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1.1 水和无机盐是构成细胞的重要无机物
第一章 细胞的分子组成
课程导入
我们生活在由生物体和非生物体组成的生物圈中，生物体所表现出的灵动，使之很容易与非生物体区分开来。生物体与非生物体间为什么有如此巨大的差异？巨大差异的背后是否又存在着某些内在联系？答案是肯定的，物质性将生物和非生物统一在一起。
下面哪些属于生物，哪些属于非生物？
生物与生命
生物：具有生命的物体。
生命：生物体所特有的现象。
一个很难下定义的现象。
目前尚无一致公认的定义。
生命：生物体存在的状态。与非生物比较，生物体具有若干特征。
1.
2. 生物体的基本特征
（1）以细胞为基本结构单位和功能单位
所有的活的生物体都是由细胞和细胞的产物所构成的。（病毒除外）
核酸
脂质
糖类
（2）相同的化学成分
（3）新陈代谢
水
蛋白质
合成代谢：将从外界获得的营养物质转化为细胞的组成成分。
分解代谢：将生物体内的营养物质分解，以获得细胞活动所需要的能量。
无机盐
（4）稳态
（5）应激性
（6）生殖与遗传
（7）进化
生物体是个开放的系统，然而又保持着内部的稳定状态。
生物体能觉察机体内外环境的变化并产生一定的反应。
生长发育→生殖→遗传
由简单到复杂、由低级到高级。
一、细胞主要由C、H、O、N、P和S等元素组成
生命是物质的，组成生物体的各种化合物是由化学元素构成的。组成细胞的分子，既包含简单的无机物，也包含复杂的有机物。无机物通常指不含碳元素的化合物，细胞内的无机物主要是水和无机盐。水和无机盐与细胞的生活有什么关系？
细胞是生物体结构和功能的基本单位。细胞是由物质组成的，物质是由元素构成的。组成细胞的化学元素，在地球的无机环境中都能找到，没有一种化学元素是细胞所特有的。
地球上存在的天然元素有90多种，构成细胞的元素主要有哪些呢
元素 符号 在人体中所占比重 元素 符号 在人体中所占比重
氧 O 65.0 铁 Fe 微量
碳 C 18.5 锌 Zn 微量
氢 H 9.5 铜 Cu 微量
氮 N 3.3 碘 I 微量
钙 Ca 1.5 锰 Mn 微量
磷 P 1.0 硼 B 微量
钾 K 0.4 铬 Cr 微量
硫 S 0.3 钼 Mo 微量
钠 Na 0.2 钴 Co 微量
氯 Cl 0.2 硒 Se 微量
镁 Mg 0.1 氟 F 微量
表中所列为组成人体的主要元素，也是构成细胞的主要元素，主要包括C、H、O、N、P和S等，其中C、H、O、N四种元素在人体中所占比重在96%以上。
有些元素在人体中的含量很低，称为微量元素。微量元素含量虽少，但它们对维持细胞正常的结构和生命活动均起着重要作用。
1. 组成细胞的元素
缺碘：大脖子病
缺铁：缺铁性贫血
2. 元素的重要性
草莓缺素症状图
2．元素的重要性
植物缺少微量元素的症状
全营养
缺镁
缺锌
缺锰
几十年前，新西兰有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
会经过牧场，他们的鞋子踩过的地方，牧草绿油油的。
经过科学家的化验和分析，1公顷牧草只需150克钼就够了。
钼（Mo）为人体及动植物必需的微量元素。为银白色金属，
硬而坚韧。
牧场“绿洲之谜”
这两则资料说明了什么问题？
生物界和非生物界的元素组成 种类一致
生物界和非生物界的元素组成 含量不同
生物界与非生物界具有统一性（元素种类相同）和差异性（元素含量不同）
材料1：组成生物体的化学元素，在无机自然界都可以找到，没有一种化学元素是生物界特有的。
