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第2讲 细胞中的元素和化合物 细胞中的无机物
[考纲要求] 1.水和无机盐的作用(Ⅰ)。2.实验：检测生物组织中还原糖、脂肪和蛋白质。
一、组成细胞的元素和化合物
[判一判]
1．生物界和非生物界在元素组成的种类和含量上都相同 ( × )
2．Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等是组成细胞的微量元素 ( × )
3．微量元素因含量少，所以对生命活动影响不大 ( × )
4．组成人体细胞的主要元素是O、C、H、N、P、S ( √ )
5．组成细胞的元素以化合物的形式存在 ( × )
6．占细胞鲜重最多的化合物是水，占细胞干重最多的化合物是蛋白质 ( √ )
[巧记] (1)记忆微量元素可利用口诀：铁 锰 碰 新 木 桶(Fe、Mn、B、Zn、Mo、Cu)。(谐音记忆法)
(2)记忆大量元素：C、H、O三种以H2O、CO2化合物形式吸收；N、P、K三大肥料元素；Mg、Ca、S——美好的东西应该留住。
[解惑] 碳是最基本元素不是因为干重含量最多，而是因为碳易构成基本骨架，是大分子物质形成的基础。
二、生物组织中糖类、脂肪和蛋白质检测的原理
[连一连]
[巧记] 苏丹Ⅲ遇脂肪，颜色变化为橘黄；砖红色沉淀何时显？斐林试剂把糖验；蛋白质类双缩脲，紫色络合无处藏。三、细胞中的无机物
1．细胞中水的存在形式及功能
(1)水在细胞中的存在形式有自由水和结合水两种。
(2)细胞中水的功能
①结合水是细胞结构的重要组成成分。
②自由水是细胞内的良好溶剂，参与许多生物化学反应，为细胞生存提供液体环境，运送营养物质和代谢废物等。
2．细胞中的无机盐
(1)在细胞中的存在形式：主要是离子。
(2)生理作用
①细胞的组成成分，如Mg2＋参与叶绿素合成；Fe2＋参与血红蛋白合成。
②维持生命活动。
[解惑] 种子晒干时减少的是自由水，细胞仍能保持活性；加热或炒熟失去的主要是结合水，种子死亡不萌发。
考点一 分析组成细胞的化学元素
1．完善细胞中的元素分类
2．元素与化合物的含量排序
(1)在组成细胞的元素中，占鲜重百分比前四位的依次是O>C>H>N；占干重百分比 前四位的依次是C>O>N>H。
(2)在组成细胞的化合物中，占鲜重百分比前四位的依次是水>蛋白质>脂质>糖类。但在干重百分比中，蛋白质最多。
3．生物界与非生物界的统一性和差异性分析
易错警示 组成细胞化学元素的2个误区
(1)误以为生物体内大量元素重要，微量元素不重要
大量元素、微量元素是根据元素的含量划分的。无论是大量元素还是微量元素，都是生物体必需的元素，对于维持生物体的生命活动都起着非常重要的作用。
(2)误以为细胞内含量最多的元素是C
细胞内含量最多的元素是O而不是C，组成细胞干重最多的元素是C。
1．(2012·江苏卷，1)下列关于细胞中化学元素的叙述，正确的是 ( )
A．细胞中一种元素的作用能被其他元素替代
B．细胞中的脱氧核苷酸和脂肪酸都不含有氮元素
C．主动运输机制有助于维持细胞内元素组成的相对稳定
D．细胞中的微量元素因含量极少而不如大量元素重要
答案 C
解析 细胞中不同元素的功能不尽相同，不能相互替代，如Mg参与叶绿素的构成、I参与构成甲状腺激素、Fe参与构成血红蛋白等，A项错误；脱氧核苷酸的组成元素是C、H、O、N、P，脂肪酸的组成元素是C、H、O，故脱氧核苷酸中含有氮元素，B项错误；主动运输能主动选择吸收细胞需要的营养物质，排出代谢废物和对细胞有害的物质，所以有助于维持细胞内元素组成的相对稳定，C项正确；微量元素含量虽少，但对于细胞的生命活动却是必不可少的，D项错误。
