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第2章 组成细胞的分子
第1节 细胞中的元素和化合物
【素养导引】
1.生命观念:基于生命的物质观,形成生命与自然界统一的生命观念。
2.科学思维:基于大量元素和微量元素的学习,培养比较与分析的科学思维。
3.科学探究:通过检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质,掌握检测相关物质的实验原理、方法和操作注意事项。
4.社会责任:认同合理膳食对人体健康的重要性。
一、组成细胞的元素
1.元素组成的统一性与差异性:
(1)生物体与无机自然界统一性的表现:组成细胞的元素,在无机自然界中都能够找到,没有一种化学元素为细胞所特有。
(2)生物体与无机自然界差异性的表现:细胞中各种元素的相对含量与无机自然界的大不相同。
2.组成细胞的元素的种类:
(1)种类:细胞中常见的化学元素有20多种。
(3)细胞中含量最多的4种元素:C、H、O、N。
二、组成细胞的化合物
1.种类:
2.含量:
(1)占细胞鲜重最多的化合物:水。
(2)占细胞鲜重最多的有机化合物:蛋白质。
(3)占细胞干重最多的化合物:蛋白质。
[思考]　活细胞中含量最多的元素是O,请从化合物的角度分析原因是什么。
提示:活细胞中含量最多的化合物是水,O在水中含量高。
三、检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质
1.实验原理:
(1)还原糖的检测:
还原糖+斐林试剂产生砖红色沉淀
(2)脂肪的检测:
脂肪+苏丹Ⅲ染液→产生橘黄色
(3)蛋白质的检测:
蛋白质+双缩脲试剂→产生紫色反应
2.实验流程:
(1)还原糖的检测和观察:
组织样液→加入斐林试剂→50~65 ℃温水浴加热→观察颜色变化。
(2)脂肪的检测和观察:
选材→制作临时装片→加入苏丹Ⅲ染液染色→体积分数为50%的酒精溶液洗去浮色→镜检,观察颜色变化。
(3)蛋白质的检测和观察:
组织样液→加入双缩脲试剂A液→摇匀→加入双缩脲试剂B液→摇匀→观察颜色变化
[思考]　检测生物组织中的淀粉、还原糖、脂肪和蛋白质的实验均为显色反应,在选择实验材料时应注意哪些问题
提示:一是要富含待检测的化合物,二是要颜色较浅(无色或白色最佳)。
锌元素存在于众多的酶系中,是核酸、蛋白质、糖类的合成和维生素A利用的必需物质。具有促进生长发育、改善味觉的作用。结合所学知识判断:
1.锌元素的作用很大,属于生命活动必需的元素。 (√)
2.由于锌元素的重要作用,其在体内含量很高。 (×)
分析:锌元素在细胞中属于微量元素,含量很少。
3.地壳中也含有锌元素,这体现了细胞与自然界的统一性。 (√)
学习任务一:细胞中的元素和化合物
1.组成细胞的元素:
(1)不同生物体的细胞中,元素的种类大体相同,但各元素的含量相差较大。
(2)大量元素和微量元素划分的依据是含量的多少,而不是生理作用,含量少的作用也很重要。
(3)大量元素和微量元素都是必需元素,而生物体内含有的元素不一定是生物体所必需的元素,如Pb。
2.组成细胞的化合物的提醒说明:
(1)细胞内含量最多的化合物:水。
(2)细胞内含量最多的无机化合物:水。
(3)占细胞鲜重最多的化合物:水。
(4)细胞内含量最多的有机化合物:蛋白质。
(5)占细胞干重最多的化合物:蛋白质。
　　　　　　　【拓展归纳】
判断元素与化合物分子的五个“明确”
【学习加点料】
1.思维易错:Fe在细胞中属于微量元素,能否说明其生理作用比大量元素小 举例说明。
提示:不能。划分大量元素和微量元素的依据是元素含量,而不是生理作用的大小,如人体缺Fe会造成缺铁性贫血。
2.教材开发:俗话说“五谷杂粮身体壮,青菜萝卜保健康”。结合本节内容思考在饮食方面怎样才能使自己体内的营养元素达到平衡。
提示:不同食物中营养物质的种类和含量有很大差别,我们在日常的膳食中要做到不同食物的合理搭配。
　(2022·珠海高一检测)茶叶生产在中国已有3 000多年的历史,其中信阳毛尖以“细、圆、光、直、多白毫、香高、味浓、汤色绿”的独特风格,盛名传播国内外。下列关于茶叶的说法,错误的是 (　　)
A.采摘的新鲜茶叶①的细胞中含量最高的化合物是H2O
B.茶叶和人体所含元素种类大致相同,但含量有差异
C.制好的成品茶②的化学元素含量依次是C>O>N>H
D.新鲜茶叶的细胞内含量最多的有机物中通常含有微量元素③Fe或S
[解题思维]
提取关键点 ①新鲜茶叶;②成品茶;③微量元素
