分析生物电学和生物磁学

1、分析生物电学和生物磁学 1 生物电现象 2 生物磁现象1 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（I

2、le）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）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

3、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。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1011 s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（Excitable Cell）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

4、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。 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。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

5、：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：3）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

6、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。2）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 超极化动作电位传输示意图四 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

7、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。 人体

8、组织的直流电阻率（ m）2. 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人体肌肉组织电阻率与频率的关系3. 人体电阻抗的测量六 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

9、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

10、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

11、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

12、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X0时，J的方向与H的方向一致，称为顺磁介质；当Xtx、tv时，生物效应是完全累积的。当trtx、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trtx、tv时，生物弛豫起重要作用，只能产生较小的效应。3）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。四 磁疗利用磁场治病，我国已有两千多年的历史。利用磁

13、场的生物效应，已制成多种磁疗仪器。简单的有磁石穴位粘帖胶布、磁化水杯、磁枕、磁性腹带等。特点：安全、方便、无痛苦。依据：中医经络理论，在人体经穴处施加磁场。作用：活血化淤、镇静止痛、消肿消炎、安神降压等。疗效：高血压、神经衰弱、各种疼痛性疾病乳肌劳损、扭挫伤、骨质增生、类风湿关节炎等。磁场类型：恒定磁场、旋转磁场、脉冲磁场、交变磁场等研究内容：磁场类型、磁场强度、作用部位、治疗时间等五 心磁场与心磁图 心肌的兴奋心脏电场体外（心）磁场。在体外测定胸部周围磁场变化，记录下来就是心磁图。心磁图与心电图一样，用P波、QRS波群、T波、和ST段命名六 肺磁场多数粉尘具有磁性：肺内积蓄的粉尘在外部强的恒磁场下将被磁化。把外加恒磁场撤去，肺内被磁化的粉尘产生的附加磁场仍然存在，经测定可推测粉尘的量和分布情况。脑电 神经活动联系着体内复杂的信息处理系统，支配着从运动、体感、听觉、视觉等基本功能，到语言、情感、思维等高级功能。微弱的电(磁)信号有波形、幅度、能量、频率、相位、频谱等