【学案】 第2章　第1节　细胞中的元素和化合物　生物学人教版（2019） 必修1

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第2章　第1节　细胞中的元素和化合物
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.说出组成细胞的元素都来自自然界但各元素相对含量又与无机环境不同。2.说出组成细胞的大量元素和主要微量元素，说出组成细胞的化合物的主要种类。3.尝试检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质，进行实验操作、观察结果，基于实验简述组成细胞的物质的特殊性。 1.组成细胞的20多种化学元素中，C、H、O、N的含量最多。2.组成细胞的化合物中占鲜重最多的是水，占干重最多的是蛋白质。3.还原糖与斐林试剂在水浴加热条件下生成砖红色沉淀。4.脂肪可被苏丹Ⅲ染液染成橘黄色。5.蛋白质与双缩脲试剂能发生紫色反应。
[主干知识梳理]
一、组成细胞的元素和化合物
1．组成细胞的元素
(1)种类：细胞中常见的化学元素有20多种。
(2)分类
(3)细胞中4种含量最多的元素：C、H、O、N。
2．组成细胞的化合物
种类
二、检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质
1．还原糖的检测
2．脂肪的检测
(1)检测原理：脂肪＋苏丹Ⅲ染液→橘黄色。
(2)检测步骤：
3．蛋白质的检测
[边角知识发掘]
1．下图表示组成细胞的元素和化合物，请据图回答有关问题：
(1)若图1表示细胞中主要化合物的含量，则甲是水，乙为蛋白质。
(2)若图2表示组成人体细胞干重含量比例前四位的元素，则 ②是C元素。
(3)图2所示元素在非生物界中一定能(填“一定能”“一定不能”或“不一定能”)找到，这说明生物界和非生物界具有统一性。
(4)C、H、N三种元素在人体的化学成分中，质量分数共占73%左右(占细胞干重的百分比)，而在岩石圈的化学成分中，质量分数不到1%，这一事实说明生物界与非生物界具有差异性。
2．人体细胞是由元素和化合物组成的，生活中常出现“大头娃娃”“佝偻病”等营养不良，以及肥胖等现象，人们应该如何做才能避免上述现象发生呢？
提示：不同食物中的营养物质的种类和含量差异很大，人们只有均衡营养、合理膳食才能补充人体所需的各种元素和化合物，保持健康的身体。
[教材问题提示]
(一)思考·讨论(教材P16)
1．在玉米细胞和人体细胞中含量较多的四种元素是一样的，都是C、H、O、N。这是因为玉米和人都是生物，组成它们的主要成分都是水、糖类、脂类和蛋白质等物质，这些物质都含有C、H、O，蛋白质中还含有大量的N元素。
2．提示：细胞中有些元素含量很少，但是却有重要作用。如在玉米细胞中，S只占0.17%，Mg只占0.18%，但很多蛋白质都含有S，叶绿体中的叶绿素分子就含有Mg，如果缺少S或Mg，细胞就不能合成这些蛋白质或叶绿素。
3．提示：组成玉米细胞中氧元素的含量明显要高于人体细胞，而氮元素的含量明显又低于人体细胞，这说明玉米细胞和人体细胞中的不同有机物的含量有差别。如玉米细胞中的糖类要多一些，而人体细胞中的蛋白质的含量要多一些；Ca元素的含量也有区别，这与玉米和人体的物质和结构组成有关。
(二)旁栏思考(教材P17)
提示：梨的果实细胞中糖类和水等物质多，不含叶绿素。
新知探究一　组成细胞的元素和化合物
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．细胞内化学元素的种类和含量
细胞中常见的化学元素有20多种，这些元素在无机自然界都能找到。下表为地壳和人体细胞中含量较多的元素的比较，回答问题：
项目 O Si C N H
地壳 48.60 26.30 0.087 0.03 0.76
细胞 65.0 极少 18.0 3.0 10.0
(1)从元素种类和含量两个方面分别比较细胞和地壳的异同？据此归纳概括生物界和非生物界及不同生物之间在元素组成上的关系。
提示：组成细胞的化学元素在地壳中都普遍存在，这一事实说明生物界和非生物界具有统一性。而同一元素在细胞和地壳中含量可能会相差甚远，这一事实说明生物界和非生物界具有差异性。
