生物物理学

河北工业大学生物物理学1生物物理学河北工业大学生物物理学23.1生物电特性3.2电力电化作用3.3电刺激与组织兴奋性3.4静电生物效应3.5生物磁现象3.6磁场对生物水和细胞的作用3.7磁场生物效应概述第3章生物电磁学河北工业大学生物物理学33.1生物电特性3.1.1蛋白质的偶极矩3.1.2生物水的电特性3.1.3细胞电活动基础3.1.4细胞的电参量3.1.5生物电阻抗3.1.6中心导体模型3.1.7生物组织的介电性质河北工业大学生物物理学4生物体内充满了电荷，绝大部分电荷以离子、离子基团和电偶极子的形式存在。（1）组成蛋白质的20种氨基酸中有13种在水中能离解产生离子基团或表现电偶极子特性；（2）DNA大分子中的碱基和磷酸酯也存在离子基团和偶极子；（3）生物水本身就有强烈的电偶极作用；（4）生物体本身还存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等无机离子；河北工业大学生物物理学53.1.1蛋白质的偶极矩在组成蛋白质的13种极性氨基酸中，根据其在水中的状态，分为酸性、碱性、中性；（1）酸性或碱性氨基酸侧链在不解离的状态下也存在极性基团而表现极性；（2）由氨基酸聚合成多肽链是靠肽键联结的，由于原子中心不重合而使肽键呈现极性，河北工业大学生物物理学63.1.2生物水的电特性在生物体中，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。（1）水分子具有很强的偶极性；（2）能与其它水分子，离子或生物大分子的极性基团之间形成氢键；河北工业大学生物物理学73.1.3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。细胞膜电位瞬时改变可导致组织兴奋。细胞电位是解释各种生物电、生物磁现象和效应的基础。1、细胞静息电位静息电位：指细胞未受刺激时，存在于细胞膜内外两侧的电位差。静息电位表现为膜内带负电而膜外带正电的状态，称为极化状态。各种细胞的静息电位数值不同；如：哺乳动物的神经细胞的静息电位为-70mV；骨骼肌细胞为-90mV；人的红细胞为-10mV；河北工业大学生物物理学8在细胞内液和外液中，有Na+、K+、Cl-、Ca+等各种离子和一些带电荷的蛋白质分子，一般细胞内液和外液中各自正负电荷是相等的，但同一离子在细胞内外液中浓度却相差很大。细胞内细胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人红细胞13613835164154胃肠平滑肌细胞16222405.9137134蛙骨骼及细胞1551244145120枪乌贼轴突369443913498520河北工业大学生物物理学9可兴奋细胞静息电位V的Goldman-Hodgkin-Kalz方程：[][][]ln[][][]KiNaiCloKoNaoCliPKPNaPClRTVFPKPNaPCl河北工业大学生物物理学10生物组织可以对外界刺激发生反应，当刺激达到一定阈值时，生物组织发生反应，称为兴奋。在神经和肌肉中，这种能力高度发展，主要表现是细胞膜的电位发生快速的改变。2、细胞的动作电位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，再逐渐恢复到原来的状态。这种短暂的电位变化，成为动作电位。细胞处于静止电位时称为极化，极化量减小时成为去极化；河北工业大学生物物理学11（1）去极化（2）反极化（3）复极化（4）超极化动作电位一般分为四个时相：细胞动作电位的产生，取决细胞膜两侧的电压和膜对于特定离子，尤其是钠、钾离子随时间变化的通透性。当动作电位发生时，细胞对于钠、钾离子通透性显著增加。河北工业大学生物物理学123.1.4细胞的电参量膜是由脂类物质构成的，脂类物质在电学上近乎绝缘，但蛋白质组分特性、构象及膜上位置变化，造成膜两侧某种特定导电状态。SRRminp膜两侧的糖和蛋白质也往往有许多带电的离子基团，并且与细部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。xCmm4河北工业大学生物物理学13膜同时兼有电阻和电容的复合特性，在直流或极低频率下，细胞膜阻抗较内外液电阻高得多，电流几乎不能进入胞内空间；而高频电流时，膜阻抗相对很低，细胞内外空间电流的分布简单地取决于内外液电阻间的相对大小。河北工业大学生物物理学143.1.5生物电阻抗在低频电流下，生物结构具有复杂的电阻性质。有的是普通的欧姆电阻，在一定范围内，其电压、电流呈线性关系；有的呈非线性，其中还有对称性和非对称性。生物阻抗和生物机体或组织体积的变化有关。河北工业大学生物物理学153.1.6中心导体模型rorororiririrmrmrmrmCmCmCmCm长柱形细胞，如神经轴突和肌纤维细胞，其长度远大于细胞直径，可用电缆模型描述，用电缆方程表示。河北工业大学生物物理学163.1.7生物组织的介电性质电介质在电场中的一个重要特征是介质的极化现象。生物组织中含有大量带电荷的离子及各种极性分子，外电场会导致这些荷电离子和极性分子的某种运动，表现出生物组织的极化现象。介电常数：表征介质的极化程度；生物组织的介电常数和外场频率相关；河北工业大学生物物理学173.2电力电化作用3.2.1细胞电泳3.2.2电热作用3.2.3电化作用河北工业大学生物物理学183.2.1细胞电泳细胞电泳：当细胞膜外表面呈现负电荷特性时，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。电渗：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。细胞电泳率：细胞在单位电场强度、单位时间内移动的距离。