【doc】电磁波对细胞内外离子浓度影响的基本理论

【doc】电磁波对细胞内外离子浓度影响的基本理论 电磁波对细胞内外离子浓度影响的基本理 论 第21卷第6期 2002年12月 中国生物医学工程 CHINESEJOURNALOFBIOMEDICALENGINEERING V01.21NO.6 December2002 文章编号:0258—8021(Z00Z)一06—552—05 电磁波对细胞内外离子浓度影响的基本理论 牛中奇,王海彬,侯建强,阎静,卢智远 (西安电子科技大学电子工程学院,西安710071) 摘要:电磁波生物学非热效应的一个代性事例是对离子,比如Ca2穿越细胞膜的影响,从而导致细胞 内外离子浓度比值发生变化.阐述电磁波对细胞离子浓度影响这一生物学非热效应的基本理论,以此为电磁波生 物学非热效应机理研究提供理论基础.该基本理论基于两个角度:一是物理学角度,即视生物组织和细胞膜为一 般的电磁媒质,由物理学角度分析可看出,一定参数的电磁波可使细胞内外二价离子浓度的比值发生10量级的 变化,这相当于正常细胞内外钙离子浓度在固有比值10-4的基础上发生了1%的变化,与细胞产生动作电位时需 要细胞内外电荷密度的比值在固有的10-4基础上发生196的变化比较,可知基于物理学角度,电磁波在引起生物 学非热效应方面是有意义的;二是生物学角度,即视生物组织和细胞膜为特殊的生命物质,由生物学角度分析可看 出,一定参数的电磁波可导致在1秒钟内有10量级的二价离子穿过细胞膜,与用趋 化(趋药)性试验了的要使 白细胞的生活状态发生有意义变化需要额外有10量级的分子通过细胞膜比较,可知基于生物学角度,电磁波在 引起生物学非热效应方面也是有意义的,因为无论是细胞内外离子浓度的变化,还是电荷穿越细胞膜迁移所携带 的信息都会改变细胞自身的生理和生化状态. 关键词:电磁波;生物学效应;离子浓度;效应机理 中图分类号:R318文献标识码:A 0引言 电磁波的生物学效应是指生物系统(生物大分子,细胞,组织,生物体等)对电磁波所产生的与生命现象 有关的(生理,生化,结构,功能等)响应.其中,人们关注的重点之一是电磁波对细胞膜两侧电荷密度和细胞 内外离子浓度的影响,原因是:(1)细胞内离子浓度的变化将影响细胞的生理和生化状态;(2)伴随电荷穿越 细胞膜的迁移和离子的跨膜运动所携带的信息将影响细胞的生活状态.电磁波生物学效应的实验研究结果 已较为丰富uJ,而电磁波生物学效应的机理研究,特别是生物学非热效应机理研究还在艰难而积极地进行 之中,机理研究虽未形成统一而成熟的理论,但却有了代表性的研究结果,比如极限环理论],相干电振荡 理论,回旋谐振理论J,参数谐振理论等,这些理论多以离子的穿膜运动为其实验基础并涉及离子的穿 膜运动过程.讨论电磁波对细胞膜两侧电荷密度及细胞内外离子浓度的影响的基本理论,可为电磁波生物 学非热效应机理研究提供基本的理论基础. l基本理论 基本理论基于两个角度,一是物理学角度,二是生物学角度. 1.1基于物理学角度的基本理论 基于物理学角度的基本理论的要点是:生物组织和细胞膜与电磁波相互作用时,首先表现出一般电磁媒 质的共有特性,即相互作用时遵从电磁场理论的基本规律.由于生物组织和细胞膜都是有耗(导电)媒质,所 以在电磁波作用下会有电流产生,注意到在非电离电磁辐射条件下对生物组织进行宏观处理时多视其为各 向同性的线性媒质(这可从各文献【2】提供的生物组织的介电常数和电导率参数看出),因而产生的电流密度 可写为 J=aE(1) 式中,是电导率,E是电场强度.由于在生物组织与细胞膜形成的界面两侧电特性的不连续性,因而,当有 摹全项旦:国家自然科学基金资助项目(30170240);陕西省自然科学基金资助项目(2OOlXO1)收稿日期 :2001—08一o1;修回日期:2002—09—19 第6期牛中奇等:电磁波对细胞内外离子浓度影响的基本理论553 电流通过界面时会在界面上产生面电荷.若设生物组织的介电常数和电导率分别为2和2,细胞膜的介 电常数和电导率分别为e3和3,再设在电磁波作用下细胞膜与生物组织内的电场强度的法向分量分别为 E3和E2,则在细胞膜表面的面电荷密度为 Ap=,3E3一e2E2(2) 下面分析在电磁波作用下细胞膜表面的面电荷密度的量值.在实际问中,当电磁波由空气入射到生 物组织表面时,一部分被反射回空气,一部分透射入生物组织,透射入生物组织内的电磁波在传播的过程中 要发生衰减(振幅不断减小),因而,求解距离生物体表面一定深度处的细胞的膜表面的面电荷密度的 是:(1)由入射波的功率流密度(可比较方便地由电磁波辐射源的输出功率推算出)求空气中的电场强度;(2) 求电磁波在生物体表面上的透射系数;(3)求在距生物体表面一定深度处的细胞所在处的电场强度E2;(4) 求该深度处的细胞膜内的电场强度E;(5)求细胞膜表面的面电荷密度.