靜磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)影響研究進(jìn)展

磁場(chǎng)是一種看不見(jiàn)、摸不著但在自然界中卻是客觀存在的一種特殊物質(zhì)。根據(jù)磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向是否發(fā)生變化可將磁場(chǎng)分為靜磁場(chǎng)和動(dòng)磁場(chǎng)，其中靜磁場(chǎng)對(duì)生物系統(tǒng)的影響是近年來(lái)國(guó)內(nèi)外部分學(xué)者的研究熱點(diǎn)之一。在物理學(xué)中，磁場(chǎng)的強(qiáng)弱和方向常使用磁感應(yīng)強(qiáng)度這一基本物理量來(lái)描述，磁感強(qiáng)度（也叫磁感應(yīng)強(qiáng)度）可表示磁場(chǎng)的強(qiáng)弱[1]。根據(jù)磁感應(yīng)強(qiáng)度大小可將磁場(chǎng)進(jìn)一步細(xì)分，通常將磁感應(yīng)強(qiáng)度低于5 μT的磁場(chǎng)定義為亞磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度介于5 μT～1 mT的為弱磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度介于1 mT～1 T的稱為中強(qiáng)度磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度高于1 T的稱為強(qiáng)磁場(chǎng)[2]。靜磁場(chǎng)對(duì)生物體的作用隨磁場(chǎng)強(qiáng)度、作用時(shí)間、生物種類、組織等條件的改變呈現(xiàn)各異性，其機(jī)制研究也在理論、細(xì)胞、分子等多個(gè)層面開(kāi)展。目前，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子受靜磁場(chǎng)的影響多表現(xiàn)在細(xì)胞膜的離子通道和細(xì)胞內(nèi)的酶蛋白中。靜磁場(chǎng)對(duì)生物系統(tǒng)的影響作為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域，多年來(lái)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國(guó)內(nèi)外關(guān)于靜磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)已有大量研究，證據(jù)表明靜磁場(chǎng)對(duì)很多生物體和生物組織均存在影響。研究靜磁場(chǎng)作用下生物有機(jī)體的響應(yīng)機(jī)制，對(duì)深入了解靜磁場(chǎng)的生物學(xué)效應(yīng)具有重要意義。

1 靜磁場(chǎng)對(duì)生物膜離子通道的影響

科學(xué)家們?cè)趯?duì)生物電產(chǎn)生機(jī)制的研究中觀察到生物膜對(duì)離子通透性的變化。20世紀(jì)50年代，英國(guó)生物物理學(xué)家Hodgkin等人通過(guò)大量研究后提出離子通道的概念，直到70年代中葉德國(guó)細(xì)胞生理學(xué)家Bert Sakman與Erwin Nehe通過(guò)膜片鉗實(shí)驗(yàn)在現(xiàn)實(shí)中發(fā)現(xiàn)了它的存在。通過(guò)技術(shù)證實(shí)其實(shí)質(zhì)為特殊的蛋白質(zhì)且常分布于細(xì)胞膜，可支配離子的膜運(yùn)動(dòng)，以通道結(jié)構(gòu)展現(xiàn)[3]。離子通道的類別較多，同時(shí)具有選擇特異性，相應(yīng)的離子只可通過(guò)特定的離子通道。離子以自由擴(kuò)散或主動(dòng)運(yùn)輸兩種方式通過(guò)離子通道。采用第一種方式不消耗代謝能量，借助濃度梯度力或膜電場(chǎng)力進(jìn)行移動(dòng)，移動(dòng)的動(dòng)力由離子自身的擴(kuò)散力和電化學(xué)力提供。若采用第二種方式則需要消耗能量，借助離子通道上的功能性蛋白即離子泵的作用進(jìn)行移動(dòng)，且一般發(fā)生在逆濃度梯度狀況[4]。一般情況下，只有那些形狀適宜、大小一定的特定離子才能通過(guò)離子通道，這取決于其蛋白亞單位的電化學(xué)結(jié)構(gòu)。因此，離子通道并非僅是不同直徑的簡(jiǎn)單孔洞裝置，它更是帶有選擇性通過(guò)功能的篩選裝置。

