商振德教授揭开针灸经络、中医理论及气功之谜(三)

水、蛋白质分子的物理学特性
水分子形成偶极,由于水分子呈偏斜四面体结构,电荷不是均匀分布在水分子周围。在两个氢原子对面的氧原子一侧,电子相对富裕,相对未被屏蔽的氢原子变成为带正电的区域。偶极是指像水这样的电荷不均匀地分布在其结构周围的分子。水分子中的氢原子核氧原子通过氢键相连,氢键不只是在水分子存在,当氢原子与某一电负性原子化学键合的同时趋近另一个电负性原子,必须会出现氢键。水分子是极性的,电负性的氧原子把邻近氢原子的电子云吸引过来,从而引起原子极化。结果使水分子中的氢原子获得了部分的正电荷,而氧原子上则获得了负电荷。每个液态水分子都是极化的,具有一个大的电偶极矩。例如,把带有橡皮的铅笔通过摩擦使它带电,然后靠近从一个小孔喷射出的细的水流柱时,这些水流会偏向这一带电的铅笔,从而证实水分子的极化性。水具有一定的导电性,其导电机理是其中的质子或氢离子在电场的作用下,沿着分子链从一个水分子跳到另一个水分子进行传导。人体内细胞外基质、结缔组织筋膜及结缔组织包膜中只要水分充足,胶原纤维和蛋白聚糖等分子就可以形成电荷的吸附层和扩散层,就具有导电性。即使在尸体上也可以测得其导电性。
由氨基、羧基和不同的侧链基团组成的20种氨基酸分子的电荷分布都是非球形对称的,其中的正、负电荷中心不是重合的,它们都具有明显的电偶极矩,众多的氨基酸分子通过肽键结合在一起构成蛋白质时,这些氨基酸残基进一步极化,从而使蛋白质分子电偶极矩增加,蛋白质分子所有残基的有效偶极矩进一步增加,同时,主链上的各个键或基也有一定偶极矩,侧链基团也有一定偶极矩。所以,蛋白质的总偶极矩是一系列群偶极矩的矢量和。不同蛋白质具有不同空间构型和构像,则所受相互作用不一样,总偶极矩的大小和方向也不一样。因此,每一个蛋白质都是电磁场作用的靶点。蛋白质分子在生命体内是存在于包括水的体液之中的,极性水分子和氨基酸之间有静电相互作用,在生理PH值时,大多数蛋白质携带的电荷都是负电的。
细胞膜不但本身含有带电的脂类分子、水和蛋白质分子,在细胞膜内、外表面堆积大量钾离子、钠离子、氯离子等正、负离子,而且,在其上存在钾离子、钠离子通道,存在离子电流,细胞膜具有复杂的电磁特性,可以与各种类型的电磁场相互作用。细胞膜中含有大于20%的带负电的磷脂,再加上存在大量带负电荷的蛋白质、糖蛋白、糖脂及极性水分子。因此,细胞膜也是具有各种不同电偶极矩的带电介质。介电常数为2.5左右。再加上细胞膜两侧糖和蛋白质所有大量带电的离子基团,与细胞内外中的各种离子和极性水分子相互作用,形成一定厚度的正、负电荷层(与蛋白质外正负电荷层相似,并与其相结合成一体化结构),从而使细胞膜构成电容。细胞膜电容一般比较稳定,在1uF/cm2左右。在静息和兴奋时变化不大。细胞膜同时具有电阻和电容特性。
一般来讲,细胞内、外液中正、负电荷值应该是相等的,但各种离子在细胞内、外分布不同。细胞膜两侧的这种离子浓度差形成了化学势,促使离子发生沿着顺浓度梯度方向迁移运动,随着离子的跨膜运动造成细胞膜两侧正、负电荷分布不平衡形成电位差。当离子的化学势和电学势作用相等而处于平衡状态时,则可维持细胞内外离子的浓度差,形成膜电位差。
离子在膜内、外沿着离子通道的被动和主动转运会产生不同的离子电流,产生一定的电磁场,这是生物体内的电磁场的一种起源机制,也是电磁场作用的靶点。
细胞膜电容和电阻
当两个导体被一个非导体隔开时,两个导体之间便具有电容性质。细胞膜脂质双层构成的绝缘层把含有电解质的细胞内、外液隔开,其形式类似一个平板电容器。(如图)。电容器是一种重要的电学元件。在两个相距很近的平行金属板中间夹上一层绝缘物质就组成一个平行板电容器。这两个金属板叫做电容器的极板。实际上,任何两个彼此绝缘又相距很近的导体,都可以看成一个电容器。把电容器的一个极板与电池的正极相连,另一个极板与负极相连,两个极板分别带上等量的异号电荷,这一过程叫做充电。充电后,切断电源,两个极板上电荷由于相互吸引而保存下来,两极板间有电场存在。如果用导线将充电后的电容器的两极接通,两极板上的电荷中和,电容器就不带电了,这一过程叫做放电。放电后两极板之间不再有电场,电能转化成其他形式的能量。细胞膜与膜内、外介质相比电阻极大,膜看成非导体,膜内外介质是导体。因此,细胞膜具有显著的电容特性。细胞膜的介电常数约为3~5,厚度仅为6nm。当细胞膜离子通道开放引起带电离子跨膜流动时,就相当于在电容器上充电或放电,产生电位差,即跨膜电位或膜电位。
