生物物理學(xué)專(zhuān)題培訓(xùn)市公開(kāi)課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

生物物理學(xué)河北工業(yè)大學(xué)生物物理所1河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第1頁(yè)第1頁(yè)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(yīng)3.5生物磁現(xiàn)象3.6磁場(chǎng)對(duì)生物水和細(xì)胞作用3.7磁場(chǎng)生物效應(yīng)概述第3章

生物電磁學(xué)2河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第2頁(yè)第2頁(yè)3.1生物電特性3.1.1蛋白質(zhì)偶極矩3.1.2生物水電特性3.1.3細(xì)胞電活動(dòng)基礎(chǔ)3.1.4細(xì)胞電參量3.1.5生物電阻抗3.1.6中心導(dǎo)體模型3.1.7生物組織介電性質(zhì)3河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第3頁(yè)第3頁(yè)生物體內(nèi)充斥了電荷，絕大部分電荷以離子、離子基團(tuán)和電偶極子形式存在。（1）構(gòu)成蛋白質(zhì)20種氨基酸中有13種在水中能離解產(chǎn)生離子基團(tuán)或表現(xiàn)電偶極子特性；（2）DNA大分子中堿基和磷酸酯也存在離子基團(tuán)和偶極子；（3）生物水本身就有強(qiáng)烈電偶極作用；（4）生物體本身還存在Na+、K+、Ca2+、Fe2+、Mg2+、Cl-等無(wú)機(jī)離子；4河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第4頁(yè)第4頁(yè)3.1.1蛋白質(zhì)偶極矩在構(gòu)成蛋白質(zhì)13種極性氨基酸中，依據(jù)其在水中狀態(tài)，分為酸性、堿性、中性；（1）酸性或堿性氨基酸側(cè)鏈在不解離狀態(tài)下也存在極性基團(tuán)而表現(xiàn)極性；（2）由氨基酸聚合成多肽鏈?zhǔn)强侩逆I聯(lián)結(jié)，由于原子中心不重疊而使肽鍵呈現(xiàn)極性，5河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第5頁(yè)第5頁(yè)3.1.2生物水電特性在生物體中，水不但提供細(xì)胞生活環(huán)境，還在相稱程度上決定著生物大分子構(gòu)象和功效，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(guò)程。（1）水分子含有很強(qiáng)偶極性；（2）能與其它水分子，離子或生物大分子極性基團(tuán)之間形成氫鍵；6河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第6頁(yè)第6頁(yè)3.1.3細(xì)胞電活動(dòng)基礎(chǔ)生物電現(xiàn)象是生物界一個(gè)極普通生理現(xiàn)象。細(xì)胞膜電位瞬時(shí)改變可造成組織興奮。細(xì)胞電位是解釋各種生物電、生物磁現(xiàn)象和效應(yīng)基礎(chǔ)。1、細(xì)胞靜息電位靜息電位：指細(xì)胞未受刺激時(shí)，存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)電位差。靜息電位表現(xiàn)為膜內(nèi)帶負(fù)電而膜外帶正電狀態(tài)，稱為極化狀態(tài)。各種細(xì)胞靜息電位數(shù)值不同；如：哺乳動(dòng)物神經(jīng)細(xì)胞靜息電位為-70mV；骨骼肌細(xì)胞為-90mV；人紅細(xì)胞為-10mV；7河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第7頁(yè)第7頁(yè)在細(xì)胞內(nèi)液和外液中，有Na+、K+、Cl-、Ca+等各種離子和一些帶電荷蛋白質(zhì)分子，普通細(xì)胞內(nèi)液和外液中各自正負(fù)電荷是相等，但同一離子在細(xì)胞內(nèi)外液中濃度卻相差很大。細(xì)胞內(nèi)細(xì)胞外K+Na+Cl-K+Na+Cl-人紅細(xì)胞13613835164154胃腸平滑肌細(xì)胞16222405.9137134蛙骨骼及細(xì)胞1551244145120槍烏賊軸突3694439134985208河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第8頁(yè)第8頁(yè)可興奮細(xì)胞靜息電位VGoldman-Hodgkin-Kalz方程：9河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第9頁(yè)第9頁(yè)生物組織能夠?qū)ν饨绱碳ぐl(fā)生反應(yīng)，當(dāng)刺激達(dá)到一定閾值時(shí)，生物組織發(fā)生反應(yīng)，稱為興奮。在神經(jīng)和肌肉中，這種能力高度發(fā)展，主要表現(xiàn)是細(xì)胞膜電位發(fā)生快速改變。2、細(xì)胞動(dòng)作電位動(dòng)作電位：當(dāng)刺激強(qiáng)度較小時(shí)，細(xì)胞膜內(nèi)外電位差會(huì)在短時(shí)間內(nèi)減小，減小程度與刺激電極間距大小成反比，細(xì)胞膜電位仍是外正內(nèi)負(fù)。當(dāng)刺激強(qiáng)度超出某一閾值時(shí)，可興奮細(xì)胞跨膜電位，在短時(shí)間內(nèi)由外正內(nèi)負(fù)變?yōu)橥庳?fù)內(nèi)正，達(dá)到最大值后，再逐步恢復(fù)到本來(lái)狀態(tài)。這種短暫電位改變，成為動(dòng)作電位。細(xì)胞處于靜止電位時(shí)稱為極化，極化量減小時(shí)成為去極化；10河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第10頁(yè)第10頁(yè)（1）去極化（2）反極化（3）復(fù)極化（4）超極化動(dòng)作電位普通分為四個(gè)時(shí)相：細(xì)胞動(dòng)作電位產(chǎn)生，取決細(xì)胞膜兩側(cè)電壓和膜對(duì)于特定離子，尤其是鈉、鉀離子隨時(shí)間改變通透性。當(dāng)動(dòng)作電位發(fā)生時(shí)，細(xì)胞對(duì)于鈉、鉀離子通透性明顯增長(zhǎng)。11河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第11頁(yè)第11頁(yè)3.1.4細(xì)胞電參量膜是由脂類(lèi)物質(zhì)構(gòu)成，脂類(lèi)物質(zhì)在電學(xué)上近乎絕緣，但蛋白質(zhì)組分特性、構(gòu)象及膜上位置改變，造成膜兩側(cè)某種特定導(dǎo)電狀態(tài)。