(2)组成细胞的化学元素在地壳中都能找到，没有一种化学元素是细胞特有的，但含量上却有差异。请分析其中的原因。
提示：组成细胞的元素是根据生命活动的需要从无机自然界有选择性吸收的。
2．细胞中主要化合物的种类和含量
组成细胞的元素多数以化合物的形式存在，下图表示细胞中主要化合物的含量，结合该图回答下列问题：
(1)为什么水是细胞中含量最多的化合物？
提示：水是生命之源，缺少了水，生命活动就无法进行。
(2)在细胞干重中，含量最多的化合物是什么？
提示：蛋白质。
[师说重难]　
1．组成细胞的元素的种类和含量
(1)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。
(2)生物体内含有的元素不一定是生物体所必需的元素，如Pb。
①大量元素：洋(O)探(C)亲(H)，但(N)留(S)人(P)，盖(Ca)美(Mg)家(K)。
②微量元素：心(Zn)猛(Mn)碰(B)铁(Fe)木(Mo)桶(Cu)。　　
2．元素的统一性和差异性
3．组成细胞元素的主要作用
(1)维持生命活动：如K＋可保持心肌正常兴奋性，硼(B)可促进花粉的萌发和花粉管的伸长。
(2)组成化合物：如糖类、脂质和蛋白质中都含有C、H、O等元素。
[在应用中悟]
[典例1]　下列关于组成细胞的化合物的叙述，正确的是(　　)
A．在任何活细胞中含量最多的化学元素都是C
B．在活细胞中各种化合物含量从多到少的顺序是：蛋白质、脂质、无机盐、糖类和核酸
C．在活细胞中的各种化合物与食物中的各种化合物成分相同
D．在不同的细胞中各种化合物的种类基本相同，含量有所差别
[解析]　活细胞中含量最多的化学元素是O；一般情况下，活细胞中含量最多的化合物是水，其次是蛋白质，然后是脂质、无机盐、糖类和核酸；在活细胞中的各种化合物与食物中的各种化合物成分不完全相同，体内各种化合物是利用食物中的各种营养成分重新合成的；在不同的细胞中各种化合物的种类基本相同，都是水、蛋白质、脂质、无机盐、糖类和核酸等，但它们的含量不同。
[答案]　D
[典例2]　图1是人体细胞中化合物含量的扇形图，图2是有活性的人体细胞中元素含量的柱形图，下列叙述错误的是(　　)
A．若图1表示细胞鲜重，则A、B化合物依次是H2O、蛋白质
B．若图2表示组成人体细胞的元素含量(占细胞鲜重的百分比)，则a、b、c依次是O、C、H
C．地壳与活细胞中含量最多的元素都是a，因此说明生物界与非生物界具有统一性
D．若图1表示细胞完全脱水后的化合物含量，则A化合物是蛋白质
[解析]　占细胞鲜重最多的化合物是H2O，其次是蛋白质；在人体细胞的鲜重中含量最多的元素是O，其次是C、H等；生物界与非生物界的统一性体现在元素的种类上，而不是含量上；占细胞干重最多的化合物是蛋白质。
[答案]　C
■易错提醒
关于生物体内元素和化合物含量的易错点
分析含量之“最”时，要看清楚是干重还是鲜重，是有机物、无机物还是化合物。如在细胞的鲜重中，含量最多的元素是O，最多的化合物(无机物)是水，最多的有机物是蛋白质；在细胞的干重中，含量最多的元素是C，最多的化合物(有机物)是蛋白质。
[在训练中评]
1．(2020·西安期末)我们如何找到回家的路？荣获诺贝尔生理学或医学奖的三位科学家发现大脑里的神经细胞——“位置细胞”和“网格细胞”起到了重要作用。下列对这两类细胞的叙述正确的是(　　)
A．“位置细胞”鲜重中质量百分比最高的元素是C
B．“网格细胞”干重中质量百分比最高的元素是O
C．上述两种细胞鲜重中原子数量最多的元素均是H
D．P和S 分别是“位置细胞”中的大量元素和微量元素
解析：选C　“位置细胞”和“网格细胞”均属于神经细胞。“位置细胞”鲜重中质量百分比最高的元素是O；“网格细胞”干重中质量百分比最高的元素是C；上述两种细胞鲜重中原子数量最多的元素均是H；P和S均属于大量元素。
2．温泉有远古“圣水”之誉，富含各种对人体有益的微量元素，水温高达56 ℃，对治疗皮肤病、色斑、关节炎及神经衰弱等有特殊的疗效。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元素是(　　)
A．Fe、Mn、Zn、Mg　　　　 B．Zn、Cu、B、Mn
C．Zn、Cu、Mn、Ca D．Mg、Mn、Cu、Mo
