1、電磁生物的非熱效應(yīng)的細胞膜機理,理學(xué)院 無線電物理 趙超,細胞膜與電磁場的關(guān)系,細胞膜是信息傳遞的重要“接口”，亦是對外界電磁輻射騷擾的敏感“設(shè)備”之一。一般說來，外界的電磁輻射以感應(yīng)耦合的方式影響細胞膜；內(nèi)部的電磁場，則可通過傳導(dǎo)耦合的方式實現(xiàn)騷擾，如腦和心中的異?；虍愇坏碾娕d奮，是癲癇與心律不齊的原因。生物膜的結(jié)構(gòu)與功能，是了解人體內(nèi)外環(huán)境電磁兼容的必要基礎(chǔ)。,細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能篇,細胞膜,曾指質(zhì)膜，現(xiàn)泛指細胞的各種膜，包括圍繞細胞或細胞器的通透屏障，由磷脂雙層和相關(guān)蛋白質(zhì)以及膽固醇和糖脂組成。 細胞膜的化學(xué)組成基本相同，主要由脂類、蛋白質(zhì)和糖類組成。各成分含量分別約為50%、42%、2%

2、8%。此外，細胞膜中還含有少量水分、無機鹽與金屬離子等。,一、細胞膜的結(jié)構(gòu),細胞膜主要是由磷脂分子和蛋白質(zhì)分子組成。在膜的中間是磷脂雙分子層，這是細胞膜的基本支架，蛋白質(zhì)分子或分布在膜的外側(cè)，或貫穿在磷脂雙分子層中或嵌插在磷脂雙分子層中。細胞膜的基本結(jié)構(gòu)主要包括膜脂、膜蛋白、膜糖。,基本結(jié)構(gòu),1.膜脂 磷脂、膽固醇、糖脂 2.膜蛋白 膜蛋白質(zhì)主要以兩種形式同膜脂質(zhì)相結(jié)合： 膜蛋白分內(nèi)在蛋白和外在蛋白兩種。內(nèi)在蛋白以疏水的部分直接與磷脂的疏水部分共價結(jié)合，兩端帶有極性，貫穿膜的內(nèi)外；外在蛋白以非共價鍵結(jié)合在固有蛋白的外端上，或結(jié)合在磷脂分子的親水頭上。如載體、特異受體、酶、表面抗原。,3.膜糖

3、糖蛋白和糖脂 ，細胞膜糖類主要是一些寡糖鏈和多糖鏈，它們都以共價鍵的形式和膜脂質(zhì)或蛋白質(zhì)結(jié)合，形成糖脂和糖蛋白；這些糖鏈絕大多數(shù)是裸露在膜的外面（非細胞質(zhì)）一側(cè)的。單糖排序上的特異性作為細胞或蛋白質(zhì)的“標志、天線”抗原決定簇?？勺R別，與遞質(zhì)、激素等結(jié)合。ABO血型物質(zhì)即鞘氨醇上寡糖鏈不同。,液態(tài)鑲嵌結(jié)構(gòu),二、細胞膜的基本特性,1.流動性 細胞膜的磷脂雙分子層疏水的尾部在內(nèi)，親水頭部在外。磷脂雙分子層不是靜止的，而是輕油般的液體,具有流動性.蛋白質(zhì)分子也是可以移動的。磷脂分子的流動性受著一些因素的影響，主要影響因素有：溫度，細胞膜磷脂分子的脂肪酸鏈，膽固醇，卵磷脂/鞘磷脂比值。 膜脂的流動是造成

4、細胞膜流動的主要因素。,膜脂的運動方式主要有四種： 側(cè)向擴散 旋轉(zhuǎn)運動 伸縮運動 翻轉(zhuǎn)擴散又稱為翻轉(zhuǎn) 膜蛋白的運動 由于膜蛋白的相對分子質(zhì)量較大，同時受到細胞骨架的影響，它不可能象膜脂那樣運動。 主要有以下幾種運動形式： 隨機移動 定向移動 局部擴散,2.通透性 是指物質(zhì)通過生物半透膜的難易程度。生物半透膜對體內(nèi)某些分子的通透性大致可分為以下三種情況：自由通過所有的水分子；可以透過的有葡萄糖、氨基酸、尿素、氯離子等；不易透過的有蛋白質(zhì)、鈉、鉀等。 細胞膜對離子的通透性是細胞興奮及生物電的基礎(chǔ)。 胞內(nèi)外離子的不對稱分布 總的來說，胞外Na+多，胞內(nèi)K+多，R-（帶負電的生物分子）多。不受刺激時膜

