生物物理学-第三章.ppt

河北工业大学 生物物理学 河北工业大学 生物物理学 河北工业大学 生物物理学 * 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 * 3.1 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 * 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 * 3.1.1 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 * 3.1.2 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 * 3.1.3 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 * 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 136 13 83 5 164 154 胃肠平滑肌细胞 162 22 40 5.9 137 134 蛙骨骼及细胞 155 12 4 4 145 120 枪乌贼轴突 369 44 39 13 498 520 河北工业大学 生物物理学 * 可兴奋细胞静息电位V的 Goldman-Hodgkin-Kalz方程： 河北工业大学 生物物理学 * 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 * （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 * 3.1.4 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。 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。 河北工业大学 生物物理学 * 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