【学案】 第2章　第2节　细胞中的无机物　生物学人教版（2019） 必修1

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第2节　细胞中的无机物
学有目标——课标要求必明 记在平时——核心语句必背
1.说出水在细胞中的存在形式和作用，认同其在生命活动中具有重要作用。2.举例说出无机盐在细胞中的存在形式和主要作用。 1.水是细胞中的良好溶剂，又是细胞结构的重要组成成分。2.无机盐是细胞内某些复杂化合物的重要组成成分，对于维持细胞和生物体的生命活动有重要作用。
[主干知识梳理]
一、细胞中的水
1．水的含量
(1)在构成细胞的各种化学成分中，水一般占60%～95%。
(2)生物种类不同，含水量不同。
(3)生物体在不同的生长发育期，含水量不同。
2．水的特性
(1)水是极性分子，带正电荷与带负电荷的分子容易与水结合，因此，水是良好的溶剂。
(2)水分子之间形成氢键，氢键较弱，易断裂，易形成，使水在常温下保持液体状态，具有流动性。
(3)氢键的存在使水具有较高的比热容，使水的温度相对不易发生改变。
3．水的存在形式和功能
存在形式 自由水 结合水
含义 细胞中绝大部分以游离的形式存在，是可以自由流动的水 与细胞内其他物质相结合的水
功能 ①细胞内的良好溶剂 是细胞结构的重要组成成分
②参与生物化学反应
③为细胞提供液体环境
④运送营养物质和代谢废物
含量 约占细胞内全部水分的95.5% 约占细胞内全部水分的4.5%
二、细胞中的无机盐
1．存在形式：大多数以离子的形式存在。
2．含量：占细胞鲜重的1%～1.5%。
3．功能
(1)某些重要化合物和结构的组成成分，如Mg是构成叶绿素的元素，Fe是构成血红素分子的元素，P是组成细胞膜、细胞核的重要成分。
(2)维持细胞和生物体的生命活动，如哺乳动物的血液中Ca2＋含量降低，会出现抽搐现象，Na＋缺乏会引起神经、肌肉细胞的兴奋性降低。
(3)维持细胞的酸碱平衡。
[边角知识发掘]
1．结合教材21页的图示和内容回答：水为什么能成为细胞内良好的溶剂呢？它又为什么具有支持生命的独特性质呢？
提示：(1)水分子的空间结构及电子的不对称分布，使得水分子成为一个极性分子。带有正电荷或负电荷的分子(或离子)都容易与水结合，因此，水是良好的溶剂。(2)水分子具有氢键，氢键比较弱，易被破坏，只能维持极短时间，这样氢键不断地断裂、又不断地形成，使水在常温下能够维持液体状态，具有流动性。同时，由于氢键的存在，水具有较高的比热容，这就意味着水的温度相对不容易发生改变，水的这种特性，对于维持生命系统的稳定性十分重要。
2．下图是一种叶绿素和血红素分子的局部结构简图(教材P22资料1)，回答相关问题：
(1)叶绿素分子的基本组成元素有__________，血红素分子的基本组成元素有_____________。
(2)缺Mg植物叶子会变黄的原因是________________________________________，缺Fe会导致人体表现出贫血症状的原因是__________________________。
(3)由此说明________________________________。
答案：(1)C、H、O、N、Mg　C、H、O、N、Fe
(2)缺Mg会使叶绿素形成受阻，叶子缺乏叶绿素导致变黄。 缺Fe会导致血红蛋白的合成障碍，从而表现贫血症状
(3)无机盐是某些化合物的重要组成成分
[教材问题提示]
(一)思考·讨论(教材P22)
1．提示：光合作用的正常进行不能缺少叶绿素，而叶绿素的分子结构中不能缺少的元素之一就是Mg。Mg是叶绿素的组成元素之一，因此，它对于光合作用具有重要意义。缺Mg使叶绿素的形成受到阻碍，进而影响光合作用。
2．提示：人体内血红蛋白和红细胞减少都可以导致贫血。血红蛋白的分子结构不能缺少的一种元素就是Fe。缺Fe会导致血红蛋白的合成障碍，从而引起贫血。缺铁性贫血是一种常见的贫血症。
