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(zhì)。根據(jù)磁場強度和方向是否發(fā)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(tǒng)的影響是近年來國內(nèi)外部分學(xué)者的研究熱點之一。在物理學(xué)中，磁場的強弱和方向常使用磁感應(yīng)強度這一基本物理量來描述，磁感強度（也叫磁感應(yīng)強度）可表示磁場的強弱[1]。根據(jù)磁感應(yīng)強度大小可將磁場進一步細(xì)分，通常將磁感應(yīng)強度低于5 μT的磁場定義為亞磁場，磁感應(yīng)強度介于5 μT～1 mT的為弱磁場，磁感應(yīng)強度介于1 mT～1 T的稱為中強度磁場，磁感應(yīng)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(xiàn)各異性，其機制研究也在理論、細(xì)胞、分子等多個層面開展。目前，細(xì)胞內(nèi)蛋白質(zhì)分子受靜磁場的影響多表現(xiàn)在細(xì)胞膜的離子通道和細(xì)胞內(nèi)的酶蛋白中。靜磁場對生物系統(tǒng)的影響作為一個重要的研究領(lǐng)域，多年來受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外關(guān)于靜磁場的生物學(xué)效應(yīng)已有大量研究，證據(jù)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(yīng)機制，對深入了解靜磁場的生物學(xué)效應(yīng)具有重要意義。

1 靜磁場對生物膜離子通道的影響

科學(xué)家們在對生物電產(chǎn)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(jì)50年代，英國生物物理學(xué)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(xì)胞生理學(xué)家Bert Sakman與Erwin Nehe通過膜片鉗實驗在現(xiàn)實中發(fā)現(xiàn)了它的存在。通過技術(shù)證實其實質(zhì)為特殊的蛋白質(zhì)且常分布于細(xì)胞膜，可支配離子的膜運動，以通道結(jié)構(gòu)展現(xiàn)[3]。離子通道的類別較多，同時具有選擇特異性，相應(yīng)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(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行移動，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(xì)胞膜是磁場與細(xì)胞相互作用的重要場所之一。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，它們在保持動物細(xì)胞膜電位以及物質(zhì)運輸過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。研究表明靜磁場通?？商岣咴撾x子通道的活性。

程立君等人[6]通過應(yīng)用全細(xì)胞膜片鉗技術(shù)精密測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(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。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(fā)現(xiàn)在靜磁場作用下，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?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)磁場穿透細(xì)胞膜且對運動電荷產(chǎn)生洛倫茲力，就可能對膜內(nèi)、經(jīng)過通道蛋白的離子產(chǎn)生作用力，從而引起膜電位變化，改變細(xì)胞膜的通透性，磁場的作用形式與參數(shù)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(rèn)為，靜磁場可以通過Ca2+和Ca2+信號通道產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)，靜磁場強度達(dá)到一定級別即可改變細(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，許多復(fù)雜的活動即是由細(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+信號通道受靜磁場作用而產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)[11]。在6 mT的靜磁場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的靜磁場處理1 h可以導(dǎo)致Ca2+的流入增加，但對其增殖、激活沒有影響[13]。細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度振蕩，對磁場刺激細(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]。磁場對運動電荷產(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，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對Ca2+的作用機制：細(xì)胞膜上的Ca2+通道受靜磁場作用于細(xì)胞本身，且靜磁場信號傳遞到細(xì)胞內(nèi)是通過調(diào)節(jié)Ca2+濃度而實現(xiàn)的，進而調(diào)節(jié)細(xì)胞的功能活性。

2 靜磁場對細(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個層級。維持蛋白質(zhì)空間結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，即使是很輕微的結(jié)構(gòu)性變化也可能會極大地影響酶的活性。靜磁場對酶可以產(chǎn)生影響，這些影響主要體現(xiàn)在兩個方面，即酶的活性和酶的構(gòu)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(xì)胞內(nèi)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(tǒng)。研究表明，保護酶系統(tǒng)整體的活性因靜磁場作用而提高，生物體細(xì)胞內(nèi)的自由基就此可保持在一個較低的水平，進而減少對生物體的危害。李青彬等[17]研究發(fā)現(xiàn)過氧化氫酶的活性經(jīng)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(jīng)0.138 T的靜磁場磁化80 min可提高近1.5倍，而經(jīng)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(yīng)隨溫度、pH值的變化而明顯發(fā)生改變，測得酶的活性在溫度40 ℃、pH值7.0時達(dá)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(jié)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(jié)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(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(yīng)基本趨于一致。實驗表明酶的磁化效應(yīng)具有可逆性，磁場作用可降低酶-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象，經(jīng)0.2 T的靜磁場作用測定酶活力變化，結(jié)果表明實驗組的堿性蛋白酶活性明顯高于對照組，培養(yǎng)12 h后，酶活性提高至對照組的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)強磁場作用后延長，菌體死亡率降低，不同種類的酶對細(xì)菌酶活性的影響各異。另有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，靜磁場可抑制部分細(xì)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(yīng)強度不同所表現(xiàn)出的生物學(xué)效應(yīng)各不相同。

