环境生物化学基础绪论.pptx

绪绪 论论第1页/共28页一、生物化学是生命的化学一、生物化学是生命的化学 生生物物化化学学（biochemistry）是是关关于于生生命命现现象象化学本质的科学。化学本质的科学。具具体体言言之之，生生物物化化学学就就是是利利用用化化学学的的原原理理、技技术术与与方方法法，在在分分子子水水平平研研究究生生物物体体的的物物质质组组成成、生生命命运运动动的的规规律律，进进而而阐阐明明生生命命现现象象因因果果律的一门科学。律的一门科学。第2页/共28页 生物化学的研究内容主要包括：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、一是生物体的化学组成、生物分子的结构、性能和功能性能和功能此部分内容习惯归为静态生物此部分内容习惯归为静态生物化学。化学。二是生物分子的分解与合成，反应过程中的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，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以及新陈代谢的调节控制此部分内容则归此部分内容则归为动态生物化学。为动态生物化学。第3页/共28页二、生物的化学特征二、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，进而产生生素借助化学键形成生物小分子，进而产生生物大分子，并且借助次级键形成特定的空间物大分子，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构象和超分子聚集体，最终构建生命的化学特征。特征。第4页/共28页1、生命元素、生命元素 生物体内的元素可以分为四类：生物体内的元素可以分为四类：第一类元素：包括第一类元素：包括C、H、O和和N四种元素，四种元素，是组成生命体最基本的元素。这四种元素约占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了生物体总质量的99%以上。以上。第二类元素：包括第二类元素：包括S、P、Cl、Ca、K、Na和和Mg。这类元素也是组成生命体的基本元素。这类元素也是组成生命体的基本元素。第三类元素：包括第三类元素：包括Fe、Cu、Co、Mn和和Zn。是生物体内存在的主要少量元素。是生物体内存在的主要少量元素。第四类元素：包括第四类元素：包括Al、As、B、Br、Cr、F、Ga、I、Mo、Se、Si等微量元素。等微量元素。第5页/共28页2、生命前体分子、生命前体分子 （1）水。水是生物体内含量最丰富、存在最）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，所以水被称为于生物系统，所以水被称为“生命之源生命之源”。水的第一个特性是其极性。水是很好的极性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，有利于生物溶剂，可以溶解电解质与极性物质，有利于生物反应的进行。反应的进行。水的第二个特性是其氢键。正是由于这些氢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热容和很宽的液相温度，从而有利于生物体内的温度恒定。温度恒定。第6页/共28页2、生命前体分子、生命前体分子 （2）前体分子。理论推测生物体基本的分）前体分子。理论推测生物体基本的分子组成是水和子组成是水和30种前体分子。也称为生物分子种前体分子。也称为生物分子的的“构件构件”。前体分子可以分为四类：。前体分子可以分为四类：20种种L-氨基酸。这是蛋白质的基本单位。氨基酸。这是蛋白质的基本单位。5种含氮碱基，种含氮碱基，2种嘌呤碱基与种嘌呤碱基与3种嘧啶碱基。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酸的基本单位核苷酸。核苷酸。2种糖。种糖。D-葡萄糖和葡萄糖和D-核糖，葡萄糖是光合核糖，葡萄糖是光合作用的产物，是生物代谢的重要中间产物。而作用的产物，是生物代谢的重要中间产物。而D-核糖则是核苷酸的基本组成成分。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。分子，是生物膜的重要组成成分。第7页/共28页3、生物大分子及其组成规律、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。许多生物其干重的的物质。许多生物其干重的90%以上是由生物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。大，所以被称为生物大分子。第8页/共28页生物大分子具有以下特征：生物大分子具有以下特征：（1）由结构比较简单的小分子）由结构比较简单的小分子结构单结构单元分子所组成元分子所组成.最重要的结构单元分子主要有以最重要的结构单元分子主要有以下几类下几类:构成蛋白质的结构单元分子构成蛋白质的结构单元分子20种基种基本氨基酸；本氨基酸；构成核酸的结构单元分子构成核酸的结构单元分子核苷酸；核苷酸；构成脂的结构单元分子构成脂的结构单元分子甘油、脂肪甘油、脂肪酸和胆碱；酸和胆碱；构成糖的结构单元分子构成糖的结构单元分子单糖。单糖。第9页/共28页 （2）生物大分子都具有非常复杂的结构，）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。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。）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）生物大分子之间存在相互作用和识别作用。作用。第10页/共28页4、生物体的结构层次性、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结合是非共价的。所以，这些结构可以实行自我装配。我装配。第11页/共28页组成组成生物生物体物体物质的质的层次层次性。性。第12页/共28页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 生物分子内（间）非共价相互作用主要有：生物分子内（间）非共价相互作用主要有：氢键氢键 正负离子之间的静电引力正负离子之间的静电引力 离域键间的离域键间的电子重叠作用力电子重叠作用力 疏水键（疏水相互作用疏水键（疏水相互作用 范德华力范德华力第13页/共28页三、新陈代谢是生命的基本特征三、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生命物质的新陈代谢包括合成和分解两大方面：合成方面：合成生物小分子到生物大分子；分生物小分子到生物大分子；分解解生物大分子到生物小分子。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：代谢、能量代谢和信息代谢三种类型：物质代谢物质代谢分解代谢与合成代谢；分解代谢与合成代谢；能量代谢能量代谢释能代谢与储能代谢；释能代谢与储能代谢；信息代谢信息代谢物质代谢信息代谢与遗传息物质代谢信息代谢与遗传息代谢。代谢。第14页/共28页第15页/共28页 就生物体而言，新陈代谢由成千上万个酶促就生物体而言，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：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）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：氧化多的化学反应本质上仅为几个反应类型：氧化还原反应、还原反应、C-C键的断裂和形成反应、基团转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移反应、构建分子间脱水缩合反应以及分子重排反应。