在计算过程中,入射波的功率流密 度P一般是已知的,下面以频率厂=10uHz,P=10mW/cm(100W/m0)的毫米波垂直入射到生物体表面,进 入生物体内传播一段距离再垂直入射到细胞膜表面为例,估算在该电磁波作用下引起细胞膜表面的面电荷 密度的附加变化.在上述假设条件下,入射波的电场强度振幅为 El==274.6(V/m)(3) 式中,叩0为空气的波阻抗,其值为3770.在上述频率下,皮肤的相对介电常数e,2=23,电导率2=17S/ m.当电磁波垂直入射到生物体表面即界面(假设为平面)时,透射系数(界面上生物组织一侧的电场强度振 幅与空气一侧的电场强度振幅之比) T:2_:0.345 2十0 式中,2?7/0/,/r是皮肤的波阻抗,是在考虑到0"2/o.Je,2,0?0.013<<1这一条件下的近似表达式. (4)式可求得进入生物体表面(比如皮肤)的电磁波的电场强度振幅为 E2=TEl=94.7(V/m) 而在进入皮肤表面一定深度,比如z=0.001m处的电场强度的振幅为 E2(=0.001)=E2e,=48.6(V/m) 式中,a为衰减常数,由下式[求得 (4) 由(3)和 (5) (6) 一? ?l,/1+(1]666.2(Np/m)(7) 式中,(,,是电磁波的角频率,0=47r×10一(H/m),2=23eo(eo=8.854×10一V/m,是真空的介电常 数),2=17S/m分别是皮肤的磁导率(近似等于真空中的磁导率),介电常数和电导率.而细胞膜的相应参 数分别是:/a0,3=lle0和3=10_.S/m. 细胞膜内电场强度的振蜻E3可由(o3+j?,3)E3=(d2+j2)E2,即全电流的连续性方程求得,在前述 参数条件下,位于生物体表面的细胞膜内的电场强度为 = E2m~22_9.7×10(V/m)(8) 从而可利用(2)式求得位于生物体表面的细胞膜表面的面电荷密度峰值为 Ap=3E3一2E2=8.5×10一.(C/m)(9) 为了对这一数值的大小有一个直观的概念,下面再算出:(1)当细胞膜去极化时所需的最小电位变化值即阈 值(?V?1mV)对应的面电荷密度的变化值?ps0;(2)静息细胞的膜表面的固有面电荷密度ps0,以便比较. Apo=3?E3o?4.9×10一(C/m)(10) P0=3E30?9.74×10一(C/m)(11) 式中,E3o~'10'(V/m)是静息细胞膜内的固有电场强度,AE30?10(V/m)是细胞膜去极化时的电位变化阈 554中国生物医学工程第21卷 值对应的电场强度变化.比较可知,由前述参数的电磁波作用而产生的细胞膜表面附加面电荷密度的变化 峰值A0.约为细胞膜去极化时电荷密度变化值?ps0的1%,约为静息细胞的膜表面固有面电荷密度的万 分之一. 1.2基于生物学角度的基本理论 细胞膜除具有普通电磁媒质的一般特性外,还具有生命物质自身的一系列固有特性,其中的重要特性之 一 是对不同离子有选择性的通透,而这一性质源于细胞膜上的离子通道,膜离子通道具有这样的基本结 构[]:由蛋白质分子构成贯穿细胞膜的微孔(pore),该蛋白质分子包含4000多个氨基酸残基,构成微孔的蛋 白质又分为4个相似的亚单位(homologoussubunits),而每一亚单位又由5个(有时是7个)疏水片段(hy— drophobicsegment)和1个作为电压传感器(servesasavoltagesensor)的正电荷片段组成,电压传感器可"感 知"(fee1)外加电场,因而,细胞膜上离子通道的动力学特性(即通道开启和关闭的几率及其寿命等)与加在细 胞膜上的电压密切相关.由于构成膜通道的蛋白质分子是具有周期性结构的a螺旋蛋白,因而在膜通道内 形成周期性的势垒分布J,膜通道的上述结构和特性决定了细胞内外的离子浓度C.和C2间的关系遵从玻 尔兹曼方程J,即 C1=C2e(12) 式中 .r= 在上两式中,e=2.71828为常数(以后各式中亦同),e.是电子的电量,K是玻尔兹曼常数,T是绝对温度, ,,.r是以电压形式表示的热运动能,V是加在细胞膜上的电压,是考虑到下列两个因素而引入的修正因 子:(1)外加电磁波对细胞膜通道内势垒的几何形状产生影响,即在电磁波的作用下膜通道内势垒的形状要 发生变化,从而使离子穿越势垒的几率发生变化;(2)离子在穿越势垒的过程中有 可能发生正负电荷的复合, 即电子有可能从晶格得到电子而成为非带电粒子,从而改变穿越膜通道离子的总数.当前,人们还不可能从 其他已知的生物参数准确计算.r的值,而只能由个别生物组织的实验获得,比如,从墨鱼神经干的静态伏 一 安特性曲线的拟合方程求得V.r=5.2mV.设在电磁波作用下膜上的电压为 V=V0+Vcoscot(13) 式中,0为细胞的静息膜电位,是由电磁波产生的附加在静息膜电位上的电位的振幅.这时(12)式变 为 om C1=C2已VT=C2已VT已VT e [一+…+1(……] e [-十(??]