靜磁場對細胞內蛋白質影響研究進展

磁場是一種看不見、摸不著但在自然界中卻是客觀存在的一種特殊物質。根據磁場強度和方向是否發生變化可將磁場分為靜磁場和動磁場，其中靜磁場對生物系統的影響是近年來國內外部分學者的研究熱點之一。在物理學中，磁場的強弱和方向常使用磁感應強度這一基本物理量來描述，磁感強度（也叫磁感應強度）可表示磁場的強弱[1]。根據磁感應強度大小可將磁場進一步細分，通常將磁感應強度低于5 μT的磁場定義為亞磁場，磁感應強度介于5 μT～1 mT的為弱磁場，磁感應強度介于1 mT～1 T的稱為中強度磁場，磁感應強度高于1 T的稱為強磁場[2]。靜磁場對生物體的作用隨磁場強度、作用時間、生物種類、組織等條件的改變呈現各異性，其機制研究也在理論、細胞、分子等多個層面開展。目前，細胞內蛋白質分子受靜磁場的影響多表現在細胞膜的離子通道和細胞內的酶蛋白中。靜磁場對生物系統的影響作為一個重要的研究領域，多年來受到國內外學者的廣泛關注。國內外關于靜磁場的生物學效應已有大量研究，證據表明靜磁場對很多生物體和生物組織均存在影響。研究靜磁場作用下生物有機體的響應機制，對深入了解靜磁場的生物學效應具有重要意義。

1 靜磁場對生物膜離子通道的影響

科學家們在對生物電產生機制的研究中觀察到生物膜對離子通透性的變化。20世紀50年代，英國生物物理學家Hodgkin等人通過大量研究后提出離子通道的概念，直到70年代中葉德國細胞生理學家Bert Sakman與Erwin Nehe通過膜片鉗實驗在現實中發現了它的存在。通過技術證實其實質為特殊的蛋白質且常分布于細胞膜，可支配離子的膜運動，以通道結構展現[3]。離子通道的類別較多，同時具有選擇特異性，相應的離子只可通過特定的離子通道。離子以自由擴散或主動運輸兩種方式通過離子通道。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力進行移動，移動的動力由離子自身的擴散力和電化學力提供。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行移動，且一般發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離子通道，這取決于其蛋白亞單位的電化學結構。因此，離子通道并非僅是不同直徑的簡單孔洞裝置，它更是帶有選擇性通過功能的篩選裝置。

1.1 靜磁場對Na/K離子通道的影響

細胞膜是磁場與細胞相互作用的重要場所之一。Na/K離子通道是細胞膜表面的一種離子通道，又稱Na/K泵、Na/K ATP酶，離子通道由細胞產生的且聚集并鑲嵌在細胞膜上的特殊蛋白質組成，它們在保持動物細胞膜電位以及物質運輸過程中扮演著重要角色[5]。存在于細胞膜兩側的Na+、K+等自由離子對維持細胞膜內外的濃度差和電位差，保障細胞內環境的穩定等至關重要。研究表明靜磁場通常可提高該離子通道的活性。

程立君等人[6]通過應用全細胞膜片鉗技術精密測量鈉通道的電流情況后發現，神經細胞鈉通道激活電位在不同中等強度的恒定磁場中均向超極化方向移動，磁場強度、暴露時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磁場暴露對神經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。②同樣受到抑制的還包括瞬時外向鉀通道的激活過程。

Zaghloul Ahmed等人[8]通過實驗發現在靜磁場作用下，細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處理大鼠大腦核區神經細胞，降低Na/K泵的活性，再用60 mT磁場處理，結果發現可增加Na/K泵的活性。Rosen[10]研究發現在增殖的GH3細胞中電壓激活的Na+通道經125 mT的磁場作用后縮減。并非所有離子的運輸都會受到磁場的影響。在0～2 T的靜磁場中，在不同溫度的靜磁場的作用下，這些分子重新定向導致離子通道的變形或者嵌入，從而改變離子通道的活性。當磁場穿透細胞膜且對運動電荷產生洛倫茲力，就可能對膜內、經過通道蛋白的離子產生作用力，從而引起膜電位變化，改變細胞膜的通透性，磁場的作用形式與參數不同，對離子通道的影響也各不相同。

