高中第1节 细胞中的元素和化合物学案

第1节　细胞中的元素和化合物

必备知识·夯实双基

一、组成细胞的元素

1．生物界与非生物界的统一性和差异性

(1)统一性：组成生物体的各种元素在__无机自然界__中都能找到。

(2)差异性：细胞中各种元素的__相对含量__与无机环境的大不相同。

2．元素的种类和含量

(1)元素

(2)含量：__C、H、O、N__含量很高。

二、组成细胞的化合物

三、检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质

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┃┃活学巧练__■

(1)组成生物体的每一种元素都可以在非生物界中找到。(√)

(2)Ca、Mg、Fe、Mn、Zn、Cu、B、M等是组成细胞的微量元素。(×)

(3)组成细胞的元素中C、O、H、N四种元素的含量最多。(√)

(4)在人体活细胞中氢原子的数目最多。(√)

(5)活细胞中含量最多的有机化合物是蛋白质。(√)

(6)鉴定待测样液中的蛋白质时，先加NaOH溶液，振荡后加入CuSO4溶液。(√)

(7)还原糖和蛋白质的检测都需要水浴加热。(×)

(8)在利用花生子叶进行脂肪鉴定时，染色后要用体积分数为50%的酒精溶液洗去浮色，便于观察实验结果。(√)

思考：

1．就人体细胞而言，干重与鲜重中含量占前四位的元素分别是什么？  出现这种差异的原因是什么？

提示：干重：C>O>N>H　鲜重O>C>H>N，因为鲜重中“H2O”含量最多，故可导致鲜重中“O、H”比例上升。

2．检测生物组织中的还原糖时，老硬的树皮和多汁的果实都适合作为实验材料吗？西瓜和梨哪个更适合作为实验材料？说出你的理由。

提示：老硬的树皮和多汁的果实中还原糖的量不同，一般选择多汁的果实进行检测。

梨更适合作实验材料。因为西瓜中的红色会影响实验结果的观察，所以梨是最好的实验材料。

3．鉴定还原糖时使用的斐林试剂为何要现配现用？

提示：因为斐林试剂很不稳定，容易产生蓝色的Cu(OH)2沉淀，所以应将甲液和乙液分别保存，使用时现配现用。

4．鉴定蛋白质时，加入试剂B后，如果没有产生紫色反应，可能的原因是什么？

提示：可能加入的双缩脲试剂B过量，CuSO4在碱性溶液中生成大量的蓝色Cu(OH)2絮状沉淀，会遮盖实验中所产生的紫色，影响观察结果。

课内探究·名师点睛

知识点

组成细胞的元素

1．元素种类

(1)C占人体细胞干重的55.99%，C原子本身的化学性质使它能够通过化学键连接成链或环，从而形成各种生物大分子。可以说，地球上的生命是在C的基础上建立的，因此C是组成细胞的最基本的元素。

(2)无论细胞干重还是细胞鲜重，C、H、O、N都是细胞中含量最多的四种元素，因此被称为基本元素。

(3)C、H、O、N、P、S这六种元素约占人体细胞总质量的97%，是细胞中的主要元素。

(4)不同生物体内所含化学元素的种类基本相同，但含量是不同的；同一生物体内不同元素的含量一般不相同。

特别提醒：细胞鲜重和细胞干重

(1)细胞鲜重：细胞在自然生活状态下的质量。细胞鲜重中含量最多的化合物是水。

(2)细胞干重：细胞除去水后的质量。细胞干重中含量最多的化合物是蛋白质。

(3)C、H、O、N四种元素在人体细胞中的含量：在细胞鲜重中，O>C>H>N；在细胞干重中，C>O>N>H。造成这种差异的主要原因是水的含量不同。

2．大量元素和微量元素

大量元素：含量占生物体总质量万分之一以上的元素，包括C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg等。

微量元素：含量占生物体总质量万分之一以下的元素，如Fe、Mn、B、Mo、Cu、Zn等。

知识贴士

微量元素和大量元素谐音记忆法

(1)微量元素：铁(Fe)猛(Mn)碰(B)新(Zn)木(Mo)桶(Cu)。

(2)大量元素：他(C)请(H)杨(O)丹(N)留(S)人(P)盖(Ca)美(Mg)家(K)。

拓展

组成细胞的元素如下图所示。

特别提醒：

(1)大量元素和微量元素是依据自然界中生物的整体情况来划分的，具体到某一种生物中元素的含量可能有差别。

(2)大量元素和微量元素都是组成生物体的必需元素，但生物体内含有的元素不一定都是必需元素，如人体内可能含Pb。

(3)微量元素在生物体内含量很少，但生理作用并不小。

┃┃典例剖析__■

典例1　下列关于组成生物体化学元素的叙述，正确的是(　C　)