排反应。第16页/共28页 （2）共同的分解末端代谢途径和转换枢纽。）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。生物分子相互转换的枢纽。（3）共同的合成代谢规律。一是）共同的合成代谢规律。一是ATP为所有为所有生物体内能量的共同载体；二是生物大分子合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。物大分子前均需活化。第17页/共28页四、生物化学的历史发展四、生物化学的历史发展 1775年，年，Lavoisier 证实了呼吸作用是一个氧证实了呼吸作用是一个氧化过程。化过程。1776年，年，Priestley发现了光合作用。发现了光合作用。19世纪初，世纪初，Whler以人工方式用氰酸铵合成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尿素，实现了在一定条件下无机物与有机物之间的转化。从而彻底否定了的转化。从而彻底否定了“活力论活力论”。19世纪末世纪末20世纪初，生物化学发展成为一门世纪初，生物化学发展成为一门独立的新兴学科。独立的新兴学科。第18页/共28页 20世纪世纪30年代以后，生物化学有了迅速的发年代以后，生物化学有了迅速的发展，主要代谢途径相继被阐明，许多著名的生物展，主要代谢途径相继被阐明，许多著名的生物学家如学家如Warburg、Keilin、Embden、Meyerhof、Krebs、Hill、Lipmann等为此做出等为此做出了重要贡献。了重要贡献。50年代以后，生物化学已成为生物学科的中年代以后，生物化学已成为生物学科的中心和前沿领域。年轻的科学家心和前沿领域。年轻的科学家Watson和和Crick于于1953年首次提出了年首次提出了DNA双螺旋结构模型，开双螺旋结构模型，开创了分子生物学的新纪元。创了分子生物学的新纪元。第19页/共28页 在我国，许多生物化学工作者在血液生化、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、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做出了突出贡献。我国科学家构与功能等方面做出了突出贡献。我国科学家1965年完成了牛胰岛素的全合成；年完成了牛胰岛素的全合成；1972年用年用X射线衍射法测定了猪胰岛素的空间结构；射线衍射法测定了猪胰岛素的空间结构；1981年底完成了丙氨酸年底完成了丙氨酸tRNA的人工合成；特别是的人工合成；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，并出色地完成了计划，并出色地完成了1%的任务。的任务。第20页/共28页 我们可以把生物化学的发展历史分为五个阶我们可以把生物化学的发展历史分为五个阶段，即：段，即：生物化学发生前期（生物化学发生前期（1770年以前）年以前）静态生物化学发展时期（静态生物化学发展时期（1770-1903年）年）动态生物化学发展时期（动态生物化学发展时期（1903-1950年）年）综合生物化学发展时期（综合生物化学发展时期（1950年以后）年以后）工程生物化学发展时期（工程生物化学发展时期（1970年以后）年以后）第21页/共28页五、生物化学的热点领域五、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生物化学热点重点内容主要聚焦在以下三个方面：方面：功能生物高分子研究：如活性蛋白、端粒功能生物高分子研究：如活性蛋白、端粒酶、分子发动机、抗体酶、生物活性肽、蛋白酶、分子发动机、抗体酶、生物活性肽、蛋白质组学、多糖等；质组学、多糖等；遗传生物高分子研究：如核酸结构、遗传遗传生物高分子研究：如核酸结构、遗传工程、工程、Ribozyme、HGP（人类基因组计划（人类基因组计划)、基因组学、生物芯片等；基因组学、生物芯片等；生物膜研究：如生物膜结构、膜受体、膜生物膜研究：如生物膜结构、膜受体、膜通道、膜泵、氧化磷酸化、光合磷酸化、膜与通道、膜泵、氧化磷酸化、光合磷酸化、膜与疾病关系等。疾病关系等。第22页/共28页六、生物化学与环境科学的关系六、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。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、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，监测酶法分析等是环境科学的主干学科，显然，这些学科的发展对生物化学有着很强的依赖性。这些学科的发展对生物化学有着很强的依赖性。第23页/共28页 2、生物化学是认识环境科学问题的理论方、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法。如臭氧空洞危害就在于紫外线对DNA所造所造成的损伤；成的损伤；H2S、CO的毒性在于它们对呼吸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。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、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；有机垃圾转化成乙醇；PCR、酶法分析、生物、酶法分析、生物芯片等技术在环境监测中的应用。芯片等技术在环境监测中的应用。第24页/共28页七、生物化学基础的教学内容与学习方法七、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。和生物能、代谢、生物化学过程的调控等。学习方法：通过听课、阅读实现理解。通过听学习方法：通过听课、阅读实现理解。通过听课、阅读实现记忆。课、阅读实现记忆。一般应掌握以下内容：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、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。心，等等，这是学习掌握生物化学的前提。第25页/共28页 生物化学的基本理论，如酶作用的中间产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、脂肪酸物学说、化学渗透学说、脂肪酸-氧化、半保氧化、半保留复制、流体镶嵌模型，等等。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、实生物化学的基本方法，包括理论方法、实验方法和思想方法。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。的物质组成、结构、功能、代谢及其调控。第26页/共28页 发展历史现状趋势，著名化学家傅鹰教授发展历史现状趋势，著名化学家傅鹰教授说过说过“科学能给我们以知识，而科学的历史则科学能给我们以知识，而科学的历史则能给我们以智慧能给我们以智慧”。哲学思考。哲学思考。对生物化学知识对生物化学知识“弄懂弄懂”的标准的标准就是就是用自己的话把问题讲清楚。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真正做到了这些，就一定能够取得较好的学习效果。习效果。第27页/共28页感谢您的观看。感谢您的观看。第28页/共28页