1.1 靜磁場(chǎng)對(duì)Na/K離子通道的影響

細(xì)胞膜是磁場(chǎng)與細(xì)胞相互作用的重要場(chǎng)所之一。Na/K離子通道是細(xì)胞膜表面的一種離子通道，又稱Na/K泵、Na/K ATP酶，離子通道由細(xì)胞產(chǎn)生的且聚集并鑲嵌在細(xì)胞膜上的特殊蛋白質(zhì)組成，它們?cè)诒３謩?dòng)物細(xì)胞膜電位以及物質(zhì)運(yùn)輸過(guò)程中扮演著重要角色[5]。存在于細(xì)胞膜兩側(cè)的Na+、K+等自由離子對(duì)維持細(xì)胞膜內(nèi)外的濃度差和電位差，保障細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的穩(wěn)定等至關(guān)重要。研究表明靜磁場(chǎng)通?？商岣咴撾x子通道的活性。

程立君等人[6]通過(guò)應(yīng)用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)精密測(cè)量鈉通道的電流情況后發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)細(xì)胞鈉通道激活電位在不同中等強(qiáng)度的恒定磁場(chǎng)中均向超極化方向移動(dòng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度、暴露時(shí)間的改變均使得鈉電流峰值隨之不同程度增大。鄭羽等人[7]研究顯示，900 MHz磁場(chǎng)暴露對(duì)神經(jīng)元離子通道有明顯影響：①鈉電流峰值增大，Na+通道激活電位及激活和失活曲線均向超極化方向移動(dòng)。②同樣受到抑制的還包括瞬時(shí)外向鉀通道的激活過(guò)程。

Zaghloul Ahmed等人[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在靜磁場(chǎng)作用下，細(xì)胞外增加鈉離子阻斷劑TTX可明顯提升此離子通道的活性。

Jovanova-Nesic等人[9]采用AlCl3處理大鼠大腦核區(qū)神經(jīng)細(xì)胞，降低Na/K泵的活性，再用60 mT磁場(chǎng)處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)可增加Na/K泵的活性。Rosen[10]研究發(fā)現(xiàn)在增殖的GH3細(xì)胞中電壓激活的Na+通道經(jīng)125 mT的磁場(chǎng)作用后縮減。并非所有離子的運(yùn)輸都會(huì)受到磁場(chǎng)的影響。在0～2 T的靜磁場(chǎng)中，在不同溫度的靜磁場(chǎng)的作用下，這些分子重新定向?qū)е码x子通道的變形或者嵌入，從而改變離子通道的活性。當(dāng)磁場(chǎng)穿透細(xì)胞膜且對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生洛倫茲力，就可能對(duì)膜內(nèi)、經(jīng)過(guò)通道蛋白的離子產(chǎn)生作用力，從而引起膜電位變化，改變細(xì)胞膜的通透性，磁場(chǎng)的作用形式與參數(shù)不同，對(duì)離子通道的影響也各不相同。

1.2 靜磁場(chǎng)對(duì)Ca2+通道的影響

目前，研究大多認(rèn)為，靜磁場(chǎng)可以通過(guò)Ca2+和Ca2+信號(hào)通道產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)，靜磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定級(jí)別即可改變細(xì)胞液中游離的Ca2+濃度。Ca2+是細(xì)胞中普遍存在的第二信使，可激發(fā)和調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)的眾多生理生化活動(dòng)，許多復(fù)雜的活動(dòng)即是由細(xì)胞內(nèi)Ca2+的濃度變化而產(chǎn)生的。大多研究認(rèn)為Ca2+和Ca2+信號(hào)通道受靜磁場(chǎng)作用而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)[11]。在6 mT的靜磁場(chǎng)和凋亡因子的共同作用下，淋巴細(xì)胞、鼠胸腺細(xì)胞等的有絲分裂和凋亡增加，同時(shí)伴有細(xì)胞內(nèi)的Ca2+濃度增高[12]。研究發(fā)現(xiàn)淋巴細(xì)胞在4.75 T的靜磁場(chǎng)處理1 h可以導(dǎo)致Ca2+的流入增加，但對(duì)其增殖、激活沒(méi)有影響[13]。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度振蕩，對(duì)磁場(chǎng)刺激細(xì)胞的基因表達(dá)、蛋白合成等方面起關(guān)鍵調(diào)控作用[14]。磁場(chǎng)對(duì)運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生洛倫茲力，繼而影響帶電離子在生物膜上的滲透性，可在細(xì)胞膜及核膜上形成空洞[15]。Ca2+濃度升高可激活細(xì)胞內(nèi)的DNA內(nèi)切酶，細(xì)胞凋亡程序啟動(dòng)，最終導(dǎo)致細(xì)胞的凋亡[16]。根據(jù)以上研究可初步揭示靜磁場(chǎng)對(duì)Ca2+的作用機(jī)制：細(xì)胞膜上的Ca2+通道受靜磁場(chǎng)作用于細(xì)胞本身，且靜磁場(chǎng)信號(hào)傳遞到細(xì)胞內(nèi)是通過(guò)調(diào)節(jié)Ca2+濃度而實(shí)現(xiàn)的，進(jìn)而調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能活性。