解析：选B　Mg、Ca属于大量元素，A、C、D错误；Zn、Cu、B、Mn都属于微量元素，B正确。
新知探究二　检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．实验材料的选择
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)。
2．检测试剂的使用
(1)比较斐林试剂与双缩脲试剂
项目 斐林试剂 双缩脲试剂
甲液 乙液 A液 B液
成分 0.1g/mLNaOH溶液 0.05g/mLCuSO4溶液 0.1g/mLNaOH溶液 0.01g/mLCuSO4溶液
检测对象 可溶性还原糖 蛋白质
添加顺序 甲乙两液等量混匀后立即使用 先加入A液1_mL，摇匀，再加入B液4滴，摇匀
反应条件 水浴加热(50～65_℃) 不需加热，摇匀即可
反应现象 组织样液变成砖红色 组织样液变成紫色
(2)生物试剂的应用
①现有两瓶没有标记的糖尿病患者(尿液中含有葡萄糖)和肾小球肾炎患者(尿液中含有蛋白质)的尿液样品，如何进行区分？
提示：方法一：用斐林试剂对两瓶尿样进行检测，有砖红色沉淀生成的是糖尿病患者的尿样；没有砖红色沉淀生成的是肾小球肾炎患者的尿样。
方法二：用双缩脲试剂来检测，有紫色产生的是肾小球肾炎患者的尿样，另一瓶是糖尿病患者的尿样。
②脱脂奶粉中不含糖类和脂肪，受到老年人的喜爱，要检验某种脱脂奶粉是否合格，可能用到哪些试剂？
提示：符合要求的脱脂奶粉应该无糖和脂肪，同时还应该含有丰富的蛋白质，因此要用到斐林试剂、苏丹Ⅲ染液和双缩脲试剂来检测。
3．实验操作过程分析
(1)三类有机物检测时，唯一需要水浴加热的是__________。唯一需要显微镜观察的是________。
提示：还原糖　脂肪
(2)检测生物组织中的脂肪时，染色时间不宜过长，原因是什么？
提示：染色时间过长，脂肪会溶解到染色剂中。
(3)检测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)检测蛋白质时，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，会遮蔽实验中所产生的紫色，影响观察结果。
[师说重难]　
1．斐林试剂与双缩脲试剂的“一同三不同”
2．关注实验中的四个注意点
选材 不宜选有颜色的材料，因为有颜色的材料会干扰实验结果
预留样品 物质检测中，预留组织样液作对照组
待测液处理 用蛋清作蛋白质检测材料，必须充分稀释，防止蛋清黏在试管内壁上
材料处理 脂肪检测时，用体积分数为50%的酒精洗去浮色，不能用清水，因为染料溶于有机溶剂、不溶于水
[在应用中悟]
[典例1]　对下表中所列待测物质的检测，所选用的试剂及预期结果都正确的是(　　)
待测物质 检测试剂 预期显色结果
① 葡萄糖 碘液 红色
② 脂肪 苏丹Ⅲ染液 橘黄色
③ 淀粉 斐林试剂 蓝色
④ 蛋白质 双缩脲试剂 紫色
　　A．①③　　　　　　　 B．②③
C．①④ D．②④
[解析]　葡萄糖与斐林试剂水浴加热生成砖红色沉淀；检测脂肪可以用苏丹Ⅲ染液，呈现橘黄色；检测淀粉用碘液，呈现蓝色；蛋白质与双缩脲试剂反应呈现紫色。
[答案]　D
[典例2]　某校生物兴趣小组进行了生物组织中还原糖检测的实验(如下图)，下列叙述正确的是(　　)
A．在实验材料选择方面，用苹果比用植物叶片的效果要好
B．在制备生物组织样液时，加入石英砂的主要目的是促进还原糖的溶解
C．用于该实验检测的斐林试剂也可用于检测蛋白质，只是添加试剂的顺序不同
D．由于斐林试剂不稳定，在使用斐林试剂时要先加0.1 g/mL的NaOH溶液，后加入0.05 g/mL的CuSO4溶液
[解析]　苹果果肉的颜色比植物叶片浅，且含有较多的还原糖，所以在实验材料选择方面，用苹果比用植物叶片的效果要好；在制备生物组织样液时，加入石英砂的主要目的是使研磨充分；斐林试剂和双缩脲试剂中CuSO4溶液的浓度不同；在使用斐林试剂时应将等量的NaOH溶液和CuSO4溶液混匀后加入组织样液。
[答案]　A
■易错提醒
易混淆的三个误区
(1)易忽略斐林试剂本身的颜色。
非还原糖(如蔗糖)＋斐林试剂水浴加热后的现象不是无色，而是浅蓝色[Cu(OH)2的颜色]。
(2)易写错“斐”和“脲”字。
“斐林试剂”中的“斐”不可错写成“非”，双缩脲试剂中“脲”不可错写成“尿”。
