静磁场对细胞内蛋白质影响研究进展

磁场是一种看不见、摸不着但在自然界中却是客观存在的一种特殊物质。根据磁场强度和方向是否发生变化可将磁场分为静磁场和动磁场，其中静磁场对生物系统的影响是近年来国内外部分学者的研究热点之一。在物理学中，磁场的强弱和方向常使用磁感应强度这一基本物理量来描述，磁感强度（也叫磁感应强度）可表示磁场的强弱[1]。根据磁感应强度大小可将磁场进一步细分，通常将磁感应强度低于5 μT的磁场定义为亚磁场，磁感应强度介于5 μT～1 mT的为弱磁场，磁感应强度介于1 mT～1 T的称为中强度磁场，磁感应强度高于1 T的称为强磁场[2]。静磁场对生物体的作用随磁场强度、作用时间、生物种类、组织等条件的改变呈现各异性，其机制研究也在理论、细胞、分子等多个层面开展。目前，细胞内蛋白质分子受静磁场的影响多表现在细胞膜的离子通道和细胞内的酶蛋白中。静磁场对生物系统的影响作为一个重要的研究领域，多年来受到国内外学者的广泛关注。国内外关于静磁场的生物学效应已有大量研究，证据表明静磁场对很多生物体和生物组织均存在影响。研究静磁场作用下生物有机体的响应机制，对深入了解静磁场的生物学效应具有重要意义。

1 静磁场对生物膜离子通道的影响

科学家们在对生物电产生机制的研究中观察到生物膜对离子通透性的变化。20世纪50年代，英国生物物理学家Hodgkin等人通过大量研究后提出离子通道的概念，直到70年代中叶德国细胞生理学家Bert Sakman与Erwin Nehe通过膜片钳实验在现实中发现了它的存在。通过技术证实其实质为特殊的蛋白质且常分布于细胞膜，可支配离子的膜运动，以通道结构展现[3]。离子通道的类别较多，同时具有选择特异性，相应的离子只可通过特定的离子通道。离子以自由扩散或主动运输两种方式通过离子通道。采用第一种方式不消耗代谢能量，借助浓度梯度力或膜电场力进行移动，移动的动力由离子自身的扩散力和电化学力提供。若采用第二种方式则需要消耗能量，借助离子通道上的功能性蛋白即离子泵的作用进行移动，且一般发生在逆浓度梯度状况[4]。一般情况下，只有那些形状适宜、大小一定的特定离子才能通过离子通道，这取决于其蛋白亚单位的电化学结构。因此，离子通道并非仅是不同直径的简单孔洞装置，它更是带有选择性通过功能的筛选装置。

1.1 静磁场对Na/K离子通道的影响

细胞膜是磁场与细胞相互作用的重要场所之一。Na/K离子通道是细胞膜表面的一种离子通道，又称Na/K泵、Na/K ATP酶，离子通道由细胞产生的且聚集并镶嵌在细胞膜上的特殊蛋白质组成，它们在保持动物细胞膜电位以及物质运输过程中扮演着重要角色[5]。存在于细胞膜两侧的Na+、K+等自由离子对维持细胞膜内外的浓度差和电位差，保障细胞内环境的稳定等至关重要。研究表明静磁场通常可提高该离子通道的活性。

程立君等人[6]通过应用全细胞膜片钳技术精密测量钠通道的电流情况后发现，神经细胞钠通道激活电位在不同中等强度的恒定磁场中均向超极化方向移动，磁场强度、暴露时间的改变均使得钠电流峰值随之不同程度增大。郑羽等人[7]研究显示，900 MHz磁场暴露对神经元离子通道有明显影响：①钠电流峰值增大，Na+通道激活电位及激活和失活曲线均向超极化方向移动。②同样受到抑制的还包括瞬时外向钾通道的激活过程。

Zaghloul Ahmed等人[8]通过实验发现在静磁场作用下，细胞外增加钠离子阻断剂TTX可明显提升此离子通道的活性。

Jovanova-Nesic等人[9]采用AlCl3处理大鼠大脑核区神经细胞，降低Na/K泵的活性，再用60 mT磁场处理，结果发现可增加Na/K泵的活性。Rosen[10]研究发现在增殖的GH3细胞中电压激活的Na+通道经125 mT的磁场作用后缩减。并非所有离子的运输都会受到磁场的影响。在0～2 T的静磁场中，在不同温度的静磁场的作用下，这些分子重新定向导致离子通道的变形或者嵌入，从而改变离子通道的活性。当磁场穿透细胞膜且对运动电荷产生洛伦兹力，就可能对膜内、经过通道蛋白的离子产生作用力，从而引起膜电位变化，改变细胞膜的通透性，磁场的作用形式与参数不同，对离子通道的影响也各不相同。