2 靜磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞內(nèi)酶活性與構(gòu)象的影響

酶，是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化活性和高度選擇性的特殊有機(jī)物，其中絕大部分酶是蛋白質(zhì)，就蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)而言可劃分為4個(gè)層級(jí)。維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)的作用力主要是次級(jí)鍵，這些次級(jí)鍵主要包括氫鍵、二硫鍵、酯鍵、金屬鍵和范德華力等。研究表明，酶的活性高度依賴酶蛋白的空間結(jié)構(gòu)，即使是很輕微的結(jié)構(gòu)性變化也可能會(huì)極大地影響酶的活性。靜磁場(chǎng)對(duì)酶可以產(chǎn)生影響，這些影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，即酶的活性和酶的構(gòu)象。

2.1 靜磁場(chǎng)對(duì)酶活性的影響

酶活性受磁場(chǎng)的影響非常明顯。在生物體的眾多細(xì)胞內(nèi)普遍存在著主要由過(guò)氧化物酶、過(guò)氧化氫酶和超氧化物歧化酶組成的保護(hù)酶系統(tǒng)。研究表明，保護(hù)酶系統(tǒng)整體的活性因靜磁場(chǎng)作用而提高，生物體細(xì)胞內(nèi)的自由基就此可保持在一個(gè)較低的水平，進(jìn)而減少對(duì)生物體的危害。李青彬等[17]研究發(fā)現(xiàn)過(guò)氧化氫酶的活性經(jīng)低強(qiáng)度的靜磁場(chǎng)處理后明顯提高。實(shí)驗(yàn)表明，酶的催化活性經(jīng)0.138 T的靜磁場(chǎng)磁化80 min可提高近1.5倍，而經(jīng)0.285 T的靜磁場(chǎng)磁化則有所降低。同時(shí)，靜磁場(chǎng)對(duì)酶的磁效應(yīng)隨溫度、pH值的變化而明顯發(fā)生改變，測(cè)得酶的活性在溫度40 ℃、pH值7.0時(shí)達(dá)到最高。張璐等[18]使用1周齡小鼠為受試對(duì)象，將其置于12 T的超強(qiáng)靜磁場(chǎng)中，分別給予8、12、16 h照射，照射結(jié)束后6、12、24 h，分別檢測(cè)小鼠肝臟中酶的活力及丙二醛含量的變化，結(jié)果表明超強(qiáng)靜磁場(chǎng)作用于過(guò)氧化氫酶、谷胱甘肽過(guò)氧化物酶后，這些酶的活力明顯提高，同樣受到影響的還有丙二醛含量大幅度降低，小鼠機(jī)體處理自由基的能力增強(qiáng)。

不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度、作用時(shí)間，磁化底物對(duì)大腸桿菌及胞內(nèi)谷氨酸脫羧酶的影響各異[19]。同時(shí)在研究磁場(chǎng)對(duì)碳酸酐酶的影響中發(fā)現(xiàn)，碳酸酐酶活力因磁場(chǎng)作用而升高，在210 mT的中強(qiáng)度磁場(chǎng)處理4 h，酶活力提高17%，磁化時(shí)間再延長(zhǎng)，磁場(chǎng)效應(yīng)基本趨于一致。實(shí)驗(yàn)表明酶的磁化效應(yīng)具有可逆性，磁場(chǎng)作用可降低酶-底物反應(yīng)的活化能[20]。尹煥才等[21]以枯草芽孢桿菌為受試對(duì)象，經(jīng)0.2 T的靜磁場(chǎng)作用測(cè)定酶活力變化，結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)組的堿性蛋白酶活性明顯高于對(duì)照組，培養(yǎng)12 h后，酶活性提高至對(duì)照組的4倍。培養(yǎng)72 h后的差別則不明顯。由此可以看出枯草芽孢桿菌的世代周期經(jīng)強(qiáng)磁場(chǎng)作用后延長(zhǎng)，菌體死亡率降低，不同種類的酶對(duì)細(xì)菌酶活性的影響各異。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，靜磁場(chǎng)可抑制部分細(xì)菌的酶活性。