2.2 靜磁場對酶構(gòu)象的影響

研究表明，靜磁場作用可對酶的構(gòu)象產(chǎn)生顯著影響。一般認(rèn)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(xiàn)出順磁性，且大多數(shù)位于酶的活性中心，經(jīng)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(cè)鏈的位置受靜磁場作用發(fā)生變化再影響酶的構(gòu)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(jié)構(gòu)，但該能力通常較弱，通過靜磁場作用，酶構(gòu)象隨之改變。③酶受到靜磁場作用產(chǎn)生出組成生物大分子的共軛結(jié)構(gòu)，同時引發(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)磁場作用后發(fā)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(jié)構(gòu)，進而影響酶的構(gòu)象。

經(jīng)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(gòu)酶的活性增加且可高達(dá)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(yīng)體系時，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，通過靜磁場作用來評價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明顯變化；反應(yīng)進行時的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。由此可見靜磁場作用引起纖維素酶的構(gòu)象發(fā)生變化，但其變化并沒有一定的規(guī)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(gòu)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(yīng)速率的影響甚微。張軍等[25]在研究磁化對過氧化氫酶的穩(wěn)定性影響中使用了紫外光譜和熒光光譜技術(shù)，過氧化氫酶經(jīng)靜磁場磁化后構(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(xiàn)出規(guī)律性變化。

水中的氫鍵在靜磁場作用下發(fā)生改變，作用時間增加，水的黏度降低，而水的電導(dǎo)率隨之增加[26]。氫鍵并非堅不可摧，且水分子又是強極性分子，磁場作用于水分子產(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)。且不同磁場強度、磁化溫度、不同介質(zhì)、磁化時間對酶構(gòu)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(gòu)象變化相連。

通過對比以上的實驗研究可以發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)的構(gòu)象受靜磁場影響的因素較多，靜磁場對蛋白質(zhì)構(gòu)象的影響也非常復(fù)雜。這些因素主要包括2個方面：①介質(zhì)的各種性能因靜磁場作用而變，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作用而變，進而直接引起蛋白質(zhì)的構(gòu)象發(fā)生改變。介質(zhì)的性能在很大程度上會影響蛋白質(zhì)的構(gòu)象，靜磁場對介質(zhì)性能的影響必定涉及蛋白質(zhì)等大分子的構(gòu)象。磁化水對酶構(gòu)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(xué)性質(zhì)如pH值、表面張力等經(jīng)磁場作用而發(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。處于磁場環(huán)境中水的結(jié)構(gòu)變化勢必引起蛋白質(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實現(xiàn)。因此，磁場通過對這些弱相互作用的影響進而影響蛋白質(zhì)的構(gòu)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(gòu)象，而這些微量過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)象改變通過磁場對這些離子的作用來實現(xiàn)。

3 展望

目前，有關(guān)靜磁場對蛋白質(zhì)影響研究的報道并不是很多，但從現(xiàn)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(gòu)象影響的研究還需進一步加強。研究靜磁場對蛋白質(zhì)的多種影響時應(yīng)注意以下3方面問題：①磁場對細(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。②蛋白質(zhì)在磁場中的變化與其構(gòu)象變化息息相關(guān)，但其構(gòu)象的變化不一定會引起功能上的改變。對于蛋白質(zhì)的活性部位而言，任何細(xì)小的變化都可能會影響蛋白質(zhì)的功能。蛋白質(zhì)活性部位的構(gòu)象完整性取決于整個蛋白質(zhì)分子構(gòu)象的完整性，但與活性位點構(gòu)象密切相關(guān)的構(gòu)象變化會加劇蛋白質(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對蛋白質(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)開展相關(guān)研究，這些技術(shù)的綜合運用可為我們解開更多有關(guān)大分子構(gòu)象的秘密提供支撐。我們相信，通過磁場對蛋白質(zhì)影響的深入研究，將會進一步推動生命科學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域向更深層次邁進。