材料2：C、H、0这三种化学元素，在组成人体的化学成分中，质量分数占73%左右，而这三种元素在组成岩石圈的化学成分中，质量分数还不到1%。
大多以化合物的形式存在
作为生命活动基本单位的细胞是由元素组成的，组成生物体的化学元素在生物体内是以什么形式存在的？
水（water）
无机盐（inorganic salts）
糖类（carbohydrates）
脂质（lipids）
蛋白质（protein)
核酸（nucleic acids）
无机化合物
（inorganic compounds）
有机化合物
（organic compounds）
生命离不开水
水，是生命之源！二、水为生命活动提供了条件
资料：人一旦缺水，后果是很严重的。缺水1%~2%，感到渴；缺水5%，口干舌燥，皮肤起皱，意识不清，甚至幻视；缺水15%，往往甚于饥饿。现代医学研究表明，人在饥饿状态下的生命极限最多10天，而缺水只能活3天。
细胞的含水量一般为60%～90%，有些细胞含水量可超过90%，如水母的含水量可达97%。作为生物体内含量最多的化合物，水是生物体的重要组成成分。可以说，一切生命活动都离不开水，没有水就没有生命。
（一）水的含量
1.不同生物体的含水量是否相同？水生和陆生生物相比，哪种生物含水量高？由此得出什么结论？
结论：水生生物的含水量>两栖动物高于陆生生物，
说明生物体的含水量与其生活环境密切相关
水母97%
藻类90%
鱼类80—85%
蛙78%
高等植物60~80%
哺乳动物65%
（一）水的含量
2.同一生物体在不同的生长发育阶段的含水量是否相同 由此得出什么结论？
生物不同阶段的含水量 生物 人体幼儿时期 人体成年时期 人体老年时期
水含量% 77 52-65 51
结论：同一生物体在不同的生长阶段含水量不同。
生物体在不同的生长发育时期，含水量也不同。
1.含量：
水是所有细胞中含量最多的化合物
②生长发育阶段：
幼儿>成年；幼嫩部分>成熟部分。
（一）水的含量
3.同一生物体不同的组织器官，含水量是否相同？
代谢旺盛的组织或器官中含水量较多
牙齿 骨骼 骨骼肌 心脏 血液
10% 22% 76% 79% 83%
影响细胞含水量的因素
影响因素
生物种类
发育阶段
组织器官种类
水生生物
陆生生物
幼年
成年
幼嫩部分
成熟部分
血液
骨骼
牙齿
>
>
>
>
>
2. 自由水与结合水
牙齿
10%
骨骼
22%
骨骼肌
76%
心脏
79%
血液
83%
心脏和血液的含水量很接近为何心脏呈坚韧的形态而血液却呈流动的液态？
自然界中的水以三种形式存在。
细胞中的水是否也有不同的存在形式呢？
2. 自由水与结合水
牙齿
10%
骨骼
22%
骨骼肌
76%
心脏
79%
血液
83%
心脏和血液的含水量很接近为何心脏呈坚韧的形态而血液却呈流动的液态？
说明心脏中主要是结合水，血液中主要是自由水。
（1）血液凝固时，血液中的（ ）转变成（ ）。
自由水
结合水
说明自由水和结合水可以自由转换。
（2）干燥的种子与萌发的种子相比，自由水/结合水的比值（ ）高，新陈代谢速率（ ）高。
萌发的种子
萌发的种子
两者的相对含量（自由水/结合水）影响生物组织细胞的代谢速率。
生物体新陈代谢旺盛的部分自由水的含量高，反之结合水含量高。结合水含量越多，细胞抗逆性越强。
水分子中氧原子的原子核周围电子较多，使氧略带负电性而氢略带正电性，水成为极性分子，一端略正，一端略负。由于正负电荷的吸引，水分子之间便会形成氢键。每个氢键中的氢原子同时属于两个氧原子，而每个水分子中的氧原子可以形成两个氢键，所以一个水分子可以通过氢键与另外4个水分子相连。这就是水分子的缔合。具有极性和氢键的形成使得水分子有许多不寻常的特性。