通過(guò)以上研究可以得出，一定強(qiáng)度靜磁場(chǎng)對(duì)過(guò)氧化氫酶、過(guò)氧化物酶、碳酸酐酶、堿性蛋白酶等活性有促進(jìn)作用，但磁感應(yīng)強(qiáng)度不同所表現(xiàn)出的生物學(xué)效應(yīng)各不相同。

2.2 靜磁場(chǎng)對(duì)酶構(gòu)象的影響

研究表明，靜磁場(chǎng)作用可對(duì)酶的構(gòu)象產(chǎn)生顯著影響。一般認(rèn)為存在以下4種機(jī)制：①一些未填滿電子軌道的Co、Fe、Cu等過(guò)渡族金屬原子和離子是部分酶的組成成分，時(shí)常表現(xiàn)出順磁性，且大多數(shù)位于酶的活性中心，經(jīng)靜磁場(chǎng)作用繼而影響酶的活性。與此同時(shí)，金屬離子附近主鏈和側(cè)鏈的位置受靜磁場(chǎng)作用發(fā)生變化再影響酶的構(gòu)象。②相對(duì)較少或較弱的次級(jí)鍵用于維系酶活性部位的空間結(jié)構(gòu)，但該能力通常較弱，通過(guò)靜磁場(chǎng)作用，酶構(gòu)象隨之改變。③酶受到靜磁場(chǎng)作用產(chǎn)生出組成生物大分子的共軛結(jié)構(gòu)，同時(shí)引發(fā)二硫鍵上的自由電子躍遷。④酶分子自然構(gòu)象的維持高度依賴與其結(jié)合的水分子，研究結(jié)果表明，水溶液的表面張力、黏度、電導(dǎo)率等物理化學(xué)性質(zhì)經(jīng)磁場(chǎng)作用后發(fā)生明顯變化，水中氫鍵長(zhǎng)度和強(qiáng)度的改變影響了水分子的結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響酶的構(gòu)象。

經(jīng)過(guò)不同強(qiáng)度的磁場(chǎng)，磁化時(shí)間、溫度以及pH值等條件下磁化底物，固定化葡萄糖異構(gòu)酶的活性增加且可高達(dá)28.6%，同時(shí)該過(guò)程具有可逆性，但將靜磁場(chǎng)作用于固定化酶或酶-底物反應(yīng)體系時(shí)，酶活性并未顯著降低[22]。采用不同的反應(yīng)條件，以羧甲基纖維素鈉（CMC）為底物，通過(guò)靜磁場(chǎng)作用來(lái)評(píng)價(jià)纖維素酶的活性及構(gòu)象改變。磁化條件設(shè)置為溫度9 ℃、pH值4.0，其活性及熒光光譜均未見(jiàn)明顯變化；反應(yīng)進(jìn)行時(shí)的pH值如若發(fā)生改變，則可使酶活性高達(dá)16.4%。將酶液置于較高溫度下磁化，其活性及構(gòu)象變化程度各異。由此可見(jiàn)靜磁場(chǎng)作用引起纖維素酶的構(gòu)象發(fā)生變化，但其變化并沒(méi)有一定的規(guī)律可言，僅隨磁場(chǎng)的強(qiáng)度、磁化的時(shí)間和溫度而改變[23]。

顏流水等[24]利用熒光光譜研究靜磁場(chǎng)對(duì)α-淀粉酶構(gòu)象的影響，α-淀粉酶在靜磁場(chǎng)中處理30 min，活性無(wú)明顯變化，而延長(zhǎng)磁化時(shí)間至10 h后酶的活性提高，但磁場(chǎng)對(duì)酶反應(yīng)速率的影響甚微。張軍等[25]在研究磁化對(duì)過(guò)氧化氫酶的穩(wěn)定性影響中使用了紫外光譜和熒光光譜技術(shù)，過(guò)氧化氫酶經(jīng)靜磁場(chǎng)磁化后構(gòu)象發(fā)生改變，且明顯區(qū)別于天然酶活性的提高，具有滯后性。靜置一段時(shí)間，與天然酶活性下降的速率相比較為緩慢，滯后時(shí)間延長(zhǎng)相對(duì)活性增加，酶活性隨磁場(chǎng)強(qiáng)度增加表現(xiàn)出規(guī)律性變化。

