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第2章　第1節　細胞中的元素和化合物
學有目標——課標要求必明 記在平時——核心語句必背
1.說出組成細胞的元素都來自自然界但各元素相對含量又與無機環境不同。2.說出組成細胞的大量元素和主要微量元素，說出組成細胞的化合物的主要種類。3.嘗試檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質，進行實驗操作、觀察結果，基于實驗簡述組成細胞的物質的特殊性。 1.組成細胞的20多種化學元素中，C、H、O、N的含量最多。2.組成細胞的化合物中占鮮重最多的是水，占干重最多的是蛋白質。3.還原糖與斐林試劑在水浴加熱條件下生成磚紅色沉淀。4.脂肪可被蘇丹Ⅲ染液染成橘黃色。5.蛋白質與雙縮脲試劑能發生紫色反應。
[主干知識梳理]
一、組成細胞的元素和化合物
1．組成細胞的元素
(1)種類：細胞中常見的化學元素有20多種。
(2)分類
(3)細胞中4種含量最多的元素：C、H、O、N。
2．組成細胞的化合物
種類
二、檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質
1．還原糖的檢測
2．脂肪的檢測
(1)檢測原理：脂肪＋蘇丹Ⅲ染液→橘黃色。
(2)檢測步驟：
3．蛋白質的檢測
[邊角知識發掘]
1．下圖表示組成細胞的元素和化合物，請據圖回答有關問題：
(1)若圖1表示細胞中主要化合物的含量，則甲是水，乙為蛋白質。
(2)若圖2表示組成人體細胞干重含量比例前四位的元素，則 ②是C元素。
(3)圖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，這說明生物界和非生物界具有統一性。
(4)C、H、N三種元素在人體的化學成分中，質量分數共占73%左右(占細胞干重的百分比)，而在巖石圈的化學成分中，質量分數不到1%，這一事實說明生物界與非生物界具有差異性。
2．人體細胞是由元素和化合物組成的，生活中常出現“大頭娃娃”“佝僂病”等營養不良，以及肥胖等現象，人們應該如何做才能避免上述現象發生呢？
提示：不同食物中的營養物質的種類和含量差異很大，人們只有均衡營養、合理膳食才能補充人體所需的各種元素和化合物，保持健康的身體。
[教材問題提示]
(一)思考·討論(教材P16)
1．在玉米細胞和人體細胞中含量較多的四種元素是一樣的，都是C、H、O、N。這是因為玉米和人都是生物，組成它們的主要成分都是水、糖類、脂類和蛋白質等物質，這些物質都含有C、H、O，蛋白質中還含有大量的N元素。
2．提示：細胞中有些元素含量很少，但是卻有重要作用。如在玉米細胞中，S只占0.17%，Mg只占0.18%，但很多蛋白質都含有S，葉綠體中的葉綠素分子就含有Mg，如果缺少S或Mg，細胞就不能合成這些蛋白質或葉綠素。
3．提示：組成玉米細胞中氧元素的含量明顯要高于人體細胞，而氮元素的含量明顯又低于人體細胞，這說明玉米細胞和人體細胞中的不同有機物的含量有差別。如玉米細胞中的糖類要多一些，而人體細胞中的蛋白質的含量要多一些；Ca元素的含量也有區別，這與玉米和人體的物質和結構組成有關。
(二)旁欄思考(教材P17)
提示：梨的果實細胞中糖類和水等物質多，不含葉綠素。
新知探究一　組成細胞的元素和化合物
[在探究中學]
[任務驅動]　
1．細胞內化學元素的種類和含量
細胞中常見的化學元素有20多種，這些元素在無機自然界都能找到。下表為地殼和人體細胞中含量較多的元素的比較，回答問題：