2．以下是生物体内四种有机物的组成与功能关系图，有关叙述错误的是 ( )
A．小麦种子中，物质A是葡萄糖，物质E是淀粉
B．相同质量的E和F彻底氧化分解，释放能量较多的是F
C．物质C的种类约有20种，基本组成元素是C、H、O、N
D．SARS病毒的物质H彻底水解后，产物是CO2和H2O
答案 D
解析 糖类是主要的能源物质，小麦种子中的主要糖类是淀粉，其基本单位是葡萄糖。生物体内主要的储能物质是脂肪(F)，与糖类相比，相同质量情况下，氧化分解后可释放出更多的能量。G是蛋白质，其基本单位是氨基酸，约有20种，基本组成元素是C、H、O、N。SARS病毒的遗传物质是RNA，其彻底水解后的产物是核糖、碱基和磷酸。
1．元素的组成分析及应用
(1)据特征元素推测化合物的种类：
(2)利用同位素示踪法通过标记特殊物质中的标志性元素，研究该物质在生物体内的合成运输等生理作用。
(3)从化合物的元素组成分析代谢产物：糖类、脂质和蛋白质都含有C、H、O，故其代谢产物都有CO2和H2O；蛋白质中还有N，其代谢产物中还含有尿素。
(4)从化合物的元素含量上分析氧化分解释放能量的多少：脂肪的含氢量多于糖类，因此等质量的脂肪彻底氧化分解时所消耗的O2比糖类多，释放的能量也多于糖类。
2．生物界具有统一性的拓展理解
(1)从化学元素角度分析：组成生物体的化学元素种类大体相同。
(2)从分子水平角度分析：①所有生物DNA分子的空间结构(规则的双螺旋结构)和化学组成(四种脱氧核苷酸)相同；②所有生物共用一套遗传密码子；③蛋白质的基本单位——氨基酸的种类基本相同。
(3)从结构角度分析：除病毒外，生物体都是由细胞组成的。
(4)从能量角度分析：生物体都是以ATP作为能量“通货”的。
考点二 聚焦生物体内的水和无机盐
1．完善生物体内水的综合关系图
思考 上述关系图中产生水的过程①②③⑤⑥发生的场所分别是叶绿体基质、线粒体内膜、细胞质基质和线粒体、核糖体、主要是细胞核；利用水的过程①②⑤发生场所分别是叶绿体基粒、线粒体基质、消化道。
2．生物体内无机盐生理功能的实验验证
(1)对照组
植物＋完全培养液―→正常生长
易错警示 与水的存在形式有关的3个易错点
(1)细胞内自由水/结合水比例升高，则代谢旺盛；反之代谢缓慢。
(2)秋冬季节，蒸腾作用弱，吸水减少，结合水含量相对升高，有利于植物抗寒性提高。
(3)升高或降低温度时，结合水与自由水可以相互转化，以增强细胞的抗逆性。升高温度时，自由水增多；反之，结合水增多。
3．植物在冬季来临过程中，随着气温的逐渐降低，体内发生了一系列适应低温的生理生化变化，抗寒能力逐渐增强。下图为冬小麦在不同时期含水量和呼吸速率变化关系图。请据图判断下列叙述不正确的是 ( )
A．气温下降导致蒸腾作用减弱是植物含水量变化的主要原因
B．植物抗寒性增强与结合水含量相对增多有关
C．植物抗寒性的变化与细胞呼吸无关
D．冬季植物对无机盐的吸收也会明显减少
答案 C
解析 温度降低，植物的代谢速率随之降低，产生的各种化合物减少，导致细胞液浓度降低而使细胞吸收的水分减少。结合水比值升高时，植物抗逆性增强。由图中可看出，随冬季来临，植物体内自由水含量下降，结合水含量上升。温度降低，细胞呼吸减弱，消耗的有机物减少，可溶性糖含量相对增加，从而使细胞液浓度增大，不易结冰。植物对无机盐的吸收是主动运输，主动运输需要消耗细胞呼吸产生的能量，由图中曲线可知，冬季气温下降，细胞呼吸减弱，产生的ATP减少，影响植物对无机盐的吸收。
4．关于水在人体内的生理作用，下列叙述正确的是 ( )
A．膝跳反射的兴奋传导离不开水
B．基因表达中的翻译过程没有水生成
C．用于留种的晒干种子中不含自由水
D．结合水的比例越高，人体细胞的代谢活动越旺盛
