细胞中的元素和化合物.doc

必修I 分子与细胞
第1讲 细胞中的元素和无机化合物
考试说明
等级要求
水和无机盐的作用（A）
A
检测生物组织中还原糖、脂肪和蛋白质（b）
B

考点1：组成细胞的化学元素
1．细胞中化学元素归类：可根据元素在细胞中的含量及作用进行归类。
特别提醒：无论是大量元素还是微量元素，都是生物体必需的，对于维持生物生命活动起着非常重要的作用。
最基本的元素
基本元素
主要元素
大量元素 微量元素
（1）组成细胞的元素在无机自然界中都能找到，没有一种元素是生物体所特有的，但每种元素的 却不同。
（2）细胞中含量最多的四种元素是 ， 是构成细胞的最基本元素。细胞鲜重时基本元素的含量大小关系 ，细胞干重时基本元素的含量大小关系 。
2．举例说明元素的作用
元素
B
Zn
P
K
作用
促进花粉萌发
促进细胞分裂及大脑发育
促进生殖生长
促进营养生长、促进有机物在植物体内转移
3．C是构成细胞的基本元素
碳元素之所以成为基本元素，不是因为干重条件下它是细胞中含量最多的元素，而是因为碳原子本身的化学性质（能与其他元素形成四个共价键，且成键能力很强）使它能够通过化学键连接成碳链或碳环，从而形成各种生物大分子，而生物大分子在生物体的生命活动中具有重要作用。地球上的生命可以说是在碳元素的基础上建立起来的。生物大分子以 为骨架，碳原子之间可以单键相结合，也可以双键或三键相结合，形成不同长度的链状、分支链状或环状结构。
4．生物界和非生物界的统一性和差异性
（1）“统一性”指的是从化学元素的 来分析看：组成生物体的元素没有一种是生物界所特有的，在非生物界都能找到。
（2）“差异性”指的是从化学元素的 来分析看：组成生物体的化学元素与非生物界中的相应元素的含量不同。
【特别提醒】组成生物体的化学元素都是生物体从其生活环境中吸收而来，所以组成生物体的化学元素在自然界能够找到，但不能说组成自然界的化学元素在生物体中都能找到，因为生物体对元素的吸收是选择性吸收。正因为生物体对自然界的元素是选择性吸收，所以组成生物体的化学元素在生物体中的含量与自然界中的含量差异很大。
5．生物界的统一性和差异性的理解
（1）可从以下几方面理解“统一性”：
①从化学元素角度看：不同种类生物体内所含的化学元素 基本相同。
②从分子水平角度看：
所有DNA分子的 和 都相同
所有生物共用一套
都以 作为生命的体现者，它的基本单位都是
③从结构角度分析：除了病毒外，生物体都是由 组成的。
④从能量角度分析：生物体都以 作为直接供能物质。
（2）对“差异性”的理解：
①从元素的角度分析：主要体现在不同生物体内，同种元素的 差别较大。
②从分子水平角度分析：
组成不同DNA分子的脱氧核苷酸的 不同
组成不同蛋白质分子的氨基酸 不同，以及 不同
【例1】生物大分子在生物体生命活动中具有重要的作用。碳原子本身的化学性质，使它能够通过化学键连接成链状或环状，从而形成生物大分子。以上事实可以说明( )
①碳元素参与生物体内所有化合物的组成 ②地球上的生命是在碳元素的基础上建立起来的 ③碳元素是各种大分子化合物中含量最多的元素 ④碳元素是组成生物体内有机化合物的最基本元素
A. ②③④ B. ③④ C. ②④ D. ①③④
【例2】以下事实中可以作为生物界统一性的依据的是( )
①组成生物体的各种元素在无机界中广泛存在 ②不同生物体的生物大分子——核酸、蛋白质分子相同 ③遗传密码在生物界是通用的 ④核酸、蛋白质、糖类等大分子物质各自的基本结构单位在不同生物体内都相同
A. ①② B. ③④ C. ①④ D. ②③
【例3】下列关于构成细胞的化学元素、大量元素和微量元素的元素的叙述中。不正确的是（ ）
A．无机自然界的元素在生物界都能够找到，这说明生物界和非生物界具有统一性的一面
B．C、H、O、N、P、Ca都是大量元素，C在各种有机物都存在
C．划分大量元素和微量元素的标准是元素的含量，两者之间不存在交集
D．微量元素虽然含量少，但它们既参与细胞结构组成也参与细胞的代谢调节
考点2：组成细胞的化合物
1．细胞中的水
（1）在活细胞中，含量最多的是 ，它在细胞中以 和 两种形式存在。
（2）在代谢旺盛的细胞中， 的含量一般较多。
（3）在休眠的种子、越冬的植物、生活在盐渍条件下的植物，体内 的含量相对增多，使植物的抗逆性 ，以适应不良的环境条件。
（4）功能： 是良好的溶剂，各种物质只有溶解在水中，才能被细胞吸收并运输；参与细胞中各种代谢作用等。 是组成细胞结构的重要成分。
（5）自由水和结合水关系
自由水和结合水可以相互转化。
如在活细胞内，受温度的影响，自由水和结合水可相互转化，具体转化如下：

