环境生物化学

第1章　绪论 1.1　环境生物化学概述 21世纪是生命科学的世纪。人们把与人类生存发展密切相关的五大社会问题，即环境、人口、食物、资源、健康问题的解决，寄希望于生命科学的发展与进步。 从微生物到人类，生物的种类千差万别，生命的现象绚丽多彩、错综复杂，但是从分子水平上看，生命的物质组成及其变化规律有着惊人的一致性。生命的奥妙就在于用*基本的元素、*简单的方式，组合成了*复杂的系统。自20世纪起，生命科学进入迅猛发展的时代，成为自然科学的前沿领域。而生物化学又是前沿领域中的前沿阵地，引领着生命科学研究的发展和突破。生物化学(biochemistry)是运用化学原理和方法，研究生物体的物质组成和遵循化学规律所发生的一系列化学变化，进而深入揭示生命现象本质的一门科学，有生命的化学之称。生物化学研究的是生命的分子和化学反应，一切与生命有关的化学现象都是生物化学的研究对象。 环境科学是一门研究人类社会发展活动与环境演化规律之间相互作用关系，寻求人类社会与环境协同演化、持续发展途径与方法的科学。在宏观上，环境科学要研究人与环境之间的相互作用、相互制约的关系，要力图发现社会经济发展和环境保护之间协调的规律；在微观上，要研究环境中的物质在有机体内迁移、转化、蓄积的过程以及其运动规律、对生命的影响和作用机理，尤其是人类活动排放出来的污染物质。1962年，Rachel Carson的著作《寂静的春天》出版，使环境类主题成为热点。环境问题及其生物效应日益引起关注。环境生物效应是指因环境因素变化而导致的生态系统或生理生化的变异现象。如大量工业、农业、生活废弃物排入环境介质，包括水、土、大气等，改变了环境介质的物理化学性质，对各种生态系统产生毒性效应，污染物通过食物链等途径进入生物体，影响各类生物的健康。环境科学在微观上离不开对生命科学的探讨，因此生物化学知识的应用和渗透在环境科学诞生的时候就开始了。 虽然环境科学的发展历史还比较简短，但是生物化学的发展历史可谓源远流长。生物化学的启蒙阶段可以追溯到人类早期对食物的选择和初步加工。19世纪有机化学和生理学的发展为研究生物体的化学组成和性质积累了丰富的知识和经验。因为生物化学对人类能更好地生存和发展至关重要，所以吸引了众多科学家的关注和研究热情。1877年德国医生Hoppe-Seyler首次提出生物化学一词。到19世纪末 20世纪初，生物化学逐渐发展成为一门独立的学科。20世纪50年代之前对生物体的物质组成已经有了相当深入的研究。在小分子方面，对维生素和激素的研究不但取得了突出的理论成果，而且在医疗领域得到很好的应用。抗生素的研究也极大地提高了医疗水平。在大分子方面，已经确定了各种生物大分子的基本结构。物质代谢研究的成就十分突出，生物体内各种基本的代谢途径多数是在20世纪50年代之前阐明的。但是，由于研究方法的限制，关于蛋白质和核酸等信息分子的序列分析和空间结构研究尚未取得重要突破。随着物理学、化学、数学等学科的渗透，20世纪50年代之后，蛋白质和核酸的序列分析与空间结构研究突飞猛进，推动了生命科学的快速发展。遗传学、细胞生物学、发育生物学、神经生物学等相继进入了分子水平，由此诞生了分子生物学。随着计算机科学和信息科学的发展，生物化学与分子生物学的发展越来越快，已经深入到生命科学的各个领域。生物化学有辉煌的发展历史，迄今与生物化学相关的诺贝尔奖达110多项。 随着生物化学知识和技术的快速发展，生物化学向其他科学领域迅速渗透，发展出了许多分支，如食品生物化学、医学生物化学等。环境科学作为一个综合科学领域，总是积极吸收和融汇其他学科的先进理论和技术。生物化学也在环境科学领域得到充分的应用和发展，其研究和知识体系不仅仅涵盖各类生物大分子在环境科学中的应用，随着对环境健康问题的日益关注，生化代谢、遗传、基因信息等方面的研究也在环境科学领域广泛渗透。因此环境生物化学分支逐渐形成。 从广义来讲，环境生物化学(environmental biochemistry)主要研究天、地、生物相互作用的基本化学反应，特别是人和生物对外来的物质和能量所做的应答以及人类生活、生产活动对环境及生态系统影响的化学基础。从狭义来讲，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。它研究生物对污染物质降解与转化的能力，以及污染物质在生物体内的代谢转化规律，讨论生物代谢污染物质的途径以净化环境的生物化学原理，以及污染物对生物体的健康的影响。 由于环境科学的复杂性，环境生物化学可以包含的内容非常丰富多样，常常与环境毒理学、环境生态学、生物修复工程等学科内容交叉，一时难以以环境科学内容为体系形成教材。因此本教材以生物化学知识体系为基础框架，增加各生物大分子及其代谢在环境科学中的典型应用案例和知识，形成一本具有环境科学特色的生物化学教材。 1.2　环境生物化学的知识框架 环境生物化学的知识框架是在生物化学的知识框架基础上增加了各类生物大分子的理化性质和代谢特征在环境科学中的应用。 生物化学研究的内容可分为三个部分，即研究构成生物体的基本物质(糖类、脂质、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，这部分内容通常称为静态生物化学；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，以及在代谢过程中能量的转换和调节规律，这部分内容通常称为动态生物化学；研究生物信息分子的合成及其调控，也就是遗传信息的储存、传递和表达，即功能生物化学，也称分子生物学。这三部分内容是紧密联系的。 环境科学作为一门综合学科，与其他学科知识体系的融合是与时俱进的。