項目 O Si C N H
地殼 48.60 26.30 0.087 0.03 0.76
細胞 65.0 極少 18.0 3.0 10.0
(1)從元素種類和含量兩個方面分別比較細胞和地殼的異同？據此歸納概括生物界和非生物界及不同生物之間在元素組成上的關系。
提示：組成細胞的化學元素在地殼中都普遍存在，這一事實說明生物界和非生物界具有統一性。而同一元素在細胞和地殼中含量可能會相差甚遠，這一事實說明生物界和非生物界具有差異性。
(2)組成細胞的化學元素在地殼中都能找到，沒有一種化學元素是細胞特有的，但含量上卻有差異。請分析其中的原因。
提示：組成細胞的元素是根據生命活動的需要從無機自然界有選擇性吸收的。
2．細胞中主要化合物的種類和含量
組成細胞的元素多數以化合物的形式存在，下圖表示細胞中主要化合物的含量，結合該圖回答下列問題：
(1)為什么水是細胞中含量最多的化合物？
提示：水是生命之源，缺少了水，生命活動就無法進行。
(2)在細胞干重中，含量最多的化合物是什么？
提示：蛋白質。
[師說重難]　
1．組成細胞的元素的種類和含量
(1)大量元素和微量元素劃分的依據是含量的多少，而不是生理作用。
(2)生物體內含有的元素不一定是生物體所必需的元素，如Pb。
①大量元素：洋(O)探(C)親(H)，但(N)留(S)人(P)，蓋(Ca)美(Mg)家(K)。
②微量元素：心(Zn)猛(Mn)碰(B)鐵(Fe)木(Mo)桶(Cu)。　　
2．元素的統一性和差異性
3．組成細胞元素的主要作用
(1)維持生命活動：如K＋可保持心肌正常興奮性，硼(B)可促進花粉的萌發和花粉管的伸長。
(2)組成化合物：如糖類、脂質和蛋白質中都含有C、H、O等元素。
[在應用中悟]
[典例1]　下列關于組成細胞的化合物的敘述，正確的是(　　)
A．在任何活細胞中含量最多的化學元素都是C
B．在活細胞中各種化合物含量從多到少的順序是：蛋白質、脂質、無機鹽、糖類和核酸
C．在活細胞中的各種化合物與食物中的各種化合物成分相同
D．在不同的細胞中各種化合物的種類基本相同，含量有所差別
[解析]　活細胞中含量最多的化學元素是O；一般情況下，活細胞中含量最多的化合物是水，其次是蛋白質，然后是脂質、無機鹽、糖類和核酸；在活細胞中的各種化合物與食物中的各種化合物成分不完全相同，體內各種化合物是利用食物中的各種營養成分重新合成的；在不同的細胞中各種化合物的種類基本相同，都是水、蛋白質、脂質、無機鹽、糖類和核酸等，但它們的含量不同。
[答案]　D
[典例2]　圖1是人體細胞中化合物含量的扇形圖，圖2是有活性的人體細胞中元素含量的柱形圖，下列敘述錯誤的是(　　)
A．若圖1表示細胞鮮重，則A、B化合物依次是H2O、蛋白質
B．若圖2表示組成人體細胞的元素含量(占細胞鮮重的百分比)，則a、b、c依次是O、C、H
C．地殼與活細胞中含量最多的元素都是a，因此說明生物界與非生物界具有統一性
D．若圖1表示細胞完全脫水后的化合物含量，則A化合物是蛋白質
[解析]　占細胞鮮重最多的化合物是H2O，其次是蛋白質；在人體細胞的鮮重中含量最多的元素是O，其次是C、H等；生物界與非生物界的統一性體現在元素的種類上，而不是含量上；占細胞干重最多的化合物是蛋白質。
[答案]　C
■易錯提醒
關于生物體內元素和化合物含量的易錯點
分析含量之“最”時，要看清楚是干重還是鮮重，是有機物、無機物還是化合物。如在細胞的鮮重中，含量最多的元素是O，最多的化合物(無機物)是水，最多的有機物是蛋白質；在細胞的干重中，含量最多的元素是C，最多的化合物(有機物)是蛋白質。
