环境生物化学第1章

1、环境生物化学环境生物化学 Environmental Biochemistry 赵景联赵景联 教材：教材： 环境生物化学环境生物化学，赵景联主编，化学工业出版社，赵景联主编，化学工业出版社，20072007 1 1绪论绪论 环境生物化学环境生物化学 1.11.1生物化学概述生物化学概述 1.1.1生物化学的涵义 1.1.2生物化学研究的主要内容 1.1.3生物化学与其他科学的关系 1.1.4生物化学的应用和发展前景 环境生物化学环境生物化学 1.1.11.1.1生物化学的涵义生物化学的涵义 生物化学（Biochemistry） 是介于生物与化学之间的门边缘科学。 它是用化学的理论和方法作为主要

2、手段来研究生 命现象，从而揭示生命的奥秘。 环境生物化学环境生物化学 1.1.11.1.1生物化学的涵义生物化学的涵义 生物化学的任务 静态生物化学:研究构 成生物体的基本物质 (糖类、脂类、蛋白质、 核酸)及对体内的生物 化学反应起催化和调节 作用的酶、维生素和激 素的结构、性质和功能。 动态生物化学:研究 构成生物体的基本物 质在生命活动过程中 进行的化学变化，也 就是新陈代谢及在代 谢过程中能量的转换 和调节规律。 环境生物化学环境生物化学 1.1.11.1.1生物化学的涵义生物化学的涵义 生物化学研究的是生命现象的化学本质，一切与 生命有关的化学现象都是生物化学的研究对象。 从研究 对

3、象分 类 动物生物化学：以人体及动物为研究对象。 植物生物化学：以植物为研究对象。 普通生物化学：研究对象不局限于动物或植物、而且一 般生物。 进化生物化学或比较生物化学：以生物(特别是动物)的 不同进化阶段为化学特征(包括化学组成和代谢方式)为 研究对象。 生理化学：以生理为研究对象。 环境生物化学环境生物化学 1.1.11.1.1生物化学的涵义生物化学的涵义 此外，根据不同的研究对象和目的，生物化 学还可有许多分支如微生物生化、医学生化、 农业生化和工业生化等等。 环境生物化学环境生物化学 1.1.21.1.2生物化学研究生物化学研究 的主要内容的主要内容 研究体内的物质组成 (叙述生化)

4、 研究体内物质代谢 (动态生化) 研究生物大分子的结构与功能 (分子生物学) 环境生物化学环境生物化学 (1)(1)生物体的物质组成生物体的物质组成 生物体是由许多物质按严格的规律组建起来的。 在生物体内除水外，每一类物质又包括很多种化 合物。如人体蛋白质就有10万种以上。各种蛋白 质的结构不同，因而也就各种不同的功能。此外， 人体内还含有核酸、激素、微量元素等，它们占 体重的分量虽少，但也是维持正常生命活动不可 缺乏的物质。 环境生物化学环境生物化学 (1)(1)生物体的物质组成生物体的物质组成 所有这些物质不是杂乱处堆积在一起的，它 们彼此之间有一定组成规律，从而构成能够体现 多种生物功能

5、的生物学结构。 环境生物化学环境生物化学 (1)(1)生物体的物质组成生物体的物质组成 蛋白质和核酸是实现生命活动的主要物质基础， 而且分子量很大。通常称之为生物高分子 (biomacromolecule)，这些生物高分子化合物由较 简单的小分子物质构成，常将这些小分子称为构 件分子。这些构件分子除构成生物大分于发挥作 用外，它单独存在时也有某些特殊作用。 环境生物化学环境生物化学 (1)(1)生物体的物质组成生物体的物质组成 研究生物体物质组成的另一个重要方面，是 用人工方法来合成生物大分子，其目的，不仅是 验证对体内物质进行化学分析的结果，更重要的 是在于深入认识分子结构与生物功能的关系，

6、探 索生命现象的奥秘，追索生命的起源，还可制备 极难获得的生物活性物质。 我国科学家在1965年首先人工合成了胰岛素， 1981年合成了酵母丙氨酸tRNA，这些郁是国际上 的首创成果为人类作出的重大贡献。 环境生物化学环境生物化学 (2)(2)物质代谢及其调控物质代谢及其调控 生物体不断与外界环境进行着物质交换，生物 体内时时刻刻都在进行着极其有规律的化学反应， 将这些过程总的称为物质代谢或新陈代谢 (metabolism)。 生物体通过消化吸收新摄取的营养物质，在体 内一部分被转变成其组成成分，以保证生长发育 和组织更新的需要，另一部分被氧化分解释放能 量以维持生命活动。 环境生物化学环境生

7、物化学 (2)(2)物质代谢及其调控物质代谢及其调控 体内进行的物质代谢叫做中间代谢、中间代谢 的化学反应绝大多放都在细胞内进行。 从分子 大小变 化来分 合成代谢:由小分子物质变成大分子物质的过程 分解代谢:由大分于物质变成小分子物质的过程 从生物 学意义 上来分 同化作用:将从外界吸收来的物质转变成体内组 成成分的过程(以合成代谢为主) 异化作用:使体内组成成分转变成可排出体外的 形式的过程(分解代谢为主) 环境生物化学环境生物化学 (2)(2)物质代谢及其调控物质代谢及其调控 中间代射中的化学反应绝大多数是连锁反应， 将这种连锁反应叫做代谢途径。在许多种酶的催 化下进行。一个细胞内有近2