… 由于《0,故在上式的展开式中只取前三项(如第三个等号后的方括号中所示),其中第二,第三项含有 周期函数,对于周期性变化而言,有意义的往往是其平均值,由于第二项的平均值为零而第三项的平均值如 第四个等号后方括号中第二项所示,因而可将(12)式化为此处的(14)式.式中,=E3d,E3是在细胞 膜内由电磁波引起的附加电场强度的振幅,d是细胞膜的厚度,其值为2×10,m.E3可由全电流的连续 性方程(3+雠3)E3=(2+雠2E2)求得,在上述参数的电磁波照射条件下 E=E3m2?20E2m : 9.7×0V/m(15)Em?2uE9.7×1'(15) 第6期牛中奇等:电磁波对细胞内外离子浓度影响的基本理论555 因而 V=E3d=1.94×10一(V)=1.94×10(mV)(16) 从而,导致膜内外离子浓度之比的相对变化量为 (V,,,/2T)=3.7×10(17) 这表明,前述参数的电磁波照射将使细胞内外二价离子浓度的比值发生10量级的变化.下面估算这一 浓度变化相应于多少个离子穿过细胞膜,依据对墨鱼神经干实测的静态伏一安特性曲线的拟合经验公式推知: j,_ .,:.,0(e一1)(18) 式中,J0=0.09mA/cm,vT=5.2mV,从而可知,当电磁波产生如(16)式所示的附加电压峰值时,则流过细 胞膜的电流密度峰值为 ?,:1o(e一1)?0.09×0.002:.4×10J0090003743410一(mA/em)(19)?,m:(e——一一1)?.×.=.×一(')() 通常认为,细胞膜的表面积AS=10,cm2,因而流过细胞膜的总电流是 AI=AS:3.4×10一.(mA)=3.4×10一(A)(20) 这表明,1秒钟内穿过细胞膜的二价离子数目的平均值是 Ar N.,,::=1. 1×10(个)(21) …Zeo 式中,e0=1.602×10-10C为电子的电量. 现在讨论如(17)式所示的细胞膜内外的离子浓度之比的相对变化量和(21)式所示的1秒钟穿过细胞膜 的离子的数目是否会对细胞产生有意义的影响.对于前者,与这样的事实比较:正常细胞内的胞浆钙离子 (二价)浓度为0.1tLM,细胞外的钙浓度为lO00t~M,二者的固有比值为10量级,而 (17)式表明,前述参数的 电磁波可使细胞内外二价离子浓度比值的相对值发生10量级的改变,这相当于正常细胞内外钙离子浓度 在固有比值10的基础上发生了1%的变化.这一变化对生物系统是否有意义呢?在此可与(10)和(11)式 的结果作比较:该两式的结果表明,要使细胞产生动作电位就需要细胞内外电荷密度的比值在固有的10 基础上发生1%的变化,即只要细胞内外膜表面的电荷密度改变量Aps0达到固有量Pso的1%,便可引起细 胞膜去极化,进而引起细胞膜电位的反转,继而引起动作电位而使可兴奋细胞兴奋.由此比较可知,从物理 学角度分析,前述参数的电磁波使细胞内外二价离子浓度比值的变化已达到了有生物学意义的数量级.对 于后者,与这样的事实比较:Grimes等人的趋化(趋药)性试验证明【2】,要使白细胞的生活状态发生有意义的 变化需要有额外的10数量级的分子数通过细胞膜,而(21)式表明,前述参数的电磁波可使10数量级的离 子数通过细胞膜.由此比较可知,从生物学角度分析,前述参数的电磁波使穿过细胞膜而进入细胞内的分子 数已超过了有生物学意义的数量级. 从上述分析可看出,无论是基于物理学角度还是基于生物学角度,电磁波在引起生物学非热效应方面都 是有意义的,因为,无论是细胞内外离子浓度比值的变化还是电荷穿越细胞膜迁移所携带的信息,都会改变 细胞自身的生理和生化状态. 2讨论 由前面的理论分析和数值估算可知,无论是从物理学角度出发把生物组织和细胞膜视为一般的电磁媒质, 还是从生物学角度出发把生物组织和细胞膜视为有生命活性的特殊电磁媒质,在 电磁波作用下,均会使细胞内 外的离子浓度发生变化,或者说引起带电粒子的穿膜运动.无论是细胞内外离子浓度的变化自身,还是伴随离 子穿膜迁移所携带的信息,都会引起细胞的生命状态发生有利于或不利于其存活的变化,这便是电磁波生物学 非热效应机理研究的基本理论基础.当前较有影响的极限环理论,相干电振荡理论,回旋谐振等理论,尽管阐 述机理的学科角度不同,但涉及的生物靶部位多为细胞膜,涉及的生物学对象多为穿膜运动的离子,就这点而 言,本文讨论的基本理论是有意义的并可为电磁波生物学非热效应机理研究提供基本的理论基础. 556 中国生物医学工程第21卷 3参考文献 [2] 【3] [4] [5] [6] [7] NCRP(NationalCouncilonRadiationProtectionandMeasurement)ReportNo.86:Biologi caleffectsandexposurecriteria forradiofrequencyelectromagneticfields[R].1986,April. 李辑熙,牛中奇.生物电磁学概论[M].