膜兩側(cè)糖和蛋白質(zhì)也往往有許多帶電離子基團(tuán)，并且與細(xì)部?jī)?nèi)液和外液中各種離子互相作用，形成一定厚度電荷層，相稱于一個(gè)電容器。12河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第12頁(yè)第12頁(yè)膜同時(shí)兼有電阻和電容復(fù)合特性，在直流或極低頻率下，細(xì)胞膜阻抗較內(nèi)外液電阻高得多，電流幾乎不能進(jìn)入胞內(nèi)空間；而高頻電流時(shí)，膜阻抗相對(duì)很低，細(xì)胞內(nèi)外空間電流分布簡(jiǎn)樸地取決于內(nèi)外液電阻間相對(duì)大小。13河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第13頁(yè)第13頁(yè)3.1.5生物電阻抗在低頻電流下，生物結(jié)構(gòu)含有復(fù)雜電阻性質(zhì)。有是普通歐姆電阻，在一定范圍內(nèi)，其電壓、電流呈線性關(guān)系；有呈非線性，其中尚有對(duì)稱性和非對(duì)稱性。生物阻抗和生物機(jī)體或組織體積改變相關(guān)。14河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第14頁(yè)第14頁(yè)3.1.6中心導(dǎo)體模型rorororiririrmrmrmrmCmCmCmCm

長(zhǎng)柱形細(xì)胞，如神經(jīng)軸突和肌纖維細(xì)胞，其長(zhǎng)度遠(yuǎn)不小于細(xì)胞直徑，可用電纜模型描述，用電纜方程表示。15河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第15頁(yè)第15頁(yè)3.1.7生物組織介電性質(zhì)電介質(zhì)在電場(chǎng)中一個(gè)主要特性是介質(zhì)極化現(xiàn)象。生物組織中含有大量帶電荷離子及各種極性分子，外電場(chǎng)會(huì)造成這些荷電離子和極性分子某種運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出生物組織極化現(xiàn)象。介電常數(shù)：表征介質(zhì)極化程度；生物組織介電常數(shù)和外場(chǎng)頻率相關(guān)；16河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第16頁(yè)第16頁(yè)3.2電力電化作用3.2.1細(xì)胞電泳3.2.2電熱作用3.2.3電化作用17河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第17頁(yè)第17頁(yè)3.2.1細(xì)胞電泳細(xì)胞電泳：當(dāng)細(xì)胞膜外表面呈現(xiàn)負(fù)電荷特性時(shí)，在外直流電場(chǎng)作用下，細(xì)胞連同其界面吸附層一起向電場(chǎng)正極方向運(yùn)動(dòng)，稱為細(xì)胞電泳。電滲：細(xì)胞懸液中帶有正電荷分散介質(zhì)則向電場(chǎng)負(fù)極方向移動(dòng)，稱為電滲。細(xì)胞電泳率：細(xì)胞在單位電場(chǎng)強(qiáng)度、單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)距離。18河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第18頁(yè)第18頁(yè)當(dāng)電流通過(guò)人體時(shí)，電流通過(guò)路徑如圖：3.2.2電熱作用19河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第19頁(yè)第19頁(yè)3.2.3電化作用將不易起化學(xué)反應(yīng)直流電極直接作用于機(jī)體時(shí)，電極附近將發(fā)生電化反應(yīng)。在陰極：在陽(yáng)極：20河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第20頁(yè)第20頁(yè)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(yīng)3.3.3SMC刺激與生物效應(yīng)3.3.4電致生長(zhǎng)與修復(fù)21河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第21頁(yè)第21頁(yè)3.3.1興奮性按生理學(xué)定義：組織興奮性陰極興奮性>1，興奮性升高；陽(yáng)極興奮性<1,興奮性下降；22河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第22頁(yè)第22頁(yè)細(xì)胞或機(jī)體內(nèi)外環(huán)境任何改變，也許引起它們反應(yīng)，從而構(gòu)成刺激。