A．在组成生物体与组成无机自然界的化学元素中，C的含量均为最高

B．人、动物和植物所含的化学元素种类差异很大

C．组成生物体的化学元素在无机自然界中都可以找到

D．不同的生物体内各种化学元素的含量基本相似

解析：元素C在生物界中含量较高，而在非生物界中含量较少。人、动物和植物所含的化学元素种类差异不大，但各种化学元素的含量不同。

┃┃变式训练__■

1．下列有关组成生物体的化学元素的叙述，正确的是(　A　)

A．组成生物体的化学元素，根据其含量不同可分为大量元素和微量元素两大类

B．锌元素在人体生长发育过程中起着非常重要的作用，这说明锌元素是人体内的大量元素

C．微量元素在生物体内含量很少，所以它们不重要

D．原核生物细胞内含微量元素，真核生物细胞内不含微量元素

解析：组成生物体的化学元素根据其含量不同可分为大量元素(占生物体总量的万分之一以上)和微量元素(占生物体总量的万分之一以下)两大类，A正确；锌元素在人体内含量很少，故为微量元素，B错误；微量元素在生物体内含量很少，却是维持生物体正常生命活动不可缺少的，若缺乏，会出现微量元素缺乏症，如缺锌、缺碘都会出现相应的病症，C错误；原核生物和真核生物的细胞内均既有大量元素，也有微量元素，D错误。

知识点

组成细胞的化合物

组成细胞的化学元素大多以化合物的形式存在，组成细胞的主要化合物及其相对含量如下所示：

拓展

(1)细胞内含量最多的化合物是水，含量最多的有机化合物是蛋白质；在细胞干重中，含量最多的化合物是蛋白质。

(2)有机化合物和无机化合物的区别：

有机化合物是指除了CO2、碳酸盐及碳酸以外的含碳化合物。区分有机化合物和无机化合物主要看化合物的分子组成中是否有碳元素，如糖类是有机化合物，由C、H、O三种元素组成。

┃┃典例剖析__■

典例2　(2021·学军中学期末)如图表示细胞中各种化合物占细胞鲜重的含量，按①②③④顺序排列正确的是(　D　)

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

解析：组成活细胞的化合物中，水的含量最多，因此，占细胞鲜重的化合物中最多的是水，其次是蛋白质、脂质、糖类。

┃┃变式训练__■

2．在蚂蚁森林种树界面上，小伙伴们可以认领梭梭树、沙柳、樟子松、胡杨等，用实际行动践行“绿水青山就是金山银山”的理念，为建设美丽中国奉献自己的一份力量。梭梭树、沙柳、樟子松、胡杨均是干旱地区生命力极其顽强的树木，它们发达的根系可以从深层土壤中吸收水分，这几种树的细胞中含量最多的有机物是 (　B　)

A．水　　　　　　 B．蛋白质

C．脂质      D．无机盐

解析：活细胞中含量最多的化合物是水，含量最多的有机物是蛋白质。

知识点

实验：检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质

1．实验原理：

(1)还原糖＋斐林试剂砖红色沉淀

(2)脂肪＋苏丹Ⅲ染液(苏丹Ⅵ染液)→橘黄色(红色)。

(3)蛋白质＋双缩脲试剂→紫色。

2．鉴定实验材料的选择

(1)还原糖的鉴定实验中选材的原则

①选用还原糖含量较高的生物组织(或器官)。可选用苹果、梨、白色甘蓝叶、白萝卜等；不能选用甜菜、甘蔗，因为它们所含的蔗糖是一种非还原糖；马铃薯因淀粉较多，也不宜作实验材料。