答案 A
解析 任何生命活动都离不开水，膝跳反射是一种反射活动，这个过程离不开水的参与。基因表达中的翻译过程也就是蛋白质的合成过程，即脱水缩合过程，有水的生成。用于留种的晒干种子中虽然失去了大部分的自由水，但是仍然含有少量的自由水。自由水的比例越高，人体细胞的代谢活动越旺盛。
坐标曲线题解答案例分析
以上面第3题为例：(1)仔细读题：识图明确题干及图中曲线所提供的信息。
(2)提取有效信息：冬季气温下降→植物含水量下降，自由水含量下降，结合水含量 上升→植物细胞呼吸速率下降。
(3)联系所学水分相对含量与植物细胞代谢强度及抗逆性的关系分析每一小题涉及的问题，归纳作答。
实验二 聚焦生物组织中特定有机物的检测
1．完善实验原理及步骤
2．斐林试剂和双缩脲试剂的比较
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即可使用，且现配现用
使用时先加A液再加B液
实质
新配制的Cu(OH)2反应
碱性条件下的Cu2＋
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0.05_g/mL
B液CuSO4浓度为0.01_g/mL
相同点
都含有NaOH、CuSO4两种成分，且所用NaOH浓度都是0.1_g/mL
易错警示 有关物质鉴定实验的3点提示
(1)在物质鉴定实验中应注意选择无色或颜色浅的材料，这样可以避免材料本身的颜色掩盖反应结果，如鉴定还原糖一般不用有色的叶片，鉴定蛋白质一般不用血红蛋白等。
(2)物质鉴定实验一般不设立对照实验，若需设立对照实验，对照组应加入成分已知的物质，如验证唾液淀粉酶是蛋白质，对照组可加入稀释的鸡蛋清。
(3)易写错别字提示：“斐林试剂”中的“斐”不可错写成“非”；双缩脲试剂中的“脲”不可错写成“尿”。
5．(2012·广东卷，3)分析下表，可推测 ( )
溶液
双缩脲试剂
碘液
斐林试剂
甲
＋
－
－
乙
－
＋＋
－
甲、乙混合
＋
＋
＋
注：“＋”显色；“＋＋”显色更深；“－”不显色。
A．甲溶液含有淀粉 B．乙溶液含有还原糖
C．混合溶液不含淀粉 D．混合溶液含有淀粉酶
答案 D
解析 双缩脲试剂、碘液、斐林试剂分别用于检测蛋白质、淀粉和还原糖。根据实验结果可知：甲溶液中含有蛋白质，不含淀粉，A项错误；乙溶液中含有淀粉，不含还原糖，B项错误；混合溶液遇碘呈蓝色，说明混合溶液中含有淀粉，C项错误；甲、乙混合后淀粉含量减少并产生了还原糖，说明甲溶液中的淀粉酶将淀粉部分水解产生了还原糖，D项正确。
6．用碘液、苏丹Ⅲ染液和双缩脲试剂测得甲、乙、丙三种植物的干种子中三大类有机物的颜色反应如下表，其中“＋”的数量代表颜色反应深浅程度，下列有关说法不正确的是 ( )
试剂
种类
碘液
苏丹Ⅲ染液
双缩脲试剂
甲
＋＋＋＋
＋＋
＋
乙
＋＋
＋＋＋＋
＋＋
丙
＋
＋＋
＋＋＋＋
A.乙种子中主要含蛋白质
B．碘液、苏丹Ⅲ染液和双缩脲试剂与相应的物质发生的颜色反应分别是蓝色、橘黄色和紫色
C．在观察颜色时有可能用到光学显微镜
D．这三种试剂的使用均不需要水浴加热
答案 A
解析 碘液用于检验淀粉的存在，其颜色反应为蓝色；苏丹Ⅲ染液用于检验脂肪的
存在，其颜色反应为橘黄色；双缩脲试剂用于检验蛋白质的存在，其颜色反应为紫
色。分析表格可知，甲种子中主要含淀粉，乙种子中主要含脂肪，丙种子中主要含
蛋白质。在脂肪的切片法鉴定实验中需要用光学显微镜进行观察。
物质鉴定实验中重要操作归纳
1．加热。只有鉴定还原糖时，需要在50～65 ℃温水浴中加热才能出现砖红色沉淀，其余两个实验不需加热。
2．用量。鉴定蛋白质时，如待测组织样液为2 mL，则A液为1 mL，B液为4滴。注意B液用量不能过量，否则会与A液产生蓝色Cu(OH)2沉淀，干扰实验的紫色现象。