水分子之间的氢键
氢键
3. 水的功能
水是极性分子，凡是有极性的分子或离子都易溶于水中。例如，氯化钠的Na+和Cl-就会分别与水分子的略带负电荷的氧的一端和略带正电荷的氢的一端相互吸引，在这两种离子的周围形成一层水膜，把Na+和Cl-分开，使得氯化钠晶体易溶于水中。在人和动物的体液、植物的汁液中，均含有大量的水，且都溶有多种多样生物体所必需的溶质。
（1）水作为良好的溶剂，能帮助溶解和运输营养物质及代谢产物。
水分子间大量的氢键使水蒸发时要消耗大量的热，如出汗能有效地降低体温。水温的增高需要较多的热，因为先要破坏氢键才能促进分子的运动；反之，水温的降低就会形成较多的氢键，而氢键的形成会释放热量，这就使得细胞内水的温度变化不那么剧烈。
（2）水分子之间的氢键使得水具有调节温度的作用。
（3）水还是细胞中某些代谢的反应物和产物，水在动、植物的分布、繁殖、生长发育以及动物体色、动物行为等方面有着深远的影响。
问题探讨
右侧是某种运动员饮料的化学成分表。请回忆初中所学知识，结合此表讨论以下问题。
讨论
1.喝饮料主要是给身体补充水。水在细胞中起什么作用？
2．表中哪些成分属于无机盐？为什么要在运动员喝的饮料中添加无机盐？无机盐在细胞的生活中起什么作用？
成分 质量浓度/(g/L)
蔗糖 30
其他糖类 10
柠檬酸 10
柠檬香精 0.8
氯化钠 1.0
氯化钾 0.1
磷酸二氢钠 0.1
磷酸二氢钾 0.1
碳酸氢钠 0.1
运动员饮料的化学成分表
①细胞内良好的溶剂； ②参与细胞内的生化反应； ③多细胞生物体生活的水环境； ④运送营养物质和代谢废物；⑥细胞结构的重要组成成分；⑦赋予各种组织、器官一定的形态、硬度和弹性；
三、无机盐与细胞生活密切相关
无机盐在生物体内含量不高，约占1%～1.5%，多数以离子形式存在，它们对维持生物体的生命活动有着重要的作用。
问题探讨
右侧是某种运动员饮料的化学成分表。请回忆初中所学知识，结合此表讨论以下问题。
讨论
1.喝饮料主要是给身体补充水。水在细胞中起什么作用？
2．表中哪些成分属于无机盐？为什么要在运动员喝的饮料中添加无机盐？无机盐在细胞的生活中起什么作用？
成分 质量浓度/(g/L)
蔗糖 30
其他糖类 10
柠檬酸 10
柠檬香精 0.8
氯化钠 1.0
氯化钾 0.1
磷酸二氢钠 0.1
磷酸二氢钾 0.1
碳酸氢钠 0.1
运动员饮料的化学成分表
（2）植物缺镁会影响光合作用，为什么？
（1）为什么缺铁会导致贫血？
【思考】
叶绿素的结构
血红蛋白的结构
无机盐的功能
2. 无机盐是细胞的重要组成成分之一
如骨细胞的重要成分是磷酸钙。
1. 无机盐还是某些复杂化合物的重要组成成分
如Mg2+是叶绿素的必需成分、Fe2+是血红蛋白的必需成分。
3. 维持生物体正常的生命活动
如血浆中含有多种无机盐，包括K+、Na+、Mg2+、Ca2+等正离子，以及Cl-、HCO3-、H2PO4-等负离子。无机盐对维持血浆的正常浓度、酸碱平衡，以及神经、肌肉的兴奋性等都是非常重要的。若哺乳动物血液中的Ca2+含量过低，则会发生抽搐。
皱缩
膨胀
9%
0.09%
病人到医院输液，为什么要用生理盐水（0.9%），如果不是生理盐水，而是蒸馏水或其他浓度盐水会怎么样？
渗透压平衡
当我们剧烈体育运动后，会感到腰酸、膝盖酸。这是因为运动产生了乳酸，但我们体液pH值并没有因此而下降，还是维持在7.35-7.45之间，为什么呢？