②尽量避免产生颜色干扰。要选颜色较浅或近于白色的生物组织，不能选西瓜、绿色叶片等作实验材料。

(2)脂肪的鉴定实验中，实验材料最好选用富含脂肪的种子。

(3)蛋白质的鉴定实验中，最好选用富含蛋白质的生物组织。植物材料常用的是大豆，动物材料常用的是鸡蛋的蛋清。

3．实验步骤及现象

(1)还原糖的鉴定

①实验步骤

②实验现象：在进行水浴加热时，试管中溶液的颜色变化是蓝色→棕色→砖红色沉淀。

特别提醒：(1)颜色变化：斐林试剂的甲液(质量浓度为0.1 g/mL的NaOH溶液)与乙液(质量浓度为0.05 g/mL的CuSO4溶液)混匀后，立即生成浅蓝色的Cu(OH)2胶体，Cu(OH)2与还原糖在加热的条件下，先变成棕色，最后生成砖红色的Cu2O沉淀。

(2)加热：对试管中的溶液进行水浴加热时，试管底部不要触及烧杯底部。

(2)脂肪的鉴定

①实验原理：

脂肪＋

②材料处理：若用花生种子作实验材料，必须提前浸泡3～4 h，浸泡时间短了，不容易切片；浸泡时间过长，则组织太软，切下的薄片不易成形。另外，染色时间不宜过长。如果是新鲜种子，则不必浸泡，浸泡后效果反而不好。

③实验步骤：

特别提醒：尽可能地切成薄片，否则显微镜下看到的细胞重叠，不易观察。

(3)蛋白质的鉴定

4．实验注意事项：

(1)实验操作中的注意点。

①还原糖检测时，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脂肪检测时，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蛋白质检测时，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。

(2)有机物检测在操作步骤上的差异。

①加热——还原糖的检测需要加热，且为水浴加热。

②显微镜——若用花生种子切片为材料检测脂肪需要使用显微镜。

③试剂滴加顺序——先等量混合后再滴加的是斐林试剂，分别滴加的是双缩脲试剂。

┃┃典例剖析__■

典例3　(2021·金华一中高一检测)下列有关生物体中化合物的检测实验，对应不正确的是(　C　)

解析：淀粉遇碘变蓝色；脂肪能被苏丹Ⅳ染液染成红色(或被苏丹Ⅲ染液染成橘黄色)；蛋白质与双缩脲试剂发生紫色反应；还原糖(如葡萄糖、果糖)与斐林试剂水浴加热，生成砖红色沉淀。在以上颜色反应中，只有还原糖的鉴定实验需要水浴加热。

┃┃变式训练__■

3．(2021·福建龙岩漳平一中月考)将刚刚萌发、带有小芽的大麦种子充分研磨后，过滤得到组织样液。在组织样液中加入下列试剂后振荡均匀，有关实验现象及结论的叙述，正确的是(　C　)

A．加入苏丹Ⅲ染液，溶液呈红色，证明发芽的大麦种子中含有脂肪

B．加入斐林试剂并水浴加热，溶液呈砖红色，说明发芽的大麦种子中含有麦芽糖

C．加入碘液，溶液呈蓝色，说明发芽的大麦种子中含有淀粉

D．加入双缩脲试剂，溶液呈蓝色，说明发芽的大麦种子中含有蛋白质

解析：苏丹Ⅲ染液能将脂肪染成橘黄色，而不是红色，A项错误；加入斐林试剂并水浴加热，溶液呈砖红色，说明发芽的大麦种子中含有还原糖，但不一定是麦芽糖，B项错误；淀粉遇碘液变蓝，因此加入碘液，溶液呈蓝色，说明发芽的大麦种子中含有淀粉，C项正确；要想观察组织样液中是否有蛋白质，可采用双缩脲试剂检测，呈紫色反应，D项错误。

指点迷津·拨云见日

斐林试剂和双缩脲试剂的异同

典例4　(2020·宿州期中)下列关于检测“生物组织中糖类、脂肪、蛋白质”实验操作步骤的叙述中，正确的是(　C　)

A．用于鉴定还原糖的斐林试剂甲液和乙液，可直接用于蛋白质的鉴定

B．若要鉴定花生种子细胞中是否含有脂肪，用肉眼即可观察

C．鉴定可溶性还原糖时，斐林试剂的甲液和乙液应等量混合均匀后再加入

D．用于双缩脲试剂鉴定蛋白质时，需水浴加热2 min才能看到紫色

解析：斐林试剂的成分虽然和双缩脲试剂相同，但是浓度、用法、用量都不同，不能直接用于蛋白质的鉴定，A项错误；检测花生种子细胞中是否含脂肪，染色后需用显微镜观察，B项错误；鉴定可溶性还原糖时，斐林试剂的甲液和乙液应等量混合均匀后再加入，C项正确；用双缩脲试剂鉴定蛋白质，不需要水浴加热，D项错误。