[在訓練中評]
1．(2020·西安期末)我們如何找到回家的路？榮獲諾貝爾生理學或醫學獎的三位科學家發現大腦里的神經細胞——“位置細胞”和“網格細胞”起到了重要作用。下列對這兩類細胞的敘述正確的是(　　)
A．“位置細胞”鮮重中質量百分比最高的元素是C
B．“網格細胞”干重中質量百分比最高的元素是O
C．上述兩種細胞鮮重中原子數量最多的元素均是H
D．P和S 分別是“位置細胞”中的大量元素和微量元素
解析：選C　“位置細胞”和“網格細胞”均屬于神經細胞。“位置細胞”鮮重中質量百分比最高的元素是O；“網格細胞”干重中質量百分比最高的元素是C；上述兩種細胞鮮重中原子數量最多的元素均是H；P和S均屬于大量元素。
2．溫泉有遠古“圣水”之譽，富含各種對人體有益的微量元素，水溫高達56 ℃，對治療皮膚病、色斑、關節炎及神經衰弱等有特殊的療效。下列元素在生物體內含量較少，但對維持生物體正常生命活動必不可少的元素是(　　)
A．Fe、Mn、Zn、Mg　　　　 B．Zn、Cu、B、Mn
C．Zn、Cu、Mn、Ca D．Mg、Mn、Cu、Mo
解析：選B　Mg、Ca屬于大量元素，A、C、D錯誤；Zn、Cu、B、Mn都屬于微量元素，B正確。
新知探究二　檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質
[在探究中學]
[任務驅動]　
1．實驗材料的選擇
檢測生物組織中的淀粉、還原糖、脂肪和蛋白質的實驗均為顯色反應，在選擇實驗材料時應注意哪些問題？
提示：一是要富含待檢測的化合物；二是要顏色較淺(無色或白色最佳)。
2．檢測試劑的使用
(1)比較斐林試劑與雙縮脲試劑
項目 斐林試劑 雙縮脲試劑
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
檢測對象 可溶性還原糖 蛋白質
添加順序 甲乙兩液等量混勻后立即使用 先加入A液1_mL，搖勻，再加入B液4滴，搖勻
反應條件 水浴加熱(50～65_℃) 不需加熱，搖勻即可
反應現象 組織樣液變成磚紅色 組織樣液變成紫色
(2)生物試劑的應用
①現有兩瓶沒有標記的糖尿病患者(尿液中含有葡萄糖)和腎小球腎炎患者(尿液中含有蛋白質)的尿液樣品，如何進行區分？
提示：方法一：用斐林試劑對兩瓶尿樣進行檢測，有磚紅色沉淀生成的是糖尿病患者的尿樣；沒有磚紅色沉淀生成的是腎小球腎炎患者的尿樣。
方法二：用雙縮脲試劑來檢測，有紫色產生的是腎小球腎炎患者的尿樣，另一瓶是糖尿病患者的尿樣。
②脫脂奶粉中不含糖類和脂肪，受到老年人的喜愛，要檢驗某種脫脂奶粉是否合格，可能用到哪些試劑？
提示：符合要求的脫脂奶粉應該無糖和脂肪，同時還應該含有豐富的蛋白質，因此要用到斐林試劑、蘇丹Ⅲ染液和雙縮脲試劑來檢測。
3．實驗操作過程分析
(1)三類有機物檢測時，唯一需要水浴加熱的是__________。唯一需要顯微鏡觀察的是________。
提示：還原糖　脂肪
(2)檢測生物組織中的脂肪時，染色時間不宜過長，原因是什么？
提示：染色時間過長，脂肪會溶解到染色劑中。
(3)檢測還原糖時使用的斐林試劑為何要現配現用？
提示：因為斐林試劑很不穩定，容易產生藍色的Cu(OH)2沉淀，所以應將甲液和乙液分別保存，使用時現配現用。
(4)檢測蛋白質時，加入試劑B后，如果沒有產生紫色反應，可能的原因是什么？
提示：可能加入的雙縮脲試劑B過量，CuSO4在堿性溶液中生成大量的藍色Cu(OH)2絮狀沉淀，會遮蔽實驗中所產生的紫色，影響觀察結果。
[師說重難]　
