2.1 细胞中的元素和化合物（学生版）-高一生物同步精品讲义（人教2019必修1）

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2.1 细胞中的元素和化合物 1.说出组成细胞的元素来自自然界，但各种元素相对含量与无机环境不同。2.说出组成细胞的大量元素和微量元素，说出组成细胞的化合物的主要种类。3.进行生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质的检测，理解实验原理，得出实验结论。 知识点01  组成细胞的元素1.细胞中常见的化学元素有20多种，大多以化合物形式存在。根据元素在细胞中的含量划分为大量元素和微量元素。大量元素包括C、H、0、N、 P、S、K、Ca、Mg等，微量元素有Fe、Mn、Zn、Cu、B、Mo等，含量很高的四种元素是C、H、0、N。2.组成细胞的化学元素都能在无机自然界找到，没有一种是生物体特有的，这说明生物界和非生物界的物质组成具有统一性；与无机自然界相比，各种元素的相对含量大不相同。【归纳提升】①组成细胞的化学元素不论含量多少，必需元素在生物体内都有不可替代的作用，没有这些元素生物体就不能表现出相应的生命活动。②大量元素和微量元素划分的依据是含量的多少，而不是其对生理作用的重要性，大量元素和微量元素都是生命活动的必需元素。③微量元素虽然在细胞中的含量少，但是对于维持细胞的生命活动是必不可少的。④构成细胞的最基本元素是C。⑤组成生物体的化学元素在无机环境中都可以找到，没有一种是生物体所特有的，说明了生物界和非生物界具有统一性的一面。生物体起源于非生物环境。⑥组成生物体的化学元素与自然界中的相应元素的含量有一定的差异性。地壳中含量较多的四种元素是O、Si、Al、Fe；而细胞中含量较多的是0、C、H、N。含量之所以有差异，原因是生物体有选择地从环境中吸收生命活动所需要的元素。【视野拓展】化学元素在生物体内的重要作用元素功能元素功能C、H、O构成生命有机体的基本元素。I是合成甲状腺激素的必需元素。PP是构成磷脂、核酸和ATP的必需元素。植物体内缺P，会影响到DNA的复制和RNA的转录，从而影响到植物的生长发育。P还参与植物光合作用和呼吸作用中的能量传递过程，因为ATP和ADP中都含有磷酸基。P也是容易造成水域生态系统富营养化的一种元素。植物缺P时老叶易出现茎叶暗绿或呈紫红色，生育期延迟。CaCa是构成人体骨骼和牙齿的主要成分，人体缺之会患骨软化病。血液中的Ca2+含量低会引起抽搐，过高则会引起肌无力。血液中游离的Ca2+具有促进血液凝固的作用，如果用柠檬酸钠或草酸钠除掉血液中游离的Ca2+，血液就不会发生凝固。S 蛋白质一般都含有S（甲硫氨酸含S），而核酸一般都不含S；所有核酸都含P，而蛋白质一般不含有P。所以，分子遗传学实验时常用S的放射性同位素标记蛋白质，常用P的放射性同位素标记核酸。Fe是细胞色素、血红蛋白和许多含铁酶类的组成成分，缺乏会患缺铁性贫血。与氧的运输和许多物质的代谢有关，是某些酶的活化中心。血红蛋白中的Fe是二价铁，三价铁是不能利用的。NN是构成叶绿素、ATP、蛋白质和核酸等最重要生命物质的必需元素。N在植物体内形成的化合物都是不稳定的或易溶于水的，故N在植物体内可以自由移动，缺N时，幼叶可向老叶吸收N而导致老叶先黄。Zn是某些酶的组成成分，也是酶的活化中心。Zn2+有助于人体细胞的分裂，促进大脑发育和性成熟。K促进植物生长，对神经兴奋的传导和肌肉的收缩有重要作用。维持离子浓度平衡，调节体液渗透压，在植物中以离子形态存在，与光合作用中糖类的运输有关。