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1、电磁生物的非热效应的细胞膜机理,理学院 无线电物理 赵超,细胞膜与电磁场的关系,细胞膜是信息传递的重要“接口”，亦是对外界电磁辐射骚扰的敏感“设备”之一。一般说来，外界的电磁辐射以感应耦合的方式影响细胞膜；内部的电磁场，则可通过传导耦合的方式实现骚扰，如脑和心中的异常或异位的电兴奋，是癫痫与心律不齐的原因。生物膜的结构与功能，是了解人体内外环境电磁兼容的必要基础。,细胞膜的结构与功能篇,细胞膜,曾指质膜，现泛指细胞的各种膜，包括围绕细胞或细胞器的通透屏障，由磷脂双层和相关蛋白质以及胆固醇和糖脂组成。 细胞膜的化学组成基本相同，主要由脂类、蛋白质和糖类组成。各成分含量分别约为50%、42%、2%
2、8%。此外，细胞膜中还含有少量水分、无机盐与金属离子等。,一、细胞膜的结构,细胞膜主要是由磷脂分子和蛋白质分子组成。在膜的中间是磷脂双分子层，这是细胞膜的基本支架，蛋白质分子或分布在膜的外侧，或贯穿在磷脂双分子层中或嵌插在磷脂双分子层中。细胞膜的基本结构主要包括膜脂、膜蛋白、膜糖。,基本结构,1.膜脂 磷脂、胆固醇、糖脂 2.膜蛋白 膜蛋白质主要以两种形式同膜脂质相结合： 膜蛋白分内在蛋白和外在蛋白两种。内在蛋白以疏水的部分直接与磷脂的疏水部分共价结合，两端带有极性，贯穿膜的内外；外在蛋白以非共价键结合在固有蛋白的外端上，或结合在磷脂分子的亲水头上。如载体、特异受体、酶、表面抗原。,3.膜糖
3、糖蛋白和糖脂 ，细胞膜糖类主要是一些寡糖链和多糖链，它们都以共价键的形式和膜脂质或蛋白质结合，形成糖脂和糖蛋白；这些糖链绝大多数是裸露在膜的外面（非细胞质）一侧的。单糖排序上的特异性作为细胞或蛋白质的“标志、天线”抗原决定簇。可识别，与递质、激素等结合。ABO血型物质即鞘氨醇上寡糖链不同。,液态镶嵌结构,二、细胞膜的基本特性,1.流动性 细胞膜的磷脂双分子层疏水的尾部在内，亲水头部在外。磷脂双分子层不是静止的，而是轻油般的液体,具有流动性.蛋白质分子也是可以移动的。磷脂分子的流动性受着一些因素的影响，主要影响因素有：温度，细胞膜磷脂分子的脂肪酸链，胆固醇，卵磷脂/鞘磷脂比值。 膜脂的流动是造成
4、细胞膜流动的主要因素。,膜脂的运动方式主要有四种： 侧向扩散 旋转运动 伸缩运动 翻转扩散又称为翻转 膜蛋白的运动 由于膜蛋白的相对分子质量较大，同时受到细胞骨架的影响，它不可能象膜脂那样运动。 主要有以下几种运动形式： 随机移动 定向移动 局部扩散,2.通透性 是指物质通过生物半透膜的难易程度。生物半透膜对体内某些分子的通透性大致可分为以下三种情况：自由通过所有的水分子；可以透过的有葡萄糖、氨基酸、尿素、氯离子等；不易透过的有蛋白质、钠、钾等。 细胞膜对离子的通透性是细胞兴奋及生物电的基础。 胞内外离子的不对称分布 总的来说，胞外Na+多，胞内K+多，R-（带负电的生物分子）多。不受刺激时膜
5、对不同离子的不同通透性（被动扩散）产生静息电位，受刺激时膜对某些离子的主动转运（Na+泵，Ca2+泵）引起动作电位。,静息电位 静息电位为-10-100mV的胞内负胞外正的跨膜电位差，其实质是K+的平衡电位，其原因是膜对不同离子的不同通透性。 动作电位 动作电位是细胞兴奋时所产生的跨膜电位波动。刺激因素（电、化、机械）使膜局部平衡暂时破坏而产生突然电压瞬间（几毫秒内）变化，并可形成传播神经冲动，或沿肌肉（心肌）传导。临床上动作电位大量综合形成心电、脑电、肌电等等。 3.其他特性 镶嵌性 ，蛋白质极性，不对称性， 更新态等。,三、细胞膜的功能,（1）分隔、形成细胞和细胞器，为细胞的生命活动提供相
6、对稳定的内环境，膜的面积大大增加，提高了发生在膜上的生物功能； （2）屏障作用，膜两侧的水溶性物质不能自由通过； （3）选择性物质运输，伴随着能量的传递； （4）生物功能：激素作用、酶促反应、细胞识别、 电子传递等。 （5）识别和传递信息功能（主要依靠糖蛋白） （6）物质转运功能：细胞与周围环境之间的物质交换，是通过细胞膜的转运动功能实现的。,其主要转运方式有以下四种。被动运输： 1）自由扩散：脂溶性物质由膜的高浓度侧向低浓度侧的扩散过程，称为自由扩散。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
7、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：。4、膜蛋白的分类：1 通道蛋白 2 门通道蛋白 3特化蛋白（通过接触改变自身构象来进行转运）如：葡萄糖进入红细胞。 自由扩散和协助扩散都是顺浓度差进行的，细胞本身不消耗能量，均属于被动转运（被动运输）。,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。有选择透过性。如：碘进入海带、葡萄糖进入除红细胞以外的细胞。 4）入胞和出胞作用：是转运大分子或团块物质的有效方式。物质通过细胞膜的运动从细胞外进入细胞内的过程，