1.2 靜磁場對Ca2+通道的影響

目前，研究大多認為，靜磁場可以通過Ca2+和Ca2+信號通道產生生物學效應，靜磁場強度達到一定級別即可改變細胞液中游離的Ca2+濃度。Ca2+是細胞中普遍存在的第二信使，可激發和調節細胞內的眾多生理生化活動，許多復雜的活動即是由細胞內Ca2+的濃度變化而產生的。大多研究認為Ca2+和Ca2+信號通道受靜磁場作用而產生生物學效應[11]。在6 mT的靜磁場和凋亡因子的共同作用下，淋巴細胞、鼠胸腺細胞等的有絲分裂和凋亡增加，同時伴有細胞內的Ca2+濃度增高[12]。研究發現淋巴細胞在4.75 T的靜磁場處理1 h可以導致Ca2+的流入增加，但對其增殖、激活沒有影響[13]。細胞內Ca2+濃度振蕩，對磁場刺激細胞的基因表達、蛋白合成等方面起關鍵調控作用[14]。磁場對運動電荷產生洛倫茲力，繼而影響帶電離子在生物膜上的滲透性，可在細胞膜及核膜上形成空洞[15]。Ca2+濃度升高可激活細胞內的DNA內切酶，細胞凋亡程序啟動，最終導致細胞的凋亡[16]。根據以上研究可初步揭示靜磁場對Ca2+的作用機制：細胞膜上的Ca2+通道受靜磁場作用于細胞本身，且靜磁場信號傳遞到細胞內是通過調節Ca2+濃度而實現的，進而調節細胞的功能活性。

2 靜磁場對細胞內酶活性與構象的影響

酶，是由活細胞產生的具有催化活性和高度選擇性的特殊有機物，其中絕大部分酶是蛋白質，就蛋白質分子的結構而言可劃分為4個層級。維持蛋白質空間結構的作用力主要是次級鍵，這些次級鍵主要包括氫鍵、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構，即使是很輕微的結構性變化也可能會極大地影響酶的活性。靜磁場對酶可以產生影響，這些影響主要體現在兩個方面，即酶的活性和酶的構象。

2.1 靜磁場對酶活性的影響

酶活性受磁場的影響非常明顯。在生物體的眾多細胞內普遍存在著主要由過氧化物酶、過氧化氫酶和超氧化物歧化酶組成的保護酶系統。研究表明，保護酶系統整體的活性因靜磁場作用而提高，生物體細胞內的自由基就此可保持在一個較低的水平，進而減少對生物體的危害。李青彬等[17]研究發現過氧化氫酶的活性經低強度的靜磁場處理后明顯提高。實驗表明，酶的催化活性經0.138 T的靜磁場磁化80 min可提高近1.5倍，而經0.285 T的靜磁場磁化則有所降低。同時，靜磁場對酶的磁效應隨溫度、pH值的變化而明顯發生改變，測得酶的活性在溫度40 ℃、pH值7.0時達到最高。張璐等[18]使用1周齡小鼠為受試對象，將其置于12 T的超強靜磁場中，分別給予8、12、16 h照射，照射結束后6、12、24 h，分別檢測小鼠肝臟中酶的活力及丙二醛含量的變化，結果表明超強靜磁場作用于過氧化氫酶、谷胱甘肽過氧化物酶后，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，小鼠機體處理自由基的能力增強。

不同的磁場強度、作用時間，磁化底物對大腸桿菌及胞內谷氨酸脫羧酶的影響各異[19]。同時在研究磁場對碳酸酐酶的影響中發現，碳酸酐酶活力因磁場作用而升高，在210 mT的中強度磁場處理4 h，酶活力提高17%，磁化時間再延長，磁場效應基本趨于一致。實驗表明酶的磁化效應具有可逆性，磁場作用可降低酶-底物反應的活化能[20]。尹煥才等[21]以枯草芽孢桿菌為受試對象，經0.2 T的靜磁場作用測定酶活力變化，結果表明實驗組的堿性蛋白酶活性明顯高于對照組，培養12 h后，酶活性提高至對照組的4倍。培養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強磁場作用后延長，菌體死亡率降低，不同種類的酶對細菌酶活性的影響各異。另有學者發現，靜磁場可抑制部分細菌的酶活性。

通過以上研究可以得出，一定強度靜磁場對過氧化氫酶、過氧化物酶、碳酸酐酶、堿性蛋白酶等活性有促進作用，但磁感應強度不同所表現出的生物學效應各不相同。

2.2 靜磁場對酶構象的影響

研究表明，靜磁場作用可對酶的構象產生顯著影響。一般認為存在以下4種機制：①一些未填滿電子軌道的Co、Fe、Cu等過渡族金屬原子和離子是部分酶的組成成分，時常表現出順磁性，且大多數位于酶的活性中心，經靜磁場作用繼而影響酶的活性。與此同時，金屬離子附近主鏈和側鏈的位置受靜磁場作用發生變化再影響酶的構象。②相對較少或較弱的次級鍵用于維系酶活性部位的空間結構，但該能力通常較弱，通過靜磁場作用，酶構象隨之改變。③酶受到靜磁場作用產生出組成生物大分子的共軛結構，同時引發二硫鍵上的自由電子躍遷。④酶分子自然構象的維持高度依賴與其結合的水分子，研究結果表明，水溶液的表面張力、黏度、電導率等物理化學性質經磁場作用后發生明顯變化，水中氫鍵長度和強度的改變影響了水分子的結構，進而影響酶的構象。