8、千种酶，在同一时间 内催化着各种不同代谢途径中的各种化学反应， 这些化学反应彼此密切配合并与机体的需要精确 地相应、构成非常协调的统一体系。 环境生物化学环境生物化学 (2)(2)物质代谢及其调控物质代谢及其调控 生物体内的化学反应为什么能如此巧妙地进行呢? 是由于多种调节因素进行调节控制来实现的。 首先酶的催化作用有严格专一性和可调控性， 又有区域分布和多酶体等特点。这些是在一个细 胞内各条代谢途径能有序进行的基础。 此外，动物和人体内还有神经系统、激素及其它 调节物质，通过调节酶的活力来调节代谢途径的 方向和强度。 环境生物化学环境生物化学 (3)(3)物质的分子结构物质的分子结构 与功能

9、的关系与功能的关系 组成生物体的各种物质都与其生理功能密切 相关，尤其是生物高分子显得格外突出，可以 说结构是功能的基础功能是结构的体现。一 切生命现象都是从具体的物质结构和物质代谢的 基础上体现出来的。 环境生物化学环境生物化学 (3)(3)物质的分子结构物质的分子结构 与功能的关系与功能的关系 因此，生物高分子的结构与功能的研究是生物化学- 分子生物学中最引人注目的内容 开创了分子 生物学时代 WatsonCrick发表了发表了DNA 分子结构的双螺旋模型分子结构的双螺旋模型 Sanger 发表了胰岛素分子发表了胰岛素分子 中氨基酸残基的排列顺序中氨基酸残基的排列顺序 蛋白质分子中氨基酸残

10、基 排列顺序是其空间结构与 生物功能的重要基础 阐明阐明DNA半保留复制机理，破半保留复制机理，破 译遗传密码，证实反转录作用译遗传密码，证实反转录作用 提出了遗传中心 法则的现代见解 在此基础上发展起在此基础上发展起 来的基因重组技术来的基因重组技术 为改造生物性状、揭开生命 奥秘又向前跨进了一大步 环境生物化学环境生物化学 1.1.31.1.3生物化学与其生物化学与其 他科学的关系他科学的关系 生物化学与化学的关系 19世纪末期以前世纪末期以前19世纪末和世纪末和20世纪初世纪初近年来近年来 生物化学的生物化学的 问题主要由问题主要由 化学化学(特别是特别是 有机化学有机化学)及及 生理学

11、分别生理学分别 研究研究 生物化学才成生物化学才成 为一门独立科为一门独立科 学学.研究生物体研究生物体 的化学成分必的化学成分必 须应用化学的须应用化学的 方法方法. 生物化合物的结生物化合物的结 构、性质、功能构、性质、功能 以及物质代谢的以及物质代谢的 研究上已经广泛研究上已经广泛 应用了物理化学应用了物理化学 的理论及技术的理论及技术 环境生物化学环境生物化学 1.1.31.1.3生物化学与其生物化学与其 他科学的关系他科学的关系 1 生物化学的一个目的生物化学的一个目的 就是通过体内的化学就是通过体内的化学 变化来认识生物体的变化来认识生物体的 生理机能，找出其化生理机能，找出其化

12、学依据。因此生物化学依据。因此生物化 学的研究工作不能脱学的研究工作不能脱 离生理学，生理学的离生理学，生理学的 研究也离不开生物化研究也离不开生物化 学。学。 2 微生物学的研究更微生物学的研究更 需要广泛应用生物需要广泛应用生物 化学的原理与技术，化学的原理与技术， 例如微生物的生理例如微生物的生理 活动、病毒的本质、活动、病毒的本质、 免疫的化学程序、免疫的化学程序、 抗体的生成机制等抗体的生成机制等 均与生物化学有密均与生物化学有密 切关系。切关系。 3 此外，细胞生物学、此外，细胞生物学、 遗传学、胚胎学、遗传学、胚胎学、 组织学、进化论甚组织学、进化论甚 至分类学的研究都至分类学的

13、研究都 离不开生物化学。离不开生物化学。 生物化学与其他生物科学的关系 环境生物化学环境生物化学 1.1.31.1.3生物化学与其生物化学与其 他科学的关系他科学的关系 生物化学与有机化学、生理学、物理化学、分 析化学等虽然有密切的联系，但是作为一门独立 的科学，生物化学本身具有独特的研究对象和研 究方法。 环境生物化学环境生物化学 1.1.31.1.3生物化学与其生物化学与其 他科学的关系他科学的关系 今天人们根据一定的研究对象和目的以 及人类生活的需要，把生物化学分为植物生 物化学、动物生物化学、人体生物化学、微 生物生物化学、病理生物化学、临床生物化 学、工业生物化学、农业生物化学、环境