1.2 静磁场对Ca2+通道的影响

目前，研究大多认为，静磁场可以通过Ca2+和Ca2+信号通道产生生物学效应，静磁场强度达到一定级别即可改变细胞液中游离的Ca2+浓度。Ca2+是细胞中普遍存在的第二信使，可激发和调节细胞内的众多生理生化活动，许多复杂的活动即是由细胞内Ca2+的浓度变化而产生的。大多研究认为Ca2+和Ca2+信号通道受静磁场作用而产生生物学效应[11]。在6 mT的静磁场和凋亡因子的共同作用下，淋巴细胞、鼠胸腺细胞等的有丝分裂和凋亡增加，同时伴有细胞内的Ca2+浓度增高[12]。研究发现淋巴细胞在4.75 T的静磁场处理1 h可以导致Ca2+的流入增加，但对其增殖、激活没有影响[13]。细胞内Ca2+浓度振荡，对磁场刺激细胞的基因表达、蛋白合成等方面起关键调控作用[14]。磁场对运动电荷产生洛伦兹力，继而影响带电离子在生物膜上的渗透性，可在细胞膜及核膜上形成空洞[15]。Ca2+浓度升高可激活细胞内的DNA内切酶，细胞凋亡程序启动，最终导致细胞的凋亡[16]。根据以上研究可初步揭示静磁场对Ca2+的作用机制：细胞膜上的Ca2+通道受静磁场作用于细胞本身，且静磁场信号传递到细胞内是通过调节Ca2+浓度而实现的，进而调节细胞的功能活性。

2 静磁场对细胞内酶活性与构象的影响

酶，是由活细胞产生的具有催化活性和高度选择性的特殊有机物，其中绝大部分酶是蛋白质，就蛋白质分子的结构而言可划分为4个层级。维持蛋白质空间结构的作用力主要是次级键，这些次级键主要包括氢键、二硫键、酯键、金属键和范德华力等。研究表明，酶的活性高度依赖酶蛋白的空间结构，即使是很轻微的结构性变化也可能会极大地影响酶的活性。静磁场对酶可以产生影响，这些影响主要体现在两个方面，即酶的活性和酶的构象。

2.1 静磁场对酶活性的影响

酶活性受磁场的影响非常明显。在生物体的众多细胞内普遍存在着主要由过氧化物酶、过氧化氢酶和超氧化物歧化酶组成的保护酶系统。研究表明，保护酶系统整体的活性因静磁场作用而提高，生物体细胞内的自由基就此可保持在一个较低的水平，进而减少对生物体的危害。李青彬等[17]研究发现过氧化氢酶的活性经低强度的静磁场处理后明显提高。实验表明，酶的催化活性经0.138 T的静磁场磁化80 min可提高近1.5倍，而经0.285 T的静磁场磁化则有所降低。同时，静磁场对酶的磁效应随温度、pH值的变化而明显发生改变，测得酶的活性在温度40 ℃、pH值7.0时达到最高。张璐等[18]使用1周龄小鼠为受试对象，将其置于12 T的超强静磁场中，分别给予8、12、16 h照射，照射结束后6、12、24 h，分别检测小鼠肝脏中酶的活力及丙二醛含量的变化，结果表明超强静磁场作用于过氧化氢酶、谷胱甘肽过氧化物酶后，这些酶的活力明显提高，同样受到影响的还有丙二醛含量大幅度降低，小鼠机体处理自由基的能力增强。

不同的磁场强度、作用时间，磁化底物对大肠杆菌及胞内谷氨酸脱羧酶的影响各异[19]。同时在研究磁场对碳酸酐酶的影响中发现，碳酸酐酶活力因磁场作用而升高，在210 mT的中强度磁场处理4 h，酶活力提高17%，磁化时间再延长，磁场效应基本趋于一致。实验表明酶的磁化效应具有可逆性，磁场作用可降低酶-底物反应的活化能[20]。尹焕才等[21]以枯草芽孢杆菌为受试对象，经0.2 T的静磁场作用测定酶活力变化，结果表明实验组的碱性蛋白酶活性明显高于对照组，培养12 h后，酶活性提高至对照组的4倍。培养72 h后的差别则不明显。由此可以看出枯草芽孢杆菌的世代周期经强磁场作用后延长，菌体死亡率降低，不同种类的酶对细菌酶活性的影响各异。另有学者发现，静磁场可抑制部分细菌的酶活性。

通过以上研究可以得出，一定强度静磁场对过氧化氢酶、过氧化物酶、碳酸酐酶、碱性蛋白酶等活性有促进作用，但磁感应强度不同所表现出的生物学效应各不相同。

2.2 静磁场对酶构象的影响

研究表明，静磁场作用可对酶的构象产生显著影响。一般认为存在以下4种机制：①一些未填满电子轨道的Co、Fe、Cu等过渡族金属原子和离子是部分酶的组成成分，时常表现出顺磁性，且大多数位于酶的活性中心，经静磁场作用继而影响酶的活性。与此同时，金属离子附近主链和侧链的位置受静磁场作用发生变化再影响酶的构象。②相对较少或较弱的次级键用于维系酶活性部位的空间结构，但该能力通常较弱，通过静磁场作用，酶构象随之改变。③酶受到静磁场作用产生出组成生物大分子的共轭结构，同时引发二硫键上的自由电子跃迁。④酶分子自然构象的维持高度依赖与其结合的水分子，研究结果表明，水溶液的表面张力、黏度、电导率等物理化学性质经磁场作用后发生明显变化，水中氢键长度和强度的改变影响了水分子的结构，进而影响酶的构象。