3．提示：这说明了P对于植物正常的生长发育是必不可少的。P作为植物生长发育所必需的大量元素之一，是许多重要化合物(如核酸、ATP等)和生物膜等的重要组成成分，也在光合作用和呼吸作用等与能量代谢有关的反应中扮演重要角色。当P供应不足时，核酸的合成会受到影响，并会涉及蛋白质的合成，还会影响体内糖类的代谢。因此，缺乏P的植株会由于糖类代谢障碍而出现叶片颜色异常，并且长得矮小、结实率低。
(二)旁栏思考
1．这些离子有什么重要的作用？(教材P21，略)
2．摄入食盐过多或过少会对人体健康造成怎样的危害？(教材P22)
提示：盐是日常生活中不可缺少的调味品，它的主要成分是NaCl。虽然Na＋和Cl－在细胞的代谢中发挥重要的作用，但它们并不是越多越好。世界卫生组织(WHO)推荐每人每天食盐摄入量以5 g为宜。据《中国居民营养与慢性病状况报告(2015)》显示，虽然我国居民平均每天烹调用盐量在2012年比2002年下降了1.5 g，但还是达到了10.5 g，而且中老年群体食盐消费量明显高于青少年群体。摄入盐过多对人类健康的危害很大。例如，有大量证据表明，增加盐的摄入会增加高血压及其他心血管疾病的患病风险；高盐饮食与骨质疏松症、糖尿病等相关。但是，并不是所有的人群都适合低盐饮食，某些疾病患者可能要维持相当水平的盐摄入。该思考题可以让学生体会到适度与平衡的重要性。
新知探究一　细胞中水的存在形式和生理功能
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．生物体内含水量的比较
资料1：不同生物体中水的含量
生物 水母 鱼类 蛙 哺乳动物 藻类 高等植物
水的含量/% 97 80～85 78 65 90 60～80
资料2：人体中几种不同器官或组织中水的含量
组织、器官 牙齿 骨髓 骨骼肌 心肌 血液
水的含量/% 10 22 76 79 83
分析资料1和资料2，能得出什么结论？
提示：①由表一可知：不同生物体内含水量不同，水生生物体内的含水量一般比陆生生物多。
②由表二可知：同一生物体内，不同器官的含水量不同，一般代谢旺盛的组织、器官含水量较多。
2．水的存在形式及功能
(1)水的存在形式
①鲜种子放在阳光下暴晒，重量减轻 说明自由水散失。
②干种子用水浸泡后仍能萌发 说明失去自由水的种子仍保持其生理活性。
③烘烤后的种子浸泡后不萌发 说明失去结合水的种子失去生理活性。
(2)水的功能
①许多种物质溶解在自由水中 这说明自由水是细胞内的良好溶剂。
②水是光合作用的原料 说明细胞内的自由水可作为反应物，参与许多生化反应。
③水在生物体内的流动(如血液)，可以把其中溶解的营养物质运输到各个细胞，同时又把细胞代谢产生的废物运送到排泄器官或者直接运输到体外 这说明自由水具有物质运输的功能。
3．自由水、结合水相对含量与细胞代谢及抗逆性的关系
资料1：卷柏的耐旱力极强，一旦失去水分供应，就将枝叶卷曲抱团，失去绿色，根能自行从土壤分离，卷缩似拳状，随风移动，这时的卷柏几乎没有生命现象；但只要根系在水中浸泡后就又可舒展，变得翠绿可人。
(1)干旱时，卷柏体内自由水与结合水的比值如何变化？
提示：降低。
(2)干枯的卷柏吸收水分后，恢复生长，代谢变得旺盛，原因是什么？
提示：干枯的卷柏吸收水分后，自由水含量增多。自由水是细胞内的良好溶剂；可作为反应物，参与许多生物化学反应；自由水还具有运输营养物质和代谢废物的功能。
(3)总结自由水含量和代谢强度的关系。
提示：一般来说，自由水含量越高，细胞的代谢越旺盛。
资料2：在冬季来临之前，随着气温逐渐下降，植物体内自由水的含量降低，结合水的比例升高，能有效地防止细胞内结冰，增加抗寒能力，这说明自由水的含量和抗逆性的关系是什么？
提示：一般来说，自由水含量越低，结合水相对含量越高，植物的抗逆性就越强。
[师说重难]　
1．自由水与结合水之间的转化
2．水的含量与细胞代谢和抗逆性的关系
①将收获的种子晒干，降低自由水的含量，使代谢减弱，有利于种子的长期保存；②干种子萌发前，需要吸收水分，增加自由水的含量，使代谢逐渐增强；③越冬作物减少灌溉，降低自由水含量，提高对低温的抗性
[在应用中悟]