转化知识点 细胞鲜重时,含量最多的化合物和有机物、细胞干重时元素的含量
排除障碍点 成品茶失去水,含量最多的化合物是蛋白质,元素含量是C>O>N>H
【解析】选D。根据细胞鲜重中水的含量最多,故采摘的新鲜茶叶的细胞中含量最高的化合物是H2O,A正确;不同生物体内的元素种类大体相同,但含量上有差异,故茶叶和人体所含元素种类大致相同,但含量有差异,B正确;制好的成品茶相当于细胞干重中化学元素含量的排序,即化学元素含量依次是C>O>N>H,C正确;新鲜茶叶的细胞内含量最多的有机物是蛋白质,其中通常含有元素Fe或S,Fe是微量元素,但S是大量元素,D错误。
[借题发挥]　茶叶中包含一种在其他生物中没有的氨基酸——茶氨酸。该实例说明了组成不同生物体的化合物的种类有何特点
提示:不同生物体中化合物的种类不完全相同。
1.在生物体内含量极少,但对于维持生物体的正常生命活动必不可少的元素有
(　　)
A.Zn、Cu、B、Mn
B.Zn、Cu、S、Ca
C.Fe、Mn、Zn、Mg
D.K、Mn、Cu、Mo
【解析】选A。Zn、Cu、B、Mn均属于微量元素,A正确;S、Ca属于大量元素,B错误;Mg属于大量元素,C错误;K属于大量元素,D错误。
2.如图表示细胞中各种化合物或主要元素在细胞鲜重中的相对含量,以下按①②③④顺序排列,正确的是 (　　)
A.水、蛋白质、糖类、脂质;N、H、O、C
B.水、蛋白质、脂质、糖类;O、C、H、N
C.蛋白质、水、脂质、糖类;O、C、H、N
D.蛋白质、水、脂质、糖类;C、O、H、N
【解析】选D。活细胞中化合物含量由多到少依次是水、蛋白质、脂质、糖类,分别对应柱形图中的②①③④;活细胞中元素含量由多到少依次是O、C、H、N,分别对应柱形图中的②①③④,故选D。
学习任务二:检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质
1.实验操作提醒及目的:
实验操作提醒 操作目的
还原糖检测水浴加热时,试管底部不要触及烧杯底部 防止受热不均匀
脂肪检测时,洗去浮色时间不宜过长 避免脂肪溶解在酒精中,使橘黄色消失
蛋白质检测时,将鸡蛋清稀释到一定程度 防止与双缩脲试剂反应后,粘在试管内壁上,反应不彻底,试管不易洗刷
还原糖和蛋白质检测时,加入试剂之前,留出一部分样液 便于与检测后的样液颜色进行比对
2.三类有机物检测在操作步骤上的“三个唯一”:
(1)唯一需要加热——还原糖检测,且必须水浴加热,不能用酒精灯直接加热。
(2)唯一需要使用显微镜——脂肪检测。
(3)唯一使用酒精——脂肪检测,用体积分数为50%的酒精溶液洗去浮色。
3.斐林试剂与双缩脲试剂的异同:
项　目 斐林试剂 双缩脲试剂
不同点 CuSO4溶液浓度 0.05 g/mL 0.01 g/mL
检测物质 还原糖 蛋白质
使用方法 甲、乙两液等量混合均匀使用 先加入A液,再加入B液
反应条件 50~65 ℃水浴加热 不需要加热
反应现象 蓝色→棕色→砖红色 浅蓝色→紫色
相同点 含有NaOH和CuSO4两种成分,且NaOH的质量浓度都是0.1 g/mL
　　　　　　　【拓展归纳】斐林试剂和双缩脲试剂的反应机理
(1)用斐林试剂检测还原糖的实验:因加入的斐林试剂中含Cu2+,故溶液变成浅蓝色,加热后,部分Cu(OH)2被还原为砖红色的Cu2O,因二者混合故呈现棕色,随着反应的继续进行,Cu(OH)2被全部还原为Cu2O,故而出现砖红色沉淀。
(2)用双缩脲试剂检测蛋白质的实验:加入双缩脲试剂A液,使溶液呈碱性,溶液为无色;后滴加双缩脲试剂B液,Cu2+在碱性环境中与蛋白质的肽键发生络合反应,生成紫色络合物。
【学习加点料】
1.思维易错:在提供0.1 g/mL的NaOH溶液、0.05 g/mL的CuSO4溶液和蒸馏水的条件下,只能检测还原糖吗 为什么
提示:不是。还能检测蛋白质,检测蛋白质时需用蒸馏水将0.05 g/mL的CuSO4溶液稀释为0.01 g/mL的CuSO4溶液。
2.思维易错:检测还原糖时,若无色的待测溶液中无还原糖,加入斐林试剂后溶液颜色还是无色的吗 为什么
提示:不是。由于加入了Cu2+,溶液呈蓝色。
下列关于检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质实验的叙述,正确的是 (　　)
A.常用番茄、苹果等组织样液作为检测植物组织内还原糖的实验材料①
B.脂肪的检测中观察花生子叶切片细胞间不可能出现橘黄色脂肪颗粒
C.脂肪的检测中体积分数为50%的酒精溶液②是为了溶解组织中的脂肪