3．显微镜。脂肪鉴定时可用显微镜，如要观察橘黄色脂肪颗粒，则一定要在显微镜下
观察。
序号
错因分析
正确答案
序号
错因分析
正确答案
①
忽视等量性原则
2 mL蛋白质
②
表述不完整
NaOH溶液
③
把探究实验误认为验证实验
若出现砖红色沉淀，则证明牛奶中含有还原糖，否则无还原糖
④
把探究实验误认为验证实验
若出现紫色，则证明牛奶中含有蛋白质，否则无蛋白质
⑤
对照组不完整
B、C
⑦
对探究类实验的目的不明确
通过对照探究牛奶中是否含有还原糖
⑥
对照组不完整
B、C
教师备课资源(教师用书独具)
1．有关元素的含量分析
项目
判断依据
包含元素
大量元素
占生物体总重量万分之一以上的元素
C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg
微量元素
生命活动必需，但需要量很少的元素
Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo
主要元素
共占细胞总量的97%以上
C、H、O、N、P、S
基本元素
无论干重还是鲜重，C、H、O、N都是含量最多的四种元素
C、H、O、N
最基本
元素
构成有机物的基本骨架
C
图解模型
特别提醒 无论是大量元素还是微量元素，都是生物体必需的元素，对于维持生物体的生命活动起着非常重要的作用。例如P是组成ATP、膜结构的重要成分；Ca2＋是组成骨骼、牙齿的成分；Mg2＋是叶绿素的成分；Fe2＋是血红蛋白的成分。
2．有关元素的作用分析
元素
生理作用
含量异常
N
蛋白质、ATP、NADP＋、叶绿素、核苷酸等的组成元素之一
植物缺N时，植物矮小、叶片薄而黄
P
ATP、NADP＋、核苷酸、磷脂的组成元素之一；动物牙齿、骨骼的组成成分
植物缺P时，开花迟而小、植株易倒伏
I
甲状腺激素的组成成分
人体缺乏时患地方性甲状腺肿或呆小症
Fe
组成血红蛋白的元素之一
人体缺乏时患缺铁性贫血
Ca
降低神经系统的兴奋性
动物血钙过低时，会出现抽搐现象；血钙过高时，会患肌无力
Mg
组成叶绿素的元素之一
缺乏时叶片变黄，影响光合作用
B
促进花粉的萌发和花粉管的伸长
油菜缺硼时，会出现“花而不实”
K
促进植物体内淀粉的运输；维持动物细胞内液渗透压
植物缺乏时抗逆能力减弱，易受病虫害侵袭
3.同位素示踪法在高中生物中的应用示例
同位素示踪法是利用放射性元素作为示踪剂，对研究对象进行同位素标记的微量分析方法。用于研究细胞或生物体内元素或化合物的来源、组成、分布和去向等，进而了解化学物质的变化、反应机理或细胞的结构和功能。用于示踪的放射性同位素一般是细胞化合物的重要元素，如3H、14C、15N、18O、32P、35S等。
高中生物涉及的实例：
(1)分别以HO和C18O2作为原料，探究光合作用释放的氧气全部来自于水。
(2)用14CO2追踪光合作用的暗反应过程，证明了在C3植物中碳的转化过程为14CO2→14C3→(14CH2O)。
(3)标记植物吸收的某种矿质元素(15N)，探究矿质元素在植物体内的运输途径。
(4)分别用32P和35S标记噬菌体的DNA、蛋白质，用该噬菌体侵染未标记的大肠杆菌，探究噬菌体的遗传物质是DNA。
(5)用15N标记DNA分子中的碱基，探究DNA分子的半保留复制。
(6)人工合成带有放射性同位素(32P)标记的单链DNA片段，制成DNA探针，用于基因诊断或检测饮用水中的某种病菌。
(7)用3H标记氨基酸，探究分泌蛋白在细胞中的合成、运输与分泌途径。
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