我们可以依靠无机盐离子H2CO3/HCO3-等组成的缓冲液来调节并维持平衡。
酸碱平衡
离子 主要功能
Ca2+ 磷酸钙是骨骼和牙齿的重要成分
哺乳动物中Ca2+含量过低，会发生肌肉抽搐，过高肌无力
佝偻病（幼年）、软骨病（成年）、骨质疏松症（老年）
Mg2+ 叶绿素的组成成分，缺镁会影响植物的光合作用
Fe2+ 血红蛋白的组成成分，缺铁会导致贫血症
I- 甲状腺激素的组成成分，缺碘会导致呆小症（幼年）和大脖子病（成年）
Cl-/Na+/K+ 维持细胞的渗透压，神经细胞的兴奋性
CO32-/H2PO4-/HPO42- 维持酸碱平衡
总结：常用无机盐及其生理功能
拓展延伸
同一元素的质子数相同，但中子数可能不同。质子数相同而中子数不同的同一元素的不同原子互称为同位素。简单地说，同位素指质量不同而化学性质相同的原子。例如，“普通”的碳是12C，含有6个质子、6个中子，另外还存在含有6个质子、7个中子的C和含有6个质子、8个中子的14C。
生物体对这些碳原子一视同仁。因为同位素具有不同的特性，所以可用不同的方法检测出来。有些同位素能够发生衰变而产生放射性，因此易于检测。14C就是碳的一种放射性同位素。例如，研究光合作用时可以利用标记的二氧化碳（14CO2）进行实验，以追踪碳元素在植物体内的运行和变化，所以14C称为示踪原子，这种研究技术称为同位素示踪。
同位素不仅可用于科学研究，也可用于疾病的诊断和治疗。例如，甲状腺可以选择性地吸收碘，放射性碘同位素发出的射线能破坏甲状腺细胞，故碘同位素可用于治疗甲状腺肿大
同位素及同位素示踪
巩固练习
1. 水在细胞中发挥重要的功能，这与水的结构是密切相关的，下列与之相关的叙述，正确的是(　 　)
A. 水分子中每个氧原子可以与4个氢原子形成氢键
B. 水分子间氢键中的每个氢原子同时属于两个氧原子
C. 水分子中氧原子略带正电性、氢原子略带负电性使水分子成为极性分子
D. 一个水分子可通过氢键与其他2个水分子结合，即水分子的缔结
B
2. 比较小麦和家兔体内的各种化学元素( )
A．种类和含量都相差很大
B．种类和含量都相差不大
C．种类相差很大，其中相同元素的含量都大体相同
D．种类大体相同，其中相同元素的含量大都相差很大
D
3．生物体中水的含量一般为60%～90%，下列选项中有关水的说法正确的是( 　　)
A．水为非极性分子
B．水分可以贮存能量
C．没有水，人体内许多生化反应根本不会发生
D．人体中的细胞全部浸润在水溶液中
C
4．下列有关水的叙述中错误的是(　　 )
①参与运输营养物质和代谢废物
②生物体内化学反应离不开水
③水是细胞结构的组成成分之一
④水的比例与新陈代谢的强弱关系不大
⑤不同细胞内水的比例相差不大
A．①④⑤　　　　　　 B．①②⑤
C．④⑤ D．②③④⑤
C
5. 在正常人的血浆中，NaHCO3的含量约为H2CO3含量的20倍。当血浆中的NaHCO3含量减少时，会形成酸中毒；当血浆中H2CO3含量减少时，则形成碱中毒。这个事实表明，某些无机盐的作用是( )
A．调节酸碱平衡 B．调节渗透压
C．影响细胞形态 D．影响生物膜透性
A
6. 下列关于细胞中无机盐的叙述，错误的是( 　　)
A．在细胞中无机盐主要以分子状态存在
B．有的无机盐可以与蛋白质结合
C．有的无机盐游离在水中维持细胞的渗透压和pH
D．Mg2＋是合成叶绿素分子的原料
A
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