西安:西安电子科技大学出版社,1990,221—274,292—315. 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BASICTHEoRYFoRTHEEFFECTSoFELECTRoMAGNETIC WAVEoNIoNCONCENTRATIoNINCELLS NIUZhong—qi,WANGHal—bin,HOUJian—qiang,YANJing,LUZhi—yuan (SchoolofElectronicEngineeringXidianUniversity,Xian710071) Abstract:Arepresentativefactinathermaleffectsofelectromagneticwaveonbiologyistheinfluenceupon transmembranemovementofions,suchasthemovementofCa2,whichcausesachangeintheratiobetween concentrationsofintracellularandextracellularions.Thispaperdiscussesthebasictheoryfortheathermalef— fectsrelatedtothechangeintheionconcentrationcausedbyelectromagneticwave(EMW),soastoprovide theoreticalfoundationforstudyingthemechanismofathermaleffectsofEMWoncells.Thistheoryisbasedon twoaspects.Thefirstaspectisbasedonphysics,intheviewthatbiologicaltissueandcellmembraneareregard— edasgeneralelectromagneticmedia,whentheyinteractwithEMW,theamountofchangeofratiobetween c0ncentrationsofintracellularandextracellularionsisabout10 一,whichissimilarto1%oftheinherentratio (10)betweenconcentrationsofintracellularandextracellularCainanormalcel1.Comparingwiththe1% changewhichisrequisitetoproduceactionpotential,itisinaccor— dancewiththechangeofaratioofsurface chargedensitiesonbothsidesofthecellmembranefrominherent10to10一 order.itcouldbeknownthat EMWissignificantinproducingathermalbioeffectsbasedontheaspectofphysics.Thesecondaspectisbased onbiology,intheviewthatbiologicaltissueandcellmembraneareregardedasspeciallivingmaterials,when theyinteractwithEMF.about10.bivalentionspassthroughthecellmembranein1second.Comparingwith therequirementofadditionalabout10ionspassingthroughcellmembranetocausesignificantchangeinliving statesofwhitecell,whichhasbeenconfirmedbychemotaxisexperiment,itcouldbeknownthatEMFisalso significantinproducingathermalbioeffectsbasedontheaspectofbiology,becausethephysiologyandbiochem— istrystatesofcellwillbechangedbothbychangesofionsconcentrationincellorbytheinformationcarriedby trans—membranemovementofions. Keywords:Electromagneticwave;Bioeffects;Ionconcentration;Mechanismofbioeffects