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生物物理学河北工业大学生物物理所1河北工业大学生物物理学第1页第1页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作用3.7磁场生物效应概述第3章

生物电磁学2河北工业大学生物物理学第2页第2页3.1生物电特性3.1.1蛋白质偶极矩3.1.2生物水电特性3.1.3细胞电活动基础3.1.4细胞电参量3.1.5生物电阻抗3.1.6中心导体模型3.1.7生物组织介电性质3河北工业大学生物物理学第3页第3页生物体内充斥了电荷，绝大部分电荷以离子、离子基团和电偶极子形式存在。（1）构成蛋白质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；4河北工业大学生物物理学第4页第4页3.1.1蛋白质偶极矩在构成蛋白质13种极性氨基酸中，依据其在水中状态，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，由于原子中心不重叠而使肽键呈现极性，5河北工业大学生物物理学第5页第5页3.1.2生物水电特性在生物体中，水不但提供细胞生活环境，还在相称程度上决定着生物大分子构象和功效，影响生命活动中物质输运、能量转换和信息传递过程。（1）水分子含有很强偶极性；（2）能与其它水分子，离子或生物大分子极性基团之间形成氢键；6河北工业大学生物物理学第6页第6页3.1.3细胞电活动基础生物电现象是生物界一个极普通生理现象。细胞膜电位瞬时改变可造成组织兴奋。细胞电位是解释各种生物电、生物磁现象和效应基础。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电位差。静息电位表现为膜内带负电而膜外带正电状态，称为极化状态。各种细胞静息电位数值不同；如：哺乳动物神经细胞静息电位为-70mV；骨骼肌细胞为-90mV；人红细胞为-10mV；7河北工业大学生物物理学第7页第7页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蛋白质分子，普通细胞内液和外液中各自正负电荷是相等，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3694439134985208河北工业大学生物物理学第8页第8页可兴奋细胞静息电位VGoldman-Hodgkin-Kalz方程：9河北工业大学生物物理学第9页第9页生物组织能够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，主要表现是细胞膜电位发生快速改变。2、细胞动作电位动作电位：当刺激强度较小时，细胞膜内外电位差会在短时间内减小，减小程度与刺激电极间距大小成反比，细胞膜电位仍是外正内负。当刺激强度超出某一阈值时，可兴奋细胞跨膜电位，在短时间内由外正内负变为外负内正，达到最大值后，再逐步恢复到本来状态。这种短暂电位改变，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；10河北工业大学生物物理学第10页第10页（1）去极化（2）反极化（3）复极化（4）超极化动作电位普通分为四个时相：细胞动作电位产生，取决细胞膜两侧电压和膜对于特定离子，尤其是钠、钾离子随时间改变通透性。当动作电位发生时，细胞对于钠、钾离子通透性明显增长。11河北工业大学生物物理学第11页第11页3.1.4细胞电参量膜是由脂类物质构成，脂类物质在电学上近乎绝缘，但蛋白质组分特性、构象及膜上位置改变，造成膜两侧某种特定导电状态。

膜两侧糖和蛋白质也往往有许多带电离子基团，并且与细部内液和外液中各种离子互相作用，形成一定厚度电荷层，相称于一个电容器。12河北工业大学生物物理学第12页第12页膜同时兼有电阻和电容复合特性，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，细胞内外空间电流分布简朴地取决于内外液电阻间相对大小。13河北工业大学生物物理学第13页第13页3.1.5生物电阻抗在低频电流下，生物结构含有复杂电阻性质。有是普通欧姆电阻，在一定范围内，其电压、电流呈线性关系；有呈非线性，其中尚有对称性和非对称性。生物阻抗和生物机体或组织体积改变相关。14河北工业大学生物物理学第14页第14页3.1.6中心导体模型rorororiririrmrmrmrmCmCmCmCm

长柱形细胞，如神经轴突和肌纤维细胞，其长度远不小于细胞直径，可用电缆模型描述，用电缆方程表示。15河北工业大学生物物理学第15页第15页3.1.7生物组织介电性质电介质在电场中一个主要特性是介质极化现象。生物组织中含有大量带电荷离子及各种极性分子，外电场会造成这些荷电离子和极性分子某种运动，表现出生物组织极化现象。介电常数：表征介质极化程度；生物组织介电常数和外场频率相关；16河北工业大学生物物理学第16页第16页3.2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17河北工业大学生物物理学第17页第17页3.2.1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、单位时间内移动距离。18河北工业大学生物物理学第18页第18页当电流通过人体时，电流通过路径如图：3.2.2电热作用19河北工业大学生物物理学第19页第19页3.2.3电化作用将不易起化学反应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：20河北工业大学生物物理学第20页第20页3.3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21河北工业大学生物物理学第21页第21页3.3.1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河北工业大学生物物理学第22页第22页细胞或机体内外环境任何改变，也许引起它们反应，从而构成刺激。