8、称入胞。包括吞噬和吞饮。液态物质入胞为吞饮，如小肠上皮对营养物质的吸收；固体物质入胞为吞噬，如粒细胞吞噬细菌的过程。,出胞是通过细胞膜的运动从细胞内派到细胞外的过程。细胞的代谢产物及腺细胞的分泌物都是以出胞作用完成的。又称内吞与外排。也需要能量。 5）细胞膜的受体功能：受体是细胞识别和结合化学信息的特殊结构，其本质是蛋白质（糖蛋白）。,电磁生物的非热效应篇,一、细胞膜的电磁来源,由于细胞膜的内外两侧离子分布不对称,其膜外带正电, 膜内带负电, 所以细胞在静息状态时存在静息电位; 而在外界刺激下细胞兴奋, 引起静息电位波动产生动作电位。静息电位和动作电位都在100mV数量级, 而细胞膜厚度仅为1
9、0nm左右, 因此电场强度可达105V/ cm。另外细胞膜上还存在许多离子通道( 图2) , 离子在膜内外沿离子通道的被动或主动迁移即产生生物电流。,二、电磁场对于细胞膜电磁特性的影响,电磁场对生物体的作用是生物学效应，其大多是通过对细胞膜的作用来实现的，细胞膜具有低漏电特性，在电磁场的作用下，细胞膜表面会产生极化现象 ，并证实了细胞极化状态对外加电磁场的依赖情况，但对于细胞膜电阻的具体数值还没有确定，学术界通常认为细胞膜的电阻率0.11.02，细胞膜容性成分的阻抗为 ，因此随着频率的升高，膜阻抗的值会下降，当外场频率大于 100MHz的时候，细胞膜的阻抗特性与细胞液阻抗特性相近，此时细胞膜的
10、充电效应会随着频率的升高而快速地下降。,sonja等在理论上建立了一个可靠的细胞组织模型，考虑了离子通道蛋白质和细胞器等方面的影响因素，研究了在兆赫范围电磁场作用下生物组织的介电色散特性是由于细胞膜的界面极化所致，处于极化状态下的细胞膜内外带电离子浓度会发生明显的变化，因此，加电磁场对于细胞膜的极化可以对细胞跨膜分子的特性产生影响，会对于细胞内外物质交换产生影响,在有关细胞膜的研究中, 由于细胞膜内外有一定的电势差(跨膜静息电势差约为60100mV), 膜两侧粒子浓度的平衡是粒子扩散力和电场力相互对抗的结果. 当外来电磁场作用在细胞膜上时将会干扰膜两侧的电势差, 从而影响膜对粒子的通透性, 诱
11、发出生物效应. 这方面也有一些实验证据.极低频电磁场可能会影响细胞的信号系统. 细胞信号系统包括3个部分: 1) 膜外的胞间信号(第一信使); 2) 信号的跨膜转 导; 3) 膜内的胞内信号(第二信使). 如果极低频电磁场对细胞信号系统的任一环节有所影响都会产生细胞学效应.,三、极低频电磁场对细胞膜的影响,四、射频电磁波对细胞膜的影响,射频电磁场对细胞膜系统的影响主要反映在离子跨膜运转发生了变化. 有实验表明, 在较广泛的频段( 27MHz 10GHz)范围内, 射频电磁场可引起Na+、K+离子流动的变化, 其原因可能是射频电磁场使细胞膜上离子泵及ATP酶发生了变化. 除此之外, 射频电磁场可
12、能还对膜上的一些受体蛋白有所作用, 改变膜脂蛋白结合区域的结构状态, 引起膜结构的破坏.,电磁场( 波) 与生物组织相互作用会引发细胞内的各种生物反应, 这些反应都伴随着能量的变化, 其中ATP 的合成与分解是能量转换或能量偶联的中间环节, 是一切细胞能量传递的主要途径如细胞中的Ca2+ 运送就是通过以下方式实现的, 即 2Ca2+ + ATP Mg2+ 2Ca2+ + ADP+ Pi 电磁场改变细胞内外Ca2+ 浓度实质上就改变了上述反应的速率 Ca2+ 的输送速率，而Ca2+ 的输送与生物膜的结构有关。,五、电磁场与细胞膜的能量关系,六、微波对细胞结构的影响,C. Z iskin研究了频率
13、为5476G H z的微波对细胞膜磷脂双分子层(BLM)电容和电导的影响。样品细胞分为了三组，其中两组分别用短杆菌肽和TPh B做了标记，第三组则未作任何标记。研究发现辐射使没有标记的BLM 电容降低1.2% ，而用TPh B标记的细胞膜电流增加了5% 。前两组的细胞膜离子通道电流发生了一些改变。,小结篇,总的来说，电磁波从不同的角度，不同的方式作用于细胞膜，从而对影响细胞内的各种反应。但是当电磁波与细胞膜的作用突破了细胞膜的自适应极限时，就会发生变异，从而改变细胞膜的结构，使细胞失去原来的功能不能恢复，导致细胞的死亡。这便是电磁生物的非热效应的“共振自适应”理论。,参考文献 1.刘亚宁 .电
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