1．斐林試劑與雙縮脲試劑的“一同三不同”
2．關注實驗中的四個注意點
選材 不宜選有顏色的材料，因為有顏色的材料會干擾實驗結果
預留樣品 物質檢測中，預留組織樣液作對照組
待測液處理 用蛋清作蛋白質檢測材料，必須充分稀釋，防止蛋清黏在試管內壁上
材料處理 脂肪檢測時，用體積分數為50%的酒精洗去浮色，不能用清水，因為染料溶于有機溶劑、不溶于水
[在應用中悟]
[典例1]　對下表中所列待測物質的檢測，所選用的試劑及預期結果都正確的是(　　)
待測物質 檢測試劑 預期顯色結果
① 葡萄糖 碘液 紅色
② 脂肪 蘇丹Ⅲ染液 橘黃色
③ 淀粉 斐林試劑 藍色
④ 蛋白質 雙縮脲試劑 紫色
　　A．①③　　　　　　　 B．②③
C．①④ D．②④
[解析]　葡萄糖與斐林試劑水浴加熱生成磚紅色沉淀；檢測脂肪可以用蘇丹Ⅲ染液，呈現橘黃色；檢測淀粉用碘液，呈現藍色；蛋白質與雙縮脲試劑反應呈現紫色。
[答案]　D
[典例2]　某校生物興趣小組進行了生物組織中還原糖檢測的實驗(如下圖)，下列敘述正確的是(　　)
A．在實驗材料選擇方面，用蘋果比用植物葉片的效果要好
B．在制備生物組織樣液時，加入石英砂的主要目的是促進還原糖的溶解
C．用于該實驗檢測的斐林試劑也可用于檢測蛋白質，只是添加試劑的順序不同
D．由于斐林試劑不穩定，在使用斐林試劑時要先加0.1 g/mL的NaOH溶液，后加入0.05 g/mL的CuSO4溶液
[解析]　蘋果果肉的顏色比植物葉片淺，且含有較多的還原糖，所以在實驗材料選擇方面，用蘋果比用植物葉片的效果要好；在制備生物組織樣液時，加入石英砂的主要目的是使研磨充分；斐林試劑和雙縮脲試劑中CuSO4溶液的濃度不同；在使用斐林試劑時應將等量的NaOH溶液和CuSO4溶液混勻后加入組織樣液。
[答案]　A
■易錯提醒
易混淆的三個誤區
(1)易忽略斐林試劑本身的顏色。
非還原糖(如蔗糖)＋斐林試劑水浴加熱后的現象不是無色，而是淺藍色[Cu(OH)2的顏色]。
(2)易寫錯“斐”和“脲”字。
“斐林試劑”中的“斐”不可錯寫成“非”，雙縮脲試劑中“脲”不可錯寫成“尿”。
(3)誤認為脂肪的檢測必須使用顯微鏡。
若要觀察被染色的脂肪顆粒，則使用顯微鏡，但若只要觀察溶液顏色變化，則不必使用顯微鏡，可以在制備的組織樣液中加入蘇丹Ⅲ染液，觀察溶液的顏色變化。
[在訓練中評]
1．下列關于檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質實驗的敘述，正確的是(　　)
A．常用番茄、蘋果等組織樣液作為檢測植物組織內還原糖的實驗材料
B．脂肪的檢測中觀察花生子葉切片細胞間不可能出現橘黃色脂肪顆粒
C．脂肪的檢測中體積分數為50%的酒精是為了溶解組織中的脂肪
D．蛋白質的檢測中加入的質量分數為0.1 g/mL的NaOH溶液可為反應提供堿性環境
解析：選D　番茄的紅色會影響實驗結果的觀察，故檢測還原糖時不能選擇番茄作為實驗材料，A錯誤；切片時，被破壞的子葉細胞會釋放出少量脂肪，細胞間會出現橘黃色脂肪顆粒，B錯誤；檢測生物組織中脂肪的實驗中，體積分數為50%的酒精的主要作用是洗去浮色，C錯誤；蛋白質檢測實驗中，先加入雙縮脲試劑A液(質量分數為0.1 g/mL的NaOH溶液)，提供一個堿性環境，再加入雙縮脲試劑B液(質量分數為0.01 g/mL的CuSO4溶液)，能生成紫色的絡合物，D正確。
2．下列有機物的檢測實驗中，可能導致實驗失敗的操作是(　　)
①脂肪檢測時，花生子葉染色后，沒有用酒精洗去浮色
②蛋白質檢測時，把 A、B液混合后再加入蛋白質樣液中