经过不同强度的磁场，磁化时间、温度以及pH值等条件下磁化底物，固定化葡萄糖异构酶的活性增加且可高达28.6%，同时该过程具有可逆性，但将静磁场作用于固定化酶或酶-底物反应体系时，酶活性并未显著降低[22]。采用不同的反应条件，以羧甲基纤维素钠（CMC）为底物，通过静磁场作用来评价纤维素酶的活性及构象改变。磁化条件设置为温度9 ℃、pH值4.0，其活性及荧光光谱均未见明显变化；反应进行时的pH值如若发生改变，则可使酶活性高达16.4%。将酶液置于较高温度下磁化，其活性及构象变化程度各异。由此可见静磁场作用引起纤维素酶的构象发生变化，但其变化并没有一定的规律可言，仅随磁场的强度、磁化的时间和温度而改变[23]。

颜流水等[24]利用荧光光谱研究静磁场对α-淀粉酶构象的影响，α-淀粉酶在静磁场中处理30 min，活性无明显变化，而延长磁化时间至10 h后酶的活性提高，但磁场对酶反应速率的影响甚微。张军等[25]在研究磁化对过氧化氢酶的稳定性影响中使用了紫外光谱和荧光光谱技术，过氧化氢酶经静磁场磁化后构象发生改变，且明显区别于天然酶活性的提高，具有滞后性。静置一段时间，与天然酶活性下降的速率相比较为缓慢，滞后时间延长相对活性增加，酶活性随磁场强度增加表现出规律性变化。

水中的氢键在静磁场作用下发生改变，作用时间增加，水的黏度降低，而水的电导率随之增加[26]。氢键并非坚不可摧，且水分子又是强极性分子，磁场作用于水分子产生洛伦兹力，其结果有可能导致氢键解体，或是水分子集团的形状发生改变，最终改变水分子的表面张力[27]。与酶结合的水分子物理化学性质的改变激发酶构象发生改变。

从以上研究结果看出：酶活性受磁场的影响较为复杂，这可能与酶本身结构复杂及各种酶的组成差异较大有关。且不同磁场强度、磁化温度、不同介质、磁化时间对酶构象的影响各异，但可以肯定的是磁场对酶的活性有一定的影响，且与其构象变化相连。

通过对比以上的实验研究可以发现，蛋白质的构象受静磁场影响的因素较多，静磁场对蛋白质构象的影响也非常复杂。这些因素主要包括2个方面：①介质的各种性能因静磁场作用而变，由此导致蛋白质的结构发生变化。②蛋白质分子内的弱相互作用因静磁场作用而变，进而直接引起蛋白质的构象发生改变。介质的性能在很大程度上会影响蛋白质的构象，静磁场对介质性能的影响必定涉及蛋白质等大分子的构象。磁化水对酶构象的影响对此做了较为充分的说明。溶剂水的诸多物理化学性质如pH值、表面张力等经磁场作用而发生改变[27]。这些研究表明水的结构经磁化处理后发生了明显改变。处于磁场环境中水的结构变化势必引起蛋白质的构象发生改变。蛋白质构象的维持主要借助其分子内或分子间的弱相互作用来实现。因此，磁场通过对这些弱相互作用的影响进而影响蛋白质的构象。同时，磁场可能通过作用于某些具有顺磁性的过渡金属元素（如Mn、Fe、Co等）来影响部分大分子的构象，而这些微量过渡金属元素往往是这部分酶和蛋白质的活性中心，酶和蛋白质的构象改变通过磁场对这些离子的作用来实现。

3 展望

目前，有关静磁场对蛋白质影响研究的报道并不是很多，但从现有的文献报道中可以看出开展此项工作的意义，特别是磁场对大分子构象影响的研究还需进一步加强。研究静磁场对蛋白质的多种影响时应注意以下3方面问题：①磁场对细胞膜上的离子通道，主要指Na+、K+、Ca2+通道等产生作用，由此改变正常离子电流量，从而影响细胞内环境稳态，最终影响其正常生理活动。②蛋白质在磁场中的变化与其构象变化息息相关，但其构象的变化不一定会引起功能上的改变。对于蛋白质的活性部位而言，任何细小的变化都可能会影响蛋白质的功能。蛋白质活性部位的构象完整性取决于整个蛋白质分子构象的完整性，但与活性位点构象密切相关的构象变化会加剧蛋白质活性的变化。③可利用多种物理化学手段和方法研究静磁场对蛋白质的影响。光物理就是其中之一，利用该手段在方法上的多样性，如荧光探针、荧光标记、荧光猝灭、能量传递等，可得到更多的信息。除此之外，还可利用核磁共振、差示扫描量热法等技术开展相关研究，这些技术的综合运用可为我们解开更多有关大分子构象的秘密提供支撑。我们相信，通过磁场对蛋白质影响的深入研究，将会进一步推动生命科学、材料科学等领域向更深层次迈进。