刺激原因有：物理（力、熱、聲、光、電、輻射），化學(xué)（酸、堿、鹽、離子）；生物（色素分布、血流量、含水量、激素）；

3.3.2脈沖刺激與生物效應(yīng)23河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第23頁(yè)第23頁(yè)用尖脈沖刺激肌肉，刺激響應(yīng)與脈沖頻率相關(guān)：肌肉（M）對(duì)刺激頻率（S）響應(yīng)24河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第24頁(yè)第24頁(yè)3.3.3SMC刺激與生物效應(yīng)用正弦低頻電流（<150Hz）調(diào)制等幅中頻交流（>1000Hz），得到正弦調(diào)制交流電流（SMC），即是脈沖電流，其含有低頻和中頻長(zhǎng)處，是經(jīng)常采用一個(gè)刺激源。SMC作用，可加強(qiáng)細(xì)胞信使RNA合成，提升相關(guān)肌肉細(xì)胞機(jī)能，預(yù)防肌萎縮；SMC含有明顯鎮(zhèn)痛作用，能有效治療肋間神經(jīng)痛等；SMC能改進(jìn)血循環(huán)和營(yíng)養(yǎng)吸取能力，治療血循環(huán)紊亂和營(yíng)養(yǎng)失衡。25河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第25頁(yè)第25頁(yè)3.3.4電致生長(zhǎng)與修復(fù)用小直流電治療創(chuàng)傷和潰瘍，能加速傷口愈合和修復(fù)；直流電還可克制細(xì)菌生長(zhǎng)；26河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第26頁(yè)第26頁(yè)3.4靜電生物效應(yīng)靜電生物效應(yīng)是靜電場(chǎng)與生物互相作用，引起刺激或克制生物生長(zhǎng)發(fā)育或致死效應(yīng)。如(1)高壓靜電場(chǎng)對(duì)離體培養(yǎng)腫瘤細(xì)胞及小鼠S-180細(xì)胞生長(zhǎng)有克制作用(2)靜電場(chǎng)能增進(jìn)蘿卜對(duì)礦質(zhì)元素吸?。?）電暈電場(chǎng)對(duì)大田作物和蔬菜生長(zhǎng)有較大影響。（4）靜電場(chǎng)對(duì)人體生理有明顯影響。27河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第27頁(yè)第27頁(yè)3.5生物磁現(xiàn)象3.5.1生物材料磁性3.5.2人體磁場(chǎng)28河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第28頁(yè)第28頁(yè)狹義生物磁學(xué):指研究不同層次生物材料所產(chǎn)生磁場(chǎng)；廣義生物磁學(xué)：除狹義生物磁學(xué)內(nèi)容外，還包含磁生物學(xué)，即研究外界磁場(chǎng)對(duì)生物機(jī)體在不同層次作用所產(chǎn)生生物效應(yīng)及其對(duì)應(yīng)作用機(jī)理；物質(zhì)磁性能夠經(jīng)過(guò)在外加磁場(chǎng)作用下磁化過(guò)程來(lái)認(rèn)識(shí)，也能夠經(jīng)過(guò)測(cè)量磁性儀器來(lái)探測(cè)。對(duì)生物大分子廣泛研究得知，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

生物材料磁性29河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第29頁(yè)第29頁(yè)3.5.2