单纯脂质双层几乎是绝缘的,在1平方厘米的面积上,电阻高达106~~9.但生物膜上插入了许多离子通道和转运体,离子通道和转运体越多,电阻就越小。细胞膜电容器放电放出的生物电能传送到细胞外基质或通过细胞膜外一定厚度正、负电荷层进行跨细胞之间的传送。细胞膜电容器充电是通过细胞消耗化学能ATP得来。
细胞膜静息电位
静息电位是细胞膜在未受刺激时存在于细胞膜内外两侧电位差。人们通常把静息电位存在时细胞膜电位内负、外正的状态称为极化状态。静息电位增大称为超级化,减小称为去极化,去极化至零电位后膜电位进一步变为正值称为反极化,此时膜电位高出零电位的部分称为超射,细胞膜去极化后再向静息电位方向恢复的过程称为复极化。
Na-泵主动运转造成细胞膜内、外离子的不均匀分布,是形成细胞生物电活动的基础。细胞外钠离子浓度比细胞内高出10倍,细胞内钾离子浓度比细胞外高出几十倍。除了跨膜的离子浓度差外,离子会在膜两侧产生电位差。因此,离子跨膜扩散的驱动力有两个:浓度差和电位差。两个驱动力的代数和称为电化学驱动力。例如,钾离子受到浓度差的驱动力是向细胞膜外扩散,而扩散后形成的内负、外正的跨膜电位差又会阻止它的进一步扩散,当达到平衡时,电位差形成的驱动力恰好对抗浓度差的驱动力,两个作用力大小相等,方向相反,电化学驱动力为零,钾离子不再有跨膜的净移动,此时跨膜电位称为钾离子平衡电位。同样,钠离子、氯离子等也有相同的跨膜扩散机理产生。只是在形成静息电位过程中钾离子最为主要。静息电位准确说是钾离子和钠离子平衡电位时的代数和。由于细胞膜在静息安静状态时对钾离子通透性远大于钠离子的通透性,前者大约是后者的10~~100倍,所以,静息电位接近钾离子平衡电位。
绝大多数静息电位是稳定的、分布均匀的内负、外正,范围在10~~100mv之间,例如,骨骼肌 细胞膜静息电位为 -90mv,神经元静息电位为-70mv。静息电位的产生就是膜电容器的充电过程。细胞膜内、外所具有的内负、外正的电荷使细胞膜形成了一个充电的电容器。细胞膜两侧电位差变化时,就会有电容放电现象。在导体中,电流是电子所带动的,在生物体,电流是由离子所带动。细胞不是静止的,每时每刻都在运动,细胞膜每时每刻都在发生电位差的变化,每时每刻都有电容放电产生。每一次放电后,细胞膜再通过钠离子泵发挥作用,消耗ATP再将膜电位恢复到静息电位状态,放电产生的电流称为电容电流。
从物理学上知道,能量存在形式是多种多样的,有热能、电能、化学能等。热能是分子运动的动能,只要有分子运动就有热能产生,例如机体在寒冷状态时,肌肉震颤是产生热量的主要途径之一,原因是震颤造成体内分子运动而产生热能;电能即为动能又为势能。当涉及运动的电子或带电粒子具有的能量时,电能为动能;作为孤立的电子或带电粒子所具有的能量时,电能又为势能。各种能量是可以转化的,细胞膜在静息状态时,电位差所形成的电能为电势能;当出现电位变化时产生电容放电,细胞膜储存的电势能就转化为电动能。人体内细胞膜生物电动能与电势能之间的转化每时每刻都在进行,每时每刻都存在充电和放电现象。充电是细胞内化学能ATP转化成电势能的过程;放电是细胞膜上的电势能转化成电动能的过程。放出的生物电能储存的细胞外基质中,形成人体“阳气“。所以人体内的各种能量转换过程就是阴、阳的转换过程。通过阴与阳的转换来达到阴、阳平衡。一旦出现阴、阳失衡就会产生病理改变。
电化学驱动力和膜电导