自由水与结合水的比值反映细胞的生理状态。比值越大，代谢越确 ，抗逆性越 ；比值越小，代谢越 ，抗逆性越 。
（6）细胞中能产生水的结构有哪些？其产生的具体代谢过程是什么？
① 在叶绿体基质中通过 合成有机物的过程中产生水。 ② 在线粒体中通过有氧呼吸的第 阶段产生水。 ③ 在核糖体上通过氨基酸的 作用产生水。 ④ 植物高尔基体上在合成纤维素的过程中产生水。 ⑤ 动物肝脏和肌肉中合成 时产生水。 ⑥ ADP生成ATP时产生水。 DNA合成过程产生水
(7) 细胞中由水参与的代谢过程
大分子有机物如蛋白质的消化 (水解)、糖原分解、ATP水解、有氧呼吸的第二阶段、光合作用的光反应等代谢过程。
【例4】下列有关水的叙述中正确的是( )
A. 呼吸作用过程的第三阶段既有水的生成又有水的分解
B. 白天用H218O浇花草，在花草周围空气的水、O2、CO2中会出现18O
C. 苹果树不宜在热带地区栽种的主要限制因素是水
D. 细胞内结合水与自由水的比例越大，代谢越旺盛
【例5】水在生物体内是一种良好的溶剂，是各种化学反应的介质。下列有关水的说法哪一项是不正确的( )
A. 水是细胞中含量最多的化合物 B. 当人体缺水时，血浆渗透压会降低，从而产生渴觉
C. 核糖体中进行的化学反应有水生成 D. 休眠或越冬的植物体内自由水与结合水的比值会下降
【例6】在探索外星球是否存在生命的过程中，科学家始终把寻找水作为最关键的环节。水在生命中的意义表现为（ ）
A．是细胞鲜重中含量最多的化合物 B．在生物体内可以流动
C．能与蛋白质结合而体现生命活动现象 D．生化反应要在水中进行
【例7】水是生命之源，下面是有关水与生命活动的叙述，不正确的是（ ）
A．丙酮酸彻底氧化分解生成CO2的过程需要水的参与
B．水是有氧呼吸和无氧呼吸共同的代谢终产物
C．标记有氧呼吸消耗的氧气中的氧可在产物水中检测到
D．ATP转化成ADP的过程需要水
考点3：细胞中的无机盐
1．无机盐存在形式
（1）大部分以 形式存在。
（2）有些无机盐与蛋白质等物质结合成复杂的 。无机盐是细胞内 的重要组成成分，如血红蛋白中的Fe2+。许多无机盐对于维持细胞和生物体的 有重要作用。
2．无机盐的生理作用
（1）是细胞的结构成分：有些无机盐是细胞内某些复杂的化合物的重要组成部分，如
无机盐
参与组成的化合物
Mg2+
叶绿素必需的原料
Fe2+
血红蛋白的重要成分
I-
合成甲状腺激素的重要原料
PO43-
合成磷脂、核苷酸的原料，也是ATP、NADPH的主要组成成分
CaCO3
动物和人体骨骼、牙齿中的重要成分
（2） 参与并维持生物体的代谢活动：如哺乳动物血液中必须含有一定量的Ca2+，如果某个动物血液中钙盐的含量 就会出现抽搐；而Ca2+过多时，又会出现 现象等。
（3）维持生物体内的相对平衡：体内相对平衡是细胞能有稳定的结构和功能、生物能维持正常的代谢和生理活动的必要条件。有关体内平衡的内容很复杂，情况多变。其中三个主要方面与无机盐含量的稳定有密切关系：
渗透压的平衡： 对细胞外液渗透压起重要作用， 则对细胞内液渗透压起决定作用。
酸碱平衡(即pH平衡)：pH调节着细胞的一切生命活动，它的改变影响着原生质体组成物质的所有特性以及在细胞内发生的一切反应，如人血浆中的HCO-3、HPO2-4等。
离子平衡：动物细胞内外Na+/K+的比例是相对稳定的。细胞膜外 高、 低，细胞膜内 高、
低。K+、Na+这两种离子在细胞膜内外分布的浓度差，是使细胞可以保持反应性能的重要条件。
（4）某些无机盐含量过多或过少时，生物体会出现相应的病症。
缺Mg2+
影响叶绿素的合成
缺Fe2+
影响血红蛋白的合成，人就会患缺铁性贫血。
缺Ca2+