14、生 物化学、生物物理化学等等，因此生物化学 的研究和发展是多方面的。 环境生物化学环境生物化学 1.1.41.1.4生物化学的应生物化学的应 用和发展前景用和发展前景 现代生现代生 物科学物科学 生产实践生产实践 农业科学农业科学 生物工程或生物工程或 生物高技术生物高技术 绝大多数生 物学问题都 需要从生化 角度和用生 化方法才可 能较深入地 得到了解。 如食品、发 酵、制药及 皮革工业， 预防、治疗 医学等都与 生物化学有 密切关系。 如研究植物的 新陈代谢的各 种过程，就有 可能控制植物 的发育，此外， 农产品的贮藏 与加工，植物 病虫害的防治 等。 遗传工程或基因 工程；蛋白质工 程和

15、酶工程；以 及细胞培养、组 织培养等体外技 术，用于改造物 种和生产对人类 有用的产物。 环境生物化学环境生物化学 1.1.41.1.4生物化学的应生物化学的应 用和发展前景用和发展前景 以生物化学以生物化学 的理论和技术的理论和技术 为基础的生为基础的生 物工程具有物工程具有 广阔的前景广阔的前景 改造物种培育高抗逆性、 具有特殊品质的转基因植物 与工业技术领域学科相结合， 在材料工业污水和废物 处理方面发挥作用。 利用植物建造“植物工厂” ，生产对人类有用的 特殊生物化学物质。 生产新型的药物和疫苗， 对于治疗疾病、维护人类 健康有着重要的意义 分子生物电子学对电 子计算机制造、疾病 防治

16、和生物模拟都有 重要的推动作用。 极大地改变社会产业结构 和人们的劳动生产方式。 环境生物化学环境生物化学 1.21.2环境生物化学概述环境生物化学概述 1.2.1环境生物化学定义 1.2.2环境生物化学的研究对象与任务 1.2.3环境生物化学的由来 1.2.4环境生物化学的学习方法 环境生物化学环境生物化学 1.2.11.2.1环境生物化学定义环境生物化学定义 环境科学向化学提出的基本问题已经从早期的分 析监测方法和环境治理方法转向环境过程研究。 环境生物化学环境生物化学 1.2.11.2.1环境生物化学定义环境生物化学定义 从广义来讲从狭义来讲环境保护角度 环境生物化学 主要是研究生 物对

17、污染物质 降解与转化的 能力，讨论生 物代谢污染物 质的途径。 环境生物化学是 介于环境污染化 学与生物化学之 间的一门科学。 它是研究环境中 的污染物质在生 物体内的代谢转 化规律。 环境生物化学主要 研究天、地、生相 互作用的基本化学 反应，特别是人和 生物对外来物质和 能量所做的应答以 及人类生活生产活 动对环境影响的化 学基础。 环境生物化学环境生物化学 1.2.21.2.2环境生物化学环境生物化学 的研究对象与任务的研究对象与任务 产能物质糖类、脂类和蛋 白质的化学、代谢规律和 基本理论 酶工程、基因工程、微生物 细胞工程和发酵工程四大 现代环境生物技术原理、 作用机理及应用技术 生

18、物催化剂-酶的化学 、作用机理和应用技术 遗传物质-核酸的化学、 作用机理和应用技术 研究烃、有机农药、石油 及环境激素等不易降解物 质的生物代谢与转化规律 及其生物降解的分子机制 研究有毒污染物的生物 积累与生物转化与有毒 物质的生物化学效应 环境生物化学环境生物化学 1.2.21.2.2环境生物化学环境生物化学 的研究对象与任务的研究对象与任务 环境生物化学是一门年轻的科学，我们希望 通过系统地阐明环境污染及其工程处理中的生物 化学基础理论、原理和目前这一领域的最新成果 的介绍和讨论，对这方面知识的全面了解，有助 于环境污染工程技术的改进和提高，促进环境污 染的治理和整个环境科学的发展。

19、环境生物化学环境生物化学 1.2.31.2.3环境生物化学环境生物化学 的由来的由来 环境生物化学是生物化学的一个分支学科，迄今 为止，还没有一个完整的定义和概念。 近年来，随着环境科学的发展，逐渐形成了 环境化学、环境微生物学和环境生物学 等分支，而且正在形成独立的体系。 环境生物化学环境生物化学 1.2.31.2.3环境生物化学环境生物化学 的由来的由来 但目前这方面的内容多半是单纯从化学或生 物学的角度讨论较多，在工程方面还出现了工 程生物化学，内容多半局限于发酵工业方面的 生物与生物化学原理，尽管有的论著中也涉及到 一些环境生物化学问题，但仍欠全面系统，特别 是在适合环境科学和环境工程专业参考内容方面 更显不足。 环境生物化学环境生物化学 1.2.31.2.3环境生物化学环境生物化学 的由来的由来 我国目前有近200个院校开设环境科学和环境 工程专业，西安交通大学等校已将环境生物化学 作为环境工程专业本科生，环境工程和环境科学 专业研究生必修课，在据了解其他数院校也已开 设或打算开设环境生物化学课程。 环境生物化学环境生物化学 1.2.41