(3)误认为脂肪的检测必须使用显微镜。
若要观察被染色的脂肪颗粒，则使用显微镜，但若只要观察溶液颜色变化，则不必使用显微镜，可以在制备的组织样液中加入苏丹Ⅲ染液，观察溶液的颜色变化。
[在训练中评]
1．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
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%的酒精是为了溶解组织中的脂肪
D．蛋白质的检测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。
2．下列有机物的检测实验中，可能导致实验失败的操作是(　　)
①脂肪检测时，花生子叶染色后，没有用酒精洗去浮色
②蛋白质检测时，把 A、B液混合后再加入蛋白质样液中
③还原糖检测时，用50～65 ℃水浴加热
④淀粉检测时，直接把碘液滴加到淀粉样液中
A．①②　　　　　　　 B．②④
C．③④ D．①④
解析：选A　脂肪检测实验中，花生子叶染色后，需用50%的酒精洗去浮色，否则会导致实验失败，①符合题意；蛋白质检测时，应先加A液，再滴加B液，若将A、B液混合后再加入蛋白质样液中，A液和B液会发生反应，这样就不会与蛋白质发生紫色反应，导致实验失败，②符合题意；用斐林试剂进行还原糖检测时，用50～65 ℃水浴加热为正确的操作方法，③不符合题意；淀粉检测时，直接把碘液滴加到淀粉样液中即可发生颜色反应，④不符合题意。
　科学探究——以种子成熟和萌发为素材考查有机物的检测
1．种子成熟时有机物的变化
种子成熟时，小分子有机物转化为大分子物质，以便于储存，主要营养物质变化如下：
①可溶性糖类→不溶性糖类(如淀粉)。
②非蛋白质氮→蛋白质。
③糖类→脂肪。
2．种子萌发时有机物的变化
种子萌发时，储存的大分子有机物在酶的作用下水解为小分子物质，作为幼胚生长的营养物质。
①淀粉麦芽糖葡萄糖。
②蛋白质氨基酸。
③脂肪甘油＋脂肪酸。
[素养评价]
1．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。下列有关说法错误的是(　　)
　 　试剂种类　　 碘液 苏丹Ⅲ染液 双缩脲试剂
甲 ＋＋＋＋ ＋＋ ＋
乙 ＋＋ ＋＋＋＋ ＋＋
丙 ＋ ＋＋ ＋＋＋＋
A．三种种子中乙种子蛋白质含量最高
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
解析：选A　分析表格可知，甲植物干种子中淀粉含量较高，乙植物干种子中脂肪含量较高，丙植物干种子中蛋白质含量较高。
2．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制成匀浆后检测，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试剂 橘黄色
D 第40 d 碘液 蓝色
解析：选C　第10 d有可溶性糖，不排除有还原糖的可能，故加入斐林试剂，水浴加热后可能出现砖红色沉淀；种子中一定有蛋白质，加入双缩脲试剂后会出现紫色反应；第30 d种子中有脂肪，与苏丹Ⅲ染液发生反应，呈现橘黄色；第40 d种子中无淀粉，加入碘液后不会呈现蓝色。
3．小麦种子萌发时产生淀粉酶，将淀粉水解为麦芽糖、葡萄糖等。小麦种子萌发的最适温度为30 ℃左右(此时产生淀粉酶的速度最快)。取适量小麦种子在20 ℃和30 ℃培养箱中培养4天后，作如下处理：
在3支试管中加入等量斐林试剂并加热至50 ℃左右，摇匀后观察试管中的颜色。结果是(　　)
A．甲呈蓝色，乙呈砖红色，丙呈无色
B．甲呈无色，乙呈砖红色，丙呈蓝色
C．甲、乙都呈砖红色，丙呈无色
D．甲呈浅砖红色，乙呈砖红色，丙呈蓝色
解析：选D　由“小麦种子萌发的最适温度为30 ℃左右”可知，在30 ℃培养箱中萌发的种子产生的淀粉酶多于在20 ℃条件下萌发的种子产生的淀粉酶，因此乙试管中淀粉水解后产生的麦芽糖、葡萄糖等还原糖比甲试管中多，分别加入斐林试剂检测，甲的颜色较乙浅。丙中没有发生反应，呈现斐林试剂溶液的颜色，即蓝色。
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