动物会出现肌肉抽搐现象
Ca2+过多
动物会出现肌肉乏力现象等
缺P
植株生长矮小、瘦弱、叶色暗绿、缺乏光泽，下部老叶和茎秆呈紫红色，开花结果少等
缺K+
植株的叶色暗绿或紫蓝，老叶的尖端和边缘会失绿直至干枯坏死
【例8】人的红细胞必须生活在0.9%的NaCl或5%的葡萄糖溶液中，若将红细胞置于浓盐水中，红细胞则会失水皱缩，从而失去输送氧气的功能。这一事实说明( )
A. 无机盐对维持生物体的细胞代谢有重要作用 B. 无机盐对维持细胞的渗透压有重要作用
C. 无机盐离子容易进出细胞 D. 水分子容易进出细胞
【例9】铁是血红蛋白的重要组成成分，血红蛋白是红细胞的主要成分。当人或哺乳动物体内含铁量减少时，红细胞运输氧的功能减弱，且含铁量过低时，人和动物则表现为贫血，同时会出现一系列的症状，如贫血的人面色苍白，容易疲劳，并有心慌气短、恶心、头痛、眩晕等症状。这一事实说明铁的作用为（ ）
A．细胞中某些化合物的重要组成成分 B．维持生物体的生命活动
C．维持细胞的正常生理活动 D．以上三项都是
【例10】下列有关生物体内水和无机盐的叙述错误的是（ ）
A．细胞代谢过程中，叶绿体、核糖体和中心体中都有水生成
B．水既是细胞内良好的溶剂，又是生物体内物质运输的主要介质
C．无机盐离子对维持血浆的正常浓度和酸碱平衡等有重要作用
D．镁是构成叶绿素的必需成分，植物缺乏镁时会导致叶片发黄
【例11】下列关于无机盐在生物体内所起作用的叙述中，错误的是（ ）
A．合成ATP、DNA、RNA、脂肪等物质时，都需要磷酸盐作原料
B．根瘤菌的固氮酶中含有钼、铁，说明某些金属元素可成为一些复杂蛋白质的构成元素
C．观察人的口腔上皮细胞时要用浓度为0.9%的生理盐水，观察蛙的肠系膜中血液流动时使用的生理盐水浓度为0.65%，这说明无机盐在维持细胞的形态和功能中有重要作用
D．人缺碘会患大脖子病，是因为碘是合成甲状腺激素的重要原料
【例12】如图表示分别测定A（完全培养液）、B（只缺锌元素的“完全培养液”）和C（在出现缺锌症状后提供锌元素，每隔24小时取样一次）三组大豆植株地上部分生长素（IAA）的含量柱形图。对此分析正确的是（ ）
A.锌元素与生长素的生成有关
B.锌元素是组成生长素的重要成分
C.缺锌不会导致农作物出现生长缓慢的现象
D.锌是植物体内必需的大量矿质元素之一
考点4：生物组织中糖类、脂肪和蛋白质检测
1．实验原理：某些化学试剂能够使生物组织中的有关有机物产生特定的颜色反应。
（1）还原性糖（葡萄糖、果糖、麦芽糖）与 发生反应，在水浴加热中生成 ；淀粉遇碘变 色。（氧化-还原反应）
（2）脂肪可被苏丹Ⅲ染液染成 ，被苏丹Ⅳ染液染成 色。
（3）蛋白质与 发生作用，产生 反应（络合反应）。
2．选择实验材料
（1）检测可溶性还原糖可选择 的植物组织，如苹果、梨、白色甘蓝叶、白萝卜等。
（2）检测脂肪可选择富含脂肪的植物种子，如花生种子。如果是新鲜花生种子，可不需浸泡，浸泡效果反而不好；如果是干种子，需浸泡3～4 h最适宜切片(浸泡时间短，不容易切片；浸泡时间过长，组织太软，切下的薄片不易成形)。
（3） 检测蛋白质可用浸泡后的大豆种子或鸡卵蛋白。
3．实验的注意事项
（1） 斐林试剂：NaOH(0.1 g·mL-1、CuSO4(0.05 g·mL-1) 1∶1 混匀（现用现配，混合使用)注入后水浴加热（50℃～65℃）。
（2）双缩脲试剂：NaOH(0.1 g·mL-1)、CuSO4(0.01 g·mL-1)分别滴入(使用不同时)，注入后振荡、不加热。
（3）苏丹Ⅳ染液：染色时间不宜过长，否则染液会过多的进入细胞间隙等而影响观察。
4．实验步骤
（1）还原糖鉴定的具体步骤