B促进花粉的萌发和花粉管的伸长，缺乏植物会出现“花而不实”。Mg叶绿素的组成元素。也是很多酶的激活剂。植物缺镁时老叶易出现叶脉失绿。Mo固氮酶等所必需的元素。 知识点02  组成细胞的化合物类别化合物质量分数/%元素组成无机化合物水85～90H、O无机盐1～1.5多种元素有机化合物蛋白质7～10主要由C、H、O、N四种元素组成，很多蛋白质还含有S元素核酸1～1.5C、H、O、N、P糖类C、H、O脂质1～2C、H、O等 【易错提醒】①细胞鲜重中，含量最多的化合物是水，含量最多的有机化合物是蛋白质。细胞干重中，含量最多的化合物是蛋白质。②有机化合物即有机物，是指除一氧化碳、二氧化碳、碳酸盐、碳酸等以外的含碳化合物。③不同种类细胞中化合物的含量不同，例如，植物的叶肉细胞、果实细胞和种子细胞中通常含有较多的糖类、脂质和蛋白质，禾谷类的果实、种子中含淀粉（多糖）较多，花生、芝麻种子中含脂质多，大豆种子中含蛋白质多，等等。 知识点03  检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质1.检测原理：某些化学试剂能够使生物组织中的有关有机化合物产生特定的颜色反应。①还原糖的检测：斐林试剂能够使生物组织中的还原糖，在加热条件下产生砖红色沉淀。②淀粉的检测：碘能够使生物组织中的淀粉产生蓝色反应。③脂肪的检测：苏丹Ⅲ使生物组织中的脂肪产生橘黄色反应。④蛋白质的检测：双缩脲试剂使生物组织中的蛋白质产生紫红色反应。2.生物组织中糖类、脂肪和蛋白质的检测 材料试剂检测方法步骤颜色变化还原糖含还原糖丰富的组织斐林试剂待测组织样液2mL→注入斐林试剂1mL→摇匀→50～60℃温水加热→观察颜色变化浅蓝色→棕色→砖红色沉淀淀粉含淀粉丰富的组织碘液待测组织样液2mL→注入碘液2滴→摇匀→观察颜色变化淀粉溶液变蓝色脂肪含脂肪丰富的组织苏丹Ⅲ试剂花生种子浸泡去皮→切薄片→染色→去浮色→显微镜观察脂肪被染成橘黄色蛋白质含蛋白质丰富组织双缩脲试剂⑩待测组织样液→注入双缩脲试剂A液1mL，摇匀→注入双缩脲试剂4滴，摇匀→观察颜色变化出现紫红色 3.斐林试剂和双缩脲试剂： 成分使用方法斐林试剂甲液：质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液现用现配：取甲液和乙液等量混合均匀，马上使用乙液：质量浓度为0.05g/mL的CuSO4溶液双缩脲试剂A液：质量浓度为0.1g/mL的NaOH溶液不能提前混合：向组织样液注入双缩脲试剂A液1mL，摇匀→注入双缩脲试剂4滴，摇匀B液：质量浓度为0.01g/mL的CuSO4溶液 【归纳总结】斐林试剂和双缩脲试剂的异同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，且现用现配使用时先加A液再加B液显色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或酮基被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变化出现砖红色沉淀样液变紫色浓度乙液CuSO4溶液的质量浓度为0.05 g/mLB液CuSO4溶液的质量浓度为0.01 g/mL相同点都含有NaOH、CuSO4两种成分，且所用NaOH溶液的质量浓度都是0.1 g/mL 【易错提醒】①检测还原糖时，使用水浴加热，试管底部不要触及烧杯底部，以防受热不均匀。②检测脂肪时，染色时间不宜过长，否则脂肪会溶解在酒精中，使橘黄色消失。