5、對不同離子的不同通透性（被動擴散）產(chǎn)生靜息電位，受刺激時膜對某些離子的主動轉(zhuǎn)運（Na+泵，Ca2+泵）引起動作電位。,靜息電位 靜息電位為-10-100mV的胞內(nèi)負胞外正的跨膜電位差，其實質(zhì)是K+的平衡電位，其原因是膜對不同離子的不同通透性。 動作電位 動作電位是細胞興奮時所產(chǎn)生的跨膜電位波動。刺激因素（電、化、機械）使膜局部平衡暫時破壞而產(chǎn)生突然電壓瞬間（幾毫秒內(nèi)）變化，并可形成傳播神經(jīng)沖動，或沿肌肉（心?。﹤鲗?dǎo)。臨床上動作電位大量綜合形成心電、腦電、肌電等等。 3.其他特性 鑲嵌性 ，蛋白質(zhì)極性，不對稱性， 更新態(tài)等。,三、細胞膜的功能,（1）分隔、形成細胞和細胞器，為細胞的生命活動提供相

6、對穩(wěn)定的內(nèi)環(huán)境，膜的面積大大增加，提高了發(fā)生在膜上的生物功能； （2）屏障作用，膜兩側(cè)的水溶性物質(zhì)不能自由通過； （3）選擇性物質(zhì)運輸，伴隨著能量的傳遞； （4）生物功能：激素作用、酶促反應(yīng)、細胞識別、 電子傳遞等。 （5）識別和傳遞信息功能（主要依靠糖蛋白） （6）物質(zhì)轉(zhuǎn)運功能：細胞與周圍環(huán)境之間的物質(zhì)交換，是通過細胞膜的轉(zhuǎn)運動功能實現(xiàn)的。,其主要轉(zhuǎn)運方式有以下四種。被動運輸： 1）自由擴散：脂溶性物質(zhì)由膜的高濃度側(cè)向低濃度側(cè)的擴散過程，稱為自由擴散。不耗能，不需要載體。如：水、尿素、二氧化碳等. 2）協(xié)助擴散：非脂溶性物質(zhì)在膜蛋白的幫助下，順濃度差或電位差跨膜擴散的過程，稱為協(xié)助擴散。不耗

7、能，但是需要載體。協(xié)助擴散的三個特點：1、特異性。2、飽和性：。3、競爭性抑制：。4、膜蛋白的分類：1 通道蛋白 2 門通道蛋白 3特化蛋白（通過接觸改變自身構(gòu)象來進行轉(zhuǎn)運）如：葡萄糖進入紅細胞。 自由擴散和協(xié)助擴散都是順濃度差進行的，細胞本身不消耗能量，均屬于被動轉(zhuǎn)運（被動運輸）。,3）主動運輸：離子或小分子物質(zhì)在膜上“泵”的作用下，被逆濃度差或逆電位差的跨膜轉(zhuǎn)運過程，稱為主動轉(zhuǎn)運（主動運輸）。主動運輸需要消耗大量熱量并且需要載體。有選擇透過性。如：碘進入海帶、葡萄糖進入除紅細胞以外的細胞。 4）入胞和出胞作用：是轉(zhuǎn)運大分子或團塊物質(zhì)的有效方式。物質(zhì)通過細胞膜的運動從細胞外進入細胞內(nèi)的過程，

8、稱入胞。包括吞噬和吞飲。液態(tài)物質(zhì)入胞為吞飲，如小腸上皮對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收；固體物質(zhì)入胞為吞噬，如粒細胞吞噬細菌的過程。,出胞是通過細胞膜的運動從細胞內(nèi)派到細胞外的過程。細胞的代謝產(chǎn)物及腺細胞的分泌物都是以出胞作用完成的。又稱內(nèi)吞與外排。也需要能量。 5）細胞膜的受體功能：受體是細胞識別和結(jié)合化學(xué)信息的特殊結(jié)構(gòu)，其本質(zhì)是蛋白質(zhì)（糖蛋白）。,電磁生物的非熱效應(yīng)篇,一、細胞膜的電磁來源,由于細胞膜的內(nèi)外兩側(cè)離子分布不對稱,其膜外帶正電, 膜內(nèi)帶負電, 所以細胞在靜息狀態(tài)時存在靜息電位; 而在外界刺激下細胞興奮, 引起靜息電位波動產(chǎn)生動作電位。靜息電位和動作電位都在100mV數(shù)量級, 而細胞膜厚度僅為1

9、0nm左右, 因此電場強度可達105V/ cm。另外細胞膜上還存在許多離子通道( 圖2) , 離子在膜內(nèi)外沿離子通道的被動或主動遷移即產(chǎn)生生物電流。,二、電磁場對于細胞膜電磁特性的影響,電磁場對生物體的作用是生物學(xué)效應(yīng)，其大多是通過對細胞膜的作用來實現(xiàn)的，細胞膜具有低漏電特性，在電磁場的作用下，細胞膜表面會產(chǎn)生極化現(xiàn)象 ，并證實了細胞極化狀態(tài)對外加電磁場的依賴情況，但對于細胞膜電阻的具體數(shù)值還沒有確定，學(xué)術(shù)界通常認為細胞膜的電阻率0.11.02，細胞膜容性成分的阻抗為 ，因此隨著頻率的升高，膜阻抗的值會下降，當外場頻率大于 100MHz的時候，細胞膜的阻抗特性與細胞液阻抗特性相近，此時細胞膜的