[典例1]　图甲表示几种生物体内的含水量，图乙表示人体内有关组织或器官的含水量，下列有关叙述错误的是(　　)
A．水生生物的含水量一般比陆生生物多
B．代谢旺盛的组织或器官含水量一般较高
C．生物体内含量最多的物质是水
D．血液中自由水与结合水之比大于1，而心脏中则相反
[解析]　水生生物的含水量一般高于陆生生物的含水量；代谢旺盛的组织或器官含水量一般较高；水是生物体中含量最多的物质；通过图示无法得出各器官中自由水与结合水的比例关系，但在生物体中自由水的含量要高于结合水的含量。
[答案]　D
[典例2]　(2020·延边汪清中学检测)当生物体新陈代谢旺盛、生长迅速时，生物体内(　　)
A．结合水与自由水的比值与此无关
B．结合水与自由水的比值会降低
C．结合水与自由水的比值会升高
D．结合水与自由水的比值不变
[解析]　当生物体新陈代谢旺盛、生长迅速时，自由水与结合水的比值高。结合水/自由水的值与细胞新陈代谢强弱密切相关，A错误；结合水/自由水的值降低，生物体新陈代谢旺盛，生长迅速，B正确；结合水/自由水的值升高，生物体新陈代谢减弱，生长缓慢，C错误；当生物体新陈代谢旺盛、生长迅速时，结合水与自由水的比值会降低，D错误。
[答案]　B
[在训练中评]
1．下列有关生物体内水的叙述，错误的是(　　)
A．结合水是组成细胞结构的一部分，约占细胞内全部水分的4.5%
B．自由水是良好的溶剂，是各种代谢活动的介质
C．同种植物冬天结合水所占比值比夏天高
D．心肌坚韧，血液呈液态，但它们的含水量相差无几，原因是心肌内全是结合水
解析：选D　结合水的作用是构成细胞的结构，其含量约占全部水分的4.5%；自由水的作用有多个方面，例如自由水是良好的溶剂，是化学反应的介质；同种植物在冬天的结合水含量相比夏天相对较高，以增强其抗寒能力；心肌与血液的含水量相差不大，但心肌中的结合水含量相对较高，血液中的自由水含量相对较多，所以心肌呈固态而血液呈液态。
2．“绵绵的春雨润醒了小草，润绿了杨树，润开了报春花。”下列各图为植物在复苏过程中，细胞中自由水与结合水相对含量变化的曲线图，其中表示正确的是(　　)
解析：选B　植物在复苏过程中新陈代谢增强，自由水相对含量上升，结合水相对含量下降。
新知探究二　细胞中的无机盐
[在探究中学]
[任务驱动]　
1．连线无机盐的生理功能和实例
2．查找有关资料，填写下列元素缺乏症，体会无机盐的功能
(1)人体缺铁，会患贫血症；幼年缺钙会患佝偻病，成年缺钙会患骨质疏松症；幼年缺碘会患呆小症，成年缺碘会患地方性甲状腺肿。
(2)植物的生长需要多种无机盐，其中需要最多的是N、P、K，缺少某种无机盐，植株会出现相应的症状。
①植物缺N：植株矮小，下部叶片首先缺绿变黄，逐步向上扩展，叶片薄而黄。
②缺P：植物生长受到抑制，植株矮小，下部叶片发暗呈紫红色，开花迟，花亦小。
③缺K：光合作用显著下降，茎秆细瘦，叶的尖端和边缘变黄直至枯死，严重时会使大部分叶片枯黄。
[师说重难]　
无机盐的存在形式和功能
[在应用中悟]
[典例1]　(2020·临沂高一期末)无机盐在细胞中大多数以离子的形式存在，对生物体的生命活动起着重要作用。下列叙述正确的是(　　)
A．不同生物体内无机盐的种类和含量大体相当
B．酷暑时节，在室外作业的人们大量流汗，应多饮用淡盐水
C．无机盐在细胞中含量很少，所以属于微量元素
D．哺乳动物骨骼中钙离子的含量太低，会出现抽搐症状
[解析]　不同生物体内无机盐的种类基本相同，含量有差异，A错误；人们大量流汗会丢失大量的水和无机盐，应多饮用淡盐水进行补充，B正确；无机盐中也包含大量元素，如N、P、Mg等，C错误；哺乳动物血液中钙离子的含量太低，会出现抽搐症状，D错误。
[答案]　B
[典例2]　医生给病人输液时，常把药剂溶解于生理盐水(0.9%的NaCl溶液)中，而不是溶解于蒸馏水中。这是因为(　　)
A．无机盐在生物体的生命活动中是不可缺少的
B．蒸馏水不含营养物质
C．蒸馏水可增大细胞中自由水比例，使细胞代谢加快，加剧病情
D．生理盐水能维持人体细胞生活环境的稳定状态，防止细胞过度吸水或失水
