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1、环境生物化学基础,绪 论,一、生物化学是生命的化学 生物化学（biochemistry）是关于生命现象化学本质的科学。 具体言之，生物化学就是利用化学的原理、技术与方法，在分子水平研究生物体的物质组成、生命运动的规律，进而阐明生命现象因果律的一门科学。,生物化学的研究内容主要包括： 一是生物体的化学组成、生物分子的结构、性能和功能此部分内容习惯归为静态生物化学。 二是生物分子的分解与合成，反应过程中的能量变化，生物遗传信息的储存、传递和表达，以及新陈代谢的调节控制此部分内容则归为动态生物化学。,二、生物的化学特征 生物体是大量生命元素的集合体。生命元素借助化学键形成生物小分子，进而产生生物大分
2、子，并且借助次级键形成特定的空间构象和超分子聚集体，最终构建生命的化学特征。,1、生命元素 生物体内的元素可以分为四类： 第一类元素：包括C、H、O和N四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占了生物体总质量的99%以上。 第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。 第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。 第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等微量元素。,2、生命前体分子 （1）水。水是生物体内含量最丰富、存在最广泛的物质。由于水特有的性质使得它非常适合于生物系统，所
3、以水被称为“生命之源”。 水的第一个特性是其极性。水是很好的极性溶剂，可以溶解电解质与极性物质，有利于生物反应的进行。 水的第二个特性是其氢键。正是由于这些氢键的存在，使得水比其他液体具有高蒸发热、高热容和很宽的液相温度，从而有利于生物体内的温度恒定。,2、生命前体分子 （2）前体分子。理论推测生物体基本的分子组成是水和30种前体分子。也称为生物分子的“构件”。前体分子可以分为四类： 20种L-氨基酸。这是蛋白质的基本单位。 5种含氮碱基，2种嘌呤碱基与3种嘧啶碱基。它们与磷酸核糖或脱氧磷酸核酸结合就形成核酸的基本单位核苷酸。 2种糖。D-葡萄糖和D-核糖，葡萄糖是光合作用的产物，是生物代谢的
4、重要中间产物。而D-核糖则是核苷酸的基本组成成分。 软脂酸、甘油和胆碱。它们可以组成了磷脂分子，是生物膜的重要组成成分。,3、生物大分子及其组成规律 生物分子中最重要的是糖、脂、蛋白质和核酸，它们是构成生物体和维持生命现象最基本的物质。许多生物其干重的90%以上是由生物大分子构成。由于它们的相对分子量一般都很大，所以被称为生物大分子。,生物大分子具有以下特征： （1）由结构比较简单的小分子结构单元分子所组成.最重要的结构单元分子主要有以下几类: 构成蛋白质的结构单元分子20种基本氨基酸； 构成核酸的结构单元分子核苷酸； 构成脂的结构单元分子甘油、脂肪酸和胆碱； 构成糖的结构单元分子单糖。,（2
5、）生物大分子都具有非常复杂的结构，包括复杂的化学结构和复杂的空间结构。 （3）生物大分子中存在许多手性中心。 （4）生物大分子之间存在相互作用和识别作用。,4、生物体的结构层次性 如前所述，生物元素组成生物分子，生物前体分子组成生物大分子。生物大分子则进一步形成复合体，生物大分子和复合体再组成亚细胞结构和细胞器，进而形成细胞。细胞则可继续形成组织、器官、系统，最后形成多细胞的生物体。在高层次的结构中，生物大分子间的结合是非共价的。所以，这些结构可以实行自我装配。,组成生物体物质的层次性。,5、生物分子内（间）非共价相互作用 生物分子内（间）非共价相互作用主要有： 氢键 正负离子之间的静电引力
6、离域键间的电子重叠作用力 疏水键（疏水相互作用 范德华力,三、新陈代谢是生命的基本特征 生命物质的新陈代谢包括合成和分解两大方面：合成生物小分子到生物大分子；分解生物大分子到生物小分子。 按代谢主体的不同，新陈代谢可分为物质代谢、能量代谢和信息代谢三种类型： 物质代谢分解代谢与合成代谢； 能量代谢释能代谢与储能代谢； 信息代谢物质代谢信息代谢与遗传息代谢。,就生物体而言，新陈代谢由成千上万个酶促反应构成，错综复杂。同时，生物体用最基本的化学反应、最简单的组合方式构成了这一最复杂的反应系统。表现出共同的规律性： （1）有限的化学反应类型。新陈代谢中众多的化学反应本质上仅为几个反应类型：氧化还原反