电化学驱动力决定离子跨膜流动的方向和速度。当细胞膜受刺激而产生通透性改变时,带电离子将沿着电化学驱动力的方向发生跨膜运动,并引起膜电位的改变。当膜电位等于某离子的平衡电位时,该离子的电化学驱动力为零。因此某离子电化学驱动力等于膜电位与该离子平衡电位之差。在这里,负值表示驱动力方向指向膜内,即推动正电荷由膜外流向膜内,这一方向的离子电流称为内向电流;正值表示驱动力向外,即推动正电荷由膜内流向膜外,这一方向的离子电流称为外向电流。内向电流使膜去极化;外向电流使膜复极化或超级化。
细胞膜对某离子电导就是对该离子的通透性。例如细胞膜产生的动作电位就是由于出现迅速增加的Na+电导,钠离子在很强的内向电化学驱动力作用下,形成钠离子内向电流,使细胞膜迅速去极化,随后钠离子电导减小,钾离子电导增大使钾离子外向电流增强。离子跨膜电位的速度很快,膜电导又具有离子选择性,所以离子是通过专一性“孔道”样结构穿过细胞膜产生离子通道。膜电导变化的实质是众多离子通道开放和关闭的总和效应。也就是说,在完整细胞上记录的膜电流是许多单通道电流总和的结果。
很弱的刺激引起细胞膜产生电紧张电位,当去极化的刺激稍微增强时,引发的去极化电紧张电位激活细胞膜上一部分钠离子通道,产生钠离子内流使细胞膜进一步去极化,这部分钠离子内流很快被因去极化增强了驱动力的钾离子外流所对抗,因而不进一步发展,只能与电紧张电位叠加形成局部反应。钠离子电导或钠离子通道的开放是电压依赖性的,膜去极化程度越大,通道开放率就越大,因而,当刺激强度使细胞膜去极化达到某一临界时,钠离子内流超过钾离子外流,细胞膜就出现去极化。较强的去极化又会使更多的钠离子通道开放和形成更强的钠离子内向电流,如此形成钠离子通过激活对膜去极化的正反馈。
动作电位的产生及特点
人体内神经细胞、肌细胞及腺细胞称为活性细胞,他们有一个共同特点,在外界一定量刺激下,细胞膜可产生动作电位。细胞膜动作电位是指在静息电位的基础上,如果细胞受到一个适量刺激,细胞膜电位会发生迅速一过性变化而形成动作电位。它的特点是在一个细胞上的传播是不衰减的,其幅度和波形始终不变。引起细胞膜产生动作电位需要一定量的刺激,能引起动作电位的最小刺激称为阈电位。 电位值一般比静息电位小10~~20mv.
动作电位可以沿着细胞膜不衰减地传导至整个细胞,这是它的一个重要特点。因为只有这样才能出现可兴奋细胞一连串的可见的生命现象。例如肌肉收缩、腺体分泌及神经冲动等。如果刺激强度不够大或由于种种原因神经冲动所传达的电信号在细胞膜水平中断,电信号的指令不能通过细胞膜传达到细胞内,可兴奋细胞内部结构就不会出现一系列的变化,也就不产生我们看到的肌肉收缩、腺体分泌等现象。
在动作电位发生的部位,细胞膜外较前方或周围静息部位膜外侧的电位为负,膜内为正。由于这种电位差的存在,在动作电位的发生部位和周围临接的静息部位之间产生局部电流。这个局部电流将依据膜的被动电学性质,在动作电位前方或周围的静息部位首先形成电紧张电位,电紧张电位进一步引发去极化的局部反应,并在局部反应达到阈电位时引起动作电位产生。如此动作电位便通过局部电流沿细胞膜传导,这是在一系列电紧张电位的作用下完成。或者说,动作电位的传导是沿着细胞膜不断产生新的动作电位,因而,也称动作电位的传播,这也是它的幅度和形状在长距离传导中保持不变的原因。
所以,细胞膜的电学特性有两个:一是刺激细胞膜后,刺激强度足够大,达到阈电位水平,引起细胞膜产生动作电位,动作电位的传导到细胞内各种细胞器,引起细胞内各种结构和功能改变,出现细胞的各种功能。另一个是刺激强度没有达到阈电位水平或由于某种原因,神经冲动传导到细胞膜后,电信号在细胞膜水平中断,不能继续传递到细胞内,此时的细胞膜的电学特性向另一方向转化,即细胞膜的电容放电方向转化。所放出的生物电能传递到细胞外基质中,形成人体“阳气“。人体内各个组织器官内产生生物电的能力不同,像肝脏、肺、心脏及全身肌肉组织等实质性器官产生的生物电能多,而各种中空性器官像胃、大小肠等产生的生物电能少,产生生物电能多的组织器官必须将生物电能进行有效传递,将生物电能合理调控,才能达到人体各个组织器官的生物电能平衡。