經過不同強度的磁場，磁化時間、溫度以及pH值等條件下磁化底物，固定化葡萄糖異構酶的活性增加且可高達28.6%，同時該過程具有可逆性，但將靜磁場作用于固定化酶或酶-底物反應體系時，酶活性并未顯著降低[22]。采用不同的反應條件，以羧甲基纖維素鈉（CMC）為底物，通過靜磁場作用來評價纖維素酶的活性及構象改變。磁化條件設置為溫度9 ℃、pH值4.0，其活性及熒光光譜均未見明顯變化；反應進行時的pH值如若發生改變，則可使酶活性高達16.4%。將酶液置于較高溫度下磁化，其活性及構象變化程度各異。由此可見靜磁場作用引起纖維素酶的構象發生變化，但其變化并沒有一定的規律可言，僅隨磁場的強度、磁化的時間和溫度而改變[23]。

顏流水等[24]利用熒光光譜研究靜磁場對α-淀粉酶構象的影響，α-淀粉酶在靜磁場中處理30 min，活性無明顯變化，而延長磁化時間至10 h后酶的活性提高，但磁場對酶反應速率的影響甚微。張軍等[25]在研究磁化對過氧化氫酶的穩定性影響中使用了紫外光譜和熒光光譜技術，過氧化氫酶經靜磁場磁化后構象發生改變，且明顯區別于天然酶活性的提高，具有滯后性。靜置一段時間，與天然酶活性下降的速率相比較為緩慢，滯后時間延長相對活性增加，酶活性隨磁場強度增加表現出規律性變化。

水中的氫鍵在靜磁場作用下發生改變，作用時間增加，水的黏度降低，而水的電導率隨之增加[26]。氫鍵并非堅不可摧，且水分子又是強極性分子，磁場作用于水分子產生洛倫茲力，其結果有可能導致氫鍵解體，或是水分子集團的形狀發生改變，最終改變水分子的表面張力[27]。與酶結合的水分子物理化學性質的改變激發酶構象發生改變。

從以上研究結果看出：酶活性受磁場的影響較為復雜，這可能與酶本身結構復雜及各種酶的組成差異較大有關。且不同磁場強度、磁化溫度、不同介質、磁化時間對酶構象的影響各異，但可以肯定的是磁場對酶的活性有一定的影響，且與其構象變化相連。

通過對比以上的實驗研究可以發現，蛋白質的構象受靜磁場影響的因素較多，靜磁場對蛋白質構象的影響也非常復雜。這些因素主要包括2個方面：①介質的各種性能因靜磁場作用而變，由此導致蛋白質的結構發生變化。②蛋白質分子內的弱相互作用因靜磁場作用而變，進而直接引起蛋白質的構象發生改變。介質的性能在很大程度上會影響蛋白質的構象，靜磁場對介質性能的影響必定涉及蛋白質等大分子的構象。磁化水對酶構象的影響對此做了較為充分的說明。溶劑水的諸多物理化學性質如pH值、表面張力等經磁場作用而發生改變[27]。這些研究表明水的結構經磁化處理后發生了明顯改變。處于磁場環境中水的結構變化勢必引起蛋白質的構象發生改變。蛋白質構象的維持主要借助其分子內或分子間的弱相互作用來實現。因此，磁場通過對這些弱相互作用的影響進而影響蛋白質的構象。同時，磁場可能通過作用于某些具有順磁性的過渡金屬元素（如Mn、Fe、Co等）來影響部分大分子的構象，而這些微量過渡金屬元素往往是這部分酶和蛋白質的活性中心，酶和蛋白質的構象改變通過磁場對這些離子的作用來實現。

3 展望

目前，有關靜磁場對蛋白質影響研究的報道并不是很多，但從現有的文獻報道中可以看出開展此項工作的意義，特別是磁場對大分子構象影響的研究還需進一步加強。研究靜磁場對蛋白質的多種影響時應注意以下3方面問題：①磁場對細胞膜上的離子通道，主要指Na+、K+、Ca2+通道等產生作用，由此改變正常離子電流量，從而影響細胞內環境穩態，最終影響其正常生理活動。②蛋白質在磁場中的變化與其構象變化息息相關，但其構象的變化不一定會引起功能上的改變。對于蛋白質的活性部位而言，任何細小的變化都可能會影響蛋白質的功能。蛋白質活性部位的構象完整性取決于整個蛋白質分子構象的完整性，但與活性位點構象密切相關的構象變化會加劇蛋白質活性的變化。③可利用多種物理化學手段和方法研究靜磁場對蛋白質的影響。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開展相關研究，這些技術的綜合運用可為我們解開更多有關大分子構象的秘密提供支撐。我們相信，通過磁場對蛋白質影響的深入研究，將會進一步推動生命科學、材料科學等領域向更深層次邁進。