③检测蛋白质时，双缩脲试剂的加入顺序：先加A液，再加B液，而且B液不能过量。目的是先制造碱性环境。若先加B液或B液过量，会生成Cu(OH)2，干扰颜色反应。④在蛋白质检测实验中，需要对鸡蛋清稀释到一定程度，否则与双缩脲试剂发生反应后，会黏在试管的内壁上，反应不彻底，试管也不易刷洗。⑤还原糖、蛋白质的检测实验中，在加入相应试剂检测之前，要留出一部分组织样液，以便与检测后的样液颜色进行对比。⑥选择实验材料时，一是要选富含需要鉴定的物质，二是最好选用白色或近于白色的材料，避免颜色干扰，影响实验结果。 考法01  辨析组成细胞的元素1.在不同生物细胞中含量较多的元素都是C、H、O、N，原因是不同细胞的主要成分都是水、糖类、脂质和蛋白质等，水由H、O组成，糖类、脂质和蛋白质都含有C、H、O，蛋白质中含有大量的N。2.组成不同生物细胞的元素中基本相同，但同种元素在不同生物细胞中的含量有较大差别。如玉米细胞中O的含量远高于人体细胞，人体细胞中C、N、Ca、P的含量又远高于玉米细胞，这与细胞的物质组成和结构有关，是不同生物差异性的表现。3.有些元素在细胞中含量很少，但并不意味它们不重要。由于不同元素参与构成的物质不同，不同元素在细胞和生物体代谢中所起的作用不同，因此组成生物细胞的元素含量有很大差别。每种元素都有不可替代的功能，如人缺铁导致血红蛋白不能合成，植物缺镁叶绿素不能合成。例1．组成人体细胞的元素含量有不同的统计方法，如鲜重中C占18%，O占65%，而干重中C占55.99%，O占14.62%。下列关于人体细胞元素组成的说法，正确的是(　　)A．人体细胞中C、H、O、Fe都是大量元素B．干重中C的含量高是因为细胞失水C．组成人体细胞的元素，常见的有30多种D．构成人体细胞的元素在地壳中不一定能找到【答案】B【解析】Fe是微量元素，不是大量元素，A项错误；鲜重和干重是根据细胞是否失水划分的，干重中C的含量高是因为细胞失水，B项正确；组成细胞的元素常见的有20多种，C项错误；构成人体细胞的所有元素在地壳中都能找到，没有一种是人体细胞所特有的，D项错误。【典例1】下列有关组成细胞和生物体元素和化合物的叙述中，不正确的是（   ）A.组成细胞的元素都以化合物形式存在B.细胞中Mg含量远低于O含量，但Mg具有不可替代的作用C.生物体有选择地从无机自然界获取各种物质来组成自身D.占鲜重和占干重前4位的元素分别是O、C、H、N和C、O、N、H【答案】A【解析】组成细胞的元素大多数以化合物形式存在，而不是都以化合物形式存在，A不正确；虽然组成生物细胞的元素含量有很大差别，但每种元素都有不可替代的功能，B正确；不同细胞对物质需求存在差异，生物体有选择地从无机自然界获取各种物质来组成自身，C正确；统计数据显示占鲜重和占干重前4位的元素分别是O、C、H、N和C、O、N、H，D正确。考法02  组成细胞的化合物若下图中A、B、C表示细胞中化合物含量。①细胞中有机物和无机物的主要区别是：有机物通常指含碳元素的化合物，具有碳架结构，种类繁多；无机物一般指组成里不含碳架结构的物质，但碳的氧化物、碳酸盐、氰化物等属于无机物。②若图表示细胞鲜重的化合物含量，则A表示水、B表示蛋白质、C表示其他化合物。③若图表示细胞干重（脱水）的化合物含量，则A表示蛋白质、B表示除蛋白质外的其他有机物、C表示无机盐。④不同种类细胞中化合物的种类差别不大，但不同化合物的含量有较大差别。【典例2】下列有关细胞中化合物的说法，正确的是(　　)A.构成细胞的化合物在无机自然界都能找到B.细胞中有机物的含量比无机物的含量高C.