解疑答惑

思考·讨论⇨P16

1．提示：组成玉米细胞和人体细胞中含量较多的四种元素都一样，这是因为组成玉米细胞和人体细胞所含的化合物大体相同。

2．提示：细胞中的微量元素含量很少，但却是生命活动不可缺少的。

3．提示：组成玉米细胞和人体细胞中的元素种类大体相同，相对含量不同，说明不同生物体之间既有统一性，也有差异性。

旁栏思考⇨P17

梨的果实和叶片的细胞中所含化合物的种类基本相同，梨的果实细胞中含果糖等还原糖较多，叶片的细胞中含淀粉较多。

探究·实践⇨P18

1．略　2．略

3．生物材料中有机化合物的种类、含量不同。因此，我们应该选择多种多样的食物，保证获得全面的营养。

练习与应用⇨P18

一、概念检测

1．(1)√

(2)×　提示：细胞中的大量元素和微量元素作用一样重要。

(3)√

2．

3．C　人体细胞内含量最多的有机化合物是蛋白质。

4．B　组成生物体的化学元素在非生物界都可以找到，没有一种化学元素是生物界所特有的，这说明了生物界与非生物界具有统一性。

二、拓展应用

1．提示：细胞是有生命的，可以主动地从环境中获取生命活动所需要的元素。这是生物与非生物的区别之一。

2．提示：不能。因为最基本的生命系统是细胞，将细胞内含有的各种物质放在试管中，它们不能构成细胞这种结构。

训练巩固·课堂达标

1．关于组成细胞的元素、化合物的叙述，正确的是(　B　)

A．不同食物中营养物质的种类相同，含量不同

B．细胞中含量最多的有机物是蛋白质

C．微量元素不但含量少，而且作用也小

D．不同细胞中含有的化学元素种类差距很大

解析：不同食物中营养物质的种类和含量有很大差别，A错误；细胞中含量最多的化合物是水，含量最多的有机物是蛋白质，B正确；微量元素含量虽然少，但作用非常重要，C错误；不同细胞中含有的化学元素种类基本相同，元素含量差距很大，D错误。

2．下列元素在生物体内含量较少，但对维持生物体正常生命活动必不可少的是(　C　)

A．Fe、Mn、Zn、Mg　　　　 B．Zn、Cu、Mn、Ca

C．Zn、Cu、B、Mn  D．Mg、Mn、Cu、Mo

解析：在生物体内含量较少，但对维持生物体正常生命活动必不可少的元素是微量元素，微量元素有Fe、Mn、B、Zn、Cu、Mo等，Mg和Ca属于大量元素。

3．阅读短文，回答有关问题。

几十年前，新西兰有一个牧场的大片牧草长势很弱，有的甚至发黄枯萎，即使使用了大量的N、P、K肥也无济于事，后来，人们偶然发现牧场内的一小片牧草长得十分茂盛，原来，这一片“绿洲”的附近有一座钼矿，矿工每天上下班总是抄近路走，他们的鞋子踩过的地方，牧草都是绿油油的，经过科学家的化验和分析发现一公顷牧草只需150克钼就足够了。

(1)下列关于钼的说法不正确的是(　C　)

A．钼是牧草所必需的化学元素

B．钼是牧草所必需的微量元素

C．钼可以由其他元素转化而来

D．钼的作用不可以用其他元素代替

(2)牧草细胞中的元素大多以__化合物__的形式存在，既有__有机化合物__，又有无机化合物，它们的区别是__分子组成中是否含有碳元素__。

(3)研究表明该处土壤中与牧草细胞中含量最多的元素都是同一种元素，由此__不能__(填“能”或“不能”)说明生物界与非生物界具有统一性。

解析：(1)钼是牧草所必需的化学元素，A正确；钼是牧草所必需的微量元素，B正确；钼不能由其他元素转化而来，C错误；钼的作用不可以用其他元素代替，D正确。

(2)细胞中的元素大多以化合物的形式存在，组成细胞的化合物包括无机化合物和有机化合物，二者的区别为分子组成中是否含有碳元素。

(3)土壤中与牧草细胞中含量最多的元素都是氧，但这不是生物界和非生物界具有统一性的原因，生物界和非生物界具有统一性的原因是组成生物体的元素都能在无机环境中找到，没有一种元素是生物特有的。