（2）脂肪鉴定的具体步骤

（3）蛋白质鉴定的具体步骤

5．实验中应注意问题
（1）在鉴定还原性糖的实验中：对试管中的溶液进行加热时，试管底部不要触及烧杯底部，另外，试管口不要朝向实验者，以免沸腾的溶液冲出试管，造成烫伤。或者在提取液与斐林试剂混合后，可用酒精灯直接加热，可缩短实验时间和增加安全性。
（2）在鉴定脂肪的实验中：
①装片制作方法如按教材所述，切片不薄，影响实验效果，可改为左手拇指与食指垂直捏压下端，右手拿刀片横向切割，切片可很薄。
②用苏丹Ⅲ染液染色时间不宜过长。做鉴定还原糖和蛋白质的实验时，在鉴定之前，可以留出一部分样液，以便与鉴定后样液的颜色变化作对比，这样可以增强说服力。
（3）在鉴定蛋白质的实验中：
①使用双缩脲试剂时，应先加双缩脲试剂A(0.1g/mL的NaOH溶液)造成碱性环境，再加双缩脲试剂B(0．01 g／mL的CuSO4溶液)。试剂B不能多加，否则会有蓝色的Cu(OH)2生成，遮盖颜色反应的真实结果。
②若使用鸡卵清蛋白，必须稀释。如果蛋白液稀释不够，与双缩脲试剂发生反应后会粘固在试管的内壁上，使反应不易进行彻底，并且试管也不容易刷洗干净。
6．斐林试剂与双缩脲试剂的区别
（1）斐林试剂与双缩脲试剂都是由两种溶液即NaOH和CuSO4组成，但两者也有区别：
某种试剂的浓度不同：NaOH的浓度是相同的，都是0.1g·mL-1，但CuSO4的浓度不同，斐林试剂中CuSO4为0.05mol/L，双缩脲试剂中CuSO4为0.01mol/L；
使用的顺序不同：斐林试剂中CuSO4与NaOH混合使用，而双缩脲中CuSO4与NaOH是分开使用；
反应发生的原理不同：在参与检测反应时，是以不同的反应物出现的，斐林试剂以Cu(OH)2形式参与反应，还原糖中含有（醛基），在碱性溶液中加热1～2 min，会被Cu(OH)2氧化成。而Cu(OH)2则被还原成Cu2O，呈现砖红色沉淀。实验过程中，必须是先将1mL斐林试剂滴入2mL的组织样液中，让其反应生成Cu(OH)2后，才能加入还原糖组织样液中。双缩脲试剂以Cu2+形式参与反应，具有两个或两个以上肽键的化合物在碱性条件下与Cu2+反应，生成紫色络合物。实验过程中，必须是先加入1mL的甲液振荡后，造成碱性环境，再滴入4～5滴乙液，振荡混合均匀。如果将甲液和乙液混合后加入，则混合液中不含有Cu2+，不会发生显色反应。
反应的条件不同：蛋白质鉴定时不需要加热，还原糖的鉴定需要加热（50℃～65℃）。
（2）斐林试剂与双缩脲试剂的比较与总结
比较项目
斐林试剂
双缩脲试剂