并不是所有细胞中的化合物含量都一样D.含有碳元素的是化合物，反之是无机物【答案】C【解析】构成细胞的任何一种元素在无机自然界都能找到，没有一种元素是细胞特有的，但构成细胞的化合物是生物体合成的，与生命活动密切相关，在无机自然界中是找不到的，如血红蛋白等，A错误；细胞中含量最的的是水，水是无机物，细胞中有机物的含量比无机物的含量少，B错误；各种化合物在不同的细胞内种类相似，但含量不同，C正确；含有碳元素的不一定是有机物，如CO2，D错误。考法03  检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质1.实验材料的选择：还原糖的检测要选择可溶性还原糖含量高、组织颜色较浅或近于白色的植物，如苹果、梨、白萝卜；脂肪的检测要选择富含脂肪的种子，如花生种子；蛋白质的检测要选择富含蛋白质的生物组织（或器官），如大豆、鸡蛋。如用大豆可直接用豆浆做实验材料；如用鸡蛋要用蛋清。2.检测的常用的方法有两种。一是利用生物组织（或器官）制备组织样液，用特定试剂检测组织样液是否发生特定颜色反应，如教材中还原糖和蛋白质的检测；而是把生物组织（或器官）切片制成装片，染色后在显微镜下观察，如教材中对脂肪的检测。3.检测时应特别注意的问题：还原糖检测时，斐林试剂要现用现配，且需要水浴加热（50～60 ℃，温水浴）；脂肪检测时，切片要薄且染色后要用体积分数为50%的酒精溶液洗去浮色；蛋白质检测时，要对豆浆和蛋清稀释，如果蛋白质浓度过高，蛋白质与双缩脲试剂发生反应后会凝固在试管内壁上，使反应不容易进行彻底，且试管也不容易刷洗干净。4.还原糖检测需要水浴加热；脂肪检测需要用体积分数为50%的酒精洗去浮色，且使用显微镜观察。蛋白质检测时，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。【典例3】洋葱肥大的鳞茎中含约糖类8.5%，其所含有的糖类是淀粉还是可溶性还原糖？以此作为研究课题，请你完成下面的问题。
（1）实验目的：探究洋葱肥大的鳞茎中所含的糖是淀粉还是可溶性还原糖。
（2）实验原理：淀粉可用            来检测，可溶性还原糖可用            试剂来检测。
（3）实验器材：紫色洋葱鳞茎，相关试剂，榨汁机、           、试管、滴管等。
（4）写出检测洋葱组织中所含糖类是淀粉还是可溶性还原糖的实验设计思路。并预期实验结果得出实验结论。        【答案】（2）碘液　斐林（3）水浴锅（4）实验设计思路：出去紫色洋葱鳞茎紫色外表皮，用榨汁机榨取洋葱鳞茎组织样液。在甲、乙 2个规格相同的洁净试管各注入洋葱组织样液2mL，甲试管加入新制斐林试剂1mL混匀，乙试管加入2滴碘液混匀。将试管甲置于50℃～65℃的水浴锅中加热2 min；试管乙不做处理，观察4只试管的颜色变化。预期实验结果和得出实验结论：①甲试管出现砖红色沉淀，乙试管不变蓝；洋葱鳞茎所含糖类是可溶性还原糖，不含淀粉；②甲试管出现砖红色沉淀，乙试管变蓝；洋葱鳞茎所含糖类是可溶性还原糖和淀粉；③甲试管不出现砖红色沉淀，乙试管变蓝；洋葱鳞茎所含糖类是淀粉，不含可溶性还原糖。【解析】（2）实验原理：淀粉遇碘液变蓝色，可用碘液来检测淀粉；斐林试剂与还原糖在加热时，溶液会出现砖红色沉淀。所以，淀粉可用碘液来检测，可溶性还原糖可用斐林试剂来检测。（3）检测还原糖时，需要水浴加热，实验器材应包括水浴锅。（4）因检测的是洋葱组织中所含糖类是淀粉还是可溶性还原糖，应设两组实验，一组在洋葱组织样液中加入斐林试剂检测洋葱鳞茎是否含有可溶性还原糖，一组在洋葱组织样液中加入碘液检测洋葱鳞茎是否含有淀粉。