③還原糖檢測時，用50～65 ℃水浴加熱
④淀粉檢測時，直接把碘液滴加到淀粉樣液中
A．①②　　　　　　　 B．②④
C．③④ D．①④
解析：選A　脂肪檢測實驗中，花生子葉染色后，需用50%的酒精洗去浮色，否則會導致實驗失敗，①符合題意；蛋白質檢測時，應先加A液，再滴加B液，若將A、B液混合后再加入蛋白質樣液中，A液和B液會發生反應，這樣就不會與蛋白質發生紫色反應，導致實驗失敗，②符合題意；用斐林試劑進行還原糖檢測時，用50～65 ℃水浴加熱為正確的操作方法，③不符合題意；淀粉檢測時，直接把碘液滴加到淀粉樣液中即可發生顏色反應，④不符合題意。
　科學探究——以種子成熟和萌發為素材考查有機物的檢測
1．種子成熟時有機物的變化
種子成熟時，小分子有機物轉化為大分子物質，以便于儲存，主要營養物質變化如下：
①可溶性糖類→不溶性糖類(如淀粉)。
②非蛋白質氮→蛋白質。
③糖類→脂肪。
2．種子萌發時有機物的變化
種子萌發時，儲存的大分子有機物在酶的作用下水解為小分子物質，作為幼胚生長的營養物質。
①淀粉麥芽糖葡萄糖。
②蛋白質氨基酸。
③脂肪甘油＋脂肪酸。
[素養評價]
1．用碘液、蘇丹Ⅲ染液和雙縮脲試劑測得甲、乙、丙三種植物的干種子中三大類有機物顏色反應如下表，其中“＋”的數量代表顏色反應深淺程度。下列有關說法錯誤的是(　　)
　 　試劑種類　　 碘液 蘇丹Ⅲ染液 雙縮脲試劑
甲 ＋＋＋＋ ＋＋ ＋
乙 ＋＋ ＋＋＋＋ ＋＋
丙 ＋ ＋＋ ＋＋＋＋
A．三種種子中乙種子蛋白質含量最高
B．碘液、蘇丹Ⅲ染液和雙縮脲試劑與相應的物質發生的顏色反應分別是藍色、橘黃色和紫色
C．在觀察顏色時有可能用到光學顯微鏡
D．這三種試劑的使用均不需要水浴加熱
解析：選A　分析表格可知，甲植物干種子中淀粉含量較高，乙植物干種子中脂肪含量較高，丙植物干種子中蛋白質含量較高。
2．油菜種子成熟過程中部分有機物的變化如下圖所示。將不同成熟階段的種子制成勻漿后檢測，檢測結果正確的是(　　)
選項 取樣時間 檢測試劑 檢測結果
A 第10 d 斐林試劑 不顯色
B 第20 d 雙縮脲試劑 不顯色
C 第30 d 蘇丹Ⅲ試劑 橘黃色
D 第40 d 碘液 藍色
解析：選C　第10 d有可溶性糖，不排除有還原糖的可能，故加入斐林試劑，水浴加熱后可能出現磚紅色沉淀；種子中一定有蛋白質，加入雙縮脲試劑后會出現紫色反應；第30 d種子中有脂肪，與蘇丹Ⅲ染液發生反應，呈現橘黃色；第40 d種子中無淀粉，加入碘液后不會呈現藍色。
3．小麥種子萌發時產生淀粉酶，將淀粉水解為麥芽糖、葡萄糖等。小麥種子萌發的最適溫度為30 ℃左右(此時產生淀粉酶的速度最快)。取適量小麥種子在20 ℃和30 ℃培養箱中培養4天后，作如下處理：
在3支試管中加入等量斐林試劑并加熱至50 ℃左右，搖勻后觀察試管中的顏色。結果是(　　)
A．甲呈藍色，乙呈磚紅色，丙呈無色
B．甲呈無色，乙呈磚紅色，丙呈藍色
C．甲、乙都呈磚紅色，丙呈無色
D．甲呈淺磚紅色，乙呈磚紅色，丙呈藍色
解析：選D　由“小麥種子萌發的最適溫度為30 ℃左右”可知，在30 ℃培養箱中萌發的種子產生的淀粉酶多于在20 ℃條件下萌發的種子產生的淀粉酶，因此乙試管中淀粉水解后產生的麥芽糖、葡萄糖等還原糖比甲試管中多，分別加入斐林試劑檢測，甲的顏色較乙淺。丙中沒有發生反應，呈現斐林試劑溶液的顏色，即藍色。
21世紀教育網 www.21cnjy.com 精品試卷·第 2 頁 （共 2 頁）
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