刺激原因有：物理（力、热、声、光、电、辐射），化学（酸、碱、盐、离子）；生物（色素分布、血流量、含水量、激素）；

3.3.2脉冲刺激与生物效应23河北工业大学生物物理学第23页第23页用尖脉冲刺激肌肉，刺激响应与脉冲频率相关：肌肉（M）对刺激频率（S）响应24河北工业大学生物物理学第24页第24页3.3.3SMC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，其含有低频和中频长处，是经常采用一个刺激源。SMC作用，可加强细胞信使RNA合成，提升相关肌肉细胞机能，预防肌萎缩；SMC含有明显镇痛作用，能有效治疗肋间神经痛等；SMC能改进血循环和营养吸取能力，治疗血循环紊乱和营养失衡。25河北工业大学生物物理学第25页第25页3.3.4电致生长与修复用小直流电治疗创伤和溃疡，能加速伤口愈合和修复；直流电还可克制细菌生长；26河北工业大学生物物理学第26页第26页3.4静电生物效应静电生物效应是静电场与生物互相作用，引起刺激或克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细胞生长有克制作用(2)静电场能增进萝卜对矿质元素吸取（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。27河北工业大学生物物理学第27页第27页3.5生物磁现象3.5.1生物材料磁性3.5.2人体磁场28河北工业大学生物物理学第28页第28页狭义生物磁学:指研究不同层次生物材料所产生磁场；广义生物磁学：除狭义生物磁学内容外，还包含磁生物学，即研究外界磁场对生物机体在不同层次作用所产生生物效应及其对应作用机理；物质磁性能够经过在外加磁场作用下磁化过程来认识，也能够经过测量磁性仪器来探测。对生物大分子广泛研究得知，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

生物材料磁性29河北工业大学生物物理学第29页第29页3.5.2

人体磁场正常人体组织是非磁性，磁化率小，没有剩余磁矩。人体磁性起源:（1）生物电流产生磁场；（2）由生物磁性材料产生感应磁场；（3）侵入人体内强磁性物质产生剩余磁场30河北工业大学生物物理学第30页第30页3.6磁场对生物水和细胞作用3.6.1磁场与生物体互相作用因子3.6.2磁场对生物体内水作用3.6.3磁场对组织细胞作用31河北工业大学生物物理学第31页第31页3.6.1磁场与生物体互相作用因子磁场作用于生物体产生效应取决于磁场和生物体一些互相作用因子。对生物效应有影响磁场因子有:磁场类型、磁场梯度、磁场方向、作用部位与范围、作用时间等；影响磁场作用生物原因有：生物材料、生物体磁性、构成、部位、种属、机能状态及敏感性等。依据磁场强度，将磁场生物效应分为：强磁场效应，地磁场效应和极弱磁场效应；>10-2T属于强磁场；<10-7T属于极弱磁场或近零磁场；32河北工业大学生物物理学第32页第32页3.6.2磁场对生物体内水作用经磁场处理水称为磁水。外加磁场对水作用，可使水比重、沸点、表面张力等特性发生改变。磁场能使水聚体偶极矩取向发生改变，改变原子核外电子激发程度，实现共振。33河北工业大学生物物理学第33页第33页3.6.3磁场对组织细胞作用磁场对生物组织细胞影响是多种多样。在较高感生电势作用下，细胞也许被击穿，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，磁场作用亦可增进组织细胞带电微粒运动，调整生物分子液晶结构，改变胞膜通透性，增进代谢过程，加强组织细胞生长；34河北工业大学生物物理学第34页第34页3.7磁场生物效应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产生磁致生物效应条件35河北工业大学生物物理学第35页第35页磁场处理造成生物后代发生遗传改变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：果蝇最初几代发育期比未处理对照组平均发育期有成倍增长，而在以后各代中，处理组发育期逐步缩短。a试验观测结果；b对照组平均发育期36河北工业大学生物物理学第36页第36页3.7.2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；比如：

1）海胆卵置于10-14T超导体强磁场中处理2小时，其早期分裂明显延迟；2）强度高于1.4T恒定均匀磁场能克制细菌生长；3）小白鼠在约10-7T磁场中养一年后，寿命缩短6个月，并丧失生育力；37河北工业大学生物物理学第37页第37页3.7.3磁致生理生化效应磁场作用于生物机体，可使机体一些功效发生改变。比如：磁场能够改变果蝇趋光性和活动性；能够提升或克制一些生物大分子活性；磁场对动物和人体作用影响