 题组A  基础过关练1.电影《侏罗纪公园》中恐龙是霸主动物，可是我们知道恐龙早已灭绝了。请你推测一下，在组成恐龙细胞的各种元素中，含量最多的四种元素是(　　)A．C、O、Ca、K  B．C、H、O、NC．O、C、N、P  D．C、H、O、P2.人体内有20多种微量元素，它们的含量很少，但是对人体的健康却起着重要作用。下列各元素全部是微量元素的是(　　)A．Na、K、Cl、S、O  B．Fe、Zn、Cu、MoC．H、O、C、N、P                  D．Cu、Ca、Mg、C3.下列关于组成细胞的元素和化合物的叙述，正确的是(　　)A.活细胞中含量最多的化学元素都是氧B.活细胞中含量最多的化合物都是蛋白质C.人体活细胞各种化合物与食物化合物成分相同D.在不同的细胞中各种化合物的种类基本相同，含量有差别4．下列有机物的鉴定实验中，导致实验失败的操作是（   ）A.鉴定淀粉时，直接把碘液加入到淀粉样液中
B.鉴定脂肪时，在花生种子匀浆中滴加染液后，直接进行观察
C.鉴定还原糖时，注入新配制斐林试剂摇匀后，60 ℃水浴加热D.鉴定蛋白质时，把A、B液混合后再加入蛋白质样液中5.在生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定实验中，对实验材料的选择，下列叙述错误的是（   ）A.斐林试剂和双缩脲试剂的配制都需要0.1g/mL的NaOH溶液B.花生种子含脂肪多且子叶肥厚，是用于脂肪鉴定的理想材料C.用鸡蛋清进行蛋白质鉴定实验时，应对鸡蛋清进行稀释处理D.甘蔗茎、甜菜块根含糖丰富且近于白色，适合还原糖的鉴定6．人体细胞中含量最多的有机化合物是A.水 B.蛋白质 C.糖类 D.核酸题组B  能力提升练7.科学家在利用无土栽培法培养一些名贵花卉时，培养液中添加了多种必需化学元素。其配方如下表所示，其中植物根细胞吸收最少的离子是(　　)离子K＋Na＋Mg2＋Ca2＋NOH2POSOZn2＋培养液浓度(mmol·L－1)110. 251210.251A.Ca2＋    B．SO     C．Zn2＋     D．H2PO8.下图表示细胞中几种化合物的含量，以下按图中①②③④顺序排列相对应的是(　　)A.水、蛋白质、糖类、脂质B.蛋白质、糖类、脂质、水C.水、蛋白质、脂质、糖类D.蛋白质、水、脂质、糖类9.油菜种子成熟过程中部分有机物的变化如下图所示。将不同成熟阶段的种子匀浆后检测，结果正确的是(　　)选项取样时间检测试剂检测结果A第10 d斐林试剂不显色B第20 d双缩脲试剂不显色C第30 d苏丹Ⅲ染液橘黄色D第40 d碘液蓝色 10.现提供新配制的斐林试剂甲液(质量浓度为0.1 g/mL的NaOH溶液)、乙液(质量浓度为0.05 g/mL的CuSO4溶液)、蒸馏水，充分利用上述试剂及必需的实验用具，能鉴别出下列哪些物质(　　)①葡萄糖　②蔗糖　③胰蛋白酶　④脂肪A．只有①    B．①和②    C．①和③　  D．②③和④11.下图表示小麦开花数天后测定种子中主要物质的变化，请据图回答问题：（1）小麦成熟种子中主要的营养物质是________。（2）检测还原糖的试剂是________，可溶性还原糖的多少可通过________来判断。（3）小麦种子成熟过程中，胚乳里蔗糖与可溶性还原糖含量比较。两者的变化趋势________。