水中的氫鍵在靜磁場(chǎng)作用下發(fā)生改變，作用時(shí)間增加，水的黏度降低，而水的電導(dǎo)率隨之增加[26]。氫鍵并非堅(jiān)不可摧，且水分子又是強(qiáng)極性分子，磁場(chǎng)作用于水分子產(chǎn)生洛倫茲力，其結(jié)果有可能導(dǎo)致氫鍵解體，或是水分子集團(tuán)的形狀發(fā)生改變，最終改變水分子的表面張力[27]。與酶結(jié)合的水分子物理化學(xué)性質(zhì)的改變激發(fā)酶構(gòu)象發(fā)生改變。

從以上研究結(jié)果看出：酶活性受磁場(chǎng)的影響較為復(fù)雜，這可能與酶本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜及各種酶的組成差異較大有關(guān)。且不同磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁化溫度、不同介質(zhì)、磁化時(shí)間對(duì)酶構(gòu)象的影響各異，但可以肯定的是磁場(chǎng)對(duì)酶的活性有一定的影響，且與其構(gòu)象變化相連。

通過(guò)對(duì)比以上的實(shí)驗(yàn)研究可以發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的構(gòu)象受靜磁場(chǎng)影響的因素較多，靜磁場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響也非常復(fù)雜。這些因素主要包括2個(gè)方面：①介質(zhì)的各種性能因靜磁場(chǎng)作用而變，由此導(dǎo)致蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。②蛋白質(zhì)分子內(nèi)的弱相互作用因靜磁場(chǎng)作用而變，進(jìn)而直接引起蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變。介質(zhì)的性能在很大程度上會(huì)影響蛋白質(zhì)的構(gòu)象，靜磁場(chǎng)對(duì)介質(zhì)性能的影響必定涉及蛋白質(zhì)等大分子的構(gòu)象。磁化水對(duì)酶構(gòu)象的影響對(duì)此做了較為充分的說(shuō)明。溶劑水的諸多物理化學(xué)性質(zhì)如pH值、表面張力等經(jīng)磁場(chǎng)作用而發(fā)生改變[27]。這些研究表明水的結(jié)構(gòu)經(jīng)磁化處理后發(fā)生了明顯改變。處于磁場(chǎng)環(huán)境中水的結(jié)構(gòu)變化勢(shì)必引起蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變。蛋白質(zhì)構(gòu)象的維持主要借助其分子內(nèi)或分子間的弱相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，磁場(chǎng)通過(guò)對(duì)這些弱相互作用的影響進(jìn)而影響蛋白質(zhì)的構(gòu)象。同時(shí)，磁場(chǎng)可能通過(guò)作用于某些具有順磁性的過(guò)渡金屬元素（如Mn、Fe、Co等）來(lái)影響部分大分子的構(gòu)象，而這些微量過(guò)渡金屬元素往往是這部分酶和蛋白質(zhì)的活性中心，酶和蛋白質(zhì)的構(gòu)象改變通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)這些離子的作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 展望

目前，有關(guān)靜磁場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)影響研究的報(bào)道并不是很多，但從現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道中可以看出開(kāi)展此項(xiàng)工作的意義，特別是磁場(chǎng)對(duì)大分子構(gòu)象影響的研究還需進(jìn)一步加強(qiáng)。研究靜磁場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)的多種影響時(shí)應(yīng)注意以下3方面問(wèn)題：①磁場(chǎng)對(duì)細(xì)胞膜上的離子通道，主要指Na+、K+、Ca2+通道等產(chǎn)生作用，由此改變正常離子電流量，從而影響細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，最終影響其正常生理活動(dòng)。②蛋白質(zhì)在磁場(chǎng)中的變化與其構(gòu)象變化息息相關(guān)，但其構(gòu)象的變化不一定會(huì)引起功能上的改變。對(duì)于蛋白質(zhì)的活性部位而言，任何細(xì)小的變化都可能會(huì)影響蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)活性部位的構(gòu)象完整性取決于整個(gè)蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的完整性，但與活性位點(diǎn)構(gòu)象密切相關(guān)的構(gòu)象變化會(huì)加劇蛋白質(zhì)活性的變化。③可利用多種物理化學(xué)手段和方法研究靜磁場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)的影響。光物理就是其中之一，利用該手段在方法上的多樣性，如熒光探針、熒光標(biāo)記、熒光猝滅、能量傳遞等，可得到更多的信息。除此之外，還可利用核磁共振、差示掃描量熱法等技術(shù)開(kāi)展相關(guān)研究，這些技術(shù)的綜合運(yùn)用可為我們解開(kāi)更多有關(guān)大分子構(gòu)象的秘密提供支撐。我們相信，通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)蛋白質(zhì)影響的深入研究，將會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域向更深層次邁進(jìn)。