10、充電效應(yīng)會隨著頻率的升高而快速地下降。,sonja等在理論上建立了一個可靠的細胞組織模型，考慮了離子通道蛋白質(zhì)和細胞器等方面的影響因素，研究了在兆赫范圍電磁場作用下生物組織的介電色散特性是由于細胞膜的界面極化所致，處于極化狀態(tài)下的細胞膜內(nèi)外帶電離子濃度會發(fā)生明顯的變化，因此，加電磁場對于細胞膜的極化可以對細胞跨膜分子的特性產(chǎn)生影響，會對于細胞內(nèi)外物質(zhì)交換產(chǎn)生影響,在有關(guān)細胞膜的研究中, 由于細胞膜內(nèi)外有一定的電勢差(跨膜靜息電勢差約為60100mV), 膜兩側(cè)粒子濃度的平衡是粒子擴散力和電場力相互對抗的結(jié)果. 當外來電磁場作用在細胞膜上時將會干擾膜兩側(cè)的電勢差, 從而影響膜對粒子的通透性, 誘

11、發(fā)出生物效應(yīng). 這方面也有一些實驗證據(jù).極低頻電磁場可能會影響細胞的信號系統(tǒng). 細胞信號系統(tǒng)包括3個部分: 1) 膜外的胞間信號(第一信使); 2) 信號的跨膜轉(zhuǎn) 導(dǎo); 3) 膜內(nèi)的胞內(nèi)信號(第二信使). 如果極低頻電磁場對細胞信號系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)有所影響都會產(chǎn)生細胞學(xué)效應(yīng).,三、極低頻電磁場對細胞膜的影響,四、射頻電磁波對細胞膜的影響,射頻電磁場對細胞膜系統(tǒng)的影響主要反映在離子跨膜運轉(zhuǎn)發(fā)生了變化. 有實驗表明, 在較廣泛的頻段( 27MHz 10GHz)范圍內(nèi), 射頻電磁場可引起Na+、K+離子流動的變化, 其原因可能是射頻電磁場使細胞膜上離子泵及ATP酶發(fā)生了變化. 除此之外, 射頻電磁場可

12、能還對膜上的一些受體蛋白有所作用, 改變膜脂蛋白結(jié)合區(qū)域的結(jié)構(gòu)狀態(tài), 引起膜結(jié)構(gòu)的破壞.,電磁場( 波) 與生物組織相互作用會引發(fā)細胞內(nèi)的各種生物反應(yīng), 這些反應(yīng)都伴隨著能量的變化, 其中ATP 的合成與分解是能量轉(zhuǎn)換或能量偶聯(lián)的中間環(huán)節(jié), 是一切細胞能量傳遞的主要途徑如細胞中的Ca2+ 運送就是通過以下方式實現(xiàn)的, 即 2Ca2+ + ATP Mg2+ 2Ca2+ + ADP+ Pi 電磁場改變細胞內(nèi)外Ca2+ 濃度實質(zhì)上就改變了上述反應(yīng)的速率 Ca2+ 的輸送速率，而Ca2+ 的輸送與生物膜的結(jié)構(gòu)有關(guān)。,五、電磁場與細胞膜的能量關(guān)系,六、微波對細胞結(jié)構(gòu)的影響,C. Z iskin研究了頻率

13、為5476G H z的微波對細胞膜磷脂雙分子層(BLM)電容和電導(dǎo)的影響。樣品細胞分為了三組，其中兩組分別用短桿菌肽和TPh B做了標記，第三組則未作任何標記。研究發(fā)現(xiàn)輻射使沒有標記的BLM 電容降低1.2% ，而用TPh B標記的細胞膜電流增加了5% 。前兩組的細胞膜離子通道電流發(fā)生了一些改變。,小結(jié)篇,總的來說，電磁波從不同的角度，不同的方式作用于細胞膜，從而對影響細胞內(nèi)的各種反應(yīng)。但是當電磁波與細胞膜的作用突破了細胞膜的自適應(yīng)極限時，就會發(fā)生變異，從而改變細胞膜的結(jié)構(gòu)，使細胞失去原來的功能不能恢復(fù)，導(dǎo)致細胞的死亡。這便是電磁生物的非熱效應(yīng)的“共振自適應(yīng)”理論。,參考文獻 1.劉亞寧 .電磁生物效應(yīng) .北京：北京郵電大學(xué)出版社，2001 2. 3.黃卡瑪?shù)入姶挪▽瘜W(xué)反應(yīng)的非熱作用及其在電磁生物非熱效應(yīng)機理研究中的意義J,1996,12(2):126-134 4.李剛等電磁場的生物效應(yīng)的研究現(xiàn)狀與展望J,2008,6(3):3-8 5.習(xí)崗等電磁場對生物體系