属、机能状态及敏感性。根据磁场的强度，将磁场的生物效应分为：强磁场效应、地磁场效应和极弱磁场效应。二磁场对生物水和细胞的作用412）磁场对生物体内水的作用经磁场处理的水称为磁水。外加磁场对水的作用，可使水的比重、沸点、冰点、表面张力、粘度、渗透压、光密度、折光率、电导率、介电常数发生变化。3）磁场对组织细胞的作用磁场对生物组织细胞的影响是多种多样的，它能使细胞内电荷运动方向发生改变，不能达到正常的功能位置。另一方面，磁场可以改变膜的通透性，促进新陈代谢，加强组织细胞的生长。421.磁致遗传效应

磁场处理导致生物后代发生遗传改变的现象称为磁致遗传效应。比如用不同磁场强度处理大麦种子后，发现DNA合成率下降了，同时在第二代的染色体中也观测到畸变。关于磁场如何影响DNA分子的结构并引起生物遗传变异的，目前仍了解甚少，一般认为，磁场可能引起DNA分子的氢键发生畸变，影响氢离子的隧道效应，导致部分遗传物质结构的变化，进而引起生物遗传变异。三磁场的生物效应432.磁致生长（死亡）效应磁场对生物生长、发育、衰老和死亡等生命过程均能产生影响。例如强度高于1.4T的恒定均匀磁场能抑制细菌的生长；磁水饲养家禽，比普通水饲养增重可达20%∼30%；用磁水浸种可使多种蔬菜和大豆、甜菜、向日葵等增产（主要作用是促进种子发芽，根系发达，增加吸水、吸肥能力，发育期提前，穗粒数和千粒重增加，抗寒抗病能力提高）。44地球上一切生物的生命活动和进化始终处在地球磁场的影响中。古生物学家在研究深海底沉积岩石中的生物化石时发现，大约250万年前的一次地磁场反向时，调查的8种生物中就有6种灭绝；大约7000万年前的一次地磁场反向时，被调查的7种生物全部灭绝；约在8500万年前的一次地磁场反向，也有若干种微生物和其它生物化石的消失。所以说地磁场的反向对生物来说是灭绝性的破坏。453.磁致放大效应在许多观测到的磁场生物效应中，外加磁场的能量常常是很小的，但产生的生物效应反映出的能量却往往较大，从能量的观点考虑，较弱的磁场只是起激发作用，生物体起到能量放大作用，相当于一个线性放大器。这种现象称为磁致生物放大效应。当外加磁场达到阈值时，生物效应开始产生，随着磁场作用的增大，生物效应相应增大，这是一种累积效应。还用一种情况是，生物效应随磁场的频率而变，在某一频率时，生物效应最大，称为生物共振。464.产生磁致生物效应的条件1）磁场阈值

生物受到磁场B和磁场梯度dB/dx作用时，它们的强度必须超过某一数值，才能引起生物效应。这一数值即为磁场阈值。不同的生物或生命现象具有不同的磁场阈值。47对磁场敏感的现象B（T）对磁场梯度敏感的现象dB/dx(T/m)泥蜗牛的取向1.5*10-4阻止人的肿瘤转移6人的磁闪光效应0.02抑制细菌生长23家兔的中央神经系统0.08引起水芹背磁性50大麦的生长0.1小鼠的致死效应50小鼠胚胎的吸收0.3果蝇的致死效应60小鼠的发育延迟；血液变化；伤愈合；病理变化；阻止肿瘤转移0.4抑制肿瘤生长100若干生物或生命现象的阈磁场效应482）作用时间当作用磁场强度超过阈磁场时，作用时间越长，生物效应越显著，表现出累积效应。如用阈磁场和作用时间的乘积表示磁作用剂量，则磁生物效应与磁作用剂量正相关。生物体受到外界因素作用引起某种生物效应后，经生物体的修复回到正常机能的状态，所需的时间叫生物弛豫时间。49生物效应的累积与连续作用的时间tx、生物弛豫时间tr和两相邻作用之间的时间tv有关。当tr>>tx、tv时，生物效应是完全累积的。当tr>tx、tv时，生物效应的积累有部分被生物弛豫减小所抵消，产生部分积累。当tr<tx、tv时，生物弛豫起重要作用，只能产生较小的效应。503）场型和频率

磁场大体上可分为恒定磁场和交变磁场。恒定场还要考虑磁场的均匀度,用梯度表示；交变场是场强和方向随时间变化的磁场，用频率表示。磁场强度和梯度都是矢量，它们在生物体内引起的物理作用（力、力矩、电动势等）都具有方向性。研究发现，脉冲磁场的损伤作用与细胞大小有关。51四