D.蛋白质的检测③中加入的质量分数为0.1 g/mL的NaOH溶液可为反应提供碱性环境
[解题思维]
提取关键点 ①还原糖鉴定的材料,②50%的酒精溶液,③蛋白质检测
转化知识点 实验材料的选择,实验试剂的作用,实验的操作过程
排除障碍点 苏丹Ⅲ能溶解于50%的酒精溶液,可用于洗去浮色
【解析】选D。番茄的红色会影响实验结果的观察,故检测还原糖时不能选择番茄作为实验材料,A错误;切片时,被破坏的子叶细胞会释放出少量脂肪,细胞间会出现橘黄色脂肪颗粒,B错误;检测生物组织中脂肪的实验中,体积分数为50%的酒精溶液的主要作用是洗去浮色,C错误;蛋白质检测实验中,先加入双缩脲试剂A液(质量分数为0.1 g/mL的NaOH溶液),提供一个碱性环境,再加入双缩脲试剂B液(质量分数为0.01 g/mL的CuSO4溶液),能生成紫色的络合物,D正确。
[借题发挥]　某同学在检测蛋白质时,加入质量分数为0.1 g/mL的NaOH溶液
1 mL后,再加入双缩脲试剂B液,如果没有观察到紫色反应,可能的原因是什么
提示:可能加入的双缩脲试剂B液过量,CuSO4在碱性溶液中生成大量的蓝色Cu(OH)2絮状沉淀,会遮蔽实验中所产生的紫色,影响观察结果。
1.关于“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”实验的叙述,正确的是 (　　)
A.斐林试剂和双缩脲试剂的成分和浓度相同,使用方法不同
B.鉴定花生种子中是否含有脂肪,必须用显微镜才能观察到结果
C.鉴定可溶性还原糖时,向待测液中加入斐林试剂后,即可观察到砖红色沉淀
D.淀粉的检测,可向2 mL组织样液中直接滴加2滴碘液,摇匀后观察颜色变化
【解析】选D。斐林试剂和双缩脲试剂均由NaOH和CuSO4溶液组成,但CuSO4溶液的浓度不同,斐林试剂与双缩脲试剂的用法不同,A错误;花生种子中脂肪的鉴定有两种方法,方法一是切片制片,需要用显微镜观察,方法二是用花生匀浆进行鉴定,不需用显微镜观察,B错误;鉴定可溶性还原糖时,加入斐林试剂后需要水浴加热2分钟后才会有颜色反应,C错误;鉴定淀粉时,直接滴加碘液就会有颜色反应,D正确。
2.(2022·遂宁高一检测)面皮是人们热爱的食物之一。传统面皮的做法是将面团用纱布包裹起来,在清水中搓洗,洗出的白浆和纱布包裹的黏稠物质可以分别蒸出面皮和面筋。某同学拟鉴定洗出的白浆和纱布包裹的黏稠物质,应分别选用的试剂是 (　　)
A.斐林试剂、苏丹Ⅲ染液
B.苏丹Ⅲ染液、碘液
C.碘液、双缩脲试剂
D.双缩脲试剂、斐林试剂
【解析】选C。洗出的白浆是淀粉溶液,遇碘变蓝色;纱布包裹的黏稠物质是植物蛋白,与双缩脲试剂反应呈紫色。故选C。
　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。
探究:
(1)从含量上分析,N、P、K元素属于________________元素,钼元素属于________________元素。
(2)牧草中含量最多的化合物是________________,含量最多的有机物是________________,钼元素在细胞中主要以________________形式存在。
(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O元素,由此能否说明生物界与自然界的统一性 为什么
【解析】(1)C、H、O、N、P、S、K、Ca、Mg在细胞中属于大量元素。由题意可知,钼元素的需求量非常低,推测属于微量元素。
(2)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,钼元素在细胞中主要以化合物的形式存在。
(3)生物界与自然界的统一性体现在组成细胞的化学元素,在无机自然界中都能找到,没有一种化学元素为细胞特有。
答案:(1)大量　微量
(2)水　蛋白质　化合物
(3)不能。生物界与自然界的统一性的含义是组成细胞的化学元素,在无机自然界中都能找到,没有一种化学元素为细胞特有。
情境载体 情境类型为生活、学习和实践情境,突出与生活的联系
关键能力↓信息转化 ①微量元素含量少,但作用重要
②生物界和自然界的统一性与差异性中,统一性指元素种类,差异性指元素含量③细胞中化合物的含量,水最多,蛋白质是含量最多的有机物
学科素养 培养生命观念中的物质与能量观、科学思维中的分析与比较等素养
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