IVSW河北工业大学生物物理学19当电流通过人体时，电流经过的路径如图：3.2.2电热作用河北工业大学生物物理学203.2.3电化作用将不易起化学反应的直流电极直接作用于机体时，电极附近将发生电化反应。在阴极：在阳极：22222HNaOHOHNaNaeNa22424OHClOHCleClCl河北工业大学生物物理学213.3电刺激与组织兴奋性3.3.1兴奋性3.3.2脉冲刺激与生物效应3.3.3SMC刺激与生物效应3.3.4电致生长与修复河北工业大学生物物理学223.3.1兴奋性按生理学定义：组织兴奋性阴极兴奋性1，兴奋性升高；阳极兴奋性1,兴奋性下降；]][/[]][[22MgCaKNa河北工业大学生物物理学23细胞或机体内外环境的任何变化，可能引起它们的反应，从而构成刺激。刺激因素有：物理的（力、热、声、光、电、辐射），化学的（酸、碱、盐、离子）；生物的（色素分布、血流量、含水量、激素）；3.3.2脉冲刺激与生物效应河北工业大学生物物理学24用尖脉冲刺激肌肉，刺激响应与脉冲频率有关：肌肉（M）对刺激频率（S）的响应河北工业大学生物物理学253.3.3SMC刺激与生物效应用正弦低频电流（150Hz）调制等幅中频交流（1000Hz），得到正弦调制交流电流（SMC），即是脉冲电流，其具有低频和中频的优点，是经常采用的一种刺激源。SMC的作用，可加强细胞信使RNA的合成，提高有关肌肉细胞的机能，防止肌萎缩；SMC具有明显镇痛作用，能有效治疗肋间神经痛等；SMC能改善血循环和营养吸收能力，治疗血循环紊乱和营养失衡。河北工业大学生物物理学263.3.4电致生长与修复用小的直流电治疗创伤和溃疡，能加速伤口的愈合和修复；直流电还可抑制细菌生长；河北工业大学生物物理学273.4静电生物效应静电生物效应是静电场与生物相互作用，引起刺激或抑制生物生长发育或致死效应。如(1)高压静电场对离体培养肿瘤细胞及小鼠S-180细胞生长有抑制作用(2)静电场能促进萝卜对矿质元素的吸收（3）电晕电场对大田作物和蔬菜生长有较大影响。（4）静电场对人体生理有明显影响。河北工业大学生物物理学283.5生物磁现象3.5.1生物材料的磁性3.5.2人体磁场河北工业大学生物物理学29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：除狭义生物磁学内容外，还包括磁生物学，即研究外界磁场对生物机体在不同层次的作用所产生的生物效应及其相应的作用机理；物质的磁性可以通过在外加磁场作用下的磁化过程来认识，也可以通过测量磁性的仪器来探测。对生物大分子的广泛研究得知，大多数生物大分子是各相异性反磁性，少数为顺磁性，极少数呈铁磁性；3.5.1生物材料的磁性河北工业大学生物物理学303.5.2人体磁场正常人体组织是非磁性的，磁化率小，没有剩余的磁矩。人体磁性的来源:（1）生物电流产生的磁场；（2）由生物磁性材料产生的感应磁场；（3）侵入人体内的强磁性物质产生的剩余磁场河北工业大学生物物理学313.6磁场对生物水和细胞的作用3.6.1磁场与生物体相互作用因子3.6.2磁场对生物体内水的作用3.6.3磁场对组织细胞的作用河北工业大学生物物理学323.6.1磁场与生物体相互作用因子磁场作用于生物体产生的效应取决于磁场和生物体的某些相互作用因子。对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、作用时间等；影响磁场作用的生物因素有：生物材料、生物体的磁性、组成、部位、种属、机能状态及敏感性等。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；10-2T的属于强磁场；10-7T的属于极弱磁场或近零磁场；河北工业大学生物物理学333.6.2磁场对生物体内水的作用经磁场处理的水称为磁水。外加磁场对水作用，可使水的比重、沸点、表面张力等特性发生变化。磁场能使水聚体的偶极矩取向发生变化，改变原子核外电子的激发程度，实现共振。河北工业大学生物物理学343.6.3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。在较高感生电势作用下，细胞可能被击穿，或被感生电流烧坏，或被磁矩扭曲，甚至引起细胞死亡；另一方面，磁场作用亦可促进组织细胞带电微粒的运动，调整生物分子的液晶结构，改变胞膜的通透性，促进代谢过程，加强组织细胞的生长；河北工业大学生物物理学353.7磁场的生物效应3.7.1磁致遗传效应3.7.2磁致生长（死亡）效应3.7.3磁致生理生化效应3.7.4磁致放大效应3.7.5产生磁致生物效应的条件河北工业大学生物物理学36磁场处理导致生物后代发生遗传改变的现象称为磁生物遗传效应，或称磁致遗传效应。3.7.1磁致遗传效应曲线表明：果蝇最初几代的发育期比未处理的对照组的平均发育期有成倍的增长，而在以后的各代中，处理组的发育期逐渐缩短。a实验观测结果；b对照组平均发育期河北工业大学生物物理学373.7.2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：1）海胆卵置于10-14T的超导体强磁场中处理2小时，其早期分裂显著延迟；2）强度高于1.4T的恒定均匀磁场能抑制细菌的生长；3）小白鼠在约10-7T的磁场中养一年后，寿命缩短6个月，并丧失生育力；河北工业大学生物物理学383.7.3磁致生理生化效应磁场作用于生物机体，可使机体的某些功能发生变化。例如：磁场可以改变果蝇的趋光性和活动性；可以提高或抑制一些生物大分子的活性；磁场对动物和人体作用的影响因素很复杂，具有明显的时间积累性和滞后性。河北工业大学生物物理学393.7.4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。河北工业大学生物物理学403.7.5产生磁致生物效应的条件生物的磁场阈值作用时间场型和频率河北工业大学生物物理学41