不同点
使用方法
甲液和乙液混合均匀后方可使用，且现配现用
使用时先加A液再加B液
呈色反应条件
需水浴加热
不需加热即可反应
反应原理
还原糖中的醛基被Cu(OH)2氧化，Cu(OH)2被还原为Cu2O
具有两个以上肽键的化合物在碱性条件下与Cu2+反应生成络合物
颜色
砖红色
紫色
浓度
乙液CuSO4浓度为 0.05g·mL-1
B液CuSO4浓度为 0.01g·mL-1
相同点
都含有NaOH、CuSO4两种成分，且所用NaOH浓度都是0.1 g·mL-1
7．检测生物组织中糖类、脂肪和蛋白质注意事项
（1） 还原糖鉴定实验材料要求
① 浅色：不能用绿色叶片、西瓜、血液等材料。
② 还原糖含量高：不能用马铃薯（含淀粉）、甘蔗、甜菜（含蔗糖）。
（2） 唯一需要加热——还原糖鉴定，且必须水浴加热，不能用酒精灯直接加热。若不加热则无砖红色沉淀出现。
（3） 唯一需要显微镜——脂肪鉴定。
（4） 记准混合加入——斐林试剂；分别加入——双缩脲试剂（先加A液，后加B液，且B液不能过量）。两者成分相同，但CuSO4的浓度不同，所以不能混用。
（5） 非还原糖（如蔗糖）+斐林试剂水浴加热现象不是无色而是浅蓝色［Cu(OH)2的颜色］
8．植物必需无机盐的实验验证
（1）对照实验
①对照组：正常植物+完全培养液 →生长正常
②实验组：正常植物+缺X完全培养液
（2）结果预测
①若生长正常 则X不是必需无机盐
②若出现病症则X是必需无机盐
【例13】下列有关实验及显色结果的叙述，正确的是( )
A. 常温条件下，蛋白质与双缩脲试剂发生作用呈现紫色
B. 常温条件下，核糖核酸与甲基绿作用呈现绿色
C. 沸水浴条件下，脱氧核苷酸与二苯胺发生作用呈现蓝色
D. 水浴加热条件下，蔗糖与斐林试剂发生作用生成砖红色沉淀
【例14】对表中所列待测物质的检测，对所选用的试剂及预期结果的描述，正确的是( )

A. 有一组不正确 B. 有二组不正确
C. 有三组不正确 D. 有四组不正确
【例15】在实验中，常用双缩脲试剂来鉴定蛋白质的存在。下列与双缩脲试剂发生作用，不能产生紫色反应的是（ ）
A．组成蛋白质的各种氨基酸的混和液 B．适宜条件下经胃液充分处理的蛋清溶液
C．高温处理的蛋清溶液 D．适宜条件下经肠液充分处理的蛋清溶液
〖自主练习〗
1．下图X、Y、Z是细胞中的三种化合物，X为细胞生命活动所需要的主要能源物质，Y、Z构成了细胞膜的主要成分，则下列说法不正确的是 ( )
A．相同质量的X和Z被彻底氧化分解，则Z的耗氧量多
B．Z能够指导Y的合成，使相关信息得以表达
C．生物膜的主要功能通过Y来体现，Z是生物膜的基本骨架
D． X与Y结合形成的化合物在细胞信息传递中发挥着重要作用
2．一种植物和一种哺乳动物体内细胞的某些化学元素含量（占细胞干重的质量分数%）如下表数据，下列有关叙述正确的是（ ）
A．碳元素的含量说明有机物是细胞干物质的主要成分
B．这两种生物体内所含的化学元素的种类差异很大
C． N、S含量说明动物组织含蛋白质较多，若该动物血钙高则会发生肌肉抽搐
D．经测定该植物某有机物含C、H、O、N、S，此化合物可能携带氨基酸进入核糖体
3．（多选）下列叙述不正确的是（ ）
A．所有的酶都含有C、H、O、N四种元素
B．放射性同位素标记法常用于追踪分泌蛋白的合成和分泌过程，可用35S做标记，因为蛋白质中都含有S
C．核糖体、中心体都不含有膜结构，因此都不含有磷元素。
D．线粒体和叶绿体中的磷元素主要分布于基质中，因为基质中含有DNA、RNA。

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