[解析]　医用生理盐水的渗透压，正好与人体细胞生活的液体渗透压相等，在此液体环境中细胞不会因失水或吸水而变形。
[答案]　D
[在训练中评]
1．生长在含盐量高、干旱土壤中的盐生植物，通过在液泡中储存大量的Na＋而促进细胞吸收水分，该现象说明液泡内的Na＋参与(　　)
A．调节渗透压　　　　　　　 B．组成体内化合物
C．维持正常pH D．提供能量
解析：选A　液泡内的各种矿质离子等能够参与调节细胞液的渗透压，盐生植物液泡中储存大量的Na＋，增大了细胞液的渗透压，使细胞吸水能力增强。
2．如图是一种叶绿素分子(左)和血红素分子(右)的局部结构简图，下列说法错误的是(　　)
A．合成叶绿素和血红蛋白分别需要Mg2＋和Fe2＋
B．植物体缺Mg2＋会影响光合作用
C．人体缺Fe2＋会影响血红蛋白对氧的运输
D．Mg和Fe分别存在于植物和动物细胞中
解析：选D　Mg2＋是叶绿素的重要组成成分，叶绿素是光合作用必需的色素；而Fe2＋是血红素的组成成分，血红素是血红蛋白的组成成分，缺乏Fe2＋就会影响红细胞的功能；Fe和Mg在动物和植物细胞中都有。
科学探究——探究植物必需无机盐的实验设计
探究某一种无机盐是否为植物必需无机盐，一般利用溶液培养法。具体设计思路如下：
(1)对照组：植物＋完全培养液→正常生长。
(2)实验组
实验组加入X盐的目的是二次对照，使实验组前后对照，以增强说服力。
[素养评价]
1．为了确定某元素是否为植物的必需元素，应采取的方法是(　　)
A．检测正常叶片中该元素的含量
B．分析根系对该元素的吸收过程
C．分析环境条件对该元素吸收的影响
D．观察含全部营养元素的培养液中，去掉该元素前后植株的生长发育状况
解析：选D　判断某元素是否为必需元素，通常用溶液培养法。在人工配制的完全培养液中，除去某种元素，然后观察植物的生长发育情况：如果植物的生长发育仍正常，说明该元素不是植物所必需的；如果植物的生长发育不正常(出现特定的缺乏症状)，且只有补充了该种元素(其他元素无效)后，植物的生长发育才能恢复正常(症状消失)，则说明该元素是植物所必需的元素。
2．设计一个实验证明镍盐是植物生活所必需的无机盐，根据提供的实验材料用品，完成实验步骤，并得出相应的结论。
(1)材料用品：完全培养液甲，缺镍的完全培养液乙，适当的固定材料，广口瓶若干，长势相似的玉米幼苗，含镍的无机盐。
(2)方法步骤：
①取两个洁净的广口瓶编号A、B，并向A瓶中加入一定量的完全培养液甲，向B瓶中加入____________________________________________________。
②取________________________平均分为两组，将其中一组放入A瓶中，另一组放入B瓶中。
③将两广口瓶置于____________的条件下培养一段时间，观察_______________。
(3)实验结果及结论：
A瓶中________________；B瓶中________________。说明________________________
_________________。
(4)为进一步验证镍盐一定是必需的无机盐，还应增加的实验步骤是____________________________________________________
____________________________________________________。
解析：根据实验目的，本实验的自变量是营养液中镍的有无，其他条件均应相同且适宜。溶液培养法可以用来判定某元素是否为植物生活所必需的元素，运用对照原则，将玉米幼苗随机分为两组，分别放在含镍和不含镍的完全培养液中培养，观察实验结果，对结果进行分析，得出结论。
答案：(2)①等量的缺镍的完全培养液乙　②长势相似的玉米幼苗　③相同且适宜　玉米幼苗的生长状况　(3)玉米幼苗生长正常　玉米幼苗不能正常生长　镍盐是植物生活所必需的无机盐　(4)向B瓶中添加镍盐，观察玉米幼苗能否恢复正常生长
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