上述生物化学的三部分内容都已经充分运用到环境科学研究中。近年来新发展的生物化学手段和组学技术等，都能在环境科学中找到应用研究。目前这方面的内容广泛而复杂，我们按照生物化学的知识体系框架，介绍一些典型的环境研究方向或案例，作为环境生物化学的第四部分内容。 1) 静态生物化学——生物大分子的组成规律 在生命机体中，生物分子极其丰富多样，即使在简单而又微小的大肠杆菌中，也含有大约3000种不同的蛋白质和1000多种不同的核酸。生物多样性与各种神奇的生命现象均是由蛋白质、核酸、脂质、糖类的复杂多变形成的。然而，这些复杂的生物大分子在结构上有着共同的规律性。生物大分子均由相同类型的单体分子通过一定的共价键聚合成链状，其主链骨架呈现周期性重复。掌握这些规律有助于我们对生物大分子结构的学习。 构成多糖的单体分子是单糖，单糖间通过糖苷键相连，淀粉、糖原、纤维素的糖链骨架均呈葡萄糖基重复。构成脂质的构件分子是甘油、脂肪酸和一些取代基，其非极性烃长链也是一种重复的结构。构成蛋白质的单体分子是20种基本氨基酸，氨基酸之间通过肽键相连。肽链具有方向性(N端→C端)。蛋白质主链骨架呈“肽单位”重复。核酸的构件分子是核苷酸，核苷酸通过3'， 5'-磷酸二酯键相连，核酸的主链骨架呈磷酸-核糖(或脱氧核糖)重复。 生物大分子主链的重复性是生物大分子稳定性的基础。 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。各种蛋白质因结构的不同，而具有各种不同的功能。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。所有这些物质不是杂乱堆积在一起的，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的生物学结构。 2) 动态生物化学——物质代谢及其调控 新陈代谢是生命的特征。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。 体内进行的物质代谢绝大多数都在细胞内进行的。从分子大小变化来分，由小分子物质变成大分子物质的过程叫作合成代谢，反之，由大分子物质变成小分子物质的过程叫作分解代谢。从生物学意义上来分，将从外界吸收来的物质转变成体内组成成分的过程叫作同化作用，反之，使体内组成成分转变成可排出体外的形式的过程叫作异化作用。一般来说，同化作用以合成代谢为主，异化作用以分解代谢为主。 代谢中的化学反应绝大多数是连锁反应，将这种连锁反应叫作代谢途径。它在许多种酶的催化下进行。一个细胞内有近2000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对应，构成非常协调的统一体系。生物体内的化学反应为什么能如此巧妙地进行呢？这是由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、激素及其他调节物质，通过调节酶的活力来调节代谢途径的方向和强度。 3) 功能生物化学——分子生物学 组成生物体的各种物质的分子结构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。 1953年，两名年轻的科学家 Watson、Crick发表了DNA分子结构的双螺旋模型。这个卓越的成就，首次从分子水平上揭开了遗传的秘密，开创了分子生物学(molecular biology)时代，几乎与之同时，Sanger发表了胰岛素分子中氨基酸残基的排列顺序，揭示出蛋白质分子中氨基酸残基排列顺序是其空间结构与生物功能的重要基础。之后，研究人员又相继阐明了DNA半保留复制机理，破译了遗传密码，证实了反转录作用，从而提出了遗传中心法则的现代见解，这些都是分子生物学的辉煌成就，在此基础上发展起来的基因重组技术，为改造生物性状、揭开生命奥秘又向前跨进了一大步。因此，生物大分子的结构与功能的研究是生物化学和分子生物学中*引人注目的内容。 4) 生物化学与环境科学 生物化学知识体系在环境科学中的应用非常广泛，本书中介绍了各类生物大分子在环境科学中的比较经典的应用研究及其生化机制。例如，第4章介绍了微生物胞外多糖修复重金属的生化机制，以及脂质过氧化在环境污染物生物效应检测中的应用；第7章介绍了谷胱甘肽和卵黄蛋白在环境科学中的应用，以及酶工程在环境保护修复中的应用；第9章介绍了维生素衍生物的环境污染问题等；第10章介绍了目前环境科学领域备受关注的环境激素、环境内分泌干扰物的研究进展。可见，环境科学研究涉及静态生物化学中每一类生物大分子。 另一方面，动态生物化学和功能生物化学的知识体系也被广泛应用于环境科学研究中。人们越来越关心环境污染或环境变化对生命代谢和遗传的影响，因为这事关物种的生死存亡的问题。比如有机污染物或重金属污染导致的物种变异、温室效应引起的物种消失等。动态生化在环境科学中的应用以糖脂代谢和代谢组学为主进行介绍。功能生物化学在环境科学中的应用介绍了环境污染物与遗传物质核酸的相互作用及其机制，以及基因组学的应用等。 总之，生物化学知识在回答和解决环境科学问题中起着举足轻重的作用。我们从众多的环境研究案例中总结归纳出环境生物化学的知识，希望能起到抛砖引玉的作用，更系统的环境生物化学知识还需要更多科学家和教师的努力。 1.3　环境生物化学的学习方法 环境生物化学中的基础生物化学部分，有许多需要记忆的知识，也有许多需要理解的知识，内容十分丰富。在学习中应注意锻炼记忆与理解相互促进的学习方法。生物化学中的动态(代谢)和静态(结构)两大部分之间是互相联系的。结构是代谢的基础，而在学习结构时，往