7、应、C-C键的断裂和形成反应、基团转移反应、构建分子间脱水缩合反应以及分子重排反应。,（2）共同的分解末端代谢途径和转换枢纽。三羧酸循环不仅是糖类、脂质、蛋白质和核酸分解代谢的必经途径。同时也是生物体内各种生物分子相互转换的枢纽。 （3）共同的合成代谢规律。一是ATP为所有生物体内能量的共同载体；二是生物大分子合成时均有一定的方向性；三是前体分子构建生物大分子前均需活化。,四、生物化学的历史发展 1775年，Lavoisier 证实了呼吸作用是一个氧化过程。 1776年，Priestley发现了光合作用。 19世纪初，Whler以人工方式用氰酸铵合成尿素，实现了在一定条件下无机物与有机物之间的
8、转化。从而彻底否定了“活力论”。 19世纪末20世纪初，生物化学发展成为一门独立的新兴学科。,20世纪30年代以后，生物化学有了迅速的发展，主要代谢途径相继被阐明，许多著名的生物学家如Warburg、Keilin、Embden、Meyerhof、Krebs、Hill、Lipmann等为此做出了重要贡献。 50年代以后，生物化学已成为生物学科的中心和前沿领域。年轻的科学家Watson和Crick于1953年首次提出了DNA双螺旋结构模型，开创了分子生物学的新纪元。,在我国，许多生物化学工作者在血液生化、免疫化学、酶的作用机理、蛋白质变性理论、血红蛋白变异、植物肌动蛋白结构、生物膜结构与功能等方面
9、做出了突出贡献。我国科学家1965年完成了牛胰岛素的全合成；1972年用X射线衍射法测定了猪胰岛素的空间结构；1981年底完成了丙氨酸tRNA的人工合成；特别是我国作为唯一的发展中国家参加了人类基因组计划，并出色地完成了1%的任务。,我们可以把生物化学的发展历史分为五个阶段，即： 生物化学发生前期（1770年以前） 静态生物化学发展时期（1770-1903年） 动态生物化学发展时期（1903-1950年） 综合生物化学发展时期（1950年以后） 工程生物化学发展时期（1970年以后）,五、生物化学的热点领域 生物化学热点重点内容主要聚焦在以下三个方面： 功能生物高分子研究：如活性蛋白、端粒酶、
10、分子发动机、抗体酶、生物活性肽、蛋白质组学、多糖等； 遗传生物高分子研究：如核酸结构、遗传工程、Ribozyme、HGP（人类基因组计划)、基因组学、生物芯片等； 生物膜研究：如生物膜结构、膜受体、膜通道、膜泵、氧化磷酸化、光合磷酸化、膜与疾病关系等。,六、生物化学与环境科学的关系 生物化学是一门新兴的边缘学科，是生命科学的世界语。环境科学是新兴的横向学科，它集化学、物理学、生物学、地学、水体学、生态学、工程学、预测学、法学、管理学等于一体。二者之间存在十分密切的关系。 1、生物化学是环境科学的学科基础。生态学、环境生物学、环境工程生物技术学、环境监测酶法分析等是环境科学的主干学科，显然，这些
11、学科的发展对生物化学有着很强的依赖性。,2、生物化学是认识环境科学问题的理论方法。如臭氧空洞危害就在于紫外线对DNA所造成的损伤；H2S、CO的毒性在于它们对呼吸链的阻遏作用；有机磷农药的毒性是它对酶的非可逆抑制作用。 3、生物化学是解决环境科学问题的有力手段。如酶对环境非友好催化剂的替代意义；生物催化剂对含酚废水的治理；利用生物发酵将有机垃圾转化成乙醇；PCR、酶法分析、生物芯片等技术在环境监测中的应用。,七、生物化学基础的教学内容与学习方法 生物化学基础的主要内容：蛋白质、核酸、酶化学、维生素与辅酶、激素、生物膜、生物氧化和生物能、代谢、生物化学过程的调控等。 学习方法：通过听课、阅读实现
12、理解。通过听课、阅读实现记忆。 一般应掌握以下内容： 生物化学的学科的含义，即何谓生物化学。 生物化学的基本概念，如蛋白质、motif、核酸、酶、激素、三羧酸循环、磷氧比、活性中心，等等，这是学习掌握生物化学的前提。,生物化学的基本理论，如酶作用的中间产物学说、化学渗透学说、脂肪酸-氧化、半保留复制、流体镶嵌模型，等等。 生物化学的基本方法，包括理论方法、实验方法和思想方法。 生物化学的基本对象和任务，生物化学的研究对象就是生物体，其任务就是阐明生物体的物质组成、结构、功能、代谢及其调控。,发展历史现状趋势，著名化学家傅鹰教授说过“科学能给我们以知识，而科学的历史则能给我们以智慧”。 哲学思考。 对生物化学知识“弄懂”的标准就是用自己的话把问题讲清楚。 真正做到了这些，就一定能够取得较好的学习效果。,