人體磁場(chǎng)正常人體組織是非磁性，磁化率小，沒(méi)有剩余磁矩。人體磁性起源:（1）生物電流產(chǎn)生磁場(chǎng)；（2）由生物磁性材料產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)；（3）侵入人體內(nèi)強(qiáng)磁性物質(zhì)產(chǎn)生剩余磁場(chǎng)30河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第30頁(yè)第30頁(yè)3.6磁場(chǎng)對(duì)生物水和細(xì)胞作用3.6.1磁場(chǎng)與生物體互相作用因子3.6.2磁場(chǎng)對(duì)生物體內(nèi)水作用3.6.3磁場(chǎng)對(duì)組織細(xì)胞作用31河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第31頁(yè)第31頁(yè)3.6.1磁場(chǎng)與生物體互相作用因子磁場(chǎng)作用于生物體產(chǎn)生效應(yīng)取決于磁場(chǎng)和生物體一些互相作用因子。對(duì)生物效應(yīng)有影響磁場(chǎng)因子有:磁場(chǎng)類(lèi)型、磁場(chǎng)梯度、磁場(chǎng)方向、作用部位與范圍、作用時(shí)間等；影響磁場(chǎng)作用生物原因有：生物材料、生物體磁性、構(gòu)成、部位、種屬、機(jī)能狀態(tài)及敏感性等。依據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度，將磁場(chǎng)生物效應(yīng)分為：強(qiáng)磁場(chǎng)效應(yīng)，地磁場(chǎng)效應(yīng)和極弱磁場(chǎng)效應(yīng)；>10-2T屬于強(qiáng)磁場(chǎng)；<10-7T屬于極弱磁場(chǎng)或近零磁場(chǎng)；32河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第32頁(yè)第32頁(yè)3.6.2磁場(chǎng)對(duì)生物體內(nèi)水作用經(jīng)磁場(chǎng)處理水稱為磁水。外加磁場(chǎng)對(duì)水作用，可使水比重、沸點(diǎn)、表面張力等特性發(fā)生改變。磁場(chǎng)能使水聚體偶極矩取向發(fā)生改變，改變?cè)雍送怆娮蛹ぐl(fā)程度，實(shí)現(xiàn)共振。33河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第33頁(yè)第33頁(yè)3.6.3磁場(chǎng)對(duì)組織細(xì)胞作用磁場(chǎng)對(duì)生物組織細(xì)胞影響是多種多樣。在較高感生電勢(shì)作用下，細(xì)胞也許被擊穿，或被感生電流燒壞，或被磁矩扭曲，甚至引起細(xì)胞死亡；另一方面，磁場(chǎng)作用亦可增進(jìn)組織細(xì)胞帶電微粒運(yùn)動(dòng)，調(diào)整生物分子液晶結(jié)構(gòu)，改變胞膜通透性，增進(jìn)代謝過(guò)程，加強(qiáng)組織細(xì)胞生長(zhǎng)；34河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第34頁(yè)第34頁(yè)3.7磁場(chǎng)生物效應(yīng)3.7.1磁致遺傳效應(yīng)3.7.2磁致生長(zhǎng)（死亡）效應(yīng)3.7.3磁致生理生化效應(yīng)3.7.4磁致放大效應(yīng)3.7.5產(chǎn)生磁致生物效應(yīng)條件35河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第35頁(yè)第35頁(yè)磁場(chǎng)處理造成生物后代發(fā)生遺傳改變現(xiàn)象稱為磁生物遺傳效應(yīng)，或稱磁致遺傳效應(yīng)。3.7.1磁致遺傳效應(yīng)曲線表明：果蠅最初幾代發(fā)育期比未處理對(duì)照組平均發(fā)育期有成倍增長(zhǎng)，而在以后各代中，處理組發(fā)育期逐步縮短。a試驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果；b對(duì)照組平均發(fā)育期36河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第36頁(yè)第36頁(yè)3.7.2磁致生長(zhǎng)（死亡）效應(yīng)磁場(chǎng)對(duì)生物生長(zhǎng)、發(fā)育、衰老和死亡等生命過(guò)程均能產(chǎn)生影響；比如：

1）海膽卵置于10-14T超導(dǎo)體強(qiáng)磁場(chǎng)中處理2小時(shí)，其早期分裂明顯延遲；2）強(qiáng)度高于1.4T恒定均勻磁場(chǎng)能克制細(xì)菌生長(zhǎng)；3）小白鼠在約10-7T磁場(chǎng)中養(yǎng)一年后，壽命縮短6個(gè)月，并喪失生育力；37河北工業(yè)大學(xué)生物物理學(xué)第37頁(yè)第37頁(yè)3.7.3磁致生理生化效應(yīng)磁場(chǎng)作用于生物機(jī)體，可使機(jī)體一些功效發(fā)生改變。比如：磁場(chǎng)能夠改變果蠅趨光性和活動(dòng)性；能夠提升或克制一些生物大分子活性；磁場(chǎng)對(duì)動(dòng)物和人體作用影響