（4）种子成熟时，淀粉的形成与一种磷酸化酶的活性有密切关系，为验证磷酸化酶是否是蛋白质，实验过程中实验组试管中加入2 mL________，对照组试管中加入________，然后加入等量的________如果出现________现象，则证明磷酸化酶是蛋白质。12.现有无标签的稀蛋清、葡萄糖、淀粉和淀粉酶溶液各一瓶，请结合资料信息，使用提供材料将它们区资料：淀粉酶的化学本质是蛋白质，可以催化淀粉分解为还原糖。提供的材料：带有标签的双缩脲试剂、斐林试剂和淀粉溶液各一瓶。实验方法：（1）先用一种试剂将上述4种溶液区分为两组，这种试剂是             ，其中发生显色反应的一组是       和     溶液，不发生显色反应的一组是     和      溶液。
（2）再用      试剂区分不发生显色反应的一组溶液，出现         的是         ，另一种是      。（3）区分发生显色反应的一组溶液的方法及鉴定结果是                                        。 题组C  培优拔尖练13.（2017·课标I2题改编）下列关于细胞中有机物鉴定的叙述，错误的是（   ）A.斐林试剂和双缩脲试剂所用CuSO2溶液浓度不同B.检测氨基酸的含量可用双缩脲试剂进行显色C.若要观察细胞中脂肪颗粒可选择苏丹Ⅲ染色D.斐林试剂是含有Cu2+的碱性溶液，可被葡萄糖还原成砖红色14.（2016·江苏卷5题改编）]关于生物组织中还原糖、脂肪、蛋白质的鉴定实验，下列叙述正确的是(　　)A.还原糖、脂肪的鉴定通常分别使用双缩脲试剂、苏丹ⅢB.鉴定还原糖、蛋白质和脂肪都不需要进行水浴加热C.双缩脲试剂和斐林试剂的配制都需要NaOH溶液D.脂肪、蛋白质鉴定时分别可见橘黄色颗粒、砖红色沉淀15.（2021·吉林东北师大附中期末考试）长春市西郊老李农场的技术员对作物种子发育过程中有机物积累及转化进行动态监测。下列有关检测方法及出现结果的叙述，不正确的是（    ）A.嫩大豆种子切片→苏丹 III 染液染色→显微镜观察被染成橘黄色的脂肪颗粒B.嫩小麦籽粒加水研磨→离心取上清液→加革兰氏碘液加热→观察蓝色检测淀粉C.嫩花生种子加水研磨→离心取上清液→加双缩脲试剂→依据紫色反应检测蛋白质D.嫩甜玉米籽粒加水研磨→离心取上清液→加斐林试剂水浴加热→观察砖红色检测还原糖16.（2019·江苏卷，30）为探究玉米籽粒发芽过程中一些有机物含量的变化，研究小组利用下列供选材料用具进行了实验。材料用具：玉米籽粒；斐林试剂，双缩脲试剂，碘液，缓冲液，淀粉，淀粉酶等；研钵，水浴锅，天平，试管，滴管，量筒，容量瓶，显微镜，玻片，酒精灯等。请回答下列问题：（1）为了检测玉米籽粒发芽过程中蛋白质（肽类）含量变化，在不同发芽阶段玉米提取液中，分别加入__________试剂，比较颜色变化。该实验需要选用的器具有__________（填序号）。①试管     ②滴管    ③量筒    ④酒精灯    ⑤显微镜（2）为了检测玉米籽粒发芽过程中淀粉含量变化，将不同发芽阶段的玉米籽粒纵切，滴加__________，进行观察。结果显示，胚乳呈蓝色块状，且随着发芽时间的延长，蓝色块状物变小。由此可得出的结论是__________。（3）为了验证上述蓝色块状物变小是淀粉酶作用的结果，设计了如下实验；在1～4号试管中分别加入相应的提取液和溶液（如下图所示），40 ℃温育30 min后，分别加入斐林试剂并60 ℃水浴加热，观察试管内颜色变化。请继续以下分析：①设置试管1作为对照，其主要目的是_________。②试管2中应加入